ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ТЕРМООБРАБОТКИ

STUDY OF THE SPECIFIC SURFACE AREA OF SILICON DIOXIDE DEPENDING ON THE CONDITIONS OF HEAT TREATMENT

Alexey Apanovich

Deputy director, OOO “Luminofor alliance”,

Russia, Stavropol

АННОТАЦИЯ

Проведены исследования влияния термообработки на удельную поверхность диоксида кремния. Исследовались образцы, полученные по технологии очистки и последующего гидролиза ТЭОС с применение аммиачной воды и ректификации и образцы, имеющиеся на рынке.

ABSTRACT

The influence of heat treatment on the specific surface of silicon dioxide has been studied. The samples obtained by the technology of purification and subsequent hydrolysis of TEOS with the use of ammonia water and rectification and samples available on the market were studied.

Ключевые слова: очистка, тетраэтоксисилан, ТЭОС, гидролиз.

Keywords: purification, tetraetoxysilane, TEOS.

В последнее время к диоксиду кремния высокой чистоты и технологии его получения уделяется большое внимание [1-2]. Он служит базой для множества неорганических материалов – керамика, аэрогели, порошки с настраиваемыми свойствами. [3-6]. Для определения влияния термообработки на удельную поверхность диоксида кремния были проведены исследования образцов, полученных при проведении очистки аммиачной водой и ректификацией по предлагаемой авторами технологии [7-13] и сравнение их с образцами фирмы «Sintoki», Япония

Исследованы образцы: «SiO₂ Япония»; «SiO₂ #43 1500 °C»; «SiO₂ #46 1500 °C»; «SiO₂ #47 1200 °C»; «SiO₂ #53 900 °C» (всего пять образцов).

По внешнему виду образцы представляли собой белые порошки различной дисперсности, мало отличавшиеся друг от друга.

Исследование проводили на анализаторе удельной поверхности и пористости адсорбционный «ASAP 2020» («Micromeritics Instrument Corp.», США); с использованием весов лабораторных электронных «Vibra AFR-220 CE» «Shinko Denshi», Япония), предел взвешивания (0,02 – 420) г, точность 0,01 г, класс точности II.

Пробы каждого образца взвешены на электронных весах с определением массы навесок, последовательно помещены в измерительную кювету анализатора удельной поверхности и пористости, после чего дегазированы при температуре 300 ºС под вакуумом, давление менее 0,5 мм.рт.ст.) в течение 15 ч. После дегазации образцы повторно взвешены и помещены в аналитический порт анализатора удельной поверхности и пористости для определения удельной поверхности при физической адсорбции азота при температуре 77 K (-196 ºС). Измерения выполнены в автоматическом режиме по заранее составленной для конкретного образца программе.

Результаты измерений удельной поверхности образцов приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Измерения удельной поверхности образцов

Как следует из полученных результатов (табл. 1), образцы, кроме «SiO₂ #53 900 °C», обладают крайне низкой удельной поверхностью (менее 1 м²/г), из-за чего не удалось получить корректные изотермы адсорбции азота поверхностью образцов, что определяет относительно низкую достоверность полученных для них результатов (для измерения удельной поверхности образцов, обладающих поверхностью менее 1 м²/г, требуется значительно большая навеска, которая физически не может поместиться в измерительной кювете прибора).

Изотерма адсорбции для образца с маркировкой «SiO₂ #53 900°C» приведена на рис. 1.

Полученная изотерма относится к IV типу по классификации БДДТ (Брунауэр, Деминг, Деминг, Теллер), характерному для неорганических оксидов, и имеет петлю гистерезиса типа Н2 по классификации ИЮПАК, присущую некоторым корпускулярным системам, однако, близость и характер схождения ветвей адсорбции и десорбции указывает на схожесть с петлей гистерезиса Н3, что может характеризовать наличие щелевидных пор.

По методу BJH-адсорбции (Barrett-Joyner-Halenda) из изотермы адсорбции образца «SiO₂ #53 900 °C» получено распределение пор по размерам (табл. 2, рис. 1-5).

