Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (4), 456-469.

Тиксотропна система на основі суміші гідрофільного та гідрофобного кремнеземів



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.456

V. V. Тurov, V. M. Gun'ko, T. V. Krupskaya, L. S. Andriyko, A. I. Marynin, V. N. Pasichnyi

Анотація


Частинки гідрофільного (А-300) та гідрофобного (АМ-1) кремнеземів, взаємодіючи між собою, утворюють вторинні структури, в яких проміжки між непористими наночастинками формують текстурні мезо- і макропори. При додаванні до цієї системи води в процесі механохімічної обробки відбувається утворення композитної системи, яка має тиксотропні властивості. Метою роботи було вивчення фазового стану та параметрів зв’язування води з поверхнею твердих частинок в системах, що складаються з двох частин гідрофільного і однієї частини гідрофобного кремнеземів при варіюванні вмісту води. Методами 1Н ЯМР спектроскопії, електронної мікроскопії, лазерної кореляційної спектроскопії, реологічних досліджень вивчено стан води та визначено її термодинамічні параметри, досліджено розподіл за діаметрами частинок композиту. Встановлено, що вода в міжчастинкових проміжках композиту          А-300/АМ1 знаходиться у вигляді поліасоціатів, які є аналогічними кластерам і доменам в рідкій воді. Показано, що при збільшенні концентрації води (від 1 до 4 г/г) в композиті підвищується його насипна густина, кількість сильнозв’язаної води та сумарна зміна її вільної енергії. Визначено, що для композитів з різною гідратацією спостерігаються схожі за виглядом розподіли по радіусах кластерів адсорбованої води, де ідентифікуються два максимуми при R = 5–7 і 20-30 нм, а велика частина води входить до складу кластерних структур, радіус яких становить 20–40 нм. Показано, що суспензія, приготована на основі суміші 2/1 гідрофільного і гідрофобного кремнеземів і 3 г/г води, в залежності від механічного навантаження, може перебувати в стані в’язкої рідини або вологого порошку і має високі тиксотропні властивості, які проявляються в розведених водних суспензіях. При диспергуванні у водному середовищі такий композит формує агрегати діаметром 80–100 і 200–1000 нм, що свідчить про інтенсивні міжчастинкові взаємодії. Енергія взаємодії поверхні наночастинок в композиті з водним середовищем збільшується від 12 до 18 Дж/г із зростанням вмісту води від 1 до 4 г/г. Під впливом навантаження зсуву в’язкість розведеної суспензії зменшується на порядок, а потім відновлюється на рівні, який перевищує вихідний майже в два рази. Встановлено, що отримана колоїдна система в водному середовищі необоротна і під впливом механічного навантаження в робочому циліндрі віскозиметра змінює свої в’язкісні властивості в бік збільшення.


Ключові слова


тиксотропні явища; метилкремнезем; гідрофільний кремнезем; зв'язана вода; 1Н ЯМР-спектроскопія

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Basic characteristics of Aerosil. Technical Bulletin Pigments. N 11. (Hanau: Degussa AG, 1997).

2. Chuiko A.A. Medical chemistry and clinical application of silica dioxide. (Kyiv: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].

3. Turov V.V., Gerashchenko I.I., Krupskaya T.V., Suvorova L.A. Nanochemistry in solving the problems of endo- and exoecology. (Stavropol: Zebra, 2017). [in Russian].

4. Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).

5. FAO/WHO Codex Alimentarius Commission List of Additives Evaluated for their Safety-in-Usein Food CAC/Fal 1-1973.

6. Krupska T.V., Gun'ko V.M., Protsak I.S., Kartel M.T., Turov V.V. Control of the thixotropic properties of aqueous suspensions containing hydrophilic and hydrophobic components. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 38. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.038

7. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Matkovsky E.M., Krupska T.V., Kartel M.T., Charmas B. Blends of amorphous/crystalline and hydrophobic amorphous nanosilica. J. Non-Cryst. Solids. 2018. 500: 351. [in Russian]. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.08.020

8. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of Hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171.

9. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water in hydrophilic components of complex systems. Colloids Surf., A. 2018. 552: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017

10. Somasundaran P. Encyclopedia of Surface and Colloid Science, Third Edition. (Boca Raton: Taylor & Francis, CRC Press, 2015). https://doi.org/10.1081/E-ESCS3

11. Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Goncharuk O.V., Andriyko L.S., Marynin A.I., Ukrainets A.I., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Influence of hydrophobization of fumed oxides on interactions with polar and nonpolar adsorbates. Appl. Surf. Sci. 2017. 423: 855. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.06.207

12. Gun'ko V.M., Turov V.V., Protsak I.S, Krupska T.V., Pakhlov E.M., Zhang D. Interfacial phenomena in composites with nanostructured succinic acid bound to hydrophilic and hydrophobic nanosilicas. Colloid Interface Sci. Commun. 2020. 35: 100251. https://doi.org/10.1016/j.colcom.2020.100251

13. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B. Water Interactions with Hydrophobic versus Hydrophilic Nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40): 12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

14. Gun'ko V.M., Turov V.V., Goncharuk O.V., Pakhlov E.M., Matkovsky O.K. Interfacial phenomena at a surface of individual and complex fumed nanooxides. Surface. 2019. 11(26): 3. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.003

15. Patent UA 138023. Krupska T.V., Turov V.V., Gun'ko V.M., Kartel M.T. Method of transferring a mixture of hydrophilic and hydrophobic silica into an aqueous medium by using high mechanical loads. 2019.

