RU2648889C1 - Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation - Google Patents
Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648889C1 RU2648889C1 RU2016108200A RU2016108200A RU2648889C1 RU 2648889 C1 RU2648889 C1 RU 2648889C1 RU 2016108200 A RU2016108200 A RU 2016108200A RU 2016108200 A RU2016108200 A RU 2016108200A RU 2648889 C1 RU2648889 C1 RU 2648889C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- dispersion
- measuring circuit
- measuring
- surface treatment
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0085—Testing nanostructures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N21/03—Cuvette constructions
- G01N21/05—Flow-through cuvettes
Abstract
Description
Предложение относится к области способов изготовления полимер-неорганических нанокомпозитных материалов, в которых в качестве активного наполнителя полимерной матрицы используются углеродные наночастицы слоевой или цилиндрической геометрии - нанотрубки, нановолокна, астралены, наноконусы/диски, графен, оксид графена. Использование таких нанокомпозитных материалов вместо традиционных полимерных позволяет существенно повысить уровень свойств и эксплуатационных характеристик разнообразных деталей и узлов, применяемых во многих областях современной техники.The proposal relates to the field of methods for the manufacture of polymer-inorganic nanocomposite materials in which carbon nanoparticles of layer or cylindrical geometry — nanotubes, nanofibers, astralenes, nanocones / disks, graphene, graphene oxide — are used as the active filler of the polymer matrix. The use of such nanocomposite materials instead of traditional polymeric materials can significantly increase the level of properties and operational characteristics of various parts and assemblies used in many areas of modern technology.
Важнейшим условием успешного проведения технологического процесса изготовления нанокомпозитных материалов и изделий является достижение высокой однородности распределения наноразмерного наполнителя в объеме полимерной матрицы, без образования агрегатов, без развития процессов агломерации наночастиц. Для достижения этого результата применяются различные предварительные поверхностные обработки наночастиц перед их введением в полимер, а также - в случае приготовления нанокомпозитных изделий по растворной технологии - приготовление однородных суспензий обработанных наночастиц в растворителе с помощью процессов ультразвуковой и (или) механической гомогенизации.The most important condition for the successful implementation of the technological process of manufacturing nanocomposite materials and products is to achieve high uniformity in the distribution of nanosized filler in the volume of the polymer matrix, without the formation of aggregates, without the development of agglomeration of nanoparticles. To achieve this result, various preliminary surface treatments of nanoparticles are used before their introduction into the polymer, and also, in the case of preparation of nanocomposite products using solution technology, the preparation of homogeneous suspensions of treated nanoparticles in a solvent using ultrasonic and (or) mechanical homogenization processes.
Для успешного проведения всех этих процессов необходим объективный контроль качества проведенных обработок наночастиц, а также контроль степени оптимальности режима и условий процесса их диспергирования и всего комплекса работ по подготовке к введению в полимер. В настоящее время в качестве способа такого контроля чаще всего используется так называемый метод технологической пробы: подготовленные соответствующим образом наночастицы вводят в полимер, изготавливают соответствующий нанокомпозитный материал (пленку, волокно, блочный материал) и определяют его характеристики. Например, именно такой способ оценки качества диспергирования углеродных нанотрубок в полимерной матрице предложен авторами изобретения «Способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле» [RU 2500706, 2013, C09J 4/00, В82В 3/00]. Однако представляется чрезвычайно целесообразной разработка более простого и оперативного способа контроля качества подготовки наночастиц, не требующего проведения всего цикла изготовления материала и его последующих испытаний.Successful implementation of all these processes requires objective quality control of the nanoparticle treatments, as well as control of the degree of optimality of the regime and the conditions of the process of their dispersion and the entire range of works on preparation for introduction into the polymer. Currently, the so-called technological sample method is most often used as a method of such control: nanoparticles prepared accordingly are introduced into the polymer, the corresponding nanocomposite material (film, fiber, block material) is made and its characteristics are determined. For example, just such a method for assessing the quality of dispersion of carbon nanotubes in a polymer matrix was proposed by the inventors "Method for the dispersion of nanoparticles in epoxy resin" [RU 2500706, 2013,
Другим часто предлагаемым подходом к решению проблемы контроля качества обработки наночастиц и, следовательно, однородности их распределения в среде является использование методов электронной микроскопии. Например, такой способ контроля предлагается в документе «Порядок и методы проведения контроля миграции наночастиц из упаковочных материалов. Методические указания. МУ 1.2.2637-10» и в статье Шелковникова Е.Ю., Тюрикова А.В., Гуляева П.В., Кизнерцева С.Р. и Ермолина К.С. «Порядок, методы и средства контроля дисперсности наночастиц в сканирующей зондовой микроскопии» // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т: 16. №2. С 314-318. Однако реализация этих методов контроля весьма сложна в методическом и приборном оформлении, требует специальной аппаратуры, недоступной в условиях оперативного контроля на производстве, и, наконец, не позволяет анализировать стабильность распределения наночастиц в дисперсиях в растворителе на реальных временных интервалах.Another frequently proposed approach to solving the problem of controlling the quality of processing of nanoparticles and, therefore, the uniformity of their distribution in the medium is the use of electron microscopy methods. For example, such a control method is proposed in the document “Procedure and methods for monitoring the migration of nanoparticles from packaging materials. Methodical instructions. MU 1.2.2637-10 "and in the article by Shelkovnikov E.Yu., Tyurikova A.V., Gulyaev P.V., Kiznertseva S.R. and Ermolina K.S. "The order, methods and means of controlling the dispersion of nanoparticles in scanning probe microscopy" // Chemical physics and mesoscopy. 2014. T: 16. No. 2. C 314-318. However, the implementation of these control methods is very difficult in methodological and instrumental design, requires special equipment that is not available in the conditions of operational control in production, and, finally, it does not allow analyzing the stability of the distribution of nanoparticles in dispersions in a solvent at real time intervals.
