Властивості композитних систем на основі поліметилсилоксану та кремнезему у водному середовищі

  • Т. В. Крупська Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • В. М. Гунько Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • І. С. Процак Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • І. І. Геращенко Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • А. П. Головань Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • Н. Ю. Клименко Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • В. В. Туров Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • М. Т. Картель Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
Ключові слова: гідрофільний кремнезем, поліметилсилоксан, композитні системи, низькотемпературна ЯМР-спектроскопія, сильно- і слабозв’язана вода, сильно- і слабоасоційована вода, механоактивація, гідратація, мікрокоагуляція

Анотація

Досліджено формування композитної системи на основі рівних кількостей гідрофобного, пористого поліметилсилоксану і гідрофільного нанокремнезему А-300. Показано, що при формуванні композитної системи питома поверхня матеріалу істотно знижується, що пов'язано з тісним контактом між гідрофобними та гідрофільними частинками. При додаванні до композитної системі води, в процесі гомогенізації в умовах дозованого механічного навантаження, проявляється ефект нанокоагуляціі − формування нанорозмірних частинок гідратованого кремнезему всередині поліметилсилоксанової матриці, що реєструються на ТЕМ-мікрофотографіях. При вимірюванні величини міжфазної енергії ПМС і композиту ПМС/А-300 методом низькотемпературної 1Н ЯМР-спектроскопії, встановлено, що ефект нанокаоагуляціі проявляється в зменшенні (в порівнянні з вихідним ПМС) енергії взаємодії води з поверхнею композиту, отриманого в умовах малих механічних навантажень, і його зростання при використанні високих механічних навантажень.

В процесі роботи вивчено зв'язування води в гетерогенних системах, що містять ПМС, пірогенний нанокремнезем (А-300), воду і поверхнево-активні речовини – декаметоксин (ДМТ). Композитні системи створювалися при використанні дозованих механічних навантажень. Показано, що при заповненні міжчастинкових зазорів ПМС способом гідроущільнення, міжфазна енергія води в міжчастинкових зазорах гідрофобного ПМС при однаковій гідратованості вдвічі перевершує міжфазну енергію води в гідрофільному кремнеземі A-300. Це пов'язано з меншими лінійними розмірами міжчастинкових зазорів в ПМС в порівнянні з A-300. У композитної системі, A-300/ПМС/ДМТ/Н2О спостерігаються неадитивності зростання енергії зв'язування води, які, ймовірно, обумовлені формуванням, під впливом механічного навантаження в присутності води, мікрогетерогенних ділянок, що складаються переважно з гідрофобної та гідрофільної компонент (мікрокоагуляція). Таким чином, за допомогою механічних навантажень можна керувати адсорбційними властивостями композитних систем і таким способом створювати нові матеріали, що мають унікальні адсорбційні властивості.

Посилання

1. Ulrich G.D. Theory of particle formation and growth in oxide synthesis flame. Combust. Sci. Technol. 1971. 4: 47. https://doi.org/10.1080/00102207108952471

2. Stark W.J., Pratsinis S.E. Aerosol flame reactors for manufacture of nanoparticles. Powder Technol. 2002. 126: 103. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00077-3

3. Tsantilis S., Pratsinis S. E. Soft- and hard-agglomerate aerosols made at high temperatures. Langmuir. 2004. 20: 5933. https://doi.org/10.1021/la036389w

4. Slynyakova I.B., Denisova T.I. Silicaorganic sorbents: recieve, properties, application. Kiev: Naukova dumka. 1988: 190. [in Russian].

5. Shevchenko Y.N., Dushanin B.M., Yashinina N.I. New silicon compounds- porous organosilicon matrics for technology and medicine. Silicon for chemistry industry. 1996. p.114.

6. Patent RU 2111979. Shevchenko Yu.N., Dushanin B.M., Polyanskiy A.V., Yashyna N.I. Methylsilics acid hydrogels as sorbents midlmolecular methabolites and method of its recieved. 1998. [in Russian].

7. Volokhonskiy I.A., Pokrasen N.M., Turov V.V. Selective adsorbtion of blood plasma proteins using silicaorganic sorbents. Ukr. him. gurnal. 1992. 58(8): 640. [in Russian].

8. Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Gerashchenko I.I., Turova A.A., Mironyuk I.F., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W. Comparative characterization of polymethyl siloxane hydrogel and silylated fumed silica and silicagel. Journal of colloid and interface science. 2007. 308(1): 142. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.053

9. Michele Negri. Basic Characteristics of Aerosil in Technical Bulletin Pigments. 2016. 11: 1.

10. Chuiko A.A. (Ed.) Medical chemistry and clinical application of silica. Kiev: Naukova Dumka. 2003: 416. [in Russian].

11. Turov V.V., Gerashenko I.I., Krupskaya T.V., Suvorova L.A. Nanochemistry in decision of endo- and ekzoekology problems. Stavropol: Zebra. 2017: 315.[in Russian].

12. Legrand A.P. (Ed.) The surface properties of silicas. NY: Wiley. 1998: 494.

13. FAO/WHO Codex Alimentarius Commission List of Additives Evaluated for their Safety-in-Use in Food CAC. Rome. 1978: 90.

14. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B. Water interaction with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34:12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

15. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Matkovsky E.M., Krupska T.V., Kartel M.T., Charmas B. Blends of amorphous/crystalline and hydrophobic amorphous nanosilica. J. Non-Crystalline Solids. 2018. 500: 351. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.08.020

16. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of Hydro-compacted nanosilica. Applied Surface Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

17. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water in hydrophilic components of complex systems. Colloid and Surf. A. 2018. 552: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017

18. Nikolaev V.G. Enterosgel: a novel organosilicon enterosorbent with a wide range of medical applications. Biodefence. 2011. p.199. https://doi.org/10.1007/978-94-007-0217-2_21

19. Nikolaev V., Mikhalovsky S., Gurina N. Modern enterosorbents and mechanisms of their action. Efferentnaya Therapiya. 2005. 4: 3.[in Russian].

20. Maev I.A., Shevchenko Yu.N., Petukhov A.B. Clinical use of the drug Enterosgel in patients with pathology of the digestive system. New approaches to therapy. Guidelines. Мoscow. 2000. [in Russian].

21. Turov V.V., Mironiuk I.F. Adsorption layers of water on the surface of hydrophilic, hydrophobic and mixed silicas. Colloid and Sirf. A. 1998. 134: 257. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(97)00225-2

22. Emsley J.W., Feenej J., Sutcliffe L.H. High resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy. Oxford: Pergamon Press. 1965. p. 60.

23. Hindman J.C. Proton resonance shift of water in the gas and liquid states. J. Chem. Phys. 1966. 44: 4582. https://doi.org/10.1063/1.1726676

24. Kinney D.R., Chaung I-S., Maciel G.E. Water and the silica surface as studied by variable temperature high resolution 1H NMR. J. Am. Chem Soc. 1993. 115: 6786. https://doi.org/10.1021/ja00068a041

25. Turov V.V., Gun'ko V.M., Turova A.A., Morozova L., Voronin E.F. Interfacial behavior of concentrated HCl solution and water clustered at a surface of nanosilica in weakly polar solvents media. Colloids Surf. A:Physicochem. Eng. Aspects. 2011. 390: 48. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.08.053

26. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Protsak I.S., Borysenko M.V., Pachlov E.M. Polymethylsiloxane alone and in composition with nanosilica under various conditions. J. Cоlloіd and Interface Sci. 2019. 541: 213-225. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.01.102

27. Turov V.V., Gun'ko V.M. Clustered water and ways of its application. Kiev: Naukova dumka. 2010: 313. [in Russian].

28. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at interface. Кiev: Naukova dumka. 2009: 694. [in Russian].

29. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Leboda R., Goncharuk E.V., Novza A.A., Turov A.V., Chuiko A.A. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces. Adv. Colloid Interface Sci. 2005. 118: 125. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003

30. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear magnetic resonance studies of interfacial. Phenomena, CRC Press, Boca Raton. 2013: 1040. https://doi.org/10.1201/b14202

31. Krupskaya T.V., Turov V.V., Barvinchenko V.N., Filatova K.O., Suvorova L.A., Iraci G., Kartel M.T. Influence of the "wetting-drying" compaction on the adsorption characteristics of nanosilica A-300. Adsorption Sci. & Technol. 2017. 36: 300. https://doi.org/10.1177/0263617417691768

32. Patent UA 105151. Krupska T.V., Turov V.V., Barvinchenko V.M., Filatova K.O., Suvorova L.A., Kartel M.T. The method of nanosilica compaction. 2016. [in Ukrainian].

33. Aksnes D.W., Forl K., Kimtys L. Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3: 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n

34. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: principles, applications and potential. Progr. NMR Spectroscopy. 2009. 54: 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001

35. Glushko V.P. (Eds) Thermodynamic properties of individual substances. Moscow: Nauka.1978: 495. [in Russian].

36. Mchelovodov-Petrosyan M.O., Lebid V.I., Glazkova O.M., Lebid O.V. Colloidal chemistry. Kharkiv: KhNU by V.N. Karazina. 2012: 500. [in Ukrainian].

37. Deryagin B.D. Stability of colloidal systems (theoretical aspect). Advances in chemistry. 2007. 43(3): 675.

38. Muller V.M. The theory of reversible coagulation. Colloid journal. 1996. 58(5): 634.

39. Efremov I.F. Periodic colloidal structures. Leningrad: Khimiya. 1971: 192. [in Russian].

40. Frolov Yu.G. Colloidal chemistry course. Surface phenomena and disperse systems. Moscow: Khimiya. 1982: 400. [in Russian].

41. Chaplin M.F. A proposal for structuring of water. Biophys. Chem. 1999. 83: 211. https://doi.org/10.1016/S0301-4622(99)00142-8

42. Wiggins P.M., MacClement B.A.E. Two states of water found in hydrophobic clefts: their possible contribution to mechanisms of cation pumps and other enzymes. Internat. Rev. Cytol. 1987. 108: 249. https://doi.org/10.1016/S0074-7696(08)61440-0

Опубліковано
2020-12-03
Як цитувати
Крупська, Т. В., Гунько, В. М., Процак, І. С., Геращенко, І. І., Головань, А. П., Клименко, Н. Ю., Туров, В. В., & Картель , М. Т. (2020). Властивості композитних систем на основі поліметилсилоксану та кремнезему у водному середовищі. Поверхня, (12(27), 100-136. https://doi.org/10.15407/Surface.2020.12.100
Розділ
Фізико-хімія поверхневих явищ