Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Серхачева Наталья Сергеевна

Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов
<
Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Серхачева Наталья Сергеевна. Полимерные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов: диссертация ... кандидата химических наук: 02.00.06 / Серхачева Наталья Сергеевна;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова"].- Москва, 2015.- 137 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Литературный обзор Проблемы создания полимерных материалов, содержащих наночастицыоксидов металлов 10

1.1 Наночастицы оксида цинка и диоксида титана: получение, структура и свойства 11

1.2 Получение высоко дисперсных эмульсий мономеров и синтез полимерных композиционных материалов 20

1.3 Свойства полимерных композиционных материалов, содержащих наночастицы оксида цинка и диоксида титана 32

Глава 2. Экспериментальная часть 35

2.1 Исходные реагенты 35

2.2 Методы исследования 36

2.2.1. Синтез наночастиц ZnO и ТЮ2 36

2.2.2 Получение дисперсий наночастиц ZnO и ТіОг в стироле 37

2.2.3 Синтез композиционных полистирольных микросфер в присутствии наночастиц ZnO и ТіОг 37

2.2.4 Определение коллоидно-химических свойств и структуры наночастиц и композиционных полистирольных микросфер 2.2.5 Определение сорбционной емкости наночастиц 42

2.2.6 Определение агрегативной устойчивости эмульсий стирола и дисперсий наночастиц в стироле 43

2.2.7 Измерение межфазного натяжения на границе раздела фаз методом Вильгельми 44

2.2.8 Определение свойств смешанных слоев додецилсульфата натрия и цетилового спирта на границе раздела вода/воздух методом Ленгмюра-Блоджетт 44

2.2.9 Измерение реологических параметров межфазных адсорбционных слоев 45

2.2.10 Определение конверсии мономера 49

2.2.11 Определение концентрации наночастиц в композиционных полистирольных микросферах методом термогравиметрического анализа...50

2.2.12 Изучение адсорбционных и антимикробных свойств композиционных полистирольных микросфер 50

Глава 3. Результаты и их обсуждение 52

3.1 Полимеризация стирола в высоко дисперсных эмульсиях в отсутствие неорганических наночастиц 54

3.2 Свойства высоко дисперсных эмульсий и межфазных адсорбционных слоев додецилсульфата натрия и цетилового спирта 61

3.2.1 Свойства высокодисперсных эмульсий, полученных в присутствии смеси до децил сульфата натрия и цетилового спирта 61

3.2.2 Свойства смешанных слоев до децил сульфата натрия и цетилового спирта на границе раздела вода/воздух 65

3.2.3 Реологические свойства межфазных слоев додецилсульфата натрия и цетилового спирта 70

3.3 Получение полистирольных суспензий с иммобилизованными наночастицами ZnO и ТЮ2 83

3.3.1 Синтез наночастиц ZnO и ТЮ2 и получение их дисперсий в стироле 83

3.3.2 Полимеризация стирола в высоко дисперсных эмульсиях в присутствии наночастиц ZnO и ТЮ2 99

3.4 Свойства композиционных полистирольных микросфер, полученных в присутствии наночастиц ZnO и ТЮ2 114

Заключение 121

Выводы 125

Список литературы

Получение высоко дисперсных эмульсий мономеров и синтез полимерных композиционных материалов

Анализ литературных данных показал, что наиболее «популярными» наночастицами являются частицы на основе углерода (нанотрубки, фуллерены, графен), наночастицы благородных металлов, оксидов металлов, оксида кремния и др.

Среди наночастиц оксидов металлов особое место занимают полупроводниковые материалы (ТЮ2, ZnO, ZnS, ZnSe, CdS, Fe203, Zr02, Ce02 и др.), а также наночастицы, обладающие антимикробными и адсорбционными свойствами.

В последние годы объем промышленного производства неорганических наночастиц составляет сотни тысяч тонн. В зависимости от условий синтеза наночастицы могут быть получены с различными свойствами, что зависит от их диапазона их размеров, разнообразной формы, морфологии, состава и типа кристаллической решетки.

В литературе описано множество различных способов получения наноразмерного оксида цинка, например, гидротермальный метод, термическое разложение. Они различаются тем, что полученные частицы ZnO имеют различную морфологию [3].

