Анализ эффективности способов синтеза нанокремнезема

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ СИНТЕЗА НАНОКРЕМНЕЗЕМА

Коровкин М.О., Володин В.М., Абрамов Д.А., Ерошкина Н.А., Зоткин А.Г.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства m_korovkin@mail.ru, n_eroshkina@mail.ru

Аннотация

Рассмотрены технологии получения нанокремнезема различными способами. Показано, что наиболее перспективными являются химические методы, в частности метод золь-гель технологии.

Это связано с высокой чистотой и однородностью продуктов реакции.

Ключевые слова: нанокремнезем, добавка, бетон, методы синтеза, золь-гель технология.

Annotation

ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF SYNTHESIS METHODS OF NANOSILICA

Korovkin M. O., Volodin V. M., Abramov D. A., Eroshkina N. A., Zotkin A. G.

Technologies for obtaining nanosilica by various methods were considered. It was shown that the most promising are the chemical methods, in particular the method of sol-gel technology. This is due to the high purity and homogeneity of the reaction products.

Keywords: nanosilica, additive, concrete, synthesis methods, sol-gel technology.

Успехи, связанные использованием нанотехнологий в различных отраслях [1, 6, 8] не остались не замеченным учеными, работающими в области строительного материаловедения. Развитие нанотехнологий в этой отрасли связано, прежде всего, с использованием минеральных кремнеземистых добавок, которые связывают гидролизную известь в гидросиликаты кальция [5, 9]. Благодаря более высокой удельной поверхности наночастиц эти добавки проявляют повышенную пуццолановую активность. Введение добавки нанокремнезема обеспечивает значительное повышение темпов набора прочности, долговечности и других эксплуатационных характеристик бетона. В настоящее время существует несколько технологий получения этой добавки, которые оказывают определяющее влияние на свойства бетона. Целью данной статьи является анализ опыта получения нанокремнезема различными методами.

Известны следующие способы производства нанокремнезема [1-7, 10]:

- плазменный синтез;

- химическое осаждение из газовой фазы;

- микроэмульсионный метод;

- метод термической активации;

- золь-гель технология;

- гидротермальный синтез;

- механическое измельчение.

Все эти методы можно разделить на физические и химические. К физическим методам относятся методы, связанные с помолом, термической обработкой, а к химическим - относятся методы, направленные на получение наноразмерных частиц кремнезема в результате химических реакций [7, 9].

Более широкое развитие в основном получили плазменный метод, эмульсионный и зольгель технология [1, 4, 6].

Микроэмульсионная технология получения кремнезема основана на растворении в органических растворителях молекул поверхностно-активных веществ в присутствии катализатора кремния и последующем выделении нанокремнезема [10]. Основными недостатками обратного микроэмульсионного метода являются высокая стоимость и трудности удаления поверхностно-активных веществ в продуктах реакции. Поэтому этот способ пока не получил достаточно широкого распространения.

Наночастицы кремнезема также могут быть синтезированы в результате высокотемпературного разложения металлоорганических соединений или в процессе конденсации паров [8]. По этой технологии порошкообразный нанокремнезем получают взаимодействием хлорида кремния SiCl4 с водородом и кислородом [11]. К недостаткам этого метода относят сложности управления размером частиц, структурой и фазовым составом [11]. химический нанокремнезем бетон эмульсионный

Наибольшее распространение приобрел метод получения нанокремнезема по золь-гель технологии в связи с высокой чистотой и однородностью продуктов реакции. Этот способ получения состоит из реакций гидролиза и конденсации тетраэтилортосиликата (ТЭОС или Si(OC2H5)4) или неорганических солей силиката натрия Na2SiO3 в присутствии катализаторов неорганических кислот HCl или оснований NH3 [9]. Основные стадии получения кремнезема по золь-гель технологии в соответствие с данными [2, 9, 10] представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Схема получения нанокремнезема

Продолжительность каждой стадии (рис.1) составляет от 1 до 3 часов. Как правило, гидролиз, старение и гелеобразование составляют от 1 до 1,5 часов, формирование коллоидного кремнезема и обжиг - 2-3 часа.

Согласно [1, 2, 4] при получении кремнезема по золь-гель технологии проходят следующие химические реакции:

Рисунок 2. Химические реакции при получении нанокремнезема

При гидролизе молекул тетраортосиликата образуются силанольные группы. В результате конденсации / полимеризации между силанольными группами или между силанольными группами и этоксильными группами образуются мостики силоксанов (Si-O-Si), которые формируют структуру диоксида кремния [1, 2, 4].

Образование частиц кремнезема происходит в 2 этапа: зародышеобразование и рост кристаллов.

