[go: up one dir, main page]

RU2502980C1 - Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol - Google Patents

Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol Download PDF

Info

Publication number
RU2502980C1
RU2502980C1 RU2012129467/28A RU2012129467A RU2502980C1 RU 2502980 C1 RU2502980 C1 RU 2502980C1 RU 2012129467/28 A RU2012129467/28 A RU 2012129467/28A RU 2012129467 A RU2012129467 A RU 2012129467A RU 2502980 C1 RU2502980 C1 RU 2502980C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
sol
coagulation
reference samples
concentration
Prior art date
Application number
RU2012129467/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Александрович Аверин
Светлана Евгеньевна Игошина
Андрей Андреевич Карманов
Римма Михайловна Печерская
Игорь Александрович Пронин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет")
Priority to RU2012129467/28A priority Critical patent/RU2502980C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2502980C1 publication Critical patent/RU2502980C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnology.SUBSTANCE: reference samples with the predetermined initial concentration of nanoparticles are produced. Infrared spectra of the reference samples are recorded, the characteristic absorption peaks are identified. The infrared spectra of the reference samples are recorded during the coagulation process, the experimental dependence of the transmission coefficient of infrared radiation is created on the basis of the coagulation time. The infrared spectra of the reference samples are recorded and the concentrations C and the size of the nanoparticles d are determined according to the relationswhere Cis the initial concentration of the nanoparticles in the sol, K is the coagulation constant determined by the sol composition; ?is the density of the sol component forming the nanoparticles; Vis the volume of the sol component forming the nanoparticles; Nis the Avogadro's number; Mis the molar mass of the sol component forming the nanoparticles; Uis the amount of the sol; k is the Boltzmann constant; T=29S K is the temperature; ? is the dynamic viscosity of the solution; ?=10is the parameter characterising the effective probability of collision of the nanoparticles with each other; ? is the size of the molecule forming the nanoparticle; ?=3 is growth coefficient in the diameter of the nanoparticle in the coagulation process; ?=13 is the constant related to the fractality of the nanoparticle; ?(T) is the approximation of the experimental dependence of the transmission coefficient of infrared radiation through the sol on the basis of time.EFFECT: creation of the method of determining the concentration and the average size of nanoparticles in sol undergoing coagulation by IR-spectroscopy.14 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к области определения концентрации и среднего размера наночастиц в золе, претерпевающем коагуляцию, с помощью инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии).The proposed method relates to the field of determining the concentration and average size of nanoparticles in a sol undergoing coagulation using infrared spectroscopy (IR spectroscopy).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ определения среднего размера агрегата частиц наполнителя, их концентрации и распределения в объеме полимерной матрицы [1]. Он заключается в изготовлении эталонных образцов, записи ИК-спектров пропускания эталонных образцов, идентификации экстремумов спектрограмм эталонных образцов в соответствии со средним размером частиц наполнителя, их концентрацией и распределением, построении градуировочных графиков, затем производят запись ИК-спектров исследуемых образцов и соотнесении экстремумов спектрограмм исследуемых образцов с градуировочным графиком.The closest in technical essence to the proposed solution is a method for determining the average aggregate size of the filler particles, their concentration and distribution in the volume of the polymer matrix [1]. It consists in the production of reference samples, recording the IR transmission spectra of the reference samples, identifying the extrema of the spectrograms of the reference samples in accordance with the average particle size of the filler, their concentration and distribution, constructing calibration graphs, then recording the IR spectra of the studied samples and comparing the extremes of the spectrograms of the studied samples with a calibration graph.

Недостатком такого способа является необходимость предварительного определения среднего размера агрегатов частиц наполнителя, их концентрации и распределения с помощью электронного микроскопа, кроме того, такой способ не позволяет определять концентрацию и размер наночастиц в золе.The disadvantage of this method is the need for preliminary determination of the average size of the aggregates of the filler particles, their concentration and distribution using an electron microscope, in addition, this method does not allow to determine the concentration and size of the nanoparticles in the ash.

Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что с помощью ИК-спектроскопии определяется средний размер частиц и их концентрация в золе, претерпевающем коагуляцию.The technical result of the present invention is that by means of IR spectroscopy, the average particle size and their concentration in the ash undergoing coagulation is determined.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что изготавливаются эталонные образцы с заданной начальной концентрацией наночастиц; записываются инфракрасные спектры (ИК-спектры) пропускания эталонных образцов; идентифицируются характеристические пики поглощения; строится экспериментальная зависимость коэффициента пропускания ИК-излучения от начальной концентрации наночастиц; записываются ИК-спектры эталонных образцов во время процесса коагуляции; строится экспериментальная зависимость коэффициента пропускания ИК-излучения от времени коагуляции; записываются ИК-спектры исследуемых образцов и определяют концентрацию (С) и средний размер наночастиц (d) по соотношениям:The essence of the proposed method lies in the fact that the manufactured reference samples with a given initial concentration of nanoparticles; infrared spectra (IR spectra) of transmission of reference samples are recorded; characteristic absorption peaks are identified; the experimental dependence of the IR transmittance on the initial concentration of nanoparticles is built; IR spectra of reference samples are recorded during the coagulation process; the experimental dependence of the IR transmittance on the coagulation time is built; IR spectra of the studied samples are recorded and the concentration (C) and average nanoparticle size (d) are determined by the ratios:

C ( T ) = C 0 1 + C 0 τ ( T ) K , ( 1 )

Figure 00000001
C ( T ) = C 0 one + C 0 τ ( T ) K , ( one )
Figure 00000001

d ( T ) = α χ ln ( 1 + K C 0 τ ( T ) ) ln ( ξ ) , ( 2 )

Figure 00000002
d ( T ) = α χ ln ( one + K C 0 τ ( T ) ) ln ( ξ ) , ( 2 )
Figure 00000002

C 0 = ρ к V к N A M к V з о л я , ( 3 )

Figure 00000003
C 0 = ρ to V to N A M to V s about l I am , ( 3 )
Figure 00000003

K = 4 k T 3 η ψ , ( 4 )

Figure 00000004
K = four k T 3 η ψ , ( four )
Figure 00000004

где Со - начальная концентрация наночастиц в золе; K - константа коагуляции, определяемая составом золя; ρк - плотность компонента золя, образующего наночастицы; Vк - объем компонента золя, образующего наночастицы; NA - число Авогадро; Мк - молярная масса компонента золя, образующего наночастицы; Vзоля - объем золя; k - постоянная Больцмана; T=29SK - температура; η - динамическая вязкость раствора; ψ=10-9 - параметр, характеризующий эффективную вероятность соударения наночастиц друг с другом; α - размер молекулы, образующей наночастицу; χ=3 - коэффициент роста диаметра наночастицы в процессе коагуляции; ξ=13 - константа, связанная с фрактальностью наночастицы; τ(T) - аппроксимация экспериментальной зависимости коэффициента пропускания ИК-излучения через золь от времени.where Co is the initial concentration of nanoparticles in the ash; K is the coagulation constant determined by the composition of the sol; ρ to is the density of the sol component forming the nanoparticles; V to is the volume of the sol component forming the nanoparticles; N A is the Avogadro number; M to - the molar mass of the sol component forming the nanoparticles; V sol - the volume of the sol; k is the Boltzmann constant; T = 29SK is the temperature; η is the dynamic viscosity of the solution; ψ = 10 -9 is a parameter characterizing the effective probability of collision of nanoparticles with each other; α is the size of the molecule forming the nanoparticle; χ = 3 is the coefficient of growth of the diameter of the nanoparticles during coagulation; ξ = 13 is a constant associated with the fractality of the nanoparticle; τ (T) is an approximation of the experimental time dependence of the transmittance of infrared radiation through a sol.

Соотношение (1) является решением уравнения Смолуховского [2] и учитывает, что начальный размер одной наночастицы в золе соответствует размеру одной молекулы (α); величина C 0 C

Figure 00000005
определяет число молекул в наночастице с течением времени; эффективная вероятность соударения достаточно малая величина (ψ=10-13); число молекул в наночастице линейно растет с течением времени при заданной постоянной температуре. Соотношение (3) определяет начальную концентрацию наночастиц исходя из объема компонентов золя. Соотношение (4) представляет собой константу коагуляции и зависит только от состава золя. Соотношение (2) характеризует фрактальную структуру наночастиц [3] и учитывает, что в процессе коагуляции на каждом этапе участвует ξ=13 составных частиц, причем коэффициент роста диаметра наночастицы на следующем этапе будет составлять χ=3.Relation (1) is a solution to the Smoluchowski equation [2] and takes into account that the initial size of one nanoparticle in the ash corresponds to the size of one molecule (α); value C 0 C
Figure 00000005
determines the number of molecules in a nanoparticle over time; the effective probability of collision is quite small (ψ = 10 -13 ); the number of molecules in a nanoparticle increases linearly over time at a given constant temperature. Relation (3) determines the initial concentration of nanoparticles based on the volume of sol components. Relation (4) is a coagulation constant and depends only on the composition of the sol. Relation (2) characterizes the fractal structure of nanoparticles [3] and takes into account that ξ = 13 composite particles participate in the coagulation process at each stage, and the coefficient of growth of the nanoparticle diameter at the next stage will be χ = 3.