Основным преимуществом гидротермального метода является возможность направленного изменения морфологии получаемых частиц за счет варьирования температурного режима, продолжительности синтеза, концентрации обрабатываемых растворов, их кислотности (рН) и давления в системе [4].

Еще одним способом получения наночастиц ZnO является термическое разложение, которое позволяет получать частицы с размером от 30 до 60 нм. В качестве исходных реагентов используют нитрат цинка (Zn(N03)2) и карбонат аммония ((МЇ СОз), при интенсивном перемешивании их растворов формируется осадок гидрата гидрокарбоната цинка (Zn4C03(OH)6-H20), который разлагается при температуре 550 С до оксида цинка [5].

В настоящее время известно и множество способов получения наночастиц диоксида титана с различной морфологией, размерами частиц, пористостью [6]. Среди этих способов выделяют: гидролиз титансодержащих соединений, гидротермальный способ, сольвотермический метод, золь-гель метод, микроволновой способ, химическое и электрохимическое окисление титана.

При гидролизе титансодержащих соединений наиболее часто используют соли: хлорид титана [7], сульфат титанила [8] и алкоксиды титана, например, метоксид, этоксид, нормальный пропоксид, изопропоксид, нормальный бутоксид и изобутоксид титана [9].

Гидротермальный способ заключается в гидролизе прекурсоров диоксида титана, например изопропоксида титана, при высокой температуре [10]. Таким образом, в работе [11] были получены наночастицы со структурой стержня со средним размером от 20 до 70 нм в длину (рис. 1.1(1)).

Частицы сферической формы могут быть получены при использовании сольвотермического метода, где в качестве среды протекания реакции используют органические растворители, например, спирты [12]. В работе [13] для синтеза наночастиц ТЮ2 использовали в качестве прекурсоров алкоксиды титана, реакцию проводили в среде этанола при температуре менее 200 С в течение 2 часов. В результате были получены наночастицы со средним диаметром в диапазоне от 5 до 20 нм (рис. 1.1(2)).

Золь-гель метод заключается в гидролизе прекурсоров титана (алкоксидов титана), его поликонденсации, в результате которых образуется золь, содержащий гидроксид титана, гидротермальная обработка которого при контролируемой температуре и давлении приводит к образованию ТЮ2 [14]. К сожалению, авторы не указывают структуру образовавшихся частиц.

Микроволновой способ [15] основан на применении микроволнового излучения (диапазоном частот от 900 до 245 МГц) на исходную систему. Таким образом, был получен наноразмерный диоксид титана со смешанной модификацией и трубчатой структурой.

Отмечается [16], что наночастицы ZnO и ТіОг могут находиться в различных модификациях. Так, из литературных данных [17] известны три модификации оксида цинка: кубическая Рошелевская соль (рис. 1.1 (3)а), кубический цинковый сфалерит (рис. 1.1(3)6), гексагональный вюрцит (рис. 1.1(3)в).

Структуры кристаллического оксида цинка: (а) кубическая Рошелевская соль, (б) кубический цинковый сфалерит, (в) гексагональный вюрцит

Диоксид титана также имеет несколько модификаций. Наибольшее распространение получили следующие модификации ТЮ2: анатаз, рутил и брукит (рис. 1.1(4)) [18]. Рутил - самая термостабильная модификация диоксида титана. Физические свойства ТіОг зависят от его модификации: плотность для анатаза составляет 3,9 г/см , а для рутила - 4,3 г/см , температура плавления варьируется в диапазоне от 1830 до 1850 С, показатель преломления изменяется в диапазоне от 2,54 до 2,75. В интервале температур от 500 до 900 С анатаз может переходить в рутил [19]. a =9.1840, b =5.4470, с a =3.7845, с =9.5143А, a =4.5937, с =2.9587A,

Из литературы [20] известно, что среди полупроводниковых материалов диоксид титана обладает рядом преимуществ: термической и химической стойкостью, низкой стоимостью и отсутствием токсичности, что на протяжении десятилетий дало ему широкое применение в качестве белого пигмента. Для этих целей ТіОг используют в виде порошка со средним размером 250 - 350 нм [19].

Диоксид титана и оксид цинка обладают фотокаталитическими, адсорбционными, бактерицидными, появление которых объясняют наличием гидроксильных групп на их поверхности, обладающих высокой реакционной способностью [21]. При контакте поверхности этих оксидов с электролитами наблюдается высокая адсорбирующая способность и фотокаталитическая активность [22-24].

