Структура, стабільність і перколяційні властивості колоїдних композицій на основі багатошарових вуглецевих нанотрубок

РОЗДІЛ 2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Експериментальні методи дослідження водних суспензій НТ
2.1.1. Синтез багатошарових вуглецевих нанотрубок (НТ)
У дослідженнях використовували багатошарові вуглецеві НТ, отримані методом
хімічного осадження з газової фази [150]. Каталізатором слугував FeAlMo0.07.
Для відділення НТ від каталізатора та мінеральних добавок, одержаний продукт
обробляли розчином лугу (NaOH) для розчинення аеросилу, і соляною кислотою
(HCl) для розчинення оксидів металу. Після чого зразки фільтрували для
видалення надлишків кислоти. Залишки чорного порошку розбавляли, неодноразово,
дистильованою водою до значення pH дистильованої води. Залишкова масова
концентрація мінеральних добавок менша за 1%.
Знімки багатошарових вуглецевих НТ, отримані просвічуючим електронним
мікроскопом (ПEM, JEM 100 СХІІ, Токіо, Японія) при напрузі 100 кВ, зображені на
рисунку 2.1.1.
Рис. 2.1.1. Знімок багатошарових вуглецевих НТ, отриманий просвічуючим
електронним мікроскопом (ПEM).
Багатошарові НТ можна розглядати, як коаксіально вкладені графітові циліндри, з
відстанню між шарами 0,34 нм [26]. Представлений знімок НТ ПЕМ показує досить
явно різницю в діаметрах НТ та їх заплутаність.
Зовнішній діаметр нанотрубок dз становить близько 10-30 нм, а довжина –
приблизно десятки мікрометрів (мкм), в результаті аспектне співвідношення НТ
(відношення довжини до діаметру) змінюється від 100–1000. Внутрішній діаметр
нанотрубок dв змінюється від 3 до 7 нм.
Питома площа поверхні S НТ (виміряна за ГОСТ 23 401-90) становить 190 м2/г (±10
%). Питома електропровідність sн спресованого порошку НТ (при тиску 15 TПа)
вздовж осі стиснення складає 10,0 См/см і є значно нижчою за графіт (s=103–106
См/см) [151]. Густина НТ припускається тією ж самою, що і густина чистого
графіту, rc=2045 кг/м3.
2.1.2. Методика приготування та диспергування водних суспензій багатошарових
вуглецевих НТ
Для регулювання гідрофобних взаємодій, агрегації НТ у водному середовищі та
стабілізації системи використовували неіонні ПАР (Тритон Х-305, Тритон Х-100
CH3-C(CH3)2-CH2-C(CH3)2-C6H5-O-(CH2CH2O)nH, де n=30, 10, відповідно, Rohm &
Haas, США) (рис. 2.1.2), молярні маси яких МХ-305=1527,87, МХ-100=646 г/моль.
Критична точка міцелоутворення (ККМ) Тритон X-305 у воді при температурі 20°C
становить 10?3 моль/дм3 [152], а Тритон X-100 2,4-5,1•10-4 моль/дм3 [153].
Молярну концентрацію НПАР Сs в суспензіях нанотрубок змінювали від 0,01 до
0,00001 моль/дм3, а масову концентрацію НТ С від 0,001 до 3%. Сs визначали як
відношення кількості речовини НПАР до об’єму розчину, а С як відношення маси НТ
до загальної маси дисперсії. Вода була двічі дистильована, з питомою
електропровідністю 5 мкСм/см при 200C. Концентрація фонового електроліту KCl
складала 0,01М.
Отримані суспензії обробляли ультразвуком на протязі 30 хв. при частоті 22 кГц
та потужності 150 Вт. Задля запобігання перегріву суспензій при диспергуванні
ємність з суспензією при обробці ультразвуком поміщали в холодну водяну баню (0
– 4 оС).
Рис. 2.1.2. Структура Тритон X-305 (поліоксиетилен (30) 4-(1,1,3,3-тетра метил
бутил) феніл ефір).
Об’ємну долю суспензій НТ розраховували за формулою
(2.1)
де rв=1000 кг/м3 густина води, rн=2000 кг/м3 і С масова концентрація НТ у
водних суспензіях.
Диспергування НТ у воді проводили УЗДН-2T (Росія). Ультразвук є розповсюдженою
технікою для диспергування високо заплутаних чи агрегованих дисперсій НТ [152,
154], але тривалий час обробки ультразвуком приводить до утворення дефектів і
до зменшення довжини НТ [155].
2.1.3. Методика дослідження ізотерм адсорбції ПАР Тритон-Х-100 на поверхні НТ
Адсорбцію ПАР Тритон-Х-100 на багатошарових НТ проводили з водного середовища
шляхом неперервного струшування зразків у темряві впродовж 10 діб. Зважування
НТ здійснювали на аналітичних вагах з точністю 0,1 мг. Перед зважуванням НТ
підсушували до постійної ваги при температурі 105оС.
Концентрацію ПАР оцінювали за оптичною густиною максимуму переходу S1вимірювали за спектрограмами, що записували спектрофотометром Specord UV Vis
(Німеччина, JENA, Zeiss). Частину спектру, яку використовували задля цієї мети,
зображено на рисунку 2.1.3 (вставка). Оптична довжина кювет складала 5 см, в
каналі порівняння – вода.
Рис. 2.1.3. Графік калібровки для обчислювання концентрації ПАР. На вставці
показано частина S1за максимумом, що вказаний стрілкою.
Для побудови калібровочного графіку і обчислення концентрації ПАР зразки ПАР
готували ваговим методом. Графік зображено на рисунку 2.1.3, а калібровочне
рівняння має вигляд:
СЧ105 = 0,1485 l + 1,1Ч10-3 (моль/дм3)
(2.2)
де l – висота піку в мм, а середньоквадратичні відхилення коефіцієнту в першому
члені дорівнює 2,6Ч10-3, а середньоквадратична неточність другого члену
дорівнює 1,3Ч10-3.
2.1.4. Експериментальні методи вимірювання електропровідності та в’язкості
водних суспензій НТ
Вимірювання електропровідності. Електропровідність вимірювали використовуючи
міст змінного струму P-5068 (Tochelectropribor, завод «Росток», Київ, Україна)
при частоті 1кГц в комірці з двома вертикальними платиновими електродами з
площею поверхні 1 cм2. Електроди були виготовлені з платини, для зниження
поляризації опору, збільшення площі поверхні електродів і тим самим зменшення
густини протікаючого струму. Перед вимірюванням електропровідності зразки
ретельно перемішували на протязі 5 хвилин після чого поміщали в термостатовану
при 250С кондуктометричну комірку. Для кожного зразка, вимірювання проводили 5
разів. Точність вимірювання складала 5%.
Питому електропровідність суспензій НТ розраховували використовуючи форму