Известен также ««Способ измерения геометрических параметров несферических частиц в жидкости по деполяризованному динамическому рассеянию света и устройство для его осуществления». Линейно-поляризованное излучение источника - гелий-неонового лазера подается через фокусирующую линзу в кювету с образцом. Излучение, проходящее через образец, анализируется с помощью измерения зависимостей интенсивности, рассеянного излучения от времени при нескольких положениях поляризационного анализатора, каждое из которых соответствует определенному углу между направлениями линейной поляризации возбуждающего и собираемого рассеянного излучения, т.е. при различных соотношениях поляризованной и деполяризованной компонент рассеянного излучения, а для обработки значений интенсивностей светового сигнала, полученных в эксперименте, используется специально разработанный авторами математический аппарат [RU 2556285, 2015, G01N 15/02, G01N 21/47].Also known is "" A method of measuring the geometric parameters of nonspherical particles in a fluid by depolarized dynamic light scattering and a device for its implementation. " Linearly polarized radiation from a source — a helium-neon laser — is fed through a focusing lens into a sample cell. The radiation passing through the sample is analyzed by measuring the dependences of the intensity, scattered radiation on time at several positions of the polarization analyzer, each of which corresponds to a certain angle between the directions of linear polarization of the exciting and collected scattered radiation, i.e. at different ratios of the polarized and depolarized components of the scattered radiation, and to process the values of the intensities of the light signal obtained in the experiment, a mathematical apparatus specially developed by the authors is used [RU 2556285, 2015, G01N 15/02, G01N 21/47].
К недостаткам описанного способа и устройства следует отнести то, что устройство весьма сложно в изготовлении, наладке и последующем обслуживании (включая метрологическое обслуживание), а сам способ, в силу сложности его реализации, неприменим для оперативного контроля стабильности дисперсий наночастиц в условиях производства. Кроме того, как отмечают авторы данного изобретения, этот способ не способен обеспечить высокую точность и объективность измерений в силу особенностей использованного для обработки данных математического аппарата: это - «ограничения точности решения обратных задач, обусловленные, прежде всего, отличием формы реальных несферических частиц от идеальных цилиндров, модели диффузии которых приходится использовать в расчетах».The disadvantages of the described method and device include the fact that the device is very difficult to manufacture, commission, and subsequent maintenance (including metrological maintenance), and the method itself, due to the complexity of its implementation, is not applicable for the operational control of the stability of nanoparticle dispersions under production conditions. In addition, as noted by the authors of this invention, this method is not able to provide high accuracy and objectivity of measurements due to the features of the mathematical apparatus used for data processing: these are “limitations on the accuracy of solving inverse problems, due primarily to the difference in the shape of real non-spherical particles from ideal cylinders whose diffusion models have to be used in the calculations. ”
Также известен способ контроля распределения наночастиц в среде, предложенный авторами изобретения «Способ определения концентрации наночастиц». Он включает в себя зондирование объемной жидкой среды, содержащей наночастицы, оптическим излучением с помощью низкокогерентного томографа, измерение размера фокального пятна зондирующего пучка D, длины продольной когерентности ΔLc и определение объема когерентности ΔVc=πD2 ΔLc/4, получение цифрового двумерного изображения путем сканирования зондирующего пучка по двум поперечным координатам и последующий анализ полученного изображения с помощью разработанного авторами алгоритма [RU 2361190, 2009, G01N 15/06, В82В 1/00].Also known is a method of controlling the distribution of nanoparticles in a medium proposed by the inventors "Method for determining the concentration of nanoparticles." It includes sensing a bulk liquid medium containing nanoparticles with optical radiation using a low coherence tomograph, measuring the size of the focal spot of the probe beam D, the longitudinal coherence length ΔLc and determining the coherence volume ΔVc = πD2 ΔLc / 4, obtaining a digital two-dimensional image by scanning the probe beam along two transverse coordinates and the subsequent analysis of the image using the algorithm developed by the authors [RU 2361190, 2009, G01N 15/06, B82B 1/00].
