Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА ОЛИГОПЕПТИДОВ НА АГРЕГАТИВНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ СУСПЕНЗИЙ АЛЮМОСИЛИКАТОВ

Баталин Б.С. 1 Южаков К.Н., 1 Нечаева А.Е. 1 Хорошавина А.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Наномодификация строительных материалов не может по теоретическим и экономическим соображениям состоять в получении строительных материалов из наночастиц. Не целесообразно в большинстве случаев и введение в состав строительных материалов готовых наночастистиц, полученных по уже известным технологиям. Необходима разработка таких рецептур и технологий, которые позволили бы осуществить самосборку наноструктур в ходе технологических воздействий на сырьевую смесь при производстве материалов и изделий при относительно невысоких температурах. Наиболее доступно для технологии строительных материалов применение самосборки органо-неорганических наноструктур. Мерой энергетической устойчивости силикатных структур является степень связности кремнекислородного каркаса FSi. В статье изложены методы и результаты исследования влияния коллоидного раствора олигопептидов на агрегативную устойчивость алюмосиликатно-водных дисперсных систем. Показано, что при температуре до 100 оС взаимодействие КРОП с дисперсной фазой происходит, если FSi силиката (алюмосиликата) не превышает величины 0,333. Взаимодействие выражается в диспергировании агрегированных систем, что установлено по уменьшению средневзвешенного диаметра частиц дисперсной фазы и увеличении ее удельной поверхности. При этом, чем ниже значение FSi, тем более отчетливо выражена дезагрегация дисперсной системы. Силикаты и алюмосиликаты с FSi более, чем 0,333 при той же температуре с КРОП практически не взаимодействуют.
коллоидный раствор
дисперсная система
олигопептиды
силикаты
алюмосиликаты
агрегативная устойчивость
связность кремнекислородного каркаса
наноструктура
самосборка
1. Астреева О.Н. Петрография вяжущих материалов. – М.: Госстройиздат, 1959.
2. Баталин Б.С. Исследование влияния белкового пенообразователя на процесс твердения портландцемента // Электронный журнал «Исследовано в России». – 2010. – № 054. – С. 646–649. – http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2010/054.pdf
3. Баталин Б.С., Белозерова Т.А., Сеньков С.А. Влияние коллоидного раствора олигопептидов на свойства керамических материалов // Электронный журнал «Исследовано в России». – 2011. – № 045. – С. 579–588. – http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2011/045.pdf.
4. Баталин Б.С., Правина Н.А. Адгезионная прочность контактной зоны стеклокомпозиционных материалов // Стекло и керамика. – 1992. – №6. – С. 12–14.
5. Способ получения пенообразователя и пенообразователь, полученный этим способом: патент РФ №2284308 / Баталин Б.С., Пряхин И.П., Козлов И.А. Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 27.09.2006.
6. Васильев Р.Б. Квантовые точки. – Интернет ресурс www.hsms.msu.ru.
7. Земцов А.Е., Тренихин М.В. Структура поверхности и поверхностные свойства наночастиц сульфида кадмия // Труды I-й Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии. – Алматы, 2008, – С. 67–79.
8. Королев Е.В. Основные принципы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Научный интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве». – 2009. – №1. – С. 66–79.
9. Кротиков В.А. Органосиликатные композиции: каталог-справочник. – Л., 1980. – 340 с.
10. Лукашин А.В., Елисеев А.А. Слоистые двойные гидроксиды. – Интернет ресурс. fmg.inorg.chem.msu.ru www.hsms.msu.ru.
11. Харитонов Н.П., Кротиков В.А., Островский В.В. Органосиликатные материалы, их свойства и технология применения. – Л., 1979. – 128 с.

Наномодификация строительных материалов не может по теоретическим научным и экономическим соображениям состоять в получении строительных материалов из наночастиц. [8, 10].Как показывает еще не большая практика, не целесообразно в большинстве случаев и введение в состав строительных материалов готовых наночастистиц, полученных предварительно по уже известным технологиям. Это связано как с дороговизной такого метода, так и с трудностями сохранения наночастиц в исходном состоянии в связи с их высокой агрегативной неустойчивостью – автогрануляция, комкование. К тому же многие виды наночастиц ядовиты. Выходом из положения может быть разработка таких рецептур и технологий, которые позволили бы осуществить самосборку наноструктур в ходе технологических воздействий на сырьевую смесь при производстве материалов и изделий в объеме формирующегося материала (изделия). Реальность такой возможности показана в ряде наших разработок.

Ранее нами было показано, что коллоидный раствор олигопептидов (КРОП), применяемый в качестве, пенообразователя для получения пенобетона существенно увеличивает агрегативную устойчивость портландцементов различных составов [2].

Было высказано предположение, что КРОП образует с минералами портландцемента наноструктуру, обеспечивающую капсулирование некоторого количества воды, что предотвращает гидратацию минералов, и, следовательно, сохранность цемента в течение длительного времени.

