Аналіз способів регулювання розміру часток діоксиду кремнію, отриманих методом Штобера

Автор(и)

  • Anastasiia Kharchenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-6606-9778
  • Oleksiy Myronyuk Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0003-0499-9491
  • Liubov Melnyk Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-5139-3105
  • Pavlo Sivolapov Компанія «Полігон», вул. Михайла Донця, 17/46, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-7303-7179

DOI:

https://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.128571

Ключові слова:

метод Штобера, наночастинки діоксиду кремнію, регулювання розміру наночастинок, золь-гель процес

Анотація

Об'єктом дослідження є метод синтезу наночастинок діоскиду кремнію, а саме метод Штобера. Синтез частинок за допомогою Штобер-процесу є прикладом золь-гель методу – одного з найбільш практичних і регульованих способів отримання наночастинок регульованого розміру, форми і морфології. Метод Штобера є класичним підходом до синтезу наночастинок діоксиду кремнію, проте в існуючих роботах відсутній систематичний підхід до встановлення зв'язку між такими параметрами реакції, як концентрації компонентів, температура і час проведення процесу. В ході дослідження використовувалися різні види інформаційного пошуку і вивчення інформації. В результаті роботи отримано огляд, який здатний вирішити завдання систематизації впливу зазначених параметрів в умовах Штобер-процесу. Розглянуто способи регулювання розмірів частинок кремнезему, а саме зміна: температури в досить широкому діапазоні від 5 ºС до 65 ºС; концентрації TEOS/H2O/NH3; кількості і термодинамічної якості розчинника, а також вплив часу проведення реакції. Вплив зазначених параметрів розглядається не тільки з точки зору зміни окремого параметра, а й в комплексі з іншими. Встановлено закономірності зміни діаметра частинок для головних умов синтезу. Показано шляхи синтезу частинок методом Штобера від сотень нанометрів до мікрометрів. Показано, що для синтезу частинок з мінімальними розмірами необхідним буде зниження концентрації реагуючих компонентів: TEOS, H2O і NH3. Це дозволяє знизити швидкість процесів гідролізу і конденсації, а також розчинність проміжного [Si(OC2H5)4-X(OH)X], що визначає відсутність перенасичення в процесі зародкоутворення. Визначальними факторами такого зниження є підвищена температура синтезу і використання більш полярних розчинників. Результати роботи можуть бути використані для управління синтезом наночастинок діоксиду кремнію для різних застосувань – від каталітичних систем до функціональних наповнювачів матеріалів і, зокрема, створення супергідрофобних структур.

Біографії авторів

Anastasiia Kharchenko, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Oleksiy Myronyuk, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Liubov Melnyk, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Pavlo Sivolapov, Компанія «Полігон», вул. Михайла Донця, 17/46, м. Київ, Україна, 03056

