Чем отличается пеноблок от газосиликатного блока: Газосиликат или пенобетон — что лучше?

чаще используются при строительстве домов, так как помимо повышенной прочности они отличаются идеально гладкими поверхностями, что позволяет создать гладкую кладку и впоследствии затратить меньше времени и сил на ее облицовку.

Газосиликат не просто соединить цементным раствором, а специальным клеем, в результате чего швы между блоками остаются более тонкими. Это уменьшает мостики холода, улучшая тепловые характеристики всей конструкции.

Учитывая разницу в плотности и прочности материалов, пенобетон рекомендуется использовать только в небольших домах , например, в частных домах до двух этажей. Не рекомендуется использовать его в качестве несущих конструкций, а также лучше сочетать пенобетон с кирпичными или монолитно-бетонными колоннами.

Допускается возