vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2020-22-5-153-159vestniktgasu-870Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯCONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCTSМОРФОЛОГИЯ И РАЗМЕРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫМ МЕТОДОМMORPHOLOGY AND SIZE OF SILICA NANOPARTICLES OBTAINED BY LOW-TEMPERATURE PLASMAВласовВ. А.VlasovV. A.

Власов Виктор Алексеевич, докт. физ.-мат. наук, профессор

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Viktor A. Vlasov, DSc, Professor

2, Solyanaya Sq., 634003

 

rector@tsuab.ruКосмачевП. В.KosmachevP. V.

Космачев Павел Владимирович, канд. техн. наук

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

634055, г. Томск, просп. Академический, 2/4

Pavel V. Kosmachev, PhD

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

8/2, Akademicheskii Ave., 634021, Tomsk

Томский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian FederationТомский государственный архитектурно-строительный университет; Институт физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияTomsk State University of Architecture and Building; The Institute of Strength Physics and Materials Science SB RASRussian Federation202030102020225153159Copyright © Власов В.А., Космачев П.В., 20202020Власов В.А., Космачев П.В.Vlasov V.A., Kosmachev P.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/870

В работе приводятся результаты комплексного исследования морфологии, распределения по размерам, среднего размера, удельной поверхности и степени агломерации наночастиц SiO2, полученных по плазменно-дуговой технологии из природного высококремнеземистого сырья (кварцита). Применялись методы динамического рассеяния света, просвечивающей электронной микроскопии, адсорбционный метод. Исследование показало, что при переработке в плазменной установке природного кварцита возможно получать полидисперсные наночастицы диоксида кремния с распределением 10–300 нм, средним размером 30 ± 7 нм, удельной поверхностью 71 ± 4 м2/г. При этом частицы склонны к агломерации в среднем по десять частиц. Для исследуемого порошка установлен дзета-потенциал –54 ± 9 мВ, что является полезным с прикладной точки зрения при планировании многокомпонентных систем на его основе. Исследуемый порошок может применяться в качестве упрочняющей добавки для изготовления строительных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками для создания объектов специального назначения.

The paper presents the results of a comprehensive study of the particle morphology, size distribution, average size, specific surface area and agglomeration of SiO2 nanoparticles obtained by plasma technology from natural high-silica raw materials (quartzite). The dynamic light scattering, transmission electron microscopy, and nitrogen adsorption techniques are used. It is shown that using the plasma source, polydisperse silica nanoparticles with the distribution of 10–300 nm can be obtained with the average size of 30 ± 7 nm and specific surface area of 71 ± 4 m2/g from natural quartzite. The average agglomerate consists of about 10 particles. The zeta potential varies from –54 to 9 mV for the powder, which can be useful in planning multicomponent systems. The investigated powder can be used as a hardening additive for the manufacture of building materials with improved performance for the creation of specialpurpose objects.