Фотокаталитические свойства В процессе фотокатализа полупроводниковый оксид облучают (при этом энергия возбуждения источника должна быть выше, чем энергия запрещенной зоны материала), что приводит к поглощению фотонов и переходу электрона (е ) из валентной зоны в зону проводимости (СВ), тем самым формируя в валентной зоне (VB) электронную «дырку» с положительным зарядом (h+): полупроводник + hv — 1I+VB + е св- Носители заряда могут мигрировать к поверхности наночастиц и инициировать вторичные реакции с поверхностью адсорбированных материалов. Например, фотовозбужденный электрон в зоне проводимости может реагировать с кислородом с образованием супероксидных или гидропероксидных радикалов и эти активные формы кислорода могут участвовать в разложении органических веществ [25].

Под действием ультрафиолетового облучения ( 400 нм) диоксид титана проявляет фотокаталитические свойства, которые позволяют его использовать при создании систем для очистки воды и воздуха от загрязнений. Фотокаталитические свойства наиболее ярко проявляются, когда диоксид титана находится в модификации анатаза [26] (рис. 1.1(5)).

Получение дисперсий наночастиц ZnO и ТіОг в стироле

Наночастицы оксида цинка синтезировали щелочным гидролизом соли цинка в изопропаноле согласно методике, описанной в [56].

Раствор гидроксида калия в изопропаноле готовили при интенсивном перемешивании в плоскодонной колбе, снабженной обратным водяным холодильником в течение 30 минут при 60 С. К раствору небольшими порциями при постоянном перемешивании приливали заранее приготовленный раствор дигидрата ацетата цинка в изопропаноле. Полученную суспензию перемешивали в течение 2 часов при 60 С, затем центрифугировали при 3000 об/мин в течение 10 минут. Полученный осадок многократно промывали смесью гексана с изопропанолом (массовое соотношение гексан/оксид цинка 2:1) для удаления побочных продуктов реакции. Очистку наночастиц оксида цинка от остаточного изопропанола проводили, промывая его ацетоном. Дисперсию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 10 минут, фугат сливали, а оксид цинка оставляли сушиться на воздухе.

Синтез наночастиц диоксида титана Гидролиз сульфата титанила Гидролиз сульфата титанила (TiOS04xxH2S04xyH20) проводили по методике, описанной в работе [57]. В термостойком стеклянном стакане при интенсивном перемешивании готовили водный раствор сульфата титанила с концентрацией 0.5 - 0.7 М. Температуру гидролиза изменяли в диапазоне от 80 до 95 С. Раствор перемешивали в течение 10-20 минут. Затем проводили коагуляцию полученных частиц, к раствору добавляли коагулянт - водный раствор 1,3 М хлорида калия. Осадок фильтровали и дважды промывали водой, чтобы избавиться от побочных продуктов реакции. Очистку наночастиц диоксида титана проводили, промывая его ацетоном, диоксид титана сушили в течение 2 часов при температуре 50 - 70 С.

Гидролиз тетрабутоксида титана Наночастицы ТЮ2 синтезировали гидролизом тетрабутоксида титана Ті(СНз-СН2-СН2-СН20)4 [58]. В стеклянном стакане при интенсивном перемешивании готовили раствор тетрабутоксида титана в этиловом спирте в массовом соотношении 1:7. К 100 мл раствора добавляли 0.32 мл водного раствора азотной кислоты с концентрацией кислоты 0.3 М. Полученный раствор перемешивали 2 часа при комнатной температуре. Затем раствор выдерживали в течение 7 суток до образования геля, который сушили в течение 24 часов при 50 С. Полученный порошок отжигали в течение 3 часов при 300 С.

Для получения дисперсии наночастиц в стироле к 0.5 г оксидов металлов добавляли 10 мл раствора олеиновой кислоты (Россия, ТУ 9145-002-51043152-2005) в стироле (Aldrich, 99.0 %) с концентрацией 0.095 М, после чего смесь подвергали ультразвуковому воздействию (установка Ultrasonic Processor фирмы Cole-Parmer Instruments, США; амплитуда ультразвуковой обработки 25% от максимально возможной - 70 кГц, общее время обработки варьировалось от 30 до 90 с, длительность импульса 10 с, время между импульсами 2 с).