Существенными недостатками этого способа являются сложность оборудования, используемого для его реализации, отсутствие возможности его качественного метрологического контроля, сложная и длительная процедура самого анализа распределения наночастиц и недостаточная точность характеризации поведения дисперсий наночастиц во времени.Significant disadvantages of this method are the complexity of the equipment used for its implementation, the lack of the possibility of its high-quality metrological control, the complicated and lengthy procedure for the analysis of the distribution of nanoparticles, and the insufficient accuracy of characterizing the behavior of nanoparticle dispersions over time.
Техническое решение, наиболее близкое к заявляемому, описано в заявке JP 2014006173 (кл. G01N 15/02, 2014) «Аппарат для измерения характеристик частиц». Для решения поставленной задачи авторы предлагают облучать дисперсию малых частиц в растворителе, содержащуюся в измерительной ячейке, лазерным пучком, частотные характеристики которого модулируются при прохождении через детектируемую среду. Прошедший через дисперсию сигнал поступает в приемник излучения, где преобразуется в электрический импульс, анализируемый затем устройством обработки сигнала. В этом устройстве анализируются частотные характеристики поступившего сигнала, что, при использовании соответствующего программного обеспечения, позволяет рассчитать характеристики поведения дисперсных частиц в жидкости, в том числе - скорость их перемещения.The technical solution closest to the claimed is described in the application JP 2014006173 (CL G01N 15/02, 2014) "An apparatus for measuring particle characteristics." To solve this problem, the authors propose to irradiate the dispersion of small particles in the solvent contained in the measuring cell with a laser beam, the frequency characteristics of which are modulated when passing through the detected medium. The signal that passed through the dispersion enters the radiation receiver, where it is converted into an electric pulse, which is then analyzed by the signal processing device. This device analyzes the frequency characteristics of the incoming signal, which, using the appropriate software, allows you to calculate the characteristics of the behavior of dispersed particles in a liquid, including the speed of their movement.
К недостаткам описанного решения следует отнести сложность настройки и фокусировки оптической системы, применяемой для измерений, сложность организации метрологического обеспечения измерений для получения количественных результатов, а сам способ, в силу сложности его реализации, неприменим для оперативного контроля стабильности дисперсий наночастиц в условиях производства.The disadvantages of the described solution include the complexity of tuning and focusing of the optical system used for measurements, the complexity of organizing the metrological support of measurements to obtain quantitative results, and the method itself, due to the complexity of its implementation, is not applicable for operational control of the stability of dispersions of nanoparticles in production conditions.
Технической задачей и положительным результатом предлагаемых способа контроля эффективности поверхностной обработки углеродных наночастиц для их введения в полимерные материалы и устройства для его реализации являются возможность получения способом, простым в практической реализации и в использовании, объективной информации об эффективности процессов подготовки углеродных наночастиц к введению их в полимеры, используемых в технологиях изготовления нанокомпозитных материалов. Показателем этой эффективности, прямо отражающим качество поверхностной обработки анализируемых частиц и их последующей подготовки, является степень стабильности во времени дисперсий углеродных наночастиц в различных жидких средах.The technical problem and the positive result of the proposed method for monitoring the effectiveness of surface treatment of carbon nanoparticles for their introduction into polymeric materials and devices for its implementation are the ability to obtain, in a simple, practical way and in use, objective information on the effectiveness of the processes of preparing carbon nanoparticles for their introduction into polymers used in the manufacturing technology of nanocomposite materials. An indicator of this efficiency, directly reflecting the quality of the surface treatment of the analyzed particles and their subsequent preparation, is the degree of stability over time of dispersions of carbon nanoparticles in various liquid media.
