ПРИРОДА ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТОВ В СУСПЕНЗИЯХ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ В МИНЕРАЛЬНОМ МАСЛЕ
Аннотация
На основе ряда ротационных и осцилляционных тестов установлены качественные различия в характере электрореологического отклика суспензии наноалмазов детонационного синтеза в минеральном масле, в зависимости от типа функционализации поверхности частиц. Тип модификации и химический состав поверхности для частиц гидрированных и карбоксилированных наноалмазов исследовали методом инфракрасной спектроскопии. Морфологию частиц и структурную организацию в среде минерального масла исследовали методом малоуглового рентгеновского рассеяния. Обнаружено, что суспензии гидрированных и карбоксилированных частиц под действием электрического поля проявляют электрореологический и электрофоретический эффекты, соответственно. Проведен анализ причин электрофоретического движения карбоксилированных наноалмазов в среде минерального масла, в сравнении с наблюдаемым ранее эффектом в среде слабо-дифильного полидиметилсилоксана (силиконовое масло). Содержание воды на поверхности как гидрированных, так и карбоксилированных частиц наноалмазов было определено методом титрования суспензий по Карлу Фишеру. Была предположена взаимосвязь электрофоретического эффекта с содержанием адсорбированной на поверхности частиц воды. Методом ротационной вискозиметрии определены значения статического предела текучести суспензий, наполненных гидрированными и карбоксилированными наноалмазами, при различной напряженности электрического поля. Кривые течения вне и под действием электрического поля жидкости, наполненной гидрированными частицами, аппроксимировали реологическими моделями Бингама и Cho-Choi-Jhon. Проведен анализ соответствия используемых моделей практическим результатам. На основе зависимостей модулей накопления и потерь от амплитуды деформации выявлен линейный диапазон вязко-упругих свойств жидкости. Обнаружен рост значений модулей накопления и потерь, а также сужение линейного диапазона с увеличением напряженности поля.
Для цитирования:
Солодухин Е.С., Кузнецов Н.М., Пучков А.А., Белоусов С.И., Чвалун С.Н. Природа электрореологического и электрофоретического эффектов в суспензиях детонационных наноалмазов в минеральном масле. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 10. С. 61-69. DOI: 10.6060/ivkkt.20226510.6613.
Литература
Dong Y.Z., Seo Y., Choi H.J. Recent development of electro-responsive smart electrorheological fluids. Soft Matter. 2019. V. 15. P. 3473-3486. DOI: 10.1039/C9SM00210C.
Wen W., Huang X., Sheng P. Particle size scaling of the giant electrorheological effect. Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. N 2. P. 299-301. DOI: 10.1063/1.1772859.
Kuznetsov N.M., Bakirov A.V., Banin E.P., Belousov S.I., Chvalun S.N. In situ X-ray analysis of montmorillonite suspensions in polydimethylsiloxane: Orientation in shear and electric field. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2021. V. 622. P. 126663. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2021.126663.
Kutalkova E., Plachy T., Sedlacik M. On the enhanced sedimentation stability and electrorheological performance of intelligent fluids based on sepiolite particles. J. Mol. Liq. 2020. V. 309. P. 113120. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.113120.
Davydova O.I., Kraev A.S., Redozubov A.A., Trusova T.A., Agafonov A.V. Effect of polydimethylsiloxane viscosi-ty on the Electrorheological Activity of Dispersions Based on It. Russ. J. Phys. Chem. 2016. V. 90. N 6. P. 1269-1273. DOI: 10.1134/S0036024416060054.
Sokolov M.A., Kuznetsov N.M., Belousov S.I., Chvalun S.N. Effect of the dispersion medium viscosity on the electrorheological behavior of halloysite suspensions in polydimethylsiloxane. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 11. P. 79-85 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216411.6402.
Agafonov A.V., Davydova O.I., Krayev A.S., Ivanova O.S., Evdokimova O.L., Gerasimova T.V., Baranchikov A.E., Kozik V.V., Ivanov V.K. Unexpected Effects of Activator Molecules' Polarity on the Electroreological Activity of Titanium Dioxide Nanopowders. J. Phys. Chem. B. 2017. V. 121. N 27. P. 6732–6738. DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b04131.
Pereira A. McIntyre C. Electrorheology of diamond/PDMS nanofluids in steady and oscillatory shear. Appl. Rheology. 2014. V. 24. P. 63471. DOI: 10.3933/applrheol-24-63471.
Laan K.V.D., Hasani M., Zheng T., Schirhagl R. Nanodiamonds for In Vivo Applications. Small. 2018. V. 14. N 19. P. 1703838. DOI: 10.1002/smll.201703838.
Jung H.-S., Neuman K. Surface Modification of Fluorescent Nanodiamonds for Biological Applications. Nanomaterials. 2021. V. 11. N 1. P. 153. DOI: 10.3390/nano11010153.
Mochalin V. N., Shenderova O., Ho D., Gogotsi Yu. The properties and applications of nanodiamonds. Nat. Nanotechnol. 2012. V. 7. P. 11-23. DOI: 10.1038/nnano.2011.209.
Osawa E. Monodisperse single nanodiamond particulates. Pure Appl. Chem. 2008. V. 80. P. 1365-1379. DOI: 10.1351/pac200880071365.
Williams O.A. Nanodiamond. RSC Publ. 2014. 530 p. DOI: 10.1039/9781849737616.
Vul' A.Ya., Eydelman E.D., Inakuma M., Ōsawa E. Correlation between viscosity and absorption of electromagnetic waves in an aqueous UNCD suspension. Diam. Relat. Mater. 2007. V. 16. N 12. P. 2023-2028. DOI: 10.1016/j.diamond.2007.08.003.