Было установлено также, что КРОП, введенный в керамическую массу, позволяет существенно увеличить формуемость керамических масс, повысить прочность керамического черепка и его морозостойкость при снижении плотности [3].

Возможность образования наноструктур между органическими и неорганическими соединениями принципиально достаточно хорошо известна [6, 7].

Однако, как уже сказано выше, есть существенная разница между применением органо-неорганических нанообразований для целей электроники, информационных, в том числе цифровых технологий, квантовой оптики и т.п. и применением аналогичных нанообразований в области строительных материалов и конструкций. Поэтому в случае необходимости получения изделий большой массы и объема наиболее целесообразно применять технологию самосборки наноструктур.

По технологическим соображениям самосборка должна осуществляться в ходе формирования структуры материала. Примером такого процесса может служить формирование структуры ситалла в стекле под влиянием активаторов кристаллизации (часто называемых катализаторами, что не совсем правильно). [11]. Однако это высокотемпературный процесс и его невозможно использовать для наномодификации большей части реально используемых в строительстве веществ. Поэтому необходим поиск таких процессов, которые позволяли бы инициировать самосборку наноструктур при относительно невысоких температурах. В этом смысле наиболее доступно для технологии строительных материалов применение самосборки органо-неорганических наноструктур.

Мерой энергетической устойчивости силикатных структур принято считать степень связности кремнекислородного каркаса fsi

Eqn16.wmf

где fSi – степень связности кремнекислородного каркаса силикатного минерала;
mRxOy – молярное содержание соответствующего оксида в минерале.

Наименьшая связность присуща островным силикатам, наибольшая – каркасным. Кроме кремния, большинство обычных в структуре силикатов элементов – щелочные, щелочеземельные и некоторые другие –
являются модификаторами. Однако ряд элементов – бор, свинец, фосфор и другие – могут быть и каркасообразователями.

Судя по имеющимся в литературе сведениям, наиболее склонны к образованию органо-силикатных наноструктур слоистые силикаты. Это слюды, гидрослюды, глинистые минералы, в частности – монтмориллонит. [9]. Для наших экспериментов были выбраны вещества, названия которых приведены в табл. 1а, б.

В нашем случае использование степени связности кремнекислородного каркаса не совсем корректно, так как выбранные нами веществе не все состоят из одного минерала. В то же время можно считать, что формула в нашем случае отражает отношение количества кремния к количеству кислорода в системе – FSi. Известно [4], что это отношение определяет силу адгезии жидкостей и пыли к поверхности силиката. Можно предположить, что способность силиката к образованию гипотетических органо-силикатных наноструктур также должна зависеть от этого соотношения.

Связность кремния с кислородом FSi в исследованных системах такова:

цемент – 0,164;

терриконик – 0,259;

иллит – 0,265;

диабаз – 312;

монтмориллонит – 0,333;

фарфор – 0,367;

микрокремнезем – 0,456;

В качестве второго компонента использовали коллоидный раствор олигопептидов, соответствующий по способу получения и составу пенообразователю БГ-20, описанному в патенте [5].

Хроматографический анализ показал, что в состав этого раствора входят олигопептиды аланин CH3–NH2–CHCOOH, глицин NH2–CH2–COOH и метионин
CH3–S–CH2CH2CH (NH2) COOH, составляющие в сумме около 50 масс. % коллоидной части. Кроме того, в состав раствора входят октадиценовая, пальметиновая и олеиновая кислоты, их метиловые эфиры, этиленоксид, гуанидин и карбаминово-метиловый эфир. Воды в растворе 70 масс. %.

Было исследовано влияние КРОП на агрегативную устойчивость алюмосиликатно-водных дисперсных систем, в которых дисперсной фазой служили тонкоизмельченные материалы, приведенные в табл. 1 а, б.

Таблица 1 а

Химический состав сырьевых материалов А – масс. %

Материал

Химический состав, масс, %

CaO

MgО

SiO2

Al2O3

Fe2O3

Na2O

K2O

H2O

MnO

TiO2

P2O5

Диабаз

10,9

0,15

55,4

26,8

1,6

3,96

0,36

0,51

 

Портландцемент

65,2

3,1

22,3

6,4

4,4

 

Фарфор

2,7

2,06

70,0

25,0

0,15

0,09

 

Терриконик

0,38

0,11

50,8

17,1

5,31

0,33

2,35

 

1,27

0,09

Микрокремнезем

0,71

0,97

90,1

1,93

0,87

1,16

2,25

0,20

0,01

1,18

Иллит

5,57

1,84

63,4

12,8

4,76

1,75

2,02

6,75

0,74

Монтмориллонит

0,81

0,37

56,5

37,0

0,89

0,51

2,12

8,60

1,14

Таблица 1б

Моли

Материал

Химический состав, моли

CaO

MgO

SiO2

Al2O3

Fe2O3

Na2O

K2O

H2O

MnO

TiO2

P2O5

Диабаз

1.94

0,04

9,23

2,62

0,10

0,64

0,04

0,28

     