Спеціаліст

Посилання

  1. Iler, R. K. (1979). The Chemistry of Silica and Silicates. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. Chichester: John Wiley and Sons, 886.
  2. Giesche, H. (1994). Synthesis of monodispersed silica powders I. Particle properties and reaction kinetics. Journal of the European Ceramic Society, 14 (3), 189–204. doi:10.1016/0955-2219(94)90087-6
  3. Park, S. K., Kim, K. D., Kim, H. T. (2002). Preparation of silica nanoparticles: determination of the optimal synthesis conditions for small and uniform particles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 197 (1–3), 7–17. doi:10.1016/s0927-7757(01)00683-5
  4. Sadasivan, S., Rasmussen, D. H., Chen, F. P., Kannabiran, R. K. (1998). Preparation and characterization of ultrafine silica. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 132 (1), 45–52. doi:10.1016/s0927-7757(97)00148-9
  5. ScienceDirect. Available at: https://www.sciencedirect.com/
  6. Roco, M., Tomellini, R. (2002). Nanotechnology-Revolutionary Opportunities and societal Implications. 3rd Joint EC-NSF Workshop on Nanotechnology.
  7. Yang, P., Deng, T., Zhao, D., Feng, P., Pine, D., Chmelka, B. F. et al. (1998). Hierarchically Ordered Oxides. Science, 282 (5397), 2244–2246. doi:10.1126/science.282.5397.2244
  8. Fitz-Gerald, J., Pennycook, S., Gao, H., Singh, R. K. (1999). Synthesis and properties of nanofunctionalized particulate materials. Nanostructured Materials, 12 (5–8), 1167–1171. doi:10.1016/s0965-9773(99)00320-7
  9. Xia, Y., Whitesides, G. M. ( 1998). Soft Lithography. Angewandte Chemie International Edition, 37, 550–575. doi:10.1002/(sici)1521-3773(19980316)37:5<550::aid-anie550>3.0.co;2-g
  10. Wang, X.-D., Shen, Z.-X., Sang, T., Cheng, X.-B., Li, M.-F., Chen, L.-Y., Wang, Z.-S. (2010). Preparation of spherical silica particles by Stober process with high concentration of tetra-ethyl-orthosilicate. Journal of Colloid and Interface Science, 341 (1), 23–29. doi:10.1016/j.jcis.2009.09.018
  11. Payne, C., Bergna, H. (1994). The Colloid Chemistry of Silica. American Chemical Society, 234, 1–47. doi:10.1021/ba-1994-0234.ch001
  12. Chiappini, A., Armellini, C., Chiasera, A., Ferrari, M., Jestin, Y., Mattarelli, M. et al. (2007). Design of photonic structures by sol–gel-derived silica nanospheres. Journal of Non-Crystalline Solids, 353 (5–7), 674–678. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2006.10.034
  13. Pallavidino, L., Razo, D. S., Geobaldo, F., Balestreri, A., Bajoni, D., Galli, M. et al. (2006). Synthesis, characterization and modelling of silicon based opals. Journal of Non-Crystalline Solids, 352 (9–20), 1425–1429. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2005.10.047
  14. Wang, C.-T., Wu, C.-L., Chen, I.-C., Huang, Y.-H. (2005). Humidity sensors based on silica nanoparticle aerogel thin films. Sensors and Actuators B: Chemical, 107 (1), 402–410. doi:10.1016/j.snb.2004.10.034
  15. Grant, S., Weilbaecher, C., Lichlyter, D. (2007). Development of a protease biosensor utilizing silica nanobeads. Sensors and Actuators B: Chemical, 121 (2), 482–489. doi:10.1016/j.snb.2006.04.096
  16. Wang, H., Bai, Y., Liu, S., Wu, J., Wong, C. P. (2002). Combined effects of silica filler and its interface in epoxy resin. Acta Materialia, 50 (17), 4369–4377. doi:10.1016/s1359-6454(02)00275-6
  17. Zhang, H., Zhang, Z., Friedrich, K., Eger, C. (2006). Property improvements of in situ epoxy nanocomposites with reduced interparticle distance at high nanosilica content. Acta Materialia, 54 (7), 1833–1842. doi:10.1016/j.actamat.2005.12.009
  18. Kwon, S., Adachi, T., Araki, W., Yamaji, A. (2006). Thermo-viscoelastic properties of silica particulate-reinforced epoxy composites: Considered in terms of the particle packing model. Acta Materialia, 54 (12), 3369–3374. doi:10.1016/j.actamat.2006.03.026