Эффект, на использовании которого основан способ - это способности наночастиц, введенных в жидкости-растворители, образовывать однородные взвеси, дисперсии в результате ультразвуковой обработки смесей наночастиц с жидкостью. В зависимости от качества поверхностной обработки наночастиц и оптимальности самого режима диспергирования эти дисперсии оказываются более или менее стабильны, то есть наночастицы с более или менее высокой скоростью образуют в них агрегаты и выпадают в осадок из объема жидкости.The effect on which the method is based is the ability of nanoparticles introduced into solvent liquids to form uniform suspensions and dispersions as a result of ultrasonic treatment of mixtures of nanoparticles with a liquid. Depending on the quality of the surface treatment of the nanoparticles and the optimality of the dispersion mode itself, these dispersions are more or less stable, that is, nanoparticles form aggregates in them at a more or less high speed and precipitate from the bulk of the liquid.
Именно скорость оседания наночастиц на дно сосуда, в котором содержится дисперсия этих наночастиц в растворителе, является тем параметром, который контролируется в предлагаемом способе.Namely, the sedimentation rate of nanoparticles to the bottom of the vessel, which contains the dispersion of these nanoparticles in a solvent, is the parameter that is controlled in the proposed method.
Вышеуказанная задача и технический результат достигаются посредством использования способа контроля эффективности поверхностной обработки углеродных наночастиц для их введения в полимерные материалы, включающего зондирование объемной жидкой среды, содержащей наночастицы, оптическим излучением и анализ прошедшего через среду потока излучения, в котором для проведения операции контроля навеску анализируемых наночастиц слоевой или цилиндрической геометрии - нанотрубок, нановолокон, астраленов, наноконусов/дисков, графена, оксида графена, после проведения соответствующей поверхностной обработки, с помощью ультразвукового диспергатора диспергируют в 2 г воды или органического растворителя, - в той жидкости, которая служит растворителем для полимера, в который будут вводиться наночастицы, а затем пробирку, содержащую полученную дисперсию, помещают в полость измерительного устройства, после чего включают источники питания осветителя и измерительной схемы; при этом слой дисперсии в пробирке - взвесь однородно черного цвета - экранирует приемник излучения, включенный в измерительную схему, от светового потока излучателя, и в измерительной цепи течет слабый ток - на уровне 20 мкА, который регистрируется измерительным устройством; в случаях же когда дисперсия наночастиц нестабильна, то есть имеет место их агрегация, приводящая к выпадению образующихся агрегатов в осадок, прозрачность среды в пробирке постепенно увеличивается, растет интенсивность светового потока, воздействующего на приемник излучения, что приводит к нарастанию тока в измерительной цепи, а по полученным кривым нарастания тока во времени можно судить о степени стабильности дисперсии, которая прямо определяется качеством поверхностной обработки наночастиц и степенью оптимальности условий процесса ультразвукового диспергирования, то есть проводить оптимизацию процесса обработки наночастиц, - в этом случае условия ультразвукового диспергирования поддерживаются неизменными, или оптимизировать сам процесс ультразвукового диспергирования, а также определить важный технологический параметр процесса изготовления нанокомпозитного материала - допустимую длительность пребывания наночастиц в однородно диспергированном состоянии, «время жизни» дисперсии; для реализации же описанного способа предлагается устройство, которое содержит в своем составе держатель для пробирки с анализируемой дисперсией наночастиц, выполненный в виде вертикально установленного на подставке полого металлического цилиндра, в стенках которого на расстоянии 15 мм от дна полости выполнено сквозное горизонтальное отверстие, проходящее через ось цилиндра, а к внешней боковой поверхности цилиндра напротив этого отверстия присоединен с одной стороны трубчатый держатель с лампой-осветителем, а с другой стороны - фотоприемник, включенный в измерительную схему, в которую, последовательно с ним, входят подстроечное сопротивление и измерительный резистор, сопротивление которого пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением фотоприемника, а напряжение на нем, пропорциональное току в цепи фотоприемника, регистрируется записывающим устройством как функция времени; при этом электропитание осветителя и измерительной схемы осуществляется с помощью стабилизированных источников питания соответственно на 9 и а 50 В; также предлагается вариант исполнения вышеописанного устройства, в котором в качестве приемника излучения, включенного в измерительную цепь, используется фотосопротивление ФСК-1; наконец, для обеспечения возможности проведения исследований процессов агрегации углеродных наночастиц в жидкостях в широком диапазоне температур это устройство может быть установлено в рабочую камеру термостата, климатической камеры или любого другого нагревательного прибора с внутренней полостью.The above objective and technical result are achieved by using the method of controlling the effectiveness of surface treatment of carbon nanoparticles for their introduction into polymeric materials, including probing a bulk liquid medium containing nanoparticles with optical radiation and analyzing the radiation flux passed through