Гетерофазную полимеризацию стирола в присутствии наночастиц оксидов металлов проводили в стеклянном реакторе HWS-Labortechnik объемом 100 мл, снабженным теплообменной рубашкой, якорной мешалкой из ПЭТФ (полиэтилентерефталат) с двигателем ПЭ-8310 (Экрос, Россия). Для получения высокодисперсной эмульсии отдельно готовили водную фазу и мономерную фазу, которая содержала наночастицы. При приготовлении водной фазы воду нагревали до 70 С и растворяли в ней эмульгатор (додецилсульфат натрия - ДСН) и со-ПАВ (цетиловый спирт -ЦС). Мономерная фаза представляет собой дисперсию наночастиц, стабилизированных олеиновой кислотой, получение которой описано выше. Далее мономерную фазу приливали к водной фазе при комнатной температуре, добавляли инициатор (персульфат калия - ПК) и применяли ультразвуковую обработку (амплитуда - 20%, общее время обработки 12.5 мин, длительность импульса 10 с, время между импульсами 2 с). Через теплообменную рубашку реактора с помощью ультратермостата DC 30 (НААКЕ, Германия) прокачивалась вода, температура которой поддерживалась на уровне 70 ± 0.5 С. В реактор была загружена приготовленная описанным выше способом высокодисперсная эмульсия, после чего включали перемешивание (300 об/мин) и фиксировали время начала полимеризации, которую проводили в течение 5 часов.

Определение коллоидно-химических свойств и структуры наночастиц и композиционных полистирольных микросфер

Определение структуры наночастиц и композиционных полистирольных микросфер методом рентгенографии

Наночастицы и композиционные полимерные микросферы характеризовали методом рентгенографии (дифрактометр HZG-4, графитовый плоский монохроматор, CuKa на дифрагированном пучке в пошаговом режиме: время набора импульсов 10 сек., величина шага 0.02; съемка на отражение в интервале углов 2 - 50 20). Качественный фазовый анализ образцов выполнен с использованием базы JCPDS PDF-2 и оригинальных работ. Размеры областей когерентного рассеяния (величина D, А) определяли по формуле Шеррера: D = 0.9A7(3cosG, где X длина волны: CuKa= 1.54178 A, 20 25 (ТЮ2) и 20 20 (полистирольных композиционных частиц с нано-Ті02), Р - ширина пика на половине высоты. Стандартное отклонение ± 5%. Содержание анатаза в образцах диоксида титана с рутилом рассчитывали по формуле: JCR,%=[1+0.65(IA/IR)]"1, JCA,%=100-JCR, где Ід и IR - соответственно интегральная интенсивность анатаза для отражения 101 и рутила для отражения ПО.

Определение свойств смешанных слоев додецилсульфата натрия и цетилового спирта на границе раздела вода/воздух методом Ленгмюра-Блоджетт

Для того чтобы оценить взаимное влияние ДСН и ЦС на их коллоидно-химические свойства была исследована модельная система, основанная на формировании тонких пленок этих ПАВ на поверхности водной субфазы.

Проведенные исследования методом Ленгмюра-Блоджетт позволяют на качественном уровне продемонстрировать эффективность использования смеси ПАВ с целью снижения поверхностного натяжения и образования полислойных надмолекулярных структур на межфазной границе при концентрировании компонентов.

Поведение ДСН и ЦС в монослоях на границе раздела вода-воздух было изучено по отдельности и в составе смеси путем исследования изотерм поверхностного давления (п-А) и поверхностного потенциала (AU-A). Морфология поверхностных слоев была визуализирована при помощи микроскопии под углом Брюстера непосредственно на водной поверхности. Было показано, что ДСН, ЦС и их смесь в концентрации до 1 мг мл"1, хорошо растворимы в изопропаноле, который был использован в дальнейшем в качестве растворителя. Температура эксперимента была максимально приближена к условиям полимеризации и равна 50 С.