нанопорошок диоксида кремнияплазменно-дуговой методдинамическое рассеяние светапросвечивающая электронная микроскопияадсорбционный методморфологияраспределение по размерамудельная поверхностьагломератыsilica nanoparticlesplasma technologydynamic light scatteringtransmission electron microscopyadsorption methodmorphologyparticle size distributionspecific surface areaagglomeratesReferencesBak M., Molnár F., Németh R. Improvement of dimensional stability of wood by silica nanoparticles // Wood Material Science & Engineering. 2018. V. 14. № 1. P. 48–58.Bak M., Molnár F., Németh R. Improvement of dimensional stability of wood by silica nanoparticles. Wood Material Science & Engineering. 2018. V. 14. No. 1. Pp. 48–58.Mofid S.A., Jelle B.P., Zhao X., et al. Utilization of size-tunable hollow silica nanospheres for building thermal insulation applications // Journal of Building Engineering. 2020. V. 31. P. 101336.Mofid S.A., Jelle B.P., Zhao X., et al. Utilization of size-tunable hollow silica nanospheres for building thermal insulation applications. Journal of Building Engineering. 2020. V. 31. P. 101336.Cho S., Kruger J., van Rooyen A., et al. Rheology of 3D Printable Lightweight Foam Concrete Incorporating Nano-Silica // RILEM Bookseries. Springer International Publishing. 2019. P. 373–81.Cho S., Kruger J., van Rooyen A., et al. Rheology of 3D printable lightweight foam concrete incorporating nano-silica. RILEM Bookseries. Springer International Publishing. 2019. Pp. 373–81.Rana M.N., Islam M.N., Nath S.K., et al. Influence of chemical additive on the physical and mechanical properties of cement-bonded composite panels made from jute stick // Journal of Building Engineering. 2020. V. 31. P. 101358.Rana M.N., Islam M.N., Nath S.K., et al. Influence of chemical additive on the physical and mechanical properties of cement-bonded composite panels made from jute stick. Journal of Building Engineering. 2020. V. 31. P. 101358.Jassam T.M., Kien-Woh K., Ng yang-zhi J., et al. Novel cement curing technique by using controlled release of carbon dioxide coupled with nanosilica // Construction and Building Materials. 2019. V. 223. P. 692–704.Jassam T.M., Kien-Woh K., Ng yang-zhi J., et al. Novel cement curing technique by using controlled release of carbon dioxide coupled with nanosilica. Construction and Building Materials. 2019. V. 223. Pp. 692–704.Mohajerani A., Burnett L., Smith J, et al. Nanoparticles in Construction Materials and Other Applications, and Implications of Nanoparticle Use // Materials. 2019. V. 12. № 19. P. 3052.Mohajerani A., Burnett L., Smith J, et al. Nanoparticles in construction materials and other applications, and implications of nanoparticle use. Materials. 2019. V. 12. No. 19. P. 3052.Zhang X., Du X., Zhao X., et al. Durability and Interfacial Properties of Concrete with Nanosilica-Modified Mortar Cover // Journal of Materials in Civil Engineering. 2019. V. 31. № 6. P. 04019073.Zhang X., Du X., Zhao X., et al. Durability and interfacial properties of concrete with nanosilica- modified mortar cover. Journal of Materials in Civil Engineering. 2019. V. 31. No. 6. P. 04019073.Hou P., Cheng X., Qian J., et al. Effects and mechanisms of surface treatment of hardened cement-based materials with colloidal nanoSiO2 and its precursor // Construction and Building Materials. 2014. V. 53. P. 66–73.Hou P., Cheng X., Qian J., et al. Effects and mechanisms of surface treatment of hardened cement-based materials with colloidal nano SiO2 and its precursor. Construction and Building Materials. 2014. V. 53. Pp. 66–73.Копаница Н.О., Саркисов Ю.С., Демьяненко О.В. Применение нанодисперсного кремнезема в производстве строительных смесей // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. №5. С. 140–150.Kopanitsa N.O., Sarkisov Yu.S., Dem'yanenko O.V. Primenenie nanodispersnogo kremnezema vproizvodstve stroitel’nykh smesej [Nanodispersed silicon dioxide used in the production of mix mortars] Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2016. No. 5. Pp. 140–150. (rus)Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов. Москва : ИКЦ «Академкнига», 2006. 311 с.Shabanova N.A., Popov V.V., Sarkisov P.D. Chemistry and technology of nanodispersed oxides [Khimiya i tekhnologiya nanodispersnykh oksidov]. Moscow: Akademkniga. 2006. 311 p. (rus)Hong, F.C., Yan C. Synthesis and characterization of silicon oxide nanoparticles using an atmospheric DC plasma torch // Advanced powder technology. 2018. V. 29. № 2. P. 220–229.Hong, F.C., Yan C. Synthesis and characterization of silicon oxide nanoparticles using an atmospheric DC plasma torch. Advanced Powder Technology. 2018. V. 29. No. 2. Pp. 220–229.Ильвес В.Г., Зуев М.Г., Соковин С.Ю. и др. Свойства аморфного нанопорошка диоксида кремния, полученного импульсным электронным испарением // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 12. С. 2439–2445.Ilves V., Zuev S., Sokovin A., Murzakaev A. Svojstva amorfnogo nanoporoshka dioxida kremniya, poluchennogo impul’snym ispareniem [Properties of amorphous silicon dioxide nanopowder obtained by pulsed electron evaporation]. Fizika tverdogo tela. 2015. No. 57 (12). Pp. 2439–2445.(rus)Потапов В.В., Горев Д.С., Шалаев К.С. и др. Характеристики нанопорошков диоксида кремния, полученных криохимической вакуумной сублимацией золей // Химическая технология. 2015. № 10. С. 596–600.Potapov V.V., Gorev D.S., Shalaev K.S. Kharakteristiki nanoporoshkov dioksida kremniya, poluchennykh kriokhimicheskoi vakuumnoi sublimatsiei zolei [Characteristics of silicon dioxide nanopowders obtained by cryochemical vacuum sublimation of sols]. Khimicheskaya tekhnologiya. 2015. No. 10. Pp. 596–600. (rus)Космачев П.В., Власов В.А., Скрипникова Н.К. Исследование структуры и свойств нанопорошка SiO2, полученного плазменным методом из природных сырьевых материалов // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60. № 2. С. 46–50.Kosmachev P., Vlasov V., Skripnikova N. Issledovanie struktury i svojstv nanoporoshka SiO2 poluchennogo plazmennym metodom iz prirodnykh syr’evykh materialov [Structure and properties of SiO2 nanopowder obtained from high-silica raw materials by plasma method]. Izvestiya vuzov. Fizika. 2017. No. 60 (2). Pp. 46–50. (rus)Космачев П.В. Демьяненко О.В., Власов В.А. и др. Композиционные материалы на основе цемента с нанодисперсным диоксидом кремния // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 4 (63). С. 139–146.Kosmachev P.V., Dem'yanenko O.V., Vlasov V.A., et al. Composite Materials Based on Cement With Nanodispersed Silicon Dioxide [Kompozitsionnye materialy na osnove tsementa s nanodispersnym dioksidom kremniya]. Vestnik of Tomsk state University of Architecture and Building. 2017. No. 4. Pp. 139–146. (rus)Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers // Journal of American Chemical Society. 1938. № 60 (2). P. 309–319.Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of American Chemical Society. 1938. No. 60 (2). Pp. 309–319.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.