  19. Klein, S., Thorimbert, S., Maier, W. F. (1996). Amorphous Microporous Titania–Silica Mixed Oxides: Preparation, Characterization, and Catalytic Redox Properties. Journal of Catalysis, 163 (2), 476–488. doi:10.1006/jcat.1996.0349
  20. Vacassy, R., Flatt, R. J., Hofmann, H., Choi, K. S., Singh, R. K. (2000). Synthesis of Microporous Silica Spheres. Journal of Colloid and Interface Science, 227 (2), 302–315. doi:10.1006/jcis.2000.6860
  21. Kurungot, S., Yamaguchi, T., Nakao, S. (2003). Rh/γ-Al2O3 catalytic layer integrated with Sol–Gel synthesized microporous silica membrane for compact membrane reactor applications. Catalysis Letters, 86 (3/4), 273–278. doi:10.1023/a:1022636606705
  22. Lin, Y.-S., Wu, S.-H., Hung, Y., Chou, Y.-H., Chang, C., Lin, M.-L. et al. (2006). Multifunctional Composite Nanoparticles: Magnetic, Luminescent, and Mesoporous. Chemistry of Materials, 18 (22), 5170–5172. doi:10.1021/cm061976z
  23. Chung, T.-W., Yeh, T.-S., Yang, T. C.-K. (2001). Influence of manufacturing variables on surface properties and dynamic adsorption properties of silica gels. Journal of Non-Crystalline Solids, 279 (2–3), 145–153. doi:10.1016/s0022-3093(00)00411-7
  24. Bogush, G. H., Tracy, M. A., Zukoski, C. F. (1988). Preparation of monodisperse silica particles: Control of size and mass fraction. Journal of Non-Crystalline Solids, 104 (1), 95–106. doi:10.1016/0022-3093(88)90187-1
  25. Chou, K. S., Chen, C. C. (2003). Preparation and Characterization of Monodispersed Silica Colloids. Advances in Technology of Materials and Materials Processing Journal, 5 (1), 31–35.
  26. Stober, W., Fink, A., Bohn, E. (1968). Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range. Journal of Colloid and Interface Science, 26 (1), 62–69. doi:10.1016/0021-9797(68)90272-5
  27. Kim, S.-S., Kim, H.-S., Kim, S. G., Kim, W.-S. (2004). Effect of electrolyte additives on sol-precipitated nano silica particles. Ceramics International, 30 (2), 171–175. doi:10.1016/s0272-8842(03)00085-3
  28. Azlinaa, H. N., Hasnidawani, J. N., Norita, H. (2015). Synthesis of SiO2 Nanostructures Using Sol-Gel Method. 5th International Science Congress & Exhibition. Lykia.
  29. Wang, C., Zhang, Y., Dong, L., Fu, L., Bai, Y., Li, T. et al. (2000). Two-Dimensional Ordered Arrays of Silica Nanoparticles. Chemistry of Materials, 12 (12), 3662–3666. doi:10.1021/cm990738j
  30. Lei, Z., Xiao, Y., Dang, L., Lu, M., You, W. (2006). Fabrication of ultra-large mesoporous carbon with tunable pore size by monodisperse silica particles derived from seed growth process. Microporous and Mesoporous Materials, 96 (1–3), 127–134. doi:10.1016/j.micromeso.2006.06.031
  31. Chou, K.-S., Chen, C.-C. (2008). The critical conditions for secondary nucleation of silica colloids in a batch Stober growth process. Ceramics International, 34 (7), 1623–1627. doi:10.1016/j.ceramint.2007.07.009
  32. Rahman, I. A., Vejayakumaran, P., Sipaut, C. S., Ismail, J., Bakar, M. A., Adnan, R., Chee, C. K. (2007). An optimized sol–gel synthesis of stable primary equivalent silica particles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 294 (1–3), 102–110. doi:10.1016/j.colsurfa.2006.08.001
  33. Wang, H.-C., Wu, C.-Y., Chung, C.-C., Lai, M.-H., Chung, T.-W. (2006). Analysis of Parameters and Interaction between Parameters in Preparation of Uniform Silicon Dioxide Nanoparticles Using Response Surface Methodology. Industrial & Engineering Chemistry Research, 45 (24), 8043–8048. doi:10.1021/ie060299f
  34. Kim, K. D., Kim, H. T. (2002). Formation of Silica Nanoparticles by Hydrolysis of TEOS Using a Mixed Semi-Batch/Batch Method. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 25 (3), 183–189. doi:10.1023/a:1020217105290
  35. Tan, C. G., Bowen, B. D., Epstein, N. (1987). Production of monodisperse colloidal silica spheres: Effect of temperature. Journal of Colloid and Interface Science, 118 (1), 290–293. doi:10.1016/0021-9797(87)90458-9
