Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания

новых материалов и технологий

к. ф.-м. н. Юрьев В.А., аспирант Пташкина Т.В., к. ф.-м. н. Козенков О.Д. д. ф.-м. н. Косилов А.Т.

Воронежский государственный технический университет

Способ создания водных суспензий углеродных

наноматериалов для электролитов

Одним из актуальных направлений современной гальванотехники является создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с наполнителем из частиц нерастворимых в электролите. В качестве наполнителей могут использоваться углеродные нанотрубки (УНТ) и ультрадисперсные алмазы (УДА). При этом возникает проблема обеспечения дисперсности этих частиц и их раздельного нахождения в матрице, поскольку УНТ проявляют склонность к агрегированию с образованием достаточно прочных сростков [1].

В настоящее время для разделения агрегированных частиц используют метод функциализации, который способствует не только разделению, но и обеспечивает эффективное переведение отдельных частиц в водные и органические растворы [2]. Однако этот метод имеет свои недостатки, в частности, наличие функциональных групп на УНТ, примесей ПАВ и растворимых полимеров, которые могут отрицательно сказываться на свойствах конечного продукта.

Широко используются и другие методы: ультразвуковое воздействие, кулоновский взрыв, сдвиг в пластичной среде, методы порошковой металлургии и т. д. [3].

В работе предложен способ получения водных суспензий УНМ – путем ударно-механической активации, позволяющей добиться появления в растворе частиц с размером в единицы нанометров в результате разделения агломератов и сростков УНМ [4].

С точки зрения дальнейшего применения водные суспензии УНМ являются наиболее перспективными, так как от воды легко избавиться путем выпаривания, а так же отсутствуют побочные продукты взаимодействия. Наряду с положительными качествами вода имеет недостаток по отношению к УНТ, в частности, трубки обладают гидрофобностью.

Первоначальные процесс коагуляции и седиментация в жидкости предотвращались с помощью ультразвуковой обработки, при этом происходило предварительное измельчение частиц УНТ. Далее проводилось от 10 до 100 циклов ударно-механической активации, посредством создания большого поперечного градиента скорости потока смеси вода-УНТ, за счет пропускания через тонкую трубку на стенку сосуда под избыточным давлением.

Количественно величина неоднородности скорости движения жидкости характеризуется ее градиентом скорости. Градиент скорости жидкости в цилиндре направлен от центра к стенкам цилиндра, а его величина максимальна у стенок и стремится к нулю вблизи центра. Кроме того, струя, выходящая из трубки, направлялась на стенку сосуда. В результате резкого изменения направления импульса струи возникают дополнительные градиентные потоки, приводящие к разделению частиц УНТ.

Данные о суспензии УНМ в воде получены исследованием растворов на спектрометре динамического и статистического рассеяния света «Photocor-Complex». Прибор позволяет определять гидродинамический радиус частиц в растворе и долю частиц определенного размера от общего числа частиц, охваченных световым пучком.

Изучено распределение частиц УНТ в воде по размерам в зависимости от числа ударно-механических активаций, изменение размера частиц и их процентного содержания от времени выдержки суспензии, прошедшей 70 циклов ударно-механической активации. Во всех случаях частицы УНТ разделялись по отдельным фракциям, причем количество фракций в зависимости от вида предварительной обработки изменялось от 2 до 5, но чаще всего составляло 3: первая фракция содержала мелкие частицы, вторая – средние, третья фракция – крупные частицы размером до 20 мкм. Более крупные частицы в водных растворах УНМ не обнаружены.

Полученные результаты можно обобщить следующим образом:

- предложенный способ разделения конгломератов наноразмерных частиц в растворах ударно-механической активацией обеспечивает их разделение на фракции, максимальный размер которых не превышает 20 мкм;

- при использовании ударно-механической активации появляются фрагменты с размерами в единицы нанометров, представляющие собой частицы аморфного углерода, графита и УНМ;

- с увеличением числа ударно-механических активаций доля наноразмерных частиц меняется мало, средних – растет, а крупных – падает;

- по мере падения концентрации частиц УНТ в воде процесс коагуляции замедляется, что приводит к установлению некоторого динамического равновесия между частицами различных фракций и их процентным содержанием;

- электронномикроскопическим исследованием процесса коагуляции частиц УНМ установлена стадийность образования агломератов, приводящая к разделению частиц на фракции в суспензии;

- прослежен процесс коагуляции УНТ, приводящий к образованию крупных агломератов, которые по достижении критического размера выпадают в осадок.

Результаты проделанной работы позволят лучше понять процессы, происходящие в водных суспензиях УНМ, управлять их свойствами, получать водные суспензии УНМ с заданными характеристиками, что имеет важное значение для создания композиционных наноматериалов модифицированных УНМ в процессе гальванического осаждения.

Литература

1. Елецкий А.В. Успехи физических наук, 167 (9), 1997.

2. Vaisman L, Wagner H.D., Marom G. Adv. Colloid Interface Sci., 37, 2006.

3. Раков Э.Г. Успехи химии, 69 (1), 2000.

4. Козенков О.Д., Юрьев В.А., Пташкина Т.В. Вестник ВГТУ, 7 (10), 2011.