Вязкость наносуспензии фуллеренов в полимерной жидкости

Вершинина Е. Д., Дембелова Т. С., Макарова Д. Н., Бадмаев Б. Б. Вязкость наносуспензии фуллеренов в полимерной жидкости // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 1. С. 24–31.

Наносуспензии — это двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и внедренных в нее наночастиц с размерами от 1 до 100 нм. Самой маленькой наночастицей можно считать фуллерен, диаметр которого около 1 нм. В качестве дисперсионной среды применяются вода, органические жидкости (этиленгликоль, различные масла, биологические и полимерные жидкости). В качестве дисперсной фазы используются частицы химически устойчивых металлов, их оксидов, фуллерены, углеродные нанотрубки и другие. В результате их смешивания образуется структурированная дисперсная система, которая обладает особыми физико-механическими свойствами. Эта структура определяется характером взаимодействия наночастиц между собой и со средой. При нарушении состояния равновесия структура этих систем разрушается. Характер образования и разрушения структуры дисперсной системы определяются их структурномеханическими свойствами как вязкость, упругость, пластичность и прочность. В работах [1, 2] акустическим резонансным методом исследован низкочастотный (105 Гц) комплексный модуль сдвига коллоидных суспензий наночастиц диоксида кремния, иттрий-алюминиевого граната. Рассчитаны значения модуля сдвига, тангенса угла механических потерь, эффективной вязкости, исследованы зависимости этих параметров от амплитуды сдвиговых воздействий, определены предельные напряжения сдвига, с которой начинается разрушение равновесной структуры суспензии.

Особые физико-механические свойства наносуспензии позволяют их использовать в создании микроэлектромеханических систем (МЭМС), при создании систем транспортировки тепловой энергии, в экологии, при разработке новых лекарственных препаратов, смазочных материалов, лаков и красок. Широкое использование наносуспензии в нанотехнологиях различного назначения требует всесторонних исследований их реологических свойств.

Активные реологические исследования вязкости суспензий наночастиц ведутся лишь последние два десятилетия. Известные в литературе результаты экспериментальных измерений вязкости суспензии наночастиц неоднозначны, порой даже противоречивы. Однако установлено, что коэффициент вязкости суспензии зависит от размеров, природы и концентрации нановключений [3-8].

Рис. 1. Хроматограмма смеси фуллеренов С 60 /С 70

В данной работе приводятся результаты исследования динамической вязкости суспензии фуллеренов. В качестве дисперсной среды использованы полиэтилсилоксановые (ПЭС) жидкости, которые относятся к поверхностноактивным жидкостям и хорошо смачивают внедренные в них наночастицы. Для получения суспензии использована смесь фуллеренов С 60 /С 70 , приобретенная в ООО НПК «НеоТекПродакт». Хроматограмма концентрата С 60 представлена на рис. 1, из которой видно, что содержание фуллеренов С 60 составляет 99.24%.

Свойства дисперсных систем зависят от степени дисперсности нановключений. Наночастицы обладают большой поверхностной энергией и при их внедрении в дисперсную среду образуют агломераты. Размеры агломератов могут достичь нескольких микронов. Поэтому для получения устойчивой суспензии важным является ее тщательное диспергирование, которое позволяет предельно разрушить агломераты наночастиц. Кроме того, при диспергировании наносуспензии устанавливается равномерное распределение наночастиц в объеме дисперсной среды.

Диспергирование наносуспензии проведено нами на ультразвуковом технологическом аппарате УЗТА-0,4/22-ОМ "Волна", у которого частота механических колебаний 22±1,65 кГц, максимальная потребляемая мощность 400 Вт, диапазон регулирования мощности 30-100%, интенсивность ультразвукового воздействия не менее 50 Вт/см². Вибрирующий стержень аппарата опускался в пробирку с суспензией, которая подвергалась ультразвуковому воздействию. Время диспергирования для суспензии С 60 /ПЭС-2 составило 4 мин, а для С 60 /ПЭС-4 — 8 мин.

Распределение частиц по размерам в полученной суспензии определялось на лазерном анализаторе размеров частиц SALD-7500 nano в ЦКП «Научные приборы» ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет». Показано, что в суспензиях С 60 /ПЭС-2 и С 60 /ПЭС-4 средний размер наночастиц составил 7 нм (рис. 2, 3), к сожалению, это нижняя граница доступного диапазона измерений анализатора.

Рис. 2. Распределение частиц С 60 по размерам в суспензии С 60 /ПЭС-2

Рис. 3. Распределение частиц С 60 по размерам в суспензии С 60 /ПЭС-4

Исследование динамического коэффициента вязкости суспензии фуллеренов в ПЭС жидкости проводили на реометре Anton Paar MCR 52 в ЦКП «Научные приборы» ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет». Использовалась система конус — плоскость с зазором 0,1 мм. Использование такой системы обеспечивает одинаковые деформации всех элементов среды в процессе измерений. Диаметр конуса составлял 49,967 мм, угол между образующей конуса и плоскостью измерений — 0,986°. Реометр имеет систему термостабилизации с точностью до 0,01°С. Измерения проводились при температуре 23°С.

Рис. 4. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для суспензии С 60 /ПЭС-2

Рис. 5. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для суспензии С 60 /ПЭС-4

Как известно, вязкость жидкостей обычно подчиняется закону Ньютона. Этот закон устанавливает наличие линейной зависимости между напряжением сдвига т и скоростью сдвига у , т.е. Т — JJ .у Угол наклона линейной зависимости определяет коэффициент вязкости *7- На рис. 4 представлена экспериментальная

Как известно, вязкость жидкостей обычно подчиняется закону Ньютона. Этот закон устанавливает наличие линейной зависимости между напряжением сдвига т и скоростью сдвига у, т.е. т = т] -у. Угол наклона линейной зависимости определяет коэффициент вязкости Л' На рис. 4 представлена экспериментальная зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для суспензии С60/ПЭС-2, полученная на реометре Anton Paar MCR 52. По отклонению линии тренда видно, что зависимость имеет нелинейный характер. Это значит, что кривая течения суспен- зии отклоняется от ньютоновского поведения, т. е. вязкость зависит от скорости сдвига. А на рис. 5 представлена зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для суспензии С60/ПЭС-4. Здесь наблюдается линейная зависимость, и суспензия проявляет ньютоновское поведение. Измерения показали, что для суспензии С60/ПЭС-2 с концентрацией 1,5 масс.% получено значение коэффициента вязкости 11,58 мПа·с, а для суспензии С60/ПЭС-4 с той же концентрацией — значение коэффициента вязкости 47,13 мПа·с.

На рис. 6 показаны зависимости коэффициентов вязкости исследуемых суспензий от времени при постоянной скорости деформации.

Из рисунков видно, что коэффициент вязкости суспензии С 60 /ПЭС-2 со временем несколько растет, а коэффициент вязкости суспензии С 60 /ПЭС-4 не меняется. Это говорит о том, что для С 60 /ПЭС-4 получена более устойчивая по сравнению с С 60 /ПЭС-2 структура. В суспензии С 60 /ПЭС-2 вероятно происходит уменьшение агломератов под действием вращающегося конуса реометра за время наблюдения. Из литературы известно, что коэффициент вязкости наносуспензии растет с уменьшением размера частиц [1, 9, 10].

Рис. 6. Зависимость коэффициента вязкости суспензии С 60 /ПЭС-2 и С 60 /ПЭС-4 от времени

Также коэффициенты вязкости суспензий и базовых жидкостей измерялись капиллярным вискозиметром ВПЖ-2, при постоянной температуре 23°С. В таблице приводятся значения коэффициентов вязкости суспензий и ПЭС жидкостей, полученные на реометре Anton Paar MCR 52 и на вискозиметре ВПЖ-2.

Таблица

Значения коэффициентов вязкости суспензий и ПЭС жидкостей

Прибор	t, °C	η С60/ПЭС-2 1.5 масс.% , мПа ⋅ с	η ПЭС-2 , мПа ⋅ с	η С60/ПЭС-4 1.5 масс.% , мПа ⋅ с	η ПЭС-4 , мПа ⋅ с
Anton Paar MCR 52	23	11,58	9,85	47,13	41,68
ВПЖ-2	23	10,78	9,74	46,41	40,82

Видно, что результаты измерения вязкости суспензии капиллярным вискозиметром и реометром вполне согласуются между собой в пределах точности измерения. Из таблицы также видно, что вязкость суспензий выше вязкости базовых жидкостей.

В дальнейшем предполагаются исследования вязкости суспензий в зависимости от размеров и концентраций наночастиц. Эти исследования важны для получения эффективной по вязкости и концентрации суспензий для разных практических приложений.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-48-030020.