Получение нанопорошков меди модифицированных водорастворимыми полимерами

Аннотация

нанопорошок электролиз медь полиакриламид Исследованы закономерности получения нанопорошков меди методом электролиза в аммиакатном электролите, с растворимым медным анодом и рифленым титановым катодом. С дополнительным использованием полиакриламида в качестве стабилизатора роста частиц нанопорошка полиакриламида. Показано, что в присутствии полиакриламида повышается доля наноразмерной фракции порошка меди и снижается содержание в конечном продукте оксидов меди. О чём свидетельствуют рентгенограммы нанопорошков.

Ключевые слова Нанопорошок меди, электролиз, отделение электролита, фазовый состав.

Нанопорошки находят широкое применение для создания наноструктурированных функциональных материалов. 1] Интерес к таким материалам обусловлен тем, что их свойства в значительной мере отличаются от свойств материалов, полученных с использованием грубодисперсных порошков меди. В настоящее время разработано множество способов получения нанопорошков меди. Методы получения нанопорошков условно можно разделить на физическо-химические и механические. 2−3] Для механических характерно измельчение исходного сырья без изменения химического состава. 4] При физико-химических способах получения происходит изменение химического состава исходного сырья или его агрегатного состояния. 5−6].

Электролитический метод позволяет получать химически чистые порошки меди, которые имеют уникальные, стабильные свойства (дендритная форма, плотная текстура частиц). Основным преимуществом данного метода является возможность регулирования структуры и свойств порошка путем варьирования параметрами электролитического осаждения и составами электролита. Это позволяет влиять на структуру, размер, форму и химический состав порошков. 7] В частности, введение в состав электролита химически-активных соединений (комплексообразователей, стабилизаторов и поверхностно-активных веществ) позволяет получать более стабильные порошки с повышенными технологическими свойствами и требуемым размером частиц. 8−9].

В данной работе представлен метод получения нанопорошка меди из аммиакатнного электролита в присутствии полиакриламида оказывающего влияние на размер и чистоту получаемого нанопорошка. Выбор водорастворимого полимера обоснован его строением, химической активностью и способность образовывать поликомплексы с медью. 10−11] Введение полиакриламида в раствор электролита позволяет сформировать на поверхности нанопорошка полимерную защитную оболочку, способную защитить нанопорошок от агломерации, а так же замедлить рост наночастиц, что позволило снизить размер частиц. Однако оказалось, что в процессе отделения и отмывки порошка от электролита полимер удаляется с поверхности.

В процессе исследования был разработан ряд составов электролитов, оптимальные варианты которых приведены в таблице 1.

Таблица № 1 Составы электролитов и параметры процесса получения.

Методика эксперимента.

Метод получения нанопорошков электролизом, заключается в растворении медного анода с последующим восстановлением меди на катоде. Для получения нанопорошка меди, электролит, содержащий 55г/л раствора хлорида аммония и 10−15 г/л полиакриламида, помещали в электролизер с медным анодом и рифленым титановым виброкатодом, пропускали постоянный ток в течение 3 часов. Полученную суспензию разделяли через фильтр при избыточном давлении аргона. После окончания отделения фильтрата промывали полученный порошок и сушили в токе аргона, нагретого до 90−110оС, и сушку осуществляли в течение 40−45минут. После остывания высушенного порошка его отделяли от фильтра и исследовали гранулометрический и фазовый состав получаемых порошков.

Выбор рентгенографического анализа получаемых нанопорошков обусловлен тем, что в ходе анализа исследуется само твердое тело в неизменном состоянии и результатом является непосредственно определение вещества или его составляющих. Рентгеновские лучи исследуют кристалл, т. е. само соединение; более того, в случае полиморфных тел рентгеновские лучи дают возможность различить отдельные модификации, свойственные данному веществу. [12−13].

В работе для определения размеров наночастиц применяли, метод динамического рассеяния света. Это один из наиболее популярных методов для определения размеров наночастиц. Данный метод позволяет определить коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем анализа характерного времени флуктуаций интенсивности рассеянного света. Далее из коэффициента диффузии рассчитывается радиус наночастиц. Когда световой луч падает на частицы, происходит взаимодействие электромагнитной волны с неоднородной средой и свет рассеивается. Основное предположение теории ДРС заключается в том, что рассеянный свет имеет ту же частоту, что и возбуждающий луч света. 14].

Результаты и их обсуждение.

Гранулометрический состав получаемых нанопорошков меди представлен в таблице 2.

Таблица № 2 Гранулометрический состав порошков меди.

Исследование гранулометрического состава получаемых нанопорошков показало, что наиболее эффективным, с точки зрения уменьшения размеров частиц нанопорошков является состав 3, содержащий 12,5г/л полиакриламида, увеличение концентрации приводит к понижению эффективности раствора и изменению параметров получения.

В результате получения нанопорошка меди данным способом снижается размер и увеличивается процентное содержания наночастиц.

Изучение фазового состава нанопорошка было произведено с помощью рентгенофазового анализа и рентгенограммы представленны на рис 1.

Рисунок 1 РФА-спектр нанопрошка меди. а) без добавок; б) с добавлением полиакриламида. ?- Cu; ¦- Cu2O; ¦-CuO.

Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о наличии в составе исследуемых нанопорошков кристаллических фаз меди и оксидов меди, в отличие от исходного порошка (рис 1а.) на рис 1б видно повышенное содержание фазы соответствующей чистой меди, так же присутствуют и оксиды меди, но в незначительных колличествах.