Такое сочетание экспериментальных и теоретических данных позволяет определять концентрацию и средний размер наночастиц в золе с помощью ИК-спектроскопии.This combination of experimental and theoretical data allows us to determine the concentration and average size of nanoparticles in the ash using IR spectroscopy.

Пример выполнения способа. Определение концентрации и среднего размера наночастиц в золе ортокремневой кислоты.An example of the method. Determination of the concentration and average size of nanoparticles in orthosilicic acid ash.

1. Изготовление эталонных образцов с заданной начальной концентрацией наночастиц (C0). Золь ортокремневой кислоты готовили в два этапа, на первом этапе смешивали тетраэтоксисилан и этиловый спирт, затем на втором этапе в полученный раствор вводили дистиллированную воду. Начальную концентрацию наночастиц в золе ортокремневой кислоты определяли по соотношению (3), варьируя объем тетраэтоксисилана и спирта.1. The manufacture of reference samples with a given initial concentration of nanoparticles (C 0 ). The salt of orthosilicic acid was prepared in two stages, at the first stage tetraethoxysilane and ethyl alcohol were mixed, then at the second stage distilled water was introduced into the resulting solution. The initial concentration of nanoparticles in the ash of orthosilicic acid was determined by the ratio (3), varying the volume of tetraethoxysilane and alcohol.

2. Запись ИК-спектров пропускания эталонных образцов. ИК-спектры золя ортокремневой кислоты записывали с помощью ИК Фурье спектрометра ФСМ 1201 фирмы «ЕвроЛаб» с использованием приставки многократного нарушения полного внутреннего отражения (МНПВО).2. Recording IR transmission spectra of reference samples. The IR spectra of the orthosilicic acid sol were recorded using an FSM 1201 IR Fourier spectrometer (EuroLab) using an attachment for multiple total internal reflection disturbance (MNVPO).

На фиг.1 представлены ИК-спектры пропускания золя ортокремневой кислоты в спектральном диапазоне (650-4450) см-1 при различной начальной концентрации наночастиц (C0): кривая 1 - 2,023·1027 м-3; кривая 2 - 1,798·1027 м-3; кривая 3 - 1,349·1027 м-3; кривая 4 - 8,992·1026 м-3; кривая 5 - 6,744·1026 м-3; кривая 6 - 2,697·1026 м-3.Figure 1 presents the IR transmission spectra of the sol of orthosilicic acid in the spectral range (650-4450) cm -1 at different initial concentrations of nanoparticles (C 0 ): curve 1 - 2.023 · 10 27 m -3 ; curve 2 - 1.798 · 10 27 m -3 ; curve 3 - 1.349 · 10 27 m -3 ; curve 4 - 8.992 · 10 26 m -3 ; curve 5 - 6.744 · 10 26 m -3 ; curve 6 - 2.697 · 10 26 m -3 .

3. Идентификация характеристических пиков поглощения. Поскольку наночастицы в исследуемом золе образованы ортокремневой кислотой (Si(OH)4), будем пользоваться пиком поглощения на 965 см-1, (фиг.1), который характеризует валентные колебания Si-OH связей.3. Identification of characteristic absorption peaks. Since the nanoparticles in the test ash are formed by orthosilicic acid (Si (OH) 4 ), we will use the absorption peak at 965 cm -1 (Fig. 1), which characterizes the stretching vibrations of Si-OH bonds.

На фиг.2 представлены ИК-спектры пропускания золя ортокремневой кислоты в спектральном диапазоне (900-1000) см-1 при различной начальной концентрации наночастиц (C0): кривая 1 - 2,023·1027 м-3; кривая 2 - 1,798·1027 м-3; кривая 3 - 1,349·1027 м-3; кривая 4 - 8,992·1026 м-3; кривая 5 - 6,744·1026 м-3; кривая 6 - 2,697·1026 м-3.Figure 2 presents the IR transmission spectra of the sol of orthosilicic acid in the spectral range (900-1000) cm -1 at different initial concentrations of nanoparticles (C 0 ): curve 1 - 2.023 · 10 27 m -3 ; curve 2 - 1.798 · 10 27 m -3 ; curve 3 - 1.349 · 10 27 m -3 ; curve 4 - 8.992 · 10 26 m -3 ; curve 5 - 6.744 · 10 26 m -3 ; curve 6 - 2.697 · 10 26 m -3 .