Таблица 2.

Распределение пор по размерам образца «SiO₂ #53 900 °C» согласно методу BJH-адсорбции

Рисунок1. Изотерма низкотемпературной адсорбции азота образцом «SiO₂ #53 900 °C»

Рисунок 2. Зависимость кумулятивного объема пор от диаметра пор для образца «SiO₂ #53 900 °C»

Рисунок 3. Дифференциальная зависимость объема пор от диаметра пор для «SiO₂ #53 900 °C»

Рисунок 4. Зависимость удельной площади поверхности пор от диаметра пор

для образца «SiO₂ #53 900 °C»

Рисунок 5. Дифференциальное распределение объема микропор в зависимости от эквивалентного диаметра микропор для образца «SiO₂ #53 900 °C»

Результаты измерений удельной поверхности образцов приведены в табл. 1.

Полученные результаты свидетельствуют о перестройке структуры диоксида кремния, приводящей к практической ликвидации пористости, что связано, по-видимому, с переходом из аморфного к кристаллическому состоянию при повышении температуры термообработки.

Практическим результатом данного исследования может быть вывод о возможности использования описываемой технологии для получения диоксида кремния – эффективного сорбента для процессов очистки реактивов и хроматографии.

Список литературы:

1. Е.Е. Гринберг, С.В. Иванов, Н.Г. Черная, Ю. И. Левин, Г.П. Вальнин, Технология алкоголятов высокой чистоты для получения нанопорошков и тонких слоев// Физическая мехомеханика 7 Спец. Выпуск Ч.2 (2004) 69-72.
2. Е.А. Беляев Исследование методов глубокой очистки тетраэтоксисилана// Тез. докл. II Международной конференции РХО им. Д.И. Менделеева, «Инновационные химические технологии и биотехнологии материалов и продуктов», 2010, Москва, с. 204-207.
3. Т.В. Конькова, Гориенко М.Г., М. Б. Алехина, Н.В. Меньшустина// Ж. физ.химии, 2017, Т.91 № 3, с 450.
4. I.Y. Bu// Optik 2018 V 162, р.121
5. Я. Maa, Y. Jiang// Appl. Surface science, 2018, V. 436б Р. 732
6. Т.Ф. Кузнецова, А.И. Ратько, С.И. Еременко// Журн. Физ. Химии, 2012, Т. 86, № 10, с. 1730
7. Е.А. Беляев, Е.А. Рябенко, Очистка тетраэтоксисилана водным раствором аммиака// Химическая промышленность сегодня, М., №     10, 2012, с. 18-20.
8. Е.А. Беляев, Рассмотрение способов проведения глубокой очистки сырья для получения диоксида кремния особой чистоты// Тез. докл. XI Международная заочная научно-практическая конференция «Инновации в науке», 2012, Новосибирск, с. 13-17.
9. Е.А. Беляев, Исследование очистки тетраэтоксисилана водным раствором аммиака// Тез. докл. ХIV Международной заочной научно - практической конференции «Технические науки - от теории к практике», 2012, Новосибирск, с. 91-96.
10. Е.А. Беляев, Влияние соотношения исходных компонентов и степени диспергирования поверхности контакта фаз на процесс очистки тетраэтоксисилана водным раствором аммиака// Тез. докл. ХII       Международной заочной научно - практической конференции «Инновации в науке», 2012, Новосибирск, с. 5-11.
11. Е.А. Беляев, М.Г. Беренгартен, Е.Е. Гринберг, Ректификационная очистка тетраэтоксисилана// Химическая промышленность сегодня, М., № 12, 2016, с. 39.
12. Е.А. Беляев, М.Г. Беренгартен Получение водного раствора поликремневых кислот // Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: сб. ст. по матер. III междунар. науч.-практ. конф. № 3(3). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 50-55.
13. Е.А. Беляев, М.Г. Беренгартен Исследование технологии получения водного раствора поликремневых кислот // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2021. 7(88).