Написати автору Морфологія частинок та текстурні характеристики нанокремнезему, гідро-ущільненого при різних ступенях гідратації
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.01.003
Анотація
Морфологію часинок та текстурні характеристики нанокремнезему A–300, вихідного та гідро-ущільненого (cA–300, змочений водою у різній кількості у діапазоні h = 0.5–5.0 г на грам сухого кремнезему, механічно тренований і потім висушений), було проаналізовано з використанням низько-температурної ЯМР 1Н спектроскопії (треновані-висушені-змочені зразки), мало-кутового розсіяння рентгенівських променів, скануючої та трансмісійної електронної мікроскопії, інфрачервоної спектроскопії та адсорбції азоту (треновані-висушені-дегазовані зразки). Результати гідро-ущільнення нанокремнезему A–300 сильно залежать від величини h. Цей параметр можна змінювати для контролю реорганізації агрегатів непористих наночастинок (НПНЧ, що складаються зі щільно упакованих проточастинок чи зародків) та агломератів агрегатів (вторинні та третинні структури відповідно), як і видимих частинок (тобто є п’яти-рівнева ієрархія структур нанокремнезема з три-рівневою супра-НПНЧ структурою). Ущільнення супроводжується немонотонними змінами морфологічних та текстурних характеристик cA–300. Наночастинки зазнають значно менших змін на відміну супра-НПНЧ структур. При h £ 1 г/г реорганізація супра-НПНЧ структур не призводить до зменшення питомої поверхні (SБET); проте при h ³ 1.5 г/г величина SБET зменшується, але об’єм пор зростає попри те, що пустий об’єм у порошку зменшується з 21.8 cм3/г для вихідного A–300 (насипна густина rb = 0.045 г/cм3) до 3.45 cм3/г при ущільненні при h = 4.5 г/г (rb = 0.256 г/cм3). Текстурна реорганізація гідро-ущільненого нанокремнезему можлива і при повторному змочуванню. Це свідчить про те, що хімічні зв’язки між сусідніми НПНЧ практично не утворюються при гідро-ущільненні та наступній сушці. Тобто, гідро-ущільнений нанокремнезем втрачає здатність пилоутворення, але залишається активним щодо рухливості НПНЧ, наприклад, у водному середовищі, та зберігається можливість реорганізації супра-НПНЧ структур під дією зовнішніх чинників, що має певне практичне значення.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Hastie J.W. Materials Chemistry at High Temperatures. V. 1. Characterization. V. 2. Processing and Performance. (Clifton, New York: Humana Press, 1990).https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0481-7
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2008).
Bhushan B. Encyclopedia of Nanotechnology. (Dordrecht: Springer, 2012). https://doi.org/10.1007/978-90-481-9751-4
Basic characteristics of Aerosil fumed silica (4th ed.) Tech. Bull. Fine Particles 11. (Hanau: Evonik Industries, 2014).
Kulkarni P., Baron P.A., Willeke K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition. (New York: John Wiley & Sons, 2011). https://doi.org/10.1002/9781118001684
Büchel K.H., Moretto H.-H., Woditsch P. Industrial Inorganic Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2000). https://doi.org/10.1002/9783527613328
Xu R., Yan Xu Y. Modern Inorganic Synthetic Chemistry. (Elsevier: Amsterdam, 2017).
Auner N., Weis J. Oganosilicon Chemistry VI. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2005). https://doi.org/10.1002/9783527618224
Mueller R., Madler L., Pratsinis S.E. Nanoparticle synthesis at high production rates by flame spray pyrolysis. Chem. Eng. Sci. 2003. 58(10): 1969. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(03)00022-8
Camenzind A., Caseri W.R., Pratsinis S.E. Flame-made nanoparticles for nanocomposites. Nano Today. 2010. 5(1): 48. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2009.12.007
Teoh W.Y., Lutz M. Flame spray pyrolysis: An enabling technology for nanoparticles design and fabrication. Nanoscale. 2010. 2(8): 1324. https://doi.org/10.1039/c0nr00017e
Ensor D.S. Aerosol Science and Technology: History and Reviews. (Research Triangle Park, NC: RTI Press, 2011). https://doi.org/10.3768/rtipress.2011.bk.0003.1109
Babick F. Suspensions of Colloidal Particles and Aggregates. (Berlin: Springer, 2018).