Поскольку ДСН растворим в воде, при нанесении из раствора на межфазной границе формируется адсорбционный гиббсовский монослой. п-А и AU-A изотермы при его сжатии показаны на рисунке 3.2.2(1), кривые 1, 2. Получить его микрофотографии под углом Брюстера не удалось из-за сильной подвижности адсорбированной пленки ДСН на поверхности субфазы при 50 С. Практически одновременно с началом увеличения поверхностного давления (п) наблюдается резкий скачок величины поверхностного потенциала (AU) до 200 мВ в узком диапазоне площадей на молекулу ДСН, связанный с одинаковой ориентацией внутримолекулярных диполей в монослое. Дальнейшее сжатие монослоя ДСН между подвижными барьерами приводит к монотонному возрастанию пи AU. При экстраполяции линейного участка п-А изотермы к нулевому значению п была оценена площадь межфазной поверхности, приходящаяся на одну молекулу ДСН, которая была равна 50 А2. Это значение коррелирует с литературными данными, площадью ДСН 45 А2 [76], рассчитанной, исходя из значения умякс, полученного при обработке изотерм адсорбции.

На рисунке 3.2.2(1), кривые 3 и 4, приведены п-А и AU-A изотермы сжатия монослоя ЦС при 50 С. Рост п начинается при площади на молекулу ЦС, равной 22 А2, что тоже согласуется с литературными данными (21 А2 [77, 78]). Увеличение п свидетельствует о формировании монослоя ЦС на межфазной границе. Сжимаемость жидкоконденсированного монослоя ЦС составляет 0.10 ммН"1. Точка перегиба на п-А изотерме (рисунок 3.2.2(1), кривая 3) присутствует при п, равном 10 мН м"1 и площади, приходящейся на молекулу ЦС, равной 12.5 А2.

Согласно литературным данным [77, 78], при сжатии ленгмюровского монослоя ЦС происходит изменение фазового состояния пленки из жидкоконденсированного в твердое конденсированное состояние, при этом на п-А изотермах появляется перегиб при п около 10 мН м"1 в независимости от температуры субфазы. Площадь, приходящаяся на молекулу ЦС, соответствующая фазовому переходу, напротив, зависит от температуры. Так, согласно [78], при 20 С данный фазовый переход происходит при площади, приходящейся на молекулу ЦС, равной 19.5 А2, причем при увеличении температуры субфазы он смещается в область меньших площадей на молекулу.

Сжимаемость твердой конденсированной пленки ЦС составляет 0.0025 м мН"1. Изменение фазового состояния пленки происходит вследствие единообразного ориентирования углеводородных радикалов молекул ПАВ к поверхности воды и сильного их гидрофобного взаимодействия. Это приводит к образованию других надмолекулярных структур из молекул ПАВ в соответствии с диаграммой состояния системы ДСН-ЦС-вода (рис. 3(1)), что приводит увеличению толщины поверхностного слоя, регистрируемого методом микроскопии под углом Брюстера (рис. 3.2.2(2)), и, как следствие, уменьшению его сжимаемости. Коллапс монослоя ЦС происходит при сжатии до п = 43 мН м-1, в цикле сжатие-расширение наблюдается значительный гистерезис, а повторное сжатие не воспроизводит первое. Это означает, что при переходе в твердое конденсированное состояние формируется прочный, стабильный, структурированный слой ЦС, разрушение которого при избыточном давлении необратимо, и снятие напряжения не приводит к возвращению слоя в исходное состояние.

При сжатии монослоя ЦС наблюдается выраженный двухступенчатый рост AU (рисунок 3.2.2(1), кривая 4), причем его изменение коррелирует с фазовыми изменениями, наблюдаемыми для монослоя ПАВ. Одновременно с увеличением л происходит скачкообразное увеличение At/до ПОмВ. При сжатии пленки в жидкоконденсированном состоянии AU монотонно увеличивается до 190 мВ. После фазового перехода монослоя в твердое конденсированное состояние AU более резко возрастает до максимального значения, равного 355 мВ. Следует отметить, что AU-A изотерма для сжатия монослоя ЦС при 21 С, приведенная в работе [77], одноступенчатая, а максимальное значение AU составляет 400 мВ, что может быть обусловлено различной температурой субфазы при проведении эксперимента. п-А и AU-A изотермы (рисунок 3.2.2(1), кривые 5 и 6), полученные при сжатии ленгмюровского монослоя, сформированного на поверхности воды при 50 С после растекания раствора смеси ДСН/ЦС, взятой в мольном соотношении 1:2, построены от площади, рассчитанной на молекулу ЦС как нерастворимого в воде компонента. Форма кривых аналогична наблюдаемой при сжатии монослоя ЦС. Основное отличие изотерм, полученных для смеси, от изотерм, полученных для чистого ЦС, заключается в уменьшении площадей на молекулу, соответствующих формированию плотного монослоя, его фазовому переходу в твердое конденсированное состояние и коллапсу (таблица 3.2.2(1)).