Известно 2 модели механизма роста кристаллов: добавление мономеров и управление процессом агрегации частиц [1, 4, 7]. По первой модели после завершения усиленного зародышеобразования рост частиц происходит за счет введения гидролизованных мономеров на поверхность первичной частицы. По второй модели формирование зародышей происходит непрерывно на протяжении всей реакции, и в последствие они объединяются в более крупные частицы. В зависимости от условий реакции по обеим моделям можно получить частицы не только сферической, но и другой формы [1, 4].

Размер частиц нанокремнезема зависит от pH среды, в которой протекает синтез. Размер частиц увеличивается при повышении pH раствора [2, 9].

Технологии получения нанокремнезема физическими методами менее распространены, чем химические в связи с тем, что они энергозатратны и продолжительны по времени.

Эффективность применения методов получения нанокремнезема определяется размером синтезируемых частиц, их формой и реакционной активностью.

Одним из эффективных способов получения нанокремнезема является совместный метод измельчения кварцевого песка в шаровой мельнице и химической активации [7]. Для осуществления этого метода кварцевый песок промывается водой для удаления примесей, затем подкисляется для уменьшения содержания примесей металлов - оксидов железа и алюминия. Очищенный и влажный кварцевый песок высушивается при температуре 120°С в течение 1 часа. Высушенный песок просеивается через сито размером 300 мкм и измельчается в шаровой мельнице в течение 2 часов. Затем полученный порошок снова подкисляется, промывается водой для удаления возникших при помоле примесей железа и высушивается. Такая операция повторяется через каждые 2 часа до получения размерной фракции кремнезема около 50 нм. Полученный по данной технологии сферической формы нанокремнезем эффективно применять для повышения прочностных характеристик бетона и изготовления высокопрочного бетона. В частности, при дозировке нанокремнезема 6-8 % прочность на сжатие и растяжение бетона повысилась примерно на 30 и 23 %, соответственно [7]. Выводы

Анализ опыта получения нанокремнезема различными способами показывает, что наиболее перспективными являются химические методы его синтеза, в частности метод золь-гель технологии. Это связано, с высокой чистотой и однородностью продуктов реакции, возможностью управления синтезом. Физические методы, в сравнении с химическими, энергозатратны и трудоемки.

Список литературы

1. Bogush G. H., Tracy M. A., Zukoski C. F. Preparation of monodisperse silica particles: control of size and mass fraction // Journal of Non-Crystalline Solids. 1988. Vol. 104, No. 1. P. 95-106.

2. Hench L. L., West J. K.The Sol-Gel process // Chemical Reviews. 1990. Vol. 90, No. 1. P. 33-72.

3. Klabunde K. J. Nanoscale Materials in Chemistry. Wiley-Interscience, New York, NY, USA, 2001.

4. Matsoukas T., Gulari E. Dynamics of growth of silica particles from ammonia-catalyzed hydrolysis of tetra-ethylorthosilicate // Journal of Colloid and Interface Science. 1988. Vol. 124, No. 1, P. 252-261.

5. Rahman I. A., Padavettan V. Synthesis of Silica Nanoparticles by Sol-Gel: Size-Dependent Properties, Surface Modification, and Applications in Silica-Polymer Nanocomposites-A Review // Journal of Nanomaterials. 2012. Vol. 2012, Article ID 132424. 15 p.

6. Reverchon E., Adami R. Nanomaterials and supercritical fluids // Journal of Supercritical Fluids. 2006. Vol. 37, No. 1. P. 1-22.

7. Saleh N. J., Ibrahim R. I., Salman A. D. Characterization of nano-silica prepared from local silica sand and its application in cement mortar using optimization technique // Advanced Powder Technology. 2015. No.26. P. 1123-1133.

8. Silva G. A. Introduction to nanotechnology and its applications to medicine // Surgical Neurology. 2004. Vol. 61, No. 3. P. 216-220.

9. Singh L. P., Agarwal S. K., Bhattacharyya S. K. et al. Preparation of Silica Nanoparticles and Its Beneficial Role in Cementitious Materials // Nanomater. Nanotechnol. 2011. Vol. 1, No. 1. P. 44-51.

10. Tan T.T.Y., Liu S., Zhang Y. et al. Microemulsion preparative method (Overview) // Comprehensive Nanoscience and Technology. 2011. Vol. 5. P. 399-441.

11. Vansant E.F., Voort P.V.D., Vrancken K.C. Characterization and Chemical Modification of the Silica Surface. New York, NY, USA, Elsevier Science, 1995.

Размещено на Allbest.ru