the medium, in which, to carry out the control operation, a sample of the analyzed nanoparticles layer or cylindrical geometry - nanotubes, nanofibers, astralenes, nanocones / disks, graphene, oxide g afene, after appropriate surface treatment, is dispersed using an ultrasonic dispersant in 2 g of water or an organic solvent, in that liquid, which serves as a solvent for the polymer into which the nanoparticles will be introduced, and then the tube containing the resulting dispersion is placed in the measuring cavity devices, after which they turn on the power sources of the illuminator and the measuring circuit; in this case, the dispersion layer in the test tube — a suspension of uniformly black color — shields the radiation receiver, included in the measuring circuit, from the light flux of the emitter, and a weak current flows at the level of 20 μA, which is recorded by the measuring device; in cases where the dispersion of nanoparticles is unstable, that is, their aggregation takes place, leading to the precipitation of the formed aggregates, the transparency of the medium in the test tube gradually increases, the intensity of the light flux acting on the radiation receiver increases, which leads to an increase in the current in the measuring circuit, and the obtained curves of the increase in current over time can be used to judge the degree of stability of the dispersion, which is directly determined by the quality of the surface treatment of nanoparticles and the degree of optimality of the process conditions ultrasonic dispersion, that is, to optimize the processing of nanoparticles - in this case, the conditions of ultrasonic dispersion are maintained unchanged, or to optimize the process of ultrasonic dispersion itself, as well as to determine an important technological parameter of the process of manufacturing a nanocomposite material - the permissible length of stay of the nanoparticles in a uniformly dispersed state, " lifetime "variance; To implement the described method, a device is proposed that includes a tube holder with an analyzed dispersion of nanoparticles, made in the form of a hollow metal cylinder vertically mounted on a stand, in the walls of which a through horizontal hole is made through the axis at a distance of 15 mm from the bottom of the cavity cylinder, and to the outer side surface of the cylinder opposite this hole is attached on one side a tubular holder with a lamp-illuminator, and on the other hand - photo riemnik included in the measuring circuit, which, in series with them, comprises trimming resistor and the measuring resistor, whose resistance is negligible compared to the resistance of the photodetector, and the voltage across it proportional to the current in the photoreceiver circuit, a recording apparatus is recorded as a function of time; while the power supply of the illuminator and the measuring circuit is carried out using stabilized power sources, respectively, at 9 and a 50 V; an embodiment of the above-described device is also proposed, in which the photo-resistance FSK-1 is used as a radiation detector included in the measuring circuit; finally, to enable studies of the processes of aggregation of carbon nanoparticles in liquids over a wide temperature range, this device can be installed in the working chamber of a thermostat, climate chamber or any other heating device with an internal cavity.
В процессе реализации предлагаемого способа навеску углеродных наночастиц вводят в 2 г жидкости, находящейся в стеклянной пробирке (использовались пробирки П-1-16-60 диаметром 16 мм). При этом используют жидкость (воду, или один из органических растворителей), являющуюся растворителем для полимера, в который при изготовлении нанокомпозитного материала необходимо ввести предварительно обработанные наночастицы. Затем пробирку, содержащую жидкость и наночастицы, подвергают ультразвуковой обработке в камере ультразвукового диспергатора (в наших экспериментах использованы отечественные диспергаторы УЗДН-1 и И100-6/1). Режим диспергирования (интенсивность ультразвукового сигнала и длительность обработки) постоянен в одних случаях - когда анализируют качество поверхностной обработки диспергируемых наночастиц, или варьируется в тех случаях, когда анализируют оптимальность условий самого процесса диспергирования. В результате ультразвуковой обработки образуется гомогенная дисперсия наночастиц в жидкости, имеющая однородно черный цвет.In the process of implementing the proposed method, a weighed portion of carbon nanoparticles is introduced into 2 g of liquid in a glass tube (P-1-16-60 tubes with a diameter of 16 mm were used). In this case, a liquid (water, or one of the organic solvents) is used, which is a solvent for the polymer, into which, in the manufacture of the nanocomposite material, it is necessary to introduce pretreated nanoparticles. Then the test tube containing the liquid and nanoparticles is subjected to ultrasonic treatment in the chamber of an ultrasonic disperser (in our experiments, domestic dispersants UZDN-1 and I100-6 / 1 were used). The dispersion mode (the intensity of the ultrasonic signal and the processing time) is constant in some cases - when the quality of the surface treatment of dispersible nanoparticles is analyzed, or varies in cases where the optimal conditions of the dispersion process are analyzed. As a result of ultrasonic treatment, a homogeneous dispersion of nanoparticles in a liquid is formed, which has a uniformly black color.
