среднего размера наночастиц спектрофотометрическим методом.

Лабораторная работа №1

Исследование коллоидных свойств водных дисперсий наночастиц. Определение

среднего размера наночастиц спектрофотометрическим методом.

Цель работы:получение водных суспензий наночастиц; определение среднего размера частиц спектрофотометрическим методом; изучение влияния ПАВ на процесс диспергирования и размер частиц.

Приборы и реактивы:бюксы, набор кювет, химические стаканы, углеродные нанотрубки, ультразвуковая ванна, спектрофотометр, водный растворы ПАВ.

Контрольные вопросы:дисперсная система; лиофильные, лиофобные дисперсные системы; методы получения дисперсных систем; ультразвуковое диспергирование; эффект Ребиндера; устойчивость лиофобных систем: агрегативная и кинетическая; оптические свойства дисперсных систем; уравнение Рэлея.

 

Теоретическое введение

Уравнение Рэлея широко используется для определения размера коллоидных частицпо измерениям мутности. Следует иметь в виду, чтообласть его применимости ограничивается условиями «рэлеевского» рассеяния, когда размер частиц не превышает 1/5 – 1/10 длины волны падающегосвета. Для частиц большего размера интенсивность рассеянного света изменяется обратно пропорционально не четвертой, а меньшей степени длиныволны: , где n 4. Для непроводящих сферических частиц с увеличением размера до величина n уменьшается в пределе до 2.

Геллер предложил выразить мутность формулой:

 

(1)

Где k – константа, не зависящая от длины волны. При n=4 выражение соответствует уравнению Рэлея. В логарифмической форме имеем:

 

(2)

 

Зависимость lg и lg в соответствие с уравнением (2) представляет собой прямую, отрицательный тангенс угла наклона которой равен показателю степени n.

Теория светорассеяния частицами, не подчиняющимися уравнению Рэлея устанавливает связь величины n с параметром (z), выражающим соотношение между размером частиц и длиной волны падающего света

 

(3)

 

Значения z для различных n расчитаны,что даёт возможность расчёта r по экспериментально найденному значению n. (Для расчёта по формуле (3) используется среднее значение в том интервале, в котором проводилось определение n).

Описанный метод пригоден при размерах частиц до , что заметно расширяет диапазон измеряемых величин r.

Ультразвуковое диспергирование

Ультразвуковое диспергирование – тонкое размельчение твердых веществ или жидкостей, переход веществ в дисперсное состояние с образованием золя под действием ультразвуковых колебаний. Обычно термином диспергирование обозначается размельчение твердых тел в жидкой среде.

 

Рисунок 1 – Упрощённая схема диспергирования частиц в ультразвуковом поле

 

Рисунок 2 – Диспергирование УНТ в присутствии ПАВ

Порядок выполнения работы

 

Большинство наноструктурных частиц в высокой степени арегировано. Это вызывает необходимость их диспергирования. Для диспергирования наночастиц в жидких средах обычно используют ультразвуковую обработку. В данной лабораторной работе мы осуществляем диспергирование наночастиц воздействием ультразвука в присутствии предварительно введенного наноматериала в жидкую среду. Время диспергирования при частоте 40 кГц и мощности 60 Вт – 20 мин.

Спектрофотометрическое исследование суспензий наночастиц

Оптическая плотность полученных дисперсий являлась функцией отклика, свидетельствующей о качестве диспергирования. Устойчивость полученных коллоидных систем оценивалась по сравнению результатов через сутки после ультразвуковой обработки.

В данном исследовании мы анализировали оптические свойства дисперсий нанотрубок в воде и водных растворах ПАВ на цифровом спектрофотометре PD-303. К нему прилагается набор кювет. Образец помещают в кювету и определяют абсорбцию при разных длинах волн. На рисунке 3 приведена конструктивная схема оптической системы спектрофотометра PD-303.

 

Рисунок 3 – Конструктивная схема оптической системы спектрофотометра PD-303: 1- источник света (криптоновая лампа с линзой); 2 – испускающая щель; 3 – отражательное зеркало; 4 - дифракционная решетка; 5 – отражательное стекло; 6 – отсекающая щель; 7 – линза; 8 – кювета с пробой; 9 – кремниевый фотодетектор

Длина волны варьируется от 320 до 1000 нм.

На рисунке 4 в качестве примера показана зависимость оптической плотности от длины волны в логарифмических координатах для суспензий нанотрубок в воде.

Рисунок 4 - Зависимость оптической плотности супензии УНТ в воде от длины волны (с=0,1 масс.%)

 

Определение размера частиц суспензии спектрофотометрическим методом

Метод основан на электрофотометрическом измерении оптической плотности образца (D) в зависимости от длины волны падающего света (). Эта зависимость выражается эмпирическим уравнением

D=const l -n (4)

где const– константа, не зависящая от размера, формы частиц и длины волны падающего света; n- коэффициент, зависящий от размера и формы частиц, но не зависящий от длины волны.

Величина n является функцией безразмерного параметра z, характеризующего отношение радиуса частицы r к длине волны и связанного с r соотношением:

 

z=8pr/lср. (5)

Значения z соответствуют различным n (рисунок 5).

 

Рисунок 5 - Зависимость безразмерного параметра z от коэффициента n

 

Логарифмируя уравнение (4), получим

lgD=lgconst-n lgl(6)

Анализ уравнения (6) показывает, что показатель степени n может быть определен как тангенс угла наклона прямой, построенной в координатах lg D=f(lg). По графику (рисунок 5) находят соответствующее значение параметра z, и по уравнению (5) находят средний радиус частицы.

Ход работы:

1. Готовим суспензии наночастиц (0,01% УНТ) в воде и в водных растворах ПАВ:

а) Готовим раствор ПАВ (неонол АФ 9-8 при ККМ (0,0026884 г/100 мл);

б) Навески помещаем в бюксы и заливаем по 10 мл водой или водными растворами ПАВ;

1. Помещаем в ультразвуковую ванну и диспергируем 20 мин. при частоте 40 кГц и мощности 60 Вт.

2. На спектрофотометре определяем оптическую плотность полученных суспензий. Полученные значения оптической плотности D суспензий заносим в таблицу 1.

 

Таблица 1

, нм Оптическая плотность lg lg D
D1 D2 lg 1 lg 2 lg D1 lg D2
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
r r1= r2= rср=

3. Строим график зависимости D=f(), lgD=f(lg)

4. Определяем показатель степени n как тангенс угла наклона прямой, построенной в координатах lg D=f(lg). По графику (рисунок 5) находят соответствующее значение параметра z, и по уравнению (5) находят средний радиус частицы. Делаем вывод о влиянии ПАВ на процесс дезагрегации и стабилизации дисперсий УНТ.