16. Patent UA 138129. Krupska T.V., Turov V.V, Kartel M.T. A method of converting hydrophobic silica into an aqueous medium by using high mechanical loads. 2019.

17. Kirsanov E.A., Matveenko V.N. Non-Newtonian behavior of structured systems. (Moscow: TECHNOSPHERE, 2016). [in Russian].

18. Nguyen C., Desgranges F., Roy G., Galanis N., Mare T., Boucher S., Anguemintsa H. Temperature and particle-size dependent viscosity data for water-based nanofluids - hysteresis phenomenon. Int. J. Heat Fluid Flow. 2007. 28(6): 1492. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.02.004

19. Cheng N.S., Law A.W.K. Exponential formula for computing effective viscosity. Powder Technol. 2003. 129(1-3): 156. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00274-7

20. Mahbubul I.M., Saidur R., Amalina M.A. Latest developments on the viscosity of nanofluids. Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. 55(4): 874. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.10.021

21. Masuda H., Ebata A., Teramae K., Hishinuma N. Alteration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra-fine particles (dispersion of -Al2O3, SiO2 and TiO2 ultra-fine particles). Netsu Bussei. 1993. 7(4): 227. https://doi.org/10.2963/jjtp.7.227

22. Humplik T., Lee J., O'Hern S.C., Fellman B.A., Baig M.A., Hassan S.F., Atieh M.A., Rahman F., Laoui T., Karnik R., Wang. E.N. Nanostructured materials for water desalination. Nanotechnology. 2011. 22(29): 292001. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/29/292001

23. Yamaguchi Y., Yasutake N., Nagaoka M. Theoretical Prediction of Proton Chemical Shift in Supercritical Water Using Gas-Phase Approximation. Chem. Phys. Lett. 2001. 340(1-2): 129. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00347-5

24. Schneider W.G., Bernstein H.J., Pople J.A. Proton Magnetic Resonance Chemical Shift of Free (Gaseous) and Associated (Liquid) Hydride Molecules. J. Chem. Phys. 1958. 28(4): 600. https://doi.org/10.1063/1.1744199

25. Kinney D.R., Chaung I-S., Maciel G.E. Water and the Silica Surface As Studied by Variable Temperature High Resolution 1H NMR. J. Am. Chem Soc. 1993. 115(15): 6786. https://doi.org/10.1021/ja00068a041

26. Hindman J.S. Proton Resonance Chemical Shifts of Water in Gas and Liquid State. J. Chem. Phys. 1966. 44(12): 4582. https://doi.org/10.1063/1.1726676

27. Hindman J.C. Nuclear Magnetic Resonance Effects in Aqueous Solutions of 1-1 Electrolytes. J. Chem. Phys. 1962. 36(4): 1000. https://doi.org/10.1063/1.1732625

28. Bukingham A.D., Schaefer T., Schneider W.G. Solvent Effects in Nuclear Magnetic Resonance Spectra. J. Chem. Phys. 1960. 32(4): 1227. https://doi.org/10.1063/1.1730879

29. Mihesan C., Ziskind M., Chazallon B., Focsa C., Destombes J.L. Formation of Large Water Clusters by IR Laser Resonant Desorption of Ice. Appl. Surf. Sci. 2005. 248(1-4): 238. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.03.026

30. Chaplin M. Water Structure and Behavior. http://www.lsbu.ac.uk/water/

31. Wiggins P.M. High and Low density Intracellular Water. Coll. Mol. Biol. 2001. 47(5): 735.

32. Gun'ko V.M., Turov V.V. Structure of Hydrogen Bonds and 1H NMR Spectra of Water at the Interface of Oxides. Langmuir. 1999 15(19): 6405. https://doi.org/10.1021/la9809372

33. Turov V.V., Gun'ko V.M. Clustered water and ways to use it. (Kyiv: Naukova Dumka, 2011). [in Russian].

34. Glushko V.P. Thermodynamic Properties of Individual Substances. (Moscow: Science, 1978).

35. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at the interface. (Kyiv: Naukova Dumka, 2009). [in Russian].

36. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (New York: Taylor & Francis, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202

37. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Leboda R., .Goncharuk E.V., Novza A.A., Turov A.V., Chuiko A.A. Unusual Properties of Water at Hydrophilic/Hydrophobic Interfaces. Adv. Colloid Interface Sci. 2005. 118(1-3): 125. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003

38. Aksnes D.W., Førland K., Kimtys L. Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3: 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n

39. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2009. 54(2): 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.456

Copyright (©) 2020 V. V. Тurov, V. M. Gun'ko, T. V. Krupskaya, L. S. Andriyko, A. I. Marynin, V. N. Pasichnyi

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0