Сразу после окончания обработки закрытую пробкой пробирку с дисперсией наночастиц в жидкости помещают в рабочую камеру устройства, предлагаемого для реализации способа. Затем включается осветитель, и подается питание в измерительную цепь установки. При этом слой дисперсии, находящийся в пробирке, перекрывает горизонтальное отверстие в рабочей камере и экранирует фотоприемник от излучения осветителя. Фотоприемник остается не освещенным, ток в измерительной цепи - на уровне 20 мкА, и напряжение, регистрируемое на измерительном сопротивлении - около 1.0 мВ.Immediately after the end of the treatment, a corked tube with a dispersion of nanoparticles in a liquid is placed in the working chamber of the device proposed for implementing the method. Then the illuminator is turned on and power is supplied to the measuring circuit of the installation. In this case, the dispersion layer located in the test tube overlaps the horizontal hole in the working chamber and shields the photodetector from the radiation of the illuminator. The photodetector remains unlit, the current in the measuring circuit is at the level of 20 μA, and the voltage recorded at the measuring resistance is about 1.0 mV.
В случаях когда имеет место процесс оседания наночастиц на дно пробирки, дисперсия начинает постепенно просветляться, начинается засветка фотоприемника и рост величины напряжения U, регистрируемого на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с фотоприемником. Таким образом, динамика изменения (нарастания) во времени величины регистрируемого напряжения U(t) прямо отражает степень стабильности дисперсии, и, соответственно, качество поверхностной обработки наночастиц (фиг. 4). Кривая 1 (фиг. 4а) характеризует стабильную дисперсию поверхностно модифицированных углеродных нанотрубок в N,N-диметилформамиде (1 масс. %), кривая 2 (фиг. 4а) - менее стабильную дисперсию тех же наночастиц в том же растворителе (случай менее эффективной поверхностной модификации нанотрубок). Поведение необработанных нанотрубок в том же растворителе - процесс интенсивной агрегации этих наночастиц и их выпадение в осадок характеризует кривая на фиг. 4б. Такая же (на качественном уровне) вариация зависимости U(t) наблюдается при изменении условий диспергирования наночастиц в растворителе.In cases where there is a process of sedimentation of nanoparticles to the bottom of the tube, the dispersion begins to gradually brighten, the photodetector begins to light up and the voltage U increases, registered at the measuring resistance connected in series with the photodetector. Thus, the dynamics of change (increase) in time of the magnitude of the recorded voltage U (t) directly reflects the degree of stability of the dispersion, and, accordingly, the quality of surface treatment of nanoparticles (Fig. 4). Curve 1 (Fig. 4a) characterizes the stable dispersion of surface modified carbon nanotubes in N, N-dimethylformamide (1 wt.%), Curve 2 (Fig. 4a) shows a less stable dispersion of the same nanoparticles in the same solvent (the case of a less effective surface nanotube modifications). The behavior of untreated nanotubes in the same solvent — the process of intensive aggregation of these nanoparticles and their precipitation is characterized by the curve in FIG. 4b. The same (at a qualitative level) variation in the dependence U (t) is observed when the dispersion conditions of nanoparticles in a solvent change.
Для реализации описанного способа предлагается устройство, конструкция и принцип действия которого показаны на чертежах и графиках, где:To implement the described method, a device is proposed whose design and principle of operation are shown in the drawings and graphs, where:
на фиг. 1 - схема устройства;in FIG. 1 is a diagram of a device;
на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема устройства;in FIG. 2 is a circuit diagram of a device;
на фиг. 3 - фотография рабочей модели устройства;in FIG. 3 is a photograph of a working model of the device;
на фиг. 4 - примеры временных зависимостей напряжения на измерительном сопротивлении.in FIG. 4 - examples of time dependences of the voltage at the measuring resistance.
