РОЗДІЛ 2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. ОБ’ЄКТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1.1. Глинистий мінерал монтморилоніт (ММТ)
Монтморилоніт – природний глинистий мінерал ламінарної структури, який
складається із алюмосилікатних кристалів (пакетів) та катіонів, що заповнюють
міжкристальний (міжшаровий) простір. На рис. 2.1 наведена мікрофотографія
наночастинок штучно синтезованого монтморилонітового глинистого мінералу
«Клейтон». Мікрофотографія зроблена за допомогою електронного мікроскопу при
збільшенні 20000*[27]. Видно, що наночастинки мають складну структуру.
Рис. 2.1. Електронна мікрофотографія монтморилоніту «Клейтон».
Теоретична формула натрієвої форми ММТ має вигляд Nak(ОН)4Si8Al4lO16ЧnH2O.
Кристалографічна структура цього мінералу на даний час добре досліджена та
описана в спеціальній літературі. Пакет ММТ (рис. 2.2) складається з двох
кремнійкисневих тетраедрів, між якими розташовується шар алюмокисневих
октаедрів. Шари пакета об’єднуються спільними атомами кисню, за рахунок чого
формується міцний зв’язок між шарами. Атоми кисню, які не використовуються в
міжшаровому зв’язку, компенсуються атомами водню, при цьому утворюється
гідроксильна група. Атоми алюмінію в середині октаедрів і кремнію в тетраедрах
можуть бути заміщені рівноцінними по валентності атомами інших елементів.
а)
б)
в)
Рис. 2.2. Схематичне зображення будови кристалу ММТ: (а) – тетраедри Si-O та
октаедри Al-O (б) – шари, (в) – структура пакету.
Ступінь заміщення і склад оксидів в пакеті є якісною характеристикою конкретних
покладів глинистого мінералу. В даній роботі був застосований ММТ Асканського
родовища (Грузія). Валовий хімічний склад (в %) цього монтморилоніту наведено в
таблиці 2.1.
Таблиця 2.1. Валовий хімічний склад Асканського монтморилоніту.
SiO2
TiO2
P2O5
Al2O3
Fe2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
62.32
0.42
0.37
19.10
2.75
0.58
0.06
4.87
1.19
2.97
0.59
Пакети ММТ мають форму „листа” товщиною 1 нм і шириною/довжиною 25 – 1000 нм.
Площина, перпендикулярна до товщини пакету, називається базальною, а паралельна
до товщини – торцевою. Пакети електростатично незбалансовані. Іонна структура
ММТ показана на рис. 2.3. Базальна поверхня наночастинки глинистого мінералу
має від’ємний заряд, торцева ж площина – додатній. Надлишок від’ємного заряду
на базальних поверхнях компенсується катіонами різного роду, завдяки чому
формується регулярна шарова структура, яка складається із кристалів ММТ і
катіонів, що компенсують заряд. У випадку, якщо надлишковість зарядів
компенсується органічними катіонами поверхневоактивних речовин, ГМ має назву
органоглини (ОГ).
6 O2-
12-
Катіони
6 O2-
12-
4 Si+
16+
4 O2-
+ 2 OH-
10-
4 Al3+
12+
4 O2-
+ 2 OH-
10-
4 Si+
16+
6 O2-
12-
Катіони
6 O2-
12-
Рис. 2.3. Схематичне зображення розрахунку іонного заряду поверхні наночастинки
на основі зарядів елементів структури.
Простір, який займають заряди для компенсації, називається міжшаровим, або
галереями. На даний час розроблені методики, що дозволяють отримувати ГМ з
певним наперед заданим типом катіонів. У світі існує промислове виробництво ГМ
[84].
2.1.2. Модифікатори – поверхневоактивні речовини (ПАР)
В якості модифікаторів для отримання органоглини були використані ПАР – хлориди
четвертинних амонієвих лугів: октадецилбензилдиметиламоній хлорид (ОБДМ,
[C18H37N(CH3)2CH2C6H5]CI-, фірми "Armour Hess Co", Англія), та
диоктадецилдиметиламоній хлорид (ДОДМ, [(CH3)2N(C18H37)2]CI-, "BASF", ФРГ).
Структурні формули зображені на рис. 2.4.
октадецилбензилдиметиламоній хлорид
диоктадецилдиметиламоній хлорид
Рис. 2.4. Схематичне зображення структурних формул модифікаторів ГМ.
Для модифікування ММТ були обрані саме ці ПАР, оскільки їх молекули
відрізняються тільки одним фрагментом: замість одного С18Н37-ланцюжка в ДОДМ в
молекулі ОБДМ міститься бензильна група С6Н5СН2. Ми припускаємо, що наявність
бензольного кільця може підвищити хімічну спорідненість наночастинок ММТ,
модифікованих ОБДМ (в порівнянні з ДОДМ), до молекул 5СВ, до складу яких також
входять бензольні кільця. Ступінь спорідненості компонентів в композитах має
впливати на процеси структуроутворення в них і, внаслідок цього, на їх
електрооптичні властивості.
В розчинах органічні четвертинні амонієві солі існують тільки у вигляді іонів і
є сильними лугами [95]. Їх катіони одночасно мають гідрофобний вуглеводний
ланцюг і гідрофільний амін. У водних розчинах відбувається притягання
вуглецевих ланцюгів і одночасно виштовхування їх із розчину [96, 97]. Полярна
частина катіона при цьому має здатність до гідратації. Таким чином, при
досягненні концентрації, величина якої перевищує критичну концентрацію
міцелоутворення (ККМ), катіони починають формувати міцелоподібні структури.
Модифікування ММТ проводиться при концентраціях, менших за концентрацію
міцелоутворення.
В таблиці 2.2 приведені основні фізико-хімічні характеристики катіонних ПАР,
використаних в дослідженні:
Таблиця 2.2. Фізико-хімічні характеристики досліджених катіонних ПАР
Найменування ПАР
(умовна позначка)
Хімічна формула
Середня молекулярна маса
ККМ,
моль/дм3
Ефективна молекулярна площадка, wр A2
ОБДМ
[C18H37 N CH2C6H5(CH3)2]+CI-
423.5
2.3 х 10-4
165
ДОДМ
[(CH3)2 N (C18H37)2]+CI-
585.1
0.4 х 10-4
240
2.1.3. Рідкий кристал 4’-пентил-4-ціанобіфеніл (5СВ)
4’-пентил-4-ціанобіфеніл (5СВ) – класичний модельний РК. Він належить до
гомологічного ряду ціанобіфенілів (nCB) з добре вивченими фізико-хімічними
властивостями і має зручний для дослідження температурний інтервал нематичної
фази [98]. На рис. 2.5 показана структурна формула РК 5СВ.
Р
- Київ+380960830922