подсекция 1.5 химия образование гидрофобной сажи в

ПОДСЕКЦИЯ 1.5
ХИМИЯ
ОБРАЗОВАНИЕ ГИДРОФОБНОЙ САЖИ В УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПЛАМЕНАХ
Әуелханқызы М, Лесбаев Б.Т., Нажипқызы М
Студенты, ЕНУ им. Л.Н.Гумилева, г.Астана
Научные руководители - д.х.н., профессор Мансуров З.А., к.х.н., доцент Машан Т.Т.
Исследование процессов сажеобразования в пламенах не теряют своего значения и
актуальности по настоящее время. Это определяется следующими причинами: во-первых,
сажа производится в огромных масштабах и широко применяется в качестве активного
наполнителя резины, компонентов печатных красок и.т.д.; во-вторых, сажа является
канцерогенным загрязнителем окружающей среды при сжигании углеводородного топлива в
энергетических установках [1, 2].
Известно, что сажа с заданными свойствами является важным технологическим
сырьем и производится в промышленных масштабах различными способами [3, 4, 5]. Для
того чтобы производить сажу, в основном применяется метод сжигания с недостатком
кислорода жидких и газообразных углеводородов при температурах порядка 1500 0С с
последующим резким охлаждением продуктов разложения. Получаемая сажа состоит из
отдельных сферических частиц в виде шаровых глобул диаметром d=[9…600] нм, которые
химически связываются и образовывают вторичную структуру, коагулируя в агрегаты с
линейными ветвящимися цепочками, спиралей, гроздей, названных фрактальными
кластерами. Размер сажевых частиц, удельная поверхность и структурная упорядоченность
зависят от условий ее образования [6, 7, 8].
В последнее время в открытых публикациях появилась много работ связанных с
синтезированием гидрофобных углеродных поверхностей в пламенах [9-13]. Это связано с
тем, что возросла актуальность вопроса связанного со снижением себестоимости
гидрофобных материалов особенно применяемых в строительстве. В Казахстане бурно
развивается строительная отрасль, и потребление гидрофобных веществ в виде наполнителей
или готовых к применению материалов, исчисляется тысячами тон в год. Сажа, полученная
при определенных условиях сжигания топлив может обладать гидрофобными свойствами
которую в дальнейшем можно использовать для придания различным материалам
водостойкости и непромокаемости. Эта задача тесно связана с исследованием процессов
образования сажи и в предлагаемой работе приведены результаты исследования процесса
образования гидрофобных сажевых поверхностей на подложках из кремния и никеля при
горении пропан - кислородного пламени.
Методика проведения экспериментов по синтезу гидрофобной
сажевой поверхности
Для синтеза гидрофобной сажевой поверхности использовали пропан - кислородное
пламя и подложки, изготовленные из кремния и никеля. Расход пропана варьировался от 50
до 150, кислорода от 260 до 310 см3/мин. Пропан и кислород подавались отдельно, а на
выходе образуется диффузионное пламя. Подложки представляют собой круги диаметром 7
см, которые располагали на высоте 2-3 см над пламенем. Время экспозиции варьировали от 2
до 10 минут. При времени экспозиции до 4 минут на поверхности осаждается обычная сажа.
Время экспозиции более 4 минут приводит к образованию сажи с гидрофобными
свойствами, а увеличение времени экспозиции более 10 минут не оказывает влияния на
улучшение этих свойств. На рисунке 1 приведена фотография экспериментальной установки:
354
Рисунок 1 - Фотография экспериментальной установки
На поверхности подложки идет осаждение сажи с толщиной в среднем 1 – 1,5 мм. На
рисунке 15 приведен образец, полученный с использованием кремниевой подложки. На
поверхности подложки визуально можно наблюдать разделение осевшей сажи на три зоны:
серой, коричневой и черной.
Рисунок 2 – Кремниевый диск, который был подвержен воздействию пламени

Степень гидрофобных свойств поверхности характеризуется углом смачивания
:
для гидрофильных поверхностей θ<900, для гидрофобных поверхностей θ900. Измеряется
методом лежащей капли. Данный метод был применен для определения гидрофобных
свойств получаемой сажевой поверхности, используя фотографии. Ниже приведены
фотографии нанесенной капли воды на чистую кремниевую поверхность и в трех зонах
полученной сажевой поверхности на кремниевой подложке, рисунок 3. Выявлено, что капля
воды, нанесенная на чистую поверхность кремния, имеет внешний угол контакта 500, это
говорит о том, что поверхность гидрофильная, рисунок 3 (а). На рисунках 3 (б, в, г)
приведены фотографии капли нанесенные в серую, коричневую и черную закопченную зоны.