Iler R.K. The Chemistry of Silica. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. (Chichester: Wiley, 1979).
Bergna H.E., Roberts W.O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006). https://doi.org/10.1201/9781420028706
Somasundaran P. Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Third Edition. (Boca Raton: CRC Press, 2015). https://doi.org/10.1081/E-ESCS3
Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).
Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202
Gun'ko V.M., Zarko V.I., Leboda R., Chibowski E. Aqueous suspensions of fumed oxides: particle size distribution and zeta potential. Adv. Colloid Interface Sci. 2001. 91(1): 1. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(99)00026-3
Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Goncharuk O.V., Pahklov E.M., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Interfacial phenomena at a surface of individual and complex fumed nanooxides. Adv. Colloid Interface Sci. 2016. 235: 108. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.06.003
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
Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J. Influence of structural organization of silicas on interfacial phenomena. Colloids Surf. A. 2016. 492: 230. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.12.030
Atkins D., Kékicheff P., Spalla O. Adhesion between colloidal silica as seen with direct force measurement. J. Colloid Interface Sci. 1997. 188(1): 234. https://doi.org/10.1006/jcis.1996.4751
Ding P., Orwa M.G., Pacek A.W. De-agglomeration of hydrophobic and hydrophilic silica nano-powders in a high shear mixer. Powder Technol. 2009. 195(3): 221. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.06.003
Dekkers S., Krystek P., Peters R.J.B., Lankveld D.P.K., Bokkers B.G.H., Van Hoeven-Arentzen P.H., Bouwmeester H., Oomen A.G. Presence and risks of nanosilica in food products. Nanotoxicology. 2011. 5(3): 393. https://doi.org/10.3109/17435390.2010.519836
Taylor P., Chen H., Zhou S., Gu G., Wu L. Modification and dispersion of nanosilica. J. Dispersion Sci. Technol. 2008. 25(6): 837. https://doi.org/10.1081/DIS-200035679
Biricik H., Sarier N. Comparative study of the characteristics of nano silica-, silica fume- and fly ash - incorporated cement mortars. Mater. Res. 2014. 17(3): 570. https://doi.org/10.1590/S1516-14392014005000054
Napierska D., Thomassen L.C.J., Lison D., Martens J.A., Hoet P.H. The nanosilica hazard: another variable entity. Part. Fibre Toxicol. 2010. 7(39): 1. https://doi.org/10.1186/1743-8977-7-39
Hashim A.A. Smart Nanoparticles Technology. (Rijeka, Croatia: InTech, 2012). https://doi.org/10.5772/1969
Irfan A., Cauchi M., Edmands W., Gooderham N.J., Njuguna J., Zhu H. Assessment of temporal dose-toxicity relationship of fumed silica nanoparticle in human lung A549 cells by conventional cytotoxicity and 1H-NMR-based extracellular metabonomic assays. Toxicol. Sci. 2014. 138(2): 354. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfu009
Eom H.-J., Choi J. Oxidative stress of silica nanoparticles in human bronchial epithelial cell, Beas-2B. Toxicol In Vitro. 2009. 23(7): 1326. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2009.07.010
Chang J.-S., Chang K.L.B., Hwang D.-F., Kong Z.-L. In vitro cytotoxicitiy of silica nanoparticles at high concentrations strongly depends on the metabolic activity type of the cell line. Environ. Sci. Technol. 2007. 41(6): 2064. https://doi.org/10.1021/es062347t
Brunner T.J., Wick P., Manser P., Spohn P., Grass N., Limbach L.K., Bruinink A., Stark W.J. In vitro cytotoxicity of oxide nanoparticles: comparison to asbestos, silica, and the effect of particle solubility. Environ. Sci. Technol. 2006. 40(14): 4374. https://doi.org/10.1021/es052069i
Koduru J.R., Karri R.R., Mubarak N.M., Bandala E.R. Sustainable Nanotechnology for Environmental Remediation. (Amsterdam: Elsevier, 2022).