Портландцемент

11,63

0,77

3,75

0,63

0,28

           

Фарфор

0,48

0,52

11,60

2,45

 

0,02

0,01

       

Терриконик

0,07

0,03

8,46

1,68

3,33

0,05

0,24

   

0,16

0,01

Микрокремнезем

0,13

0,24

15,02

0,19

 

0,14

0,12

1,25

0,03

 

8

Иллит

0,99

0,46

10,57

1,26

0,30

0,28

0,21

3,75

 

0,09

 

Монтмориллонит

0,14

0,09

9,42

3,63

0,06

0,08

0,23

4,78

 

0,15

 

Чтобы получить суспензии, материалы измельчали в лабораторной фарфоровой мельнице, а затем растирали в фарфоровой ступке до полного прохождения пробы через сито 0,14. Порошки смешивали с водой в соотношении 1:1 по массе. Каждую суспензию делили на две части. Одну оставляли без добавок, а во вторую вводили КРОП в количестве 5 % по массе от массы суспензии. Одновременно из суспензий приготавливали микропрепараты по методу О.М. Астреевой [1]. Микропрепараты исследовали с помощью поляризационного микроскопа МИН-8 и фотографировали с помощью цифровой фотокамеры Olympus FE-100. В микропрепаратах подсчитывали количество наблюдаемых частиц на единицу площади препарата и размеры частиц. Для подсчетов использовали окулярную сетку и окулярную линейку. Предварительно определили цену деления линейки и размер стороны ячейки сетки. Кроме того, подсчитывали число пересечений частиц с линиями окулярной сеткой. По этим данным рассчитывали удельную поверхность S дисперсной фазы.

За степень агрегации А приняли величину dτ/d0, где d0 – средневзвешенный размер частиц в момент приготовления суспензии; dτ – то же в момент времени τ.

Замеры производили в препаратах с добавкой КРОП и без нее параллельно в один прием с разницей не более 1 часа.

Исследования препаратов производили сразу после изготовления, через 3, 7, 14, 21 и 28 суток.

Для определения структуры агрегированных и неагрегированных частиц использовали электронную микроскопию.

Предполагали, что с увеличением степени связности должна уменьшаться самопроизвольная агрегация частиц материала. При этом взаимодействие с КРОП должно зависеть не только от кремнекислородного отношения, но также от температуры системы.

Результаты экспериментов приведены на диаграммах (рис. 1, 2).

Исходные данные для построения диаграмм приведены в табл. 2.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

При температуре до 100 °С взаимодействие КРОП с силикатами происходит, если FSi силиката (алюмосиликата) не превышает величины 0,333. Взаимодействие выражается в диспергировании агрегированных систем, что установлено по уменьшению средневзвешенного диаметра частиц дисперсной фазы, и в увеличении ее удельной поверхности. При этом, чем ниже значение FSi, тем более отчетливо выражена достигнутая агрегативная устойчивость дисперсной системы.

Силикаты и алюмосиликаты с FSi более, чем 0,333 при той же температуре с КРОП практически не взаимодействуют.

Таблица 2

Исходные данные по результатам экспериментов

№ п/п

Вид дисперсной фазы

d1

d2

S1

S2

FSi

1

цемент

3

75

330

790

0,164

2

терриконик

10

120

310

650

0,259

3

иллит

12

130

410

520

0,265

4

диабаз

15

130

300

430

0,312

5

монтмориллонит

17

90

300

390

0,333

Примечания:

d1 – средневзвешенный диаметр дисперсной фазы без КРОП, мкм;

d2 – то же в присутствии КРОП;

S1 – удельная поверхность дисперсной фазы без КРОП, м2/кг;

S2 – то же в присутствии КРОП;

FSi – связность кислорода с кремнием для этой фазы.

рис_49.wmf

Рис. 1. Зависимость средневзвешенного диаметра d от значения FSi дисперсной фазы:
верхний ряд – без КРОП: нижний ряд – в присутствии КРОП

рис_50.wmf

Рис. 2. Зависимость удельной поверхности S от значения FSi дисперсной фазы:
верхний ряд – в присутствии КРОП; нижний ряд – без КРОП

Результаты экспериментов могут быть использованы для повышения агрегативной устойчивости порошков силикатного состава, например, портландцементов и глин. Планируется эксперимент для выявления особенностей поведения системы при более высоких температурах, от 200 до 1100 оС

Рецензенты:

Онорин С.А., д.х.н., профессор, профессор кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь;

Пономарев А.Б., д.х.н., профессор, профессор кафедры строительного производства и геотехники Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 27.09.2012.


Библиографическая ссылка

Баталин Б.С., Южаков К.Н.,, Нечаева А.Е., Хорошавина А.И. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА ОЛИГОПЕПТИДОВ НА АГРЕГАТИВНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ СУСПЕНЗИЙ АЛЮМОСИЛИКАТОВ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11-2. – С. 362-366;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30538 (дата обращения: 13.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074