Свойства высокодисперсных эмульсий, полученных в присутствии смеси до децил сульфата натрия и цетилового спирта

Исследования начали с определения условий получения устойчивых дисперсий наночастиц в мономере. В работе, выполненной совместно с Ширякиной Ю.М. и др, [95] были определены условия синтеза устойчивой дисперсии наночастиц ZnO в стироле. Концентрация ZnO 6.6 % масс, на мономер, максимальная концентрация частиц - 13.3 % масс, на мономер, концентрация олеиновой кислоты - 0.05 моль/л, параметры ультразвукового воздействия - амплитуда ультразвуковой обработки 25% от максимально возможной (70 кГц), общее время обработки 30 с, длительность импульса 10 с, время между импульсами 2 с.

Условия получения устойчивой дисперсии наночастиц ZnO и ТЮ2 в мономере различались. Необходимо было изучить зависимость концентрации наночастиц ТЮ2 в стирольной дисперсии от концентрации олеиновой кислоты. Эти исследования проводили при различной длительности ультразвукового воздействия (30, 60 и 90 с). К полученным дисперсиям наночастиц диоксида титана в стироле добавляли разное количество олеиновой кислоты, центрифугировали при 3000 об/мин и определяли концентрацию ТЮ2в супернатанте. Для образцов 1, 2, 3 и 4 были получены дисперсии с концентрацией олеиновой кислоты - 0.05 моль/л (1.8 % масс, в расчете на мономер). Наиболее устойчивую дисперсию удалось получить при длительности УЗ-воздействия - 90 с. Получить дисперсию образца 5 фирмы Degussa Р25 не удалось даже при увеличении концентрации олеиновой кислоты до 0.3 моль/л и длительности ультразвукового воздействия до 180 с, такой результат может быть связан с тем, что данный образец имеет в своем составе менее активную модификацию рутила. На рисунке 3.3.1(9) представлены полученные зависимости на примере образца 3 фирмы Hombifine N. 20 30 40 50

Рис. 3.3.1(9) Зависимость концентрации наночастиц диоксида титана (образец 3 (Hombifine N)) в супернатанте от количества олеиновой кислоты при длительности УЗ-обработки: 1 - 30 с; 2 - 60 с; 3 - 90 с На рисунке 3.3.1(10) представлены данные по изменению распределения наночастиц ТЮ2 (образец 1) между контактирующими водной и углеводородной (о-ксилол) фазами. Негидрофобизированные наночастицы ТЮ2 поместили в воду, наслоили на воду о-ксилол, углеводородную фазу, перемешали на магнитной мешалке. После расслоения фаз наночастицы ТЮ2 остались в воде. Такую же процедуру проделали с гидрофобизированными частицами, и все они перешли в о-ксилол, углеводородную фазу, что говорит об эффективной хемосорбции олеиновой кислоты на поверхности наночастиц диоксида титана и их гидрофобизации.

Аналогичные результаты были получены совместно с Ширякиной Ю.М в работе [75] для оксида цинка, когда в качестве углеводородной фазы использовали гексан (рис. 3.3.1(11)).

Фотографии распределения наночастиц ZnO между водной и углеводородной (гексан) фазами после перемешивания: а) негидрофобизированные наночастицы ZnO; б) гидрофобизированные наночастицы ZnO [75]

Гравиметрически была определена концентрация ZnO и ТЮ2 (образец 1) в верхней (о-ксилол) и нижней (вода) фракции. Таким образом, была оценена степень экстракции частиц из водной фазы в о-ксилол. По результатам, приведенным в таблице 3.3.1(4), видно, что гидрофобизация поверхности наночастиц обоих оксидов проведена эффективно. Таблица 3.3.1(4) Значения величин концентраций наночастиц ZnO и ТЮ2 (образец 1) в водной и углеводородной фазах