Bhat R. Valorization of Agri-Food Wastes and By-Products. Recent Trends, Innovations and Sustainability Challenges. (Amsterdam: Elsevier, 2021).
Iqbal H., Bilal M., Nguyen T.A., Yasin G. Biodegradation and Biodeterioration at the Nanoscale. (Amsterdam: Elsevier, 2021).
Fu Q., Zhao X., Zhang Z., Xu W., Niu D. Effects of nanosilica on microstructure and durability of cement-based materials. Powder Technol. 2022. 404: 117447. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117447
Laím L., Caetano H., Santiago A. Review: Effects of nanoparticles in cementitious construction materials at ambient and high temperatures. J. Build. Eng. 2021. 35: 102008. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.102008
Rigby S.P., Fairhead M., van der Walle C.F. Engineering silica particles as oral drug delivery vehicles. Curr. Pharm. Des. 2008. 14(18): 1821. https://doi.org/10.2174/138161208784746671
Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213
Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Prykhod'ko G.P., Remez O.S., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. High-pressure cryogelation of nanosilica and surface properties of cryosilicas. Colloids Surf. A. 2013. 436: 618. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.07.036
Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Matkovsky A.K., Oranska O.I., Palyanytsya B.B., Remez O.S., Nychiporuk Y.M., Ptushinskii Y.G., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J. Cryogelation of individual and complex nanooxides under different conditions. Colloids Surf. A. 2014. 456: 261. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.05.045
Gun'ko V.M., Zarko V.I., Pakhlov E.M., Matkovsky A.K., Remez O.S., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J. Low-temperature high-pressure cryogelation of nanooxides. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2015. 74(1): 45. https://doi.org/10.1007/s10971-014-3575-2
Gun'ko V.M., Skubiszewska-Zięba J., Leboda R., Khomenko K.N., Kazakova O.A., Povazhnyak M.O., Mironyuk I.F. Influence of morphology and composition of fumed oxides on changes in their structural and adsorptive characteristics on hydrothermal treatment at different temperatures. J. Colloid Interface Sci. 2004. 269(2): 403. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2003.07.015
Gun'ko V.M. Interfacial phenomena: effects of confined space and structure of adsorbents on the behavior of polar and nonpolar adsorbates at low temperatures. Curr. Phys. Chem. 2015. 5(2): 137. https://doi.org/10.2174/187794680502160111093413
Gun'ko V.M., Mironyuk I.F., Zarko V.I., Voronin E.F., Turov V.V., Pakhlov E.M., Goncharuk E.V., Nychiporuk Yu.M., Kulik T.V., Palyanytsya B.B., Pakhovchishin S.V., Vlasova N.N., Gorbik P.P., Mishchuk O.A., Chuiko A.A., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Turov A.V., Leboda R. Morphology and surface properties of fumed silicas. J. Colloid Interface Sci. 2005. 289(2): 427. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.05.051
Gun'ko V.M., Voronin E.F., Nosach L.V., Turov V.V., Wang Z., Vasilenko A.P., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Mikhalovsky S.V. Structural, textural and adsorption characteristics of nanosilica mechanochemically activated in different media. J. Colloid Interface Sci. 2011. 355(2): 300. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.12.008
Gun'ko V.M., Voronin E.F., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Turov V.V., Pakhovchishin S.V., Pakhlov E.M., Guzenko N.V., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W., Chibowski S., Chibowski E., Chuiko A.A. Interaction of poly(vinyl pyrrolidone) with fumed silica in dry and wet powders and aqueous suspensions. Colloids Surf. A. 2004. 233(1-3): 63. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2003.11.024
Gun'ko V.M. Features of BET method application to various adsorbents. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2022. 13(3): 249. https://doi.org/10.15407/hftp13.03.249
Pujari P.K., Sen D., Amarendra G., Abhaya S., Pandey A.K., Dutta D., Mazumder S. Study of pore structure in grafted polymer membranes using slow positron beam and small-angle X-ray scattering techniques. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2007. 254(2): 278. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.11.052
Provencher S.W. A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations. Comput. Phys. Commun. 1982. 27(3): 213. https://doi.org/10.1016/0010-4655(82)90173-4
Brumberger H. Small Angle X-ray Scattering. (New York: Gordon & Breach, 1965).