Соответственно, угол смачивания серой зоны составляет 1350С, коричневой зоны – 1550С и
внешней закопченной зоны - 1450С. Полученные данные показывает, что сажа, осевшая в
средней коричневой зоне обладает лучшими гидрофобными свойствами по сравнению с
сажей, осевшей в центральной и наружной зоне.
а
б
в
г
а – гидрофильная; б, г - гидрофобная; в - супергидрофобная поверхность
355
Рисунок 3 - Капля воды на гидрофильной и супергидрофобной поверхности
При наложении достаточно сильных электрических полей на пламена, за счет
соударений быстрых электронов, дополнительно возникают возбужденные молекулы,
молекулярные ионы или происходит диссоциация молекул на нейтральные ионизованные
осколки (атомы, радикалы). Возбужденное состояние таких частиц является
метастабильным, следовательно, они сравнительно долгоживущие и процесс горения в таком
случае несколько отличается от горения при обычных условиях т.е. налогая электрическое
поле на пламя можно управлять процессами образования продуктов горения. Для выявления
влияния внешнего воздействия на гидрофобные свойства образующейся сажевой
поверхности провели исследования с наложением на пламя электрического поля.
Ниже приведено схематическое изображение наложения электрического поля
(рисунок 4). Эксперименты проводились на подложках из кремния и никеля при малых
величинах налагаемого напряжения и напряжениях свыше 500 вольт, когда налагаемое
электрическое поле переходит в режим разряда.
Рисунок 4 - Схематическое
изображение наложения
электрического поля
Наложение электрического поля в режиме разряда способствует увеличению
толщины углеродного гидрофобного слоя и сужению области его распространения.
Независимо от материала подложки, от величины и полярности налагаемого напряжения,
наблюдается одинаковая зависимость свойств получаемой поверхности. В средней части
подложки, в диаметре 2,5 – 3 см, образуется супергидрофобная сажевая поверхность с углом
смачивания свыше 170 (рисунок 5).
Рисунок 5 – Капля воды нанесенная на полученную супергидрофобную сажевую
поверхность на кремниевой подложке. поверхность.ююэлектрического поля
Полученная супергидрофобная сажа была нанесена на хлопчатобумажную ткань
механическим способом и с примением метода Обручева. На рисунке 5 показана капля воды
нанаесенная на чистую не отстиронную хлопчатобумажную ткань (5а), которая была
обработана в спитртовом растворе содержащей полученную супергидрофобную сажу (5б).
Из рисунка видно, что обе поверхности изначально обладают гидрофобным свойством, но с
течением времени происходит впитывание капли воды в ткань. В чистую ткань за 15 мин, в
обработанную сажей ткань в течение 30 мин.
356
(а)
(б)
Рисунок 6 – (a) капля воды на чистой ткани; (б) капля воды на ткани обработанной в
70% спиртовом растворе содержащей супергидрофобную сажу.
В чистую отстированную ткань впитывание капли воды происходит за 1 мин 15
секунд. Динамика процесса впитывания водяной капли по времени показана на рисунке 7.
Начало
15сек
30сек
45сек
1мин
1 мин 15 сек
Рисунок 7 – Динамика впитывания капли воды на отстиранную ткань.
На рисунке 8 показаны фотографии поведения капли воды на поверхности
отстиранной ткани обработанной в 70% спиртовом растворе содержащей супергидрофобную
0
сажу. Поверхность ткани обладает гидрофобным свойством с углом смачивания менее 150 .
После 5 минут начинается впитывание водяной капли.
357
Начало
3 мин
1 мин
2 мин
4 мин
5 мин
Рисунок 8 – Капля воды на отстиранной ткани, обработанной в 70% спиртовом растворе
содержащей супергидрофобную сажу.
Последующие эксперименты обработки ткани проводились с применением известного
метода Обручева, которая применяется для создания водонепроницаемой ткани.