Изменение фазового состава нанопорошка в процессе получения говорит о том что введение полиакриламида в состав электролита способствует не только снижению размера частиц нанопорошков, но и влияет на их фазовый состав.

Анализ получаемых нанопорошков показал, что введение в состав электролита полиакриламида снижает размер получаемых нанопорошков. Исключает протекание побочных реакций связанных с понижением выхода нанопорошка, уменьшает количество оксидов в конечном продукте.

• 1. Фиговский О. Л., Нанотехнологии для новых материалов// Инженерный вестник Дона, 2012, № 3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1048
• 2. Порозова С. Е., Кульметьева В. Б. Получение наночастиц и наноматериалов. учеб. пособие. — Пермь: Изд-во перм. гос. техн. ун-та, 2010. — 135 с.
• 3. Ремпель А. А., Валеева А. А. Материалы и методы нанотехнологий учебное пособие. — Екатеринбург: Издательство уральского университета, 2015. — 136 с.
• 4. Ahmed W., Jackson M.J. (eds.) Emerging nanotechnologies for manufacturing, second edition. 2nd edition. — william andrew, 2014. — 576 p
• 5. Патент RU № 2 469 111 Заявка от 04.05.2011
• 6. В. В. Глебов Исследование режимов высокоскоростного анодного растворения деталей из магнитных сплавов. //Инженерный вестник Дона, № 2, ч.2 (2015) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/2966
• 7. Номберг М. И. Производство медного порошка электролитическим спосо-бом/ М. И. Номберг. — М.: Металлургия, 1971. — 134 с.
• 8. Чигиринец Е. Э., Рослик И. Г., Внуков А. А. Влияние режима электролиза и функциональных добавок в электролит на свойства и морфологию поверхности частиц медных электролитических порошков// // Вісник НТУ «ХПІ». — 2009. — № 21. С. 15 — 20
• 9. Жеребцов Д. А., Галимов Д. М., Загорулько О. В., Фролова Е. В., Захаров В. Г., Михайлов Г. Г. Выбор условий для измерения размера макромолекул методом динамического рассеяния света // Вестник ЮУрГУ. Серия: Химия. 2015. № 1. с.20−29
• 10. Пастухов А. С., Радченко Ф. С. Исследование структуры и свойств поликомплексов полиакриламида и пентагидроксохлорида алюминия // Известия ВолгГТУ. 2004. № 2. c.139−142
• 11. Савицкая М. Н., Холодова Ю. Д. Полиакриламид. К., Техника, 1969. — 188 с.
• 12. Ковба Л. М., Трунов В. К. Рентгенофазовый анализ // Изд. 2, доп. и перераб. — М.: МГУ, 1976. — 232 с.
• 13. Benediktovitch A., Feranchuk I., Ulyanenkov A. Theoretical concepts of x-ray nanoscale analysis: theory and applications. springer, 2014. — 318 pp.
• 14. Schmitz K.S. An Introduction to Dynamic Light Scattering by Macromolecules. Academic Press. 1990. p. 451

References.

• 1. Figovskij O. L. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1048
• 2. Porozova S.E., Kul’met’eva V.B. Poluchenie nanochastic i nanomaterialov [Preparation of nanoparticles and nanomaterials] Ucheb. posobie. Perm': Izd-vo Perm. gos. tehn. un-ta, 2010. 135 p.
• 3. Rempel' A.A., Valeeva A.A. Materialy i metody nanotehnologij. [Materials and methods of nanotechnology] Uchebnoe posobie. Ekaterinburg: izdatel’stvo ural’skogo universiteta, 2015. 136 p.
• 4. Ahmed W., Jackson M.J. (eds.) Emerging nanotechnologies for manufacturing, second edition. 2nd edition. William Andrew, 2014. 576 p.
• 5. Patent RU № 2 469 111 Zayavka ot 04.05.2011
• 6. V.V. Glebov Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, № 2 (part 2) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/2966
• 7. Nomberg M.I. Proizvodstvo mednogo poroshka jelektroliticheskim sposo-bom [Production of electrolytic copper powder] M.I. Nomberg. M.: Metallurgija, 1971. 134 p.
• 8. Chigirinec E.Je., Roslik I.G., Vnukov A.A. Vіsnik NTU «HPІ». 2009. № 21. pp. 15 — 20
• 9. Zherebcov D.A., Galimov D.M., Zagorul’ko O.V., Frolova E.V., Zaharov V.G., Mihajlov G.G. Vestnik JuUrGU. Serija: Himija. 2015. № 1. pp. 20−29
• 10. Pastuhov A. S., Radchenko f. S. Issledovanie struktury i svojstv polikompleksov poliakrilamida i pentagidroksohlorida aljuminija. Izvestija VolgGTU. 2004. № 2. pp. 139−142
• 11. Savickaja M.N., Holodova Ju.D. Poliakrilamid. [Polyacrylamides] K., Tehnika, 1969. 188 p.
• 12. Kovba L.M., Trunov V.K. Rentgenofazovyj analiz [X-ray analysis]. Izd. 2, dop. i pererab. M.: MGU, 1976. 232 p.
• 13. Benediktovitch A., Feranchuk I., Ulyanenkov A. Theoretical concepts of x-ray nanoscale analysis: theory and applications. springer, 2014. — 318 pp.
• 14. Schmitz K.S. An Introduction to Dynamic Light Scattering by Macromolecules. Academic Press. 1990. p. 451