Dieudonné P., Hafidi A.A., Delord P., Phalippou J. Transformation of nanostructure of silica gels during drying. J. Non-Cryst. Solids. 2000. 262(1-3): 155. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00687-0
Fairén-Jiménez D., Carrasco-Marín F., Djurado D., Bley F., Ehrburger-Dolle F., Moreno-Castilla C. Surface area and microporosity of carbon aerogels from gas adsorption and small- and wide-angle X-ray scattering measurements. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(17): 8681. https://doi.org/10.1021/jp055992f
Ares A.E. X-ray Scattering. (Rijeka, Croatia: InTech, 2017). https://doi.org/10.5772/62609
Gun'ko V.M. Various methods to describe the morphological and textural characteristics of various materials. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 317. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.317
Sternik D., Galaburda M., Bogatyrov V.M., Gun'ko V.M. Influence of the synthesis method on the structural characteristics of novel hybrid adsorbents based on bentonite. Colloids Interfaces. 2019. 3(1): 18. https://doi.org/10.3390/colloids3010018
Gun'ko V.M., Meikle S.T., Kozynchenko O.P., Tennison S.R., Ehrburger-Dolle F., Morfin I., Mikhalovsky S.V. Comparative characterization of carbon and polymer adsorbents by SAXS and nitrogen adsorption methods. J. Phys. Chem. C. 2011. 115(21): 10727. https://doi.org/10.1021/jp201835r
Gun'ko V.M. Morphological and textural features of various materials composed of porous or nonporous nanoparticles differently packed in secondary structures. Appl. Surf. Sci. 2021. 569: 151117. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151117
Kammler H., Beaucage G., Mueller R., Pratsinis S. Structure of flamemade silica nanoparticles by ultra-small-angle X-ray scattering. Langmuir. 2004. 20(5): 1915. https://doi.org/10.1021/la030155v
Hyeon-Lee J., Beaucage G., Pratsinis S.E., Vemury S. Fractal analysis of flame-synthesized nanostructured silica and titania powders using small-angle X-ray scattering. Langmuir. 1998. 14(20): 5751. https://doi.org/10.1021/la980308s
Simmler M., Meier M., Nirschl H. Characterization of fractal structures by spray flame synthesis using X-ray scattering. Materials. 2022. 15(6): 2124. https://doi.org/10.3390/ma15062124
Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. 6th edition. (New York: Wiley, 1997).
Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd ed. (London: Academic Press, 1982).
Gun'ko V.M. Textural characteristics of composite adsorbents analyzed with density functional theory and self-consistent regularization procedure. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(2): 163. https://doi.org/10.15407/hftp11.02.163
Gun'ko V.M. Composite materials: textural characteristics. Appl. Surf. Sci. 2014. 307: 444. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.055
McCool B., Murphy L., Tripp C.P. A simple FTIR technique for estimating the surface area of silica powders and films. J. Colloid Interface Sci. 2006. 295(1): 294. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.08.010
Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Infrared spectroscopy as a tool for textural and structural characterization of individual and complex fumed oxides. Vib. Spectrosc. 2017. 88: 56. https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2016.11.003
Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001
Strange J.H., Rahman M., Smith E.G. Characterization of porous solids by NMR. Phys. Rev. Lett. 1993. 71(21): 3589. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.3589
Kimmich R. NMR Tomography, Diffusometry, Relaxometry. (Heidelberg: Springer, 1997).
Gun'ko V.M. Features of the morphology and texture of silica and carbon adsorbents. Surface. 2021. 13(28): 127. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.127
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.01.003
Copyright (©) 2023 V. M. Gun’ko, V. V. Turov
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.