Хлпчатобумажная ткань была обработана мыльным растворам, затем помещена в
насыщенный квасцовой раствор (алюмокалиевые квасцы — KAl(SO4)2 12H2O.) в течение 5
минут. Сушка ткани проводилась при комнатной температуре течение 3 часов. После
полного высушивание ткани на ее поверхность наносилась капли воды и с использиванием
метода фотографирования велось наблюдение динамики впитывания воды в ткань.
Полученные результаты приведины рисунке 9. Как видно по фотографиям изначально капля
воды удерхивается на поверхности ткани, но за время 15 мин происходит полное впитывание
воды в ткань.
Начало
5 мин
10 мин
Рисунок 9 – Капля воды на ткани обработанный методом Обручева.
Далее ткань обработали в мылном растворе в которую было добавлено 50 мг
полученной гидрофобной сажи. Затем ткань была погружена в насыщенный квасцовый
раствор в течение 5 минут. После просушки при комнатной температуре в течение 3 часов,
ткань исследовали на гидрофобность путем нанесения на ее поверхность капли воды
(рисунок 10).
358
Начало
15мин
30мин
Рисунок 10 – Капля воды на ткани обработанный методом Обручева с добавкой
сажи обладающей супергидрофобным свойством.
Результаты исследований показали, что ткань обработаная методом Обручева с
добавлением в мылный раствор синтезируемой супергидрофобной сажи, обладает
исключительными водонепроницаемым свойством, которая сохраняется длительное время.
0
При этом угол смачивания более 170 , что говорит о супергидрофобном свойстве
полученной поверхности.
Литература
1. Мансуров З.А. Сажеобразование в процессах горения (обзор) // Физика горения и
взрыва. – 2005. - Т. 41, № 6. - C. 137-156.
2. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты,
моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / пер. с англ. Г.Л.
Агафонова; под ред. П.А. Власова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 352 с.
3. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. – М.:
Аспект Пресс, 1997. - 718 с.
4. Фенелонов В.Б. Пористый углерод. - Новосибирск: Изд-во катализа СО РАН, 1995. 518 с.
5. Зуев В.В., Михайлов В.В. Производство сажи. - М.: Химия, 1970. - 318 с.
6. Мансуров З.А. Низкотемпературное сажеобразование и его технологические аспекты
// Материалы докладов междунар. симп. «Физика и химия углеродных материалов». –
Алматы, 2000. - С. 19-25.
7. Вагнер Х.Г., Мансуров З.А. Сажеобразование в процессах горения // Химия и
химическая технология. Современные проблемы: ежегод. обзор статей ученых-химиков /под
ред. проф. З.А. Мансурова. – Алматы, 2004. - С. 35-68.
8. Mansurov Z.A. Cool sooting flames of hydrocarbons // Journal of Thermal Science. - 2001.
- Vol. 10, № 3. - P. 269-280.
9. Sayangdev Naha, Swarnendu Sen, Ishwar K. Puri. Flame synthesis of superhydrophobic
amorphous carbon surfaces.// Carbon 2007, 45 Р. 1696–1716.
10. Levesque A, Binh VT, Semet V, Guillot D, Fillit RY, Brookes MD, et al. Mono disperse
carbon nanopearls in a foam-like arrangement: a new carbon nano-compound for cold cathodes. //
Thin Solid Films 2004; № 464–465, Р. 308–314.
11. Sen S, Puri IK. Flame synthesis of carbon nanofibers and nanofiber composites
containing encapsulated metal particles. // Nanotechnology, 2004, №15(3), Р.264–268.
12. Нажипкызы М, Мансуров З.А., Пури И.К., Лесбаев Б.Т., Шабанова Т.А., Цыганов
И.А. Получение супергидрофобной углеродной поверхности при горении пропана //Нефть и
газ. - 2010. - №5. – С. 27 - 33.
13. Нажипкызы М., Шабанова Т.А., Лесбаев Б.Т., Антонюк В.И., Мансуров З.А., Пури
И.К. Углеродистый депозит, образованный в пламени: (электронно-микроскопическое и
РФА изучение.) //Горения и плазмохимия. - 2010. – T. 8, №2. – С. 169 - 173.
359