Устройство (фиг. 1) представляет собой металлический цилиндр 1 внешним диаметром 25 мм и высотой 90 мм, по оси которого выполнено отверстие глубиной 70 мм и диаметром, соответствующим диаметру используемых пробирок, так, чтобы пробирку 2 (фиг 3) с дисперсией наночастиц можно было достаточно плотно, без зазоров вставить в полость цилиндра - рабочую камеру устройства. Цилиндр зафиксирован в вертикальном положении отверстием вверх на плоском металлическом основании 3. На расстоянии 55 мм от верхнего торца цилиндра в нем выполнено сквозное отверстие диаметром 6 мм перпендикулярно вертикальной оси цилиндра, проходящее по диаметру его сечения горизонтальной плоскостью.The device (Fig. 1) is a
К внешней поверхности цилиндра напротив этого отверстия с одной стороны плотно, без зазора присоединена короткая (длиной 60 мм) горизонтальная металлическая трубка 4, в которую также плотно вставляется источник света 5 (в собранной авторами рабочей модели устройства - лампа-осветитель от микроскопа МБС), так, чтобы ее излучение проходило насквозь через отверстие в цилиндре. Рабочее напряжение на лампу (9 В) подается через стабилизированный источник питания 6.A short (60 mm long)
С другой стороны отверстия на внешнюю поверхность цилиндра плотно, также без зазоров наложен рабочей плоскостью фотоприемник 7. В сконструированной авторами рабочей модели устройства фотоприемником служит фотосопротивление ФСК-1 (темновое сопротивление - ~3 МОм, кратность изменения сопротивления в процессе засветки - до 100). Фотоприемник (R1 на фиг. 2) входит в электрическую измерительную схему 8, состоящую из включенных последовательно с ним подстроечного сопротивления 9 (R2=10 кОм) и измерительного резистора 10 (R3=0.5 кОм), напряжение U на котором измеряется регистрирующим прибором 11, например, электронным самопишущим потенциометром КСП-4, или передается в компьютер через аналого-цифровой преобразователь для построения кривой зависимости напряжения от времени и ее запоминания. Питание измерительной схемы осуществляется от стабилизированного источника 12. Результатом работы устройства является регистрация временной зависимости тока, протекающего через фотоприемник в течение заданного промежутка времени (длительность этого промежутка не ограничена какими-либо конструктивными особенностями устройства и определяется только целями и задачами измерительного процесса).On the other hand, the openings on the outer surface of the cylinder are densely, also without gaps, the
Таким образом, конструкция описанного устройства позволяет регистрировать кинетику оседания наночастиц из дисперсии в растворителе в течение промежутков времени любой длительности. По полученным зависимостям напряжения на входе регистрирующего прибора от времени можно не только делать объективные заключения о качестве поверхностной обработки углеродных наночастиц и оптимальности избранного режима их диспергирования. Оно позволяет также определять временные интервалы стабильности приготовленных дисперсий - их «время жизни», что необходимо для установления условий работы с ними при отработке технологий изготовления нанокомпозитных пленок, покрытий и волокон по растворному методу.Thus, the design of the described device allows you to record the kinetics of sedimentation of nanoparticles from the dispersion in the solvent for periods of time of any duration. Based on the obtained time dependences of the voltage at the input of the recording device, one can not only make objective conclusions about the quality of surface treatment of carbon nanoparticles and the optimality of the selected dispersion mode. It also makes it possible to determine the time intervals of stability of the prepared dispersions — their “lifetime”, which is necessary to establish working conditions with them when developing technologies for manufacturing nanocomposite films, coatings, and fibers by the solution method.
Наконец, предлагаемое устройство, благодаря малым размерам (размеры рабочей модели 230×180×180 мм), может быть легко установлено в камеру стандартных термостатов, что позволяет изучать процессы агрегации наночастиц в их дисперсии в жидкостях при различных температурах.Finally, the proposed device, due to the small size (dimensions of the working model 230 × 180 × 180 mm), can be easily installed in the chamber of standard thermostats, which allows us to study the processes of aggregation of nanoparticles in their dispersion in liquids at different temperatures.
Таким образом, использование предложенного способа контроля эффективности поверхностной обработки углеродных наночастиц для их введения в полимерные материалы и устройства для его реализации позволяет оперативно получать объективную информацию о степени пригодности используемых углеродных наночастиц для успешного приготовления высококачественных нанокомпозитных материалов, а также проводить оптимизацию условий и режимов подготовки наночастиц к введению в матричный полимер. Конструкция устройства оптимизирована таким образом, что оно может легко тиражироваться, изготавливаться в условиях серийного производства и использоваться как в исследовательских целях, так и в условиях производства нанокомпозитных материалов и изделий. Устройство сконструировано таким образом, что позволяет получать информацию о поведении дисперсий наночастиц в жидкостях в течение неограниченных по длительности промежутков времени и при различных температурах. Способ и устройство для его реализации позволяют получать информацию об изучаемом процессе прямым и непосредственным методом, не требующим применения специального математического аппарата и программных средств для обработки результатов измерения. Предлагаемое устройство характеризуется также простотой настройки, эксплуатации и метрологического обслуживания.Thus, the use of the proposed method for monitoring the effectiveness of surface treatment of carbon nanoparticles for their introduction into polymeric materials and devices for its implementation allows you