Наноразмерный SiO2, полученный плазменно-дуговым методом

Получение наноматериалов функционального назначения является одной из актуальных задач современной науки [1–6]. Наноразмерный диоксид кремния — одна из наиболее востребованных модифицирующих добавок в различных областях промышленности, поэтому целесообразно разрабатывать новые эффективные методики его получения.

В работе исследуются структурно-морфологические характеристики порошка диоксида кремния, получаемого плазменно-дуговым методом [7–8], позволяющим использовать в качестве сырья доступные и экологичные природные высококремнеземистые материалы. Данный метод основан на физических процессах плавления [9] и испарения сырьевого материла под действием энергии плазмы электродугового разряда с последующей конденсацией газовой фазы в виде наноразмерных частиц.

Целью работы являлось исследование структурно-морфологических характеристик наноразмерного диоксида кремния, полученного плазменно-дуговым методом из высококремнеземистого природного сырья.

Материалы и методы

В качестве сырья для получения целевых порошков диоксида кремния применялись высококремнеземистые материалы природного происхождения из российских месторождений: диатомит Камышловского месторождения в Свердловской области, кварцит Чупинского месторождения в Республике Карелия, кварцевый песок Туганского месторождения в Томской области.

Для получения нанопорошка SiO 2 использовалась уникальная плазменнодуговая установка, разработанная в Томском государственном архитектурностроительном университете [8].

Образцы полученных нанопорошков исследовали на просвечивающем электронном микроскопе CM 12 (Philips, Нидерланды), 120 кВ. Образец порошка предварительно диспергировался в спирте с использованием ультразвуковой ванны. Полученная дисперсия наносилась на медную сетку для микроскопии с аморфной пленкой углерода на поверхности и затем высушивалась. На основании полученных микрофотографий проводилось построение диаграммы распределения наночастиц по размерам по данным не менее чем для 1000 частиц с использованием программного обеспечения iTEM (Olympus, Japan). Анализ удельной поверхности проводился согласно методу БЭТ на установке NOVA 2000 (Quantachrome instruments, США).

Обсуждение результатов

ПЭМ-изображения частиц наноразмерного оксида кремния и характеризующие их диаграммы распределения по размерам представлены на рис.

Согласно изображениям, полученным методом просвечивающей электронной микроскопии, установлено, что частицы исследуемых образцов сферической формы, полидисперсны, а их диаметр лежит в интервале размеров от 10 до 300 нм. На изображениях видна значительная агломерированность наночастиц.

Исследование удельной поверхности образцов полученных наночастиц методом БЭТ показало, что удельная поверхность продуктов составляет от 37 до 71 м2/г. Эти данные согласуются с установленными распределениями частиц по размеру по данным ПЭМ.

а)

б)

в)

Диаметр частиц, нм

Рис. 1. ПЭМ-изображения и диаграммы распределения наночастиц диоксида кремния, полученных плазменно-дуговым методом из различных видов природного кремнеземистого сырья: а) кварцита, б) обогащенного кварцевого песка, в) диатомита

Заключение

Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что частицы наноразмерного SiO 2 , полученные плазменно-дуговым методом, имеют следующие структурно-морфологические характеристики: форма частиц — сферическая, распределение по размерам — в интервале от 10 до 300 нм, удельная поверхность — от 37 до 71 м²/г.

Согласно установленным характеристикам получаемых продуктов можно рекомендовать их к использованию в качестве упрочняющей модифицирующей добавки для изготовления строительных материалов различного назначения [10-12].