  36. Meier, M., Ungerer, J., Klinge, M., Nirschl, H. (2018). Synthesis of nanometric silica particles via a modified Stöber synthesis route. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 538, 559–564. doi:10.1016/j.colsurfa.2017.11.047
  37. Pierre, A. C. (1998). Introduction to Sol–Gel Processing. Boston: Kluwer Academic Publishers, 394. doi:10.1007/978-1-4615-5659-6
  38. Satoh, T., Akitaya, M., Konno, M., Saito, S. (1997). Particle Size Distributions Produced by Hydrolysis and Condensation of Tetraethylorthosilicate. Journal of Chemical Engineering of Japan, 30 (4), 759–762. doi:10.1252/jcej.30.759
  39. Kim, K. D., Kim, H. T. (2004). New Process for the Preparation of Monodispersed, Spherical Silica Particles. Journal of the American Ceramic Society, 85 (5), 1107–1113. doi:10.1111/j.1151-2916.2002.tb00230.x
  40. Ibrahim, I. A. M., Zikry, A. A. F., Sharaf, M. A. (2010). Preparation of spherical silica nanoparticles. Journal of American Science, 6 (11), 985–989.
  41. Bogush, G., Zukoski, C. (1991). Uniform silica particle precipitation: An aggregative growth model. Journal of Colloid and Interface Science, 142 (1), 19–34. doi:10.1016/0021-9797(91)90030-c
  42. Brinker, C., Scherer, G. (1990). The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. San Diego: Academic Press Inc., 908.
  43. Chen, S.-L., Dong, P., Yang, G.-H. (1997). The Size Dependence of Growth Rate of Monodisperse Silica Particles from Tetraalkoxysilane. Journal of Colloid and Interface Science, 189 (2), 268–272. doi:10.1006/jcis.1997.4809
  44. Matsoukas, T., Gulari, E. (1988). Dynamics of growth of silica particles from ammonia-catalyzed hydrolysis of tetra-ethyl-orthosilicate. Journal of Colloid and Interface Science, 124 (1), 252–261. doi:10.1016/0021-9797(88)90346-3
  45. Matsoukas, T., Gulari, E. (1989). Monomer-addition growth with a slow initiation step: A growth model for silica particles from alkoxides. Journal of Colloid and Interface Science, 132 (1), 13–21. doi:10.1016/0021-9797(89)90210-5
  46. Green, D., Jayasundara, S., Lam, Y.-F., Harris, M. (2003). Chemical reaction kinetics leading to the first Stober silica nanoparticles – NMR and SAXS investigation. Journal of Non-Crystalline Solids, 315 (1–2), 166–179. doi:10.1016/s0022-3093(02)01577-6
  47. Chen, S.-L. (1998). Preparation of monosize silica spheres and their crystalline stack. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 142 (1), 59–63. doi:10.1016/s0927-7757(98)00276-3
  48. Gao, W., Rigout, M., Owens, H. (2016). Facile control of silica nanoparticles using a novel solvent varying method for the fabrication of artificial opal photonic crystals. Journal of Nanoparticle Research, 18 (12). doi:10.1007/s11051-016-3691-8
  49. Green, D., Lin, J., Lam, Y.-F., Hu, M. Z.-C., Schaefer, D. W., Harris, M. (2003). Size, volume fraction, and nucleation of Stober silica nanoparticles. Journal of Colloid and Interface Science, 266 (2), 346–358. doi:10.1016/s0021-9797(03)00610-6
  50. Lee, K., Sathyagal, A. N., McCormick, A. V. (1998). A closer look at an aggregation model of the Stöber process. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 144 (1–3), 115–125. doi:10.1016/s0927-7757(98)00566-4

##submission.downloads##

Опубліковано

2017-12-28

Як цитувати

Kharchenko, A., Myronyuk, O., Melnyk, L., & Sivolapov, P. (2017). Аналіз способів регулювання розміру часток діоксиду кремнію, отриманих методом Штобера. Technology Audit and Production Reserves, 2(3(40), 9–16. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.128571

Номер

Том 2 № 3(40) (2018): Хімічна інженерія

Розділ

Хіміко-технологічні системи: Оригінальне дослідження

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Anastasiia Kharchenko, Oleksiy Myronyuk, Liubov Melnyk, Pavlo Sivolapov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.