4. Построение экспериментальной зависимости коэффициента пропускания ИК-излучения (7) от начальной концентрации наночастиц (C0).4. Construction of an experimental dependence of the transmittance of infrared radiation (7) on the initial concentration of nanoparticles (C 0 ).

На фиг.3 представлена зависимость коэффициента пропускания ИК-излучения (7) через золь ортокремневой кислоты от начальной концентрации наночастиц (C0): кривая 1 - экспериментальные данные; кривая 2 -аппроксимация экспоненциальной функцией.Figure 3 shows the dependence of the transmittance of infrared radiation (7) through a sol of orthosilicic acid on the initial concentration of nanoparticles (C 0 ): curve 1 - experimental data; curve 2 - approximation by an exponential function.

5. Запись ИК-спектров эталонных образцов во время процесса коагуляции. Процесс коагуляции золя ортокремневой кислоты начинали путем добавления соляной кислоты (HCl), выступающей в качестве катализатора. ИК-спектры золя ортокремневой кислоты записывали с помощью ИК Фурье спектрометра ФСМ 1201 фирмы «ЕвроЛаб» с использованием приставки многократного нарушения полного внутреннего отражения (МНПВО).5. Recording IR spectra of reference samples during the coagulation process. The coagulation process of the sol of orthosilicic acid was started by adding hydrochloric acid (HCl), acting as a catalyst. The IR spectra of the orthosilicic acid sol were recorded using an FSM 1201 IR Fourier spectrometer (EuroLab) using an attachment for multiple total internal reflection disturbance (MNVPO).

На фиг.4 и фиг.5 представлены ИК-спектры пропускания золя ортокремневой кислоты в спектральном диапазоне 650-4450 см-1 (фиг.4) и 900-1000 см-1 (фиг.5) с начальной концентрацией наночастиц (C0=1,349·1027 м-3) при различном времени коагуляции: кривая 1 - до начала процесса; кривая 2 - 5 с; кривая 3 - 30 с; кривая 4-1 мин; кривая 5-2 мин; кривая 6 - 6 мин; кривая 7 - 10 мин; кривая 8 - 20 мин; кривая 9 - 30 мин; кривая 10 - 40 мин; кривая 11 - 50 мин; кривая 12 - 60 мин.Figure 4 and figure 5 presents the IR transmission spectra of the sol of orthosilicic acid in the spectral range 650-4450 cm -1 (figure 4) and 900-1000 cm -1 (figure 5) with an initial concentration of nanoparticles (C 0 = 1.349 · 10 27 m -3 ) at different coagulation times: curve 1 - before the start of the process; curve 2 - 5 s; curve 3 - 30 s; curve 4-1 min; curve 5-2 min; curve 6 - 6 min; curve 7 - 10 min; curve 8 - 20 min; curve 9 - 30 min; curve 10 - 40 min; curve 11 - 50 min; curve 12 - 60 minutes

На фиг.6 и фиг.7 представлены ИК-спектры пропускания золя ортокремневой кислоты в спектральном диапазоне (650-4450) см-1 (фиг.6) и (900-1000) см-1 (фиг.7) с начальной концентрацией наночастиц C0=8,992·1026 м-3 при различном времени коагуляции: кривая 1 - до начала процесса; кривая 2 - 5 с; кривая 3 - 30 с; кривая 4 - 1 мин; кривая 5 - 2 мин; кривая 6 - 6 мин; кривая 7 - 10 мин; кривая 8 - 20 мин; кривая 9 - 30 мин; кривая 10 - 40 мин; кривая 11 - 50 мин; кривая 12 - 60 мин.Fig.6 and Fig.7 shows the IR transmission spectra of the sol of orthosilicic acid in the spectral range (650-4450) cm -1 (Fig.6) and (900-1000) cm -1 (Fig.7) with an initial concentration of nanoparticles C 0 = 8.992 · 10 26 m -3 at different coagulation times: curve 1 - before the start of the process; curve 2 - 5 s; curve 3 - 30 s; curve 4 - 1 min; curve 5 - 2 min; curve 6 - 6 min; curve 7 - 10 min; curve 8 - 20 min; curve 9 - 30 min; curve 10 - 40 min; curve 11 - 50 min; curve 12 - 60 minutes

