График распределения размера частиц гидрозоля кремния в объеме системы через 12 часов (б) и через 7 суток (в)
Рис. 12. Графики зависимости размера коллоидных агрегатов SiO2 от времени созревания, при различной концентрации суперпластификатора:
▲ – 0,8 %; ■ – 0,4 %; ♦ – 0,2 % (по данным динамического светорассеяния).
1 – система 1 СП Glenium® ACE 30 (FM); 2 – система 2 СП Sikament – FF;
3 – система 3 СП Sika® ViscoCrete® 20 HE (HCl);
4 – система 4 СП Sika® ViscoCrete® 20 HE (СН3СООН)
Установлено, что для системы 1, 3 и 4 оптимальная концентрация суперпластификатора, стабилизирующая рост частиц SiO2 составляет 0,2 %. При этом для систем 3 и 4 размер частиц растет незначительно и минимален в пределах обоих систем (8 нм), что подтверждается данными ПЭМ (рис. 13). Через 30 суток система 1 переходит в гелеобразное состояние, размер частиц составляет более 50 нм. В системах 3 и 4 наблюдается легкая опалесценция, размер частиц увеличивается до 20 – 25 нм.
Рис. 13. ПЭМ-изображения образцов системы 3 (а) и 4 (б) через 7 суток
От начала синтеза. Размер метки: 200 нм
Стоит отметить, что различные исходные прекурсоры для системы 3 и 4 (кислоты HCl и СН3СООН, соответственно) существенным образом не влияют на размер коллоидных агрегатов.
Для системы 2 оптимальная концентрация СП составляет 0,8 %, однако даже при этой концентрации заметен быстрый рост частиц от 3,6 нм в 1 сутки до 20,6 нм к 7 суткам. Через 30 суток система представляет собой гель с размером частиц 100 – 150 нм.
Вероятно, такое различие в росте частиц SiO2, связано с типом вводимого суперпластификатора (табл. 5), т.к. для систем 1, 3 и 4 это водный раствор модифицированных поликарбоксилатных эфиров, с ажурной структурой полимерной цепи, обладающей неионногенными свойствами боковой цепи сложноэфирной группы и слабыми анион активными группами – СООNa (при низких значениях рН). Для системы 2 СП меламинсульфонат обладает жесткой стерической структурой с азотсодержащим гетероциклом и с анионактивной группой – СН2SO3Na в боковой цепи.
По данным ИКС (рис. 14) идентифицируется наличие SiO2 во всех исследованных системах, при этом можно выделить для связи Si−O−Si полосы поглощения 1060, 810, 460 см‾1 (сильные) и 560 см‾1 (слабая), которые характеризуют валентные колебания, что согласуется с данными в работе [62]. Сферическая форма полученных нами наночастиц (рис. 11, а) позволяет отнести синтезированные системы к островным силикатам, для водородных форм которых характерно наличие катионной ОН-группы (полоса 3640 см‾1) [55, 62].
Во всех ИК-спектрах присутствует также широкая полоса поглощения в области 3450-3350 см‾1 и полоса поглощения 1630-1640 см‾1, которые соответствуют валентным υ- и деформационным δ-колебаниям адсорбированных молекул воды
Для системы 1, 3 и 4 фиксируются слабые полосы поглощения характерные для поликарбоксилатных эфиров: полоса поглощения 1740 см-1 и 1240 см-1 в спектре соответствует колебанию групп С = О, – С – О – характерных для сложных эфиров [54].
Полосы поглощений в областях 2870–2845 и 2940 – 2910 см-1 показывают валентные колебания групп – СН2. Для системы 2 фиксируются полосы поглощения 1370 см-1 характерные для связи N = C в ароматических гетероциклах; 3368 и 3291 см-1 соответствующие связи N – Н [53]; а также полосы при 1750 и 1240 см-1 характерные для сложноэфирной группы. Наличие вышеуказанных полос поглощения позволяет идентифицировать СП меламинсульфонат. Стоит заметить, что полосы поглощения в ИК-спектрах во всех образцах немного смещены по сравнению с спектрами индивидуальных веществ, что говорит о взаимном влиянии структурных групп неорганической и органической составляющей добавки.
Таким образом, предлагаемая методика синтеза позволяет получать оптимальный размер частиц (7 – 10 нм) в системах 3 и 4, синтезированных с добавлением суперпластификатора Sika®ViscoCrete® 20 HЕ, которые являются устойчивыми в течение 7 суток.
72
Рис. 14. ИК-спектр различных систем, через 7 суток от начала синтеза. 1 – система 3 СП Sika® ViscoCrete® 20 HE (HCl);
2
– система 4 СП Sika® ViscoCrete® 20 HE (СН3СООН); 3 – система 1 СП Glenium® ACE 30 (FM); 4 – система 2 СП Sikament – FF