В таблице 3.3.1(5) приведено значение межфазного натяжения при 70 С на границах вода/стирол, содержащего гидрофобизированные олеиновой кислотой наночастицы диоксида титана (образец 1) и оксида цинка [96]. Межфазное натяжение на границе вода/стирол в присутствии гидрофобизированных наночастиц ТЮ2 было равно 33.7 мН/м, а в присутствии ZnO - 30.5 мН/м, что ниже наблюдаемого на границе вода/стирол (36.6 мН/м). Таким образом, исследуемые наночастицы обладают поверхностно-активными свойствами и на границе вода/стирол, содержащего частицы оксидов металлов, межфазное натяжение было ниже наблюдаемого на границе вода/стирол. Таблица 3.3.1(5) Значения межфазного натяжения при различном составе системы при 70 С

Схема проведения гетеро фазной полимеризации стирола, содержащего наночастицы оксида цинка или диоксида титана, представлена на рисунке 3.3.2(1) [97]. В результате были получены полимерные композиционные микросферы со средним диаметром порядка 65 нм (рис. 3.3.2(2)).

Синтезировать по этой рецептуре полимерные композиционные микросферы, содержащие наночастицы диоксида титана, не удалось. В связи с этим, возникла необходимость найти условия их синтеза, для чего необходимо было изучить кинетические закономерности полимеризации стирола в присутствии наночастиц диоксида титана.

На рисунке 3.3.2(4) показаны кинетические кривые конверсия-время, полученные при полимеризации стирола в присутствии наночастиц диоксида титана, различающихся морфологией и размерами частиц. Видно, что во всех случаях скорость полимеризации в присутствии ТЮ2 меньше наблюдаемой в его отсутствие. Наибольшая скорость полимеризации наблюдалась в присутствии образцов 1 и 2 с морфологией п- ТіОг, гидратированного ТіОг и рентгеноаморфного ТЮ2, соответственно. Самая маленькая скорость полимеризации наблюдалась в присутствии образца 4, имеющего морфологию анатаза и гидратированного ТіОг. В присутствии образцов 3 и 4 максимальная конверсия не превышала 80 %. Графики зависимость конверсии мономера от времени в присутствии ТЮ2 с различной морфологией (3.3 % масс, в расчете на мономер) : 1 - в отсутствие ТЮ2; 2 - рентгеноаморфный ТЮ2; 3 - п-ТіОг + гидратированный ТЮ2; 4 - анатаз; 5 - анатаз + гидратированный ТЮ2. Температура - 70 С, концентрации ПК - 2 % масс, в расчете на мономер, концентрации ДСН - 3 % масс, в расчете на мономер, мольное соотношение ДСН/ЦС = 1:2, УЗ-обработка - амплитуда - 20%, общее время обработки 12.5 мин, длительность импульса 10 с, время между импульсами 2 с

Влияние концентрации наночастиц диоксида титана на скорость полимеризации изучали в присутствии наночастиц ТіОг с морфологией анатаза (образец 3 (Hombifme N)), при концентрации в стироле, равной 3.3 и 6.6 % масс, в расчете на мономер. С увеличением концентрации ТіОг скорость полимеризации уменьшается.

Графики зависимость конверсии мономера от времени при различной концентрации ТЮ2 (образец 3 (Hombifine N)) (% масс, в расчете на мономер) : 1 - 0; 2 - 3.3; 3 - 6.6. Температура - 70 С, концентрации персульфата калия - 2 % масс, в расчете на мономер, концентрации ДСН - 3 % масс, в расчете на мономер, мольное соотношение ДСН/ЦС = 1:2, УЗ-обработка - амплитуда - 20%, общее время обработки 12.5 мин, длительность импульса 10 с, время между импульсами 2 с

Полученные результаты были сравнены с данными, наблюдаемыми при полимеризации стирола в присутствии наночастиц оксида цинка при тех же условиях [96] (рис. 3.3.2(6)). Оказалось, что полимеризация в присутствии наночастиц ТіОг протекает с меньшей скоростью по сравнению с наблюдаемой в присутствии наночастиц ZnO. Для того, чтобы объяснить полученные результаты был изучен фазовый состав композиционных полистирольных микросфер (табл. 3.3.2(1)).