6. Построение экспериментальной зависимости коэффициента пропускания (7) ИК-излучения от времени коагуляции (т);6. Construction of an experimental dependence of the transmittance (7) of IR radiation on the coagulation time (t);

На фиг.8 представлена зависимость коэффициента пропускания ИК-излучения через золь ортокремневой кислоты от времени коагуляции: кривая 1 - экспериментальные данные при начальной концентрации наночастиц (C0=8,992·1026 м-3); кривая 2 - экспериментальные данные при начальной концентрации наночастиц (C0=1,349·1027 м-3); кривая 3 и 4 - аппроксимация степенной функцией вида:On Fig presents the dependence of the transmittance of infrared radiation through a sol of orthosilicic acid from the coagulation time: curve 1 - experimental data at an initial concentration of nanoparticles (C 0 = 8.992 · 10 26 m -3 ); curve 2 - experimental data at an initial concentration of nanoparticles (C 0 = 1.349 · 10 27 m -3 ); curve 3 and 4 - approximation by a power function of the form:

T ( τ ) = a τ b + T 0 , ( 5 )

Figure 00000006
T ( τ ) = a τ b + T 0 , ( 5 )
Figure 00000006

T ( τ ) = ( T T 0 a ) 1 b , ( 6 )

Figure 00000007
T ( τ ) = ( T - T 0 a ) one b , ( 6 )
Figure 00000007

где a=2,236·10-3, b=0,5 - некоторые константы; T0 - коэффициент пропускания ИК-излучения через золь ортокремневой кислоты до начала процесса коагуляции при различной начальной концентрации наночастиц (при C0=8,992·1026 м-3-T0=0,127; при C0=1,349·1027 м-3-T0=0,072).where a = 2,236 · 10 -3 , b = 0,5 - some constants; T 0 is the transmittance of infrared radiation through a sol of orthosilicic acid before the start of the coagulation process at various initial concentrations of nanoparticles (at C 0 = 8.992 · 10 26 m -3 -T 0 = 0.127; at C 0 = 1.349 · 10 27 m -3 -T 0 = 0.072).

На фиг.9 и фиг.10 представлены зависимости концентрации наночастиц (С) в золе ортокремневой кислоты от коэффициента пропускания ИК-излучения (7) через золь, полученные по соотношениям (1), (3), (4), (6), при различной начальной концентрации наночастиц C0=1,349·1027 м-3 (фиг.9) и C0=8,992·1026 м-3 (фиг.10).Figures 9 and 10 show the dependences of the concentration of nanoparticles (C) in the orthosilicic acid sol on the IR transmission coefficient (7) through the sol obtained by the relations (1), (3), (4), (6), at different initial concentrations of nanoparticles, C 0 = 1.349 · 10 27 m -3 (Fig. 9) and C 0 = 8.992 · 10 26 m -3 (Fig. 10).

На фиг.11 и фиг.12 представлены зависимости размера наночастиц (d) в золе ортокремневой кислоты от коэффициента пропускания ПК-излучения (7) через золь, полученные по соотношениям (2), (3), (4), (6), при различной начальной концентрации наночастиц С0=1,349·1027 м-3 (фиг.11) и C0=8,992·1026 м-3 (фит.12).In Fig.11 and Fig.12 presents the dependence of the size of the nanoparticles (d) in the sol of orthosilicic acid on the transmittance of PC radiation (7) through the sol obtained by the relations (2), (3), (4), (6), at different initial concentrations of nanoparticles, C 0 = 1.349 · 10 27 m -3 (11) and C 0 = 8.992 · 10 26 m -3 (fit 12).

7. Запись ИК-спектров исследуемого образца. ПК-спектры исследуемого золя ортокремневой кислоты записывали с помощью ИК Фурье спектрометра ФСМ 1201 фирмы «ЕвроЛаб» с использованием приставки многократного нарушения полного внутреннего отражения (МНПВО)7. Recording IR spectra of the test sample. The PC spectra of the studied sol of orthosilicic acid were recorded using an FSM 1201 FTIR spectrometer (EuroLab) using an attachment for multiple violation of total internal reflection (MNPVO)

На фиг.13 представлен ИК-спектр пропускания исследуемого золя ортокремневой кислоты с начальной концентрацией наночастиц (С0=1,349·1027 м-3). Коэффициент пропускания ПК-излучения (7) через золь на пики поглощения 965 см-1 равен 0,089.On Fig presents the infrared transmission spectrum of the investigated sol of orthosilicic acid with an initial concentration of nanoparticles (With 0 = 1,349 · 10 27 m -3 ). The transmittance of PC radiation (7) through the sol at the absorption peaks of 965 cm -1 is equal to 0.089.