to quickly obtain objective information about the degree of suitability of the used carbon nanoparticles for the successful preparation of high-quality nanocomposite materials, as well as to optimize the conditions and modes of preparation of nanoparticles to the introduction of the matrix polymer. The design of the device is optimized in such a way that it can be easily replicated, manufactured in mass production and used both for research purposes and in the production of nanocomposite materials and products. The device is designed in such a way that it allows to obtain information about the behavior of dispersions of nanoparticles in liquids for unlimited periods of time and at different temperatures. The method and device for its implementation allow you to obtain information about the process under study by the direct and immediate method, which does not require the use of a special mathematical apparatus and software for processing measurement results. The proposed device is also characterized by ease of setup, operation and metrological maintenance.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016108200A RU2648889C1 (en) | 2016-03-10 | 2016-03-10 | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016108200A RU2648889C1 (en) | 2016-03-10 | 2016-03-10 | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2648889C1 true RU2648889C1 (en) | 2018-03-28 |
Family
ID=61866922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016108200A RU2648889C1 (en) | 2016-03-10 | 2016-03-10 | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2648889C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2361190C1 (en) * | 2008-03-21 | 2009-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Method of determining concentration of nanoparticles |
| RU2415399C1 (en) * | 2010-02-27 | 2011-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Water analyser |
| RU2500706C1 (en) * | 2012-04-17 | 2013-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin |
| JP2014006173A (en) * | 2012-06-26 | 2014-01-16 | Goto Ikueikai | Particle characteristic measurement apparatus |
| RU2556285C1 (en) * | 2014-02-11 | 2015-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Measuring method of geometrical parameters of non-spherical particles in liquid as per depolarised dynamic light scattering and device for its implementation |
-
2016
- 2016-03-10 RU RU2016108200A patent/RU2648889C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2361190C1 (en) * | 2008-03-21 | 2009-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Method of determining concentration of nanoparticles |
| RU2415399C1 (en) * | 2010-02-27 | 2011-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Water analyser |
| RU2500706C1 (en) * | 2012-04-17 | 2013-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin |
| JP2014006173A (en) * | 2012-06-26 | 2014-01-16 | Goto Ikueikai | Particle characteristic measurement apparatus |
| RU2556285C1 (en) * | 2014-02-11 | 2015-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Measuring method of geometrical parameters of non-spherical particles in liquid as per depolarised dynamic light scattering and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Maguire et al. | Characterisation of particles in solution–a perspective on light scattering and comparative technologies | |
| KR101884108B1 (en) | Particle tracking analysis method using scattered light(pta) and device for detecting and identifying particles of a nanometric order of magnitude in liquids of all types | |
| EP3279636B1 (en) | Particle size measuring method and device | |
| Muskens et al. | Optical extinction spectrum of a single metal nanoparticle: Quantitative characterization of a particle and of its local environment | |
| Fu et al. | Hybrid AFM for nanoscale physicochemical characterization: recent development and emerging applications | |
| Langevin et al. | Towards reproducible measurement of nanoparticle size using dynamic light scattering: Important controls and considerations | |
| US20220221401A1 (en) | Scattering microscopy | |
| Zheng et al. | Study on the statistical intensity distribution (SID) of fluorescent nanoparticles in TIRFM measurement | |
| RU2648889C1 (en) | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation | |
| Nepomnyashchaya et al. | Optoelectronic method for analysis of biomolecular interaction dynamics | |
| Hoffmann et al. | Determining nanorod dimensions in dispersion with size anisotropy nanoparticle tracking analysis | |
| JP5514490B2 (en) | Particle property measuring device | |
| Chen et al. | Advances in inorganic nanoparticles trapping stiffness measurement: A promising tool for energy and environmental study | |
| Yue et al. | Easy method to determine refractive indices of microspheres and in micro-regions of inhomogeneous media | |
| Brans et al. | Joule heating monitoring in a microfluidic channel by observing the Brownian motion of an optically trapped microsphere | |
| JP4826780B2 (en) | Method and apparatus for measuring nanoparticles | |
| RU174054U1 (en) | Inverted Nanoparticle Trajectory Analyzer | |
| RU2631340C1 (en) | Microwave method for measuring concentrations of aqueous solutions | |
| Huang et al. | Precise measurement of particle size in colloid system based on the development of multiple-angle dynamic light scattering apparatus | |
| Al-Qadi et al. | Optical characterization and rotational dynamics observation of colloidal gold nanorods based on polarized light scattering microscopy | |
| Potenza et al. | Confocal depolarized dynamic light scattering: a novel technique for the characterization of nanoparticles in complex fluids | |
| JP2011080819A (en) | Particle-size measuring instrument | |
| JP5109988B2 (en) | Particle size measuring apparatus and particle size measuring method | |
| JP5720504B2 (en) | Particle size measuring device | |
| Sel et al. | Detection of carbon nanoparticles in suspension by a photothermal technique |