Dideikin A.T., Aleksenskii A.E., Baidakova M.V., Brunkov P.N., Brzhezinskaya M., Davydov V. Yu., Levitskii V.S., Kidalov S.V., Kukushkina Yu. A., Kirilenko D.A., Shnitov V.V., Shvidchenko A.V., Senkovskiy B.V., Shestakov M.S., Vul’ A.Ya. Rehybridization of carbon on facets of detonation diamond nanocrystals and forming hydrosols of individual particles. Carbon. 2017. V. 122. P. 737-745. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.07.013.
Shestakov M.S., Vul' S.P., Dideikin A.T., Larionova T.V., Shvidchenko A.V., Yudina E.B., Shnitov V.V. Advanced oxidation process for detonation nanodiamond surface chemical modification. J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1400.
P. 055044. DOI: 10.1088/1742-6596/1400/5/055044.
Kuznetsov N.M., Belousov S.I., Kamyshinsky R.A., Vasiliev A.L., Chvalun S.N., Yudina E.B., Vul A.Ya. Detonation nanodiamonds dispersed in polydimethylsiloxane as a novel electrorheological fluid: Effect of nanodiamonds surface. Carbon. 2021. V. 174. P. 138-147. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.12.014.
Vdovichenko A.Yu., Kuznetsov N.M., Shevchenko V.G., Belousov S.I., Yudina E.B., Chvalun S.N. The role of charge states in the self-organization of detonation nanodia-monds nanoparticles. Diam. Relat. Mater. 2020. V. 107. P. 107903. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.12.014.
Knizhnik A.A., Polynskaya Yu.G., Sinitsa A.S., Kuz-netsov N.M., Belousov S.I., Chvalun S.N., Potapkin B.V. Analysis of structural organization and interaction mechanisms of detonation nanodiamond particles in hydrosols. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. N 1. P. 674-682. DOI: 10.1039/D0CP05533F.
Kuznetsov N.M., Belousov S.I., Stolyarova D.Yu., Baki-rov A.V., Chvalun S.N., Shvidchenko A.V., Eidelman E.D., Vul' A.Ya. Effect of diamond nanoparticle chains on rheological properties of hydrosol. Diam. Relat. Mater. 2018. V. 83. P. 141-145. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.02.006.
Malakhova Yu.N., Stupnikov A.A., Chekusova V.P., Kuznetsov N.M., Belousov S.I. Rheological Behavior of Polydimethylsiloxane Langmuir Layers at the Air-Water Interface. BioNanoScience. 2020. V. 10. P. 403-408. DOI: 10.1007/s12668-020-00728-y.
Belousov S.I., Godovsky Yu.K., Sautter E., Pechhold W., Makarova N.I. Polysiloxane langmuir films. Linear polysiloxanes. Polym. Sci. - A. 1996. V. 38. N 9. P. 1008-1012.
Espin M.J., Delgado A.V., Plocharski J.Z. Effect of additives and measurement procedure on the electrorheology of hematite/silicone oil suspensions. Rheol. Acta. 2006. V. 45. P. 865-876. DOI: 10.1007/s00397-005-0069-8.
Kuznetsov N.M., Belousov S.I., Bessonova N.P., Chvalun S.N. Electrorheological behavior of suspensions based on polydimethylsiloxane filled with halloysite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 6. P. 41-47 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20186106.5682.
Briscoe W.H., Horn R.G. Direct measurement of surface forces due to charging of solids immersed in a nonpolar liquid. Langmuir. 2002. V. 18. N 10. P. 3945–3956. DOI: 10.1021/la015657s.
Shvidchenko A.V., Eidelman E.D., Vul' A.Ya., Kuz-netsov N.M., Stolyarova D.Yu., Belousov S.I., Chvalun S.N. Colloids of detonation nanodiamond particles for ad-vanced applications. Adv. Colloid Interface Sci. 2019. V. 268. P. 64-81. DOI: 10.1016/j.cis.2019.03.008.
Petit T., Puskar L. FTIR spectroscopy of nanodiamonds: Methods and interpretation. Diam. Relat. Mater. 2018. V. 89. P. 52-66. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.08.005.
Tomchuk O.V., Volkov D.S., Bulavin L.A., Rogachev A.V., Proskurnin M.A., Korobov M.V., Avdeev M.V. Structural сharacteristics of aqueous dispersions of detonation nanodiamond and their aggregate fractions as revealed by smallangle neutron scattering. J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. N 1. P. 794–802. DOI: 10.1021/jp510151b.
Kuznetsov N.M., Zagoskin Yu.D., Bakirov A.V., Vdovichenko A.Yu., Malakhov S.N., Istomina A.P., Chvalun S.N. Is Chitosan the Promising Candidate for Filler in Nature-Friendly Electrorheological Fluids? ACS Sust. Chem. Eng. 2021. V. 9. N 10. P. 3802–3810. DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c08793.
Cho M.S., Choi H.J., Jhon M.S. Shear stress analysis of a semiconducting polymer based electrorheological fluid system. Polymer. 2005. V. 46. P. 11484−11488. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.10.029.
Gacek M.M., Berg J.C. The role of acid–base effects on particle charging in apolar media. Adv. Colloid Interface Sci. 2015. V. 220. P. 108-123. DOI: 10.1016/j.cis.2015.03.004.
Panich A.M., Shames A.I., Sergeev N.A., Osipov V.Yu., Alexenskiy A.E., Vul A.Ya. Magnetic resonance study of gadolinium-grafted nanodiamonds. J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. N 35. P. 19804–19811. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b05403.