8. Определение концентрации и размера наночастиц по соотношения (1), (2), (4) и (6). Для золя ортокремневой кислоты η=l,096·10-3 Па·с, α=2 нм.8. Determination of the concentration and size of nanoparticles by the ratio (1), (2), (4) and (6). For the sol of orthosilicic acid η = l, 096 · 10 -3 Pa · s, α = 2 nm.

K = 4 1,38 10 23 Д ж К 298 К 3 1,096 П а с 10 9 = 5,005 10 27 м 3 с ( 7 )

Figure 00000008
K = four 1.38 10 - 23 D well TO 298 TO 3 1,096 P but from 10 - 9 = 5,005 10 - 27 m 3 from ( 7 )
Figure 00000008

С = 1,349 10 27 м 3 1 + 1,349 10 27 м 3 ( 0,089 0,072 2,236 10 3 ) 1 0,5 5,005 10 27 м 3 c = 3,013 10 24 м 3 ( 8 )

Figure 00000009
FROM = 1,349 10 27 m - 3 one + 1,349 10 27 m - 3 ( 0,089 - 0,072 2,236 10 - 3 ) one 0.5 5,005 10 27 m 3 c = 3,013 10 24 m - 3 ( 8 )
Figure 00000009

d = 2 н м 3 ln ( 1 + 5,005 10 27 м 3 c 1,349 10 27 м 3 ( 0,089 0,072 2,236 ) 1 0,5 ) ln ( 13 ) = 27 н м ( 9 )

Figure 00000010
d = 2 n m 3 ln ( one + 5,005 10 - 27 m 3 c 1,349 10 27 m - 3 ( 0,089 - 0,072 2,236 ) one 0.5 ) ln ( 13 ) = 27 n m ( 9 )
Figure 00000010

На фиг.14 представлена морфология поверхности пленки, полученная с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) из золей с различным размером наночастиц, начальная концентрация наночастиц в золе (C0=1,349·10 мρ). Золь ортокремневой кислоты наносили на подложку из кремния (Si) с помощью центрифуги с использованием дозатора при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин в течение 2 минут.Отжиг осуществляли при температуре 600°С в течение 30 минут в воздушной среде. В таблице 1 приведены значения коэффициента пропускания ИК-излучения через золь ортокремневой кислоты, используемый для изготовления пленок (фиг.14), а также средний размер наночастиц определенный по соотношения (2), (3), (4).On Fig presents the surface morphology of the film obtained using an atomic force microscope (AFM) from sols with different sizes of nanoparticles, the initial concentration of nanoparticles in the sol (C 0 = 1,349 · 10 mρ). An orthosilicic acid sol was applied to a silicon (Si) substrate using a centrifuge using a metering device at a centrifuge speed of 3000 rpm for 2 minutes. Annealing was carried out at a temperature of 600 ° C for 30 minutes in air. Table 1 shows the values of the transmittance of infrared radiation through a sol of orthosilicic acid used for the manufacture of films (Fig. 14), as well as the average size of the nanoparticles determined by the ratio (2), (3), (4).

Таблица 1Table 1 Т, отн. ед.T, rel. units d(T), нмd (T), nm Морфология поверхностиSurface morphology 0,1710.171 117117 Фиг.14аFiga 0,2390.239 183183 Фиг.14бFigb 0,2970.297 236236 Фиг.14вFigv 0,3660.366 297297 Фиг.14гFig.14g

Средний размер наночастиц, определяемый по заявляемому способу, соответствует среднему размеру наночастиц, определяемому по АСМ изображению морфологии поверхности пленок (фиг.14).The average size of the nanoparticles, determined by the present method, corresponds to the average size of the nanoparticles, determined by the AFM image of the surface morphology of the films (Fig. 14).

Заявляемый способ может найти применение при создании и производстве наноструктурированных пленок из пленкообразующих золей для газочувствительных сенсоров.The inventive method can find application in the creation and production of nanostructured films from film-forming sols for gas-sensitive sensors.

Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account

1. Патент РФ№2393458, МПК G01N 15/02, G01N 21/00 Способ определения среднего размера агрегатов частиц наполнителя, их концентрации и распределения в объеме полимерной матрицы / Маланин М.Н., Пахомов П.М., Хижняк С.Д. // Бюл. №18 от 27.06.2010 г.1. RF patent No. 2393458, IPC G01N 15/02, G01N 21/00 Method for determining the average size of aggregates of filler particles, their concentration and distribution in the volume of the polymer matrix / Malanin M.N., Pakhomov P.M., Khizhnyak S.D. . // Bull. No. 18 dated 06/27/2010

2. Жабрев В.А., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Золь-гель - технология: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. - 156 с.2. Zhabrev V.A., Moshnikov V.A., Tairov Yu.M., Shilova O.A. Sol-gel - technology: textbook. allowance. SPb .: Publishing house of SPbGETU "LETI", 2004. - 156 p.

3. Аверин И.А., Карпова С.С., Никулин А.С., Мошников В.А., Печерская P.M., Пронин И.А. Управляемый синтез тонких стекловидных пленок // Нано- и микросистемная техника. - 2011. - №1. - С.23-25;3. Averin I.A., Karpova S.S., Nikulin A.S., Moshnikov V.A., Pecherskaya P.M., Pronin I.A. Guided synthesis of thin glassy films // Nano- and microsystem technology. - 2011. - No. 1. - S.23-25;

Claims (1)

Способ определения концентрации и среднего размера наночастиц в золе, заключающийся в изготовлении эталонных образцов с заданной начальной концентрацией наночастиц, записи инфракрасных спектров эталонных образцов, идентификации характеристических пиков поглощения, отличающийся тем, что записывают инфракрасные спектры эталонных образцов во время процесса коагуляции, строят экспериментальную зависимость коэффициента пропускания инфракрасного излучения от времени коагуляции, записывают инфракрасные спектры исследуемых образцов и определяют концентрации С и размер наночастиц d по соотношениям
C ( T ) = C 0 1 + C 0 τ ( T ) K ,
Figure 00000011

d ( T ) = α χ ln ( 1 + K C 0 τ ( T ) ) ln ( ξ ) ,
Figure 00000012

C 0 = ρ к V к N A M к V з о л я ,
Figure 00000013

K = 4 k T 3 η ψ ,
Figure 00000014

где С0 - начальная концентрация наночастиц в золе;
K - константа коагуляции, определяемая составом золя;
ρк - плотность компонента золя, образующего наночастицы;
Vк - объем компонента золя, образующего наночастицы;
NA - число Авогадро;
Мк - молярная масса компонента золя, образующего наночастицы;
Vзоля - объем золя;
k - постоянная Больцмана;
Т=298 К - температура;
η - динамическая вязкость раствора;
ψ=10-9 - параметр, характеризующий эффективную вероятность соударения наночастиц друг с другом;
α - размер молекулы, образующей наночастицу;
χ=3 - коэффициент роста диаметра наночастицы в процессе коагуляции;
ξ=13 - константа, связанная с фрактальностью наночастицы;
τ(Т) - аппроксимация экспериментальной зависимости коэффициента пропускания ИК-излучения через золь от времени.
A method for determining the concentration and average size of nanoparticles in ash, which consists in the manufacture of reference samples with a given initial concentration of nanoparticles, recording infrared spectra of reference samples, identifying characteristic absorption peaks, characterized in that the infrared spectra of the reference samples are recorded during the coagulation process, the experimental dependence of the coefficient is built transmitting infrared radiation from the time of coagulation, record the infrared spectra of the samples and determine the concentration C and the size of the nanoparticles d according to the ratios
C ( T ) = C 0 one + C 0 τ ( T ) K ,
Figure 00000011

d ( T ) = α χ ln ( one + K C 0 τ ( T ) ) ln ( ξ ) ,
Figure 00000012

C 0 = ρ to V to N A M to V s about l I am ,
Figure 00000013

K = four k T 3 η ψ ,
Figure 00000014

where C 0 is the initial concentration of nanoparticles in the ash;
K is the coagulation constant determined by the composition of the sol;
ρ to is the density of the sol component forming the nanoparticles;
V to is the volume of the sol component forming the nanoparticles;
N A is the Avogadro number;
M to - the molar mass of the sol component forming the nanoparticles;
V sol - the volume of the sol;
k is the Boltzmann constant;
T = 298 K - temperature;
η is the dynamic viscosity of the solution;
ψ = 10 -9 is a parameter characterizing the effective probability of collision of nanoparticles with each other;
α is the size of the molecule forming the nanoparticle;
χ = 3 is the coefficient of growth of the diameter of the nanoparticles during coagulation;
ξ = 13 is a constant associated with the fractality of the nanoparticle;
τ (T) is an approximation of the experimental time dependence of the transmittance of infrared radiation through a sol.
RU2012129467/28A 2012-07-11 2012-07-11 Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol RU2502980C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012129467/28A RU2502980C1 (en) 2012-07-11 2012-07-11 Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012129467/28A RU2502980C1 (en) 2012-07-11 2012-07-11 Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2502980C1 true RU2502980C1 (en) 2013-12-27

Family

ID=49817780

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012129467/28A RU2502980C1 (en) 2012-07-11 2012-07-11 Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2502980C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2361190C1 (en) * 2008-03-21 2009-07-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Method of determining concentration of nanoparticles
RU2393458C2 (en) * 2008-08-27 2010-06-27 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Тверской государственный университет Method of determining average size of aggregates of filler particles, concentration and distribution thereof in polymer matrix
RU2395796C1 (en) * 2009-05-20 2010-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") Method to estimate nanoparticle size in luid media in analysing fluid element composition
US7782459B2 (en) * 2007-09-24 2010-08-24 Process Metrix Laser-based apparatus and method for measuring agglomerate concentration and mean agglomerate size

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7782459B2 (en) * 2007-09-24 2010-08-24 Process Metrix Laser-based apparatus and method for measuring agglomerate concentration and mean agglomerate size
RU2361190C1 (en) * 2008-03-21 2009-07-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Method of determining concentration of nanoparticles
RU2393458C2 (en) * 2008-08-27 2010-06-27 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Тверской государственный университет Method of determining average size of aggregates of filler particles, concentration and distribution thereof in polymer matrix
RU2395796C1 (en) * 2009-05-20 2010-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") Method to estimate nanoparticle size in luid media in analysing fluid element composition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Azarshin et al. Surface functionalization of silica nanoparticles to improve the performance of water flooding in oil wet reservoirs
Ellison et al. Confinement and processing effects on glass transition temperature and physical aging in ultrathin polymer films: Novel fluorescence measurements
Hirose et al. Orientation analysis by simulation of vibrational sum frequency generation spectrum: CH stretching bands of the methyl group
Bulychev et al. Nanostructure of organic-inorganic composite materials based on polymer hydrogels
Guo et al. In situ micro-FTIR observation of molecular association of adsorbed water with heat-treated wood
Kramer et al. Comparison of galactomannan crosslinking with organotitanates and borates
Zhang et al. FT Raman spectroscopic investigation of cellulose acetate
Duarte et al. Investigating the water-soluble organic functionality of urban aerosols using two-dimensional correlation of solid-state 13C NMR and FTIR spectral data
Wu et al. A dynamic laser light‐scattering study of chitosan in aqueous solution
RU2502980C1 (en) Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol
Chiappini et al. Modeling the cholesteric pitch of apolar cellulose nanocrystal suspensions using a chiral hard-bundle model
Guo et al. Characterizing molecular structure of water adsorbed by cellulose nanofiber film using in situ micro-FTIR spectroscopy
Branca et al. Conformational distribution of poly (ethylene oxide) in molten phase and in aqueous solution by quasi-elastic and inelastic light scattering
Zhu et al. Effects of caprolactam content on curdlan-based food packaging film and detection by infrared spectroscopy
Xu et al. Ammonia-catalyzed hydrolysis kinetics of mixture of tetraethoxysilane with methyltriethoxysilane by 29Si NMR
Alekseev et al. Fourier transform infrared spectroscopy and temperature-programmed desorption mass spectrometry study of surface chemistry of porous 6H-SiC
Chen et al. Rapid and sensitive surface-enhanced Raman spectroscopy method for determination of ketamine in urine
Weingärtner et al. The effect of site‐specific isotopic substitutions on transport coefficients of liquid methanol
Vasil’ev et al. Study of self-diffusion of silicone MQ resins in chloroform solutions by pulsed field-gradient NMR spectroscopy
Litmanovich et al. The problem of bimodal distributions in dynamic light scattering: Theory and experiment
Xu et al. Ammonia catalyzed hydrolysis-condensation kinetics of tetraethoxysilane/dimethyldiethoxysilane mixtures studied by 29 Si NMR and SAXS
Gerasimova et al. Hydrothermal behavior of titanium (IV) sulfate solutions
Ballauff Structure of dendrimers in dilute solution
CN114858779B (en) Intelligent gas detection method and device
RU2370310C1 (en) Method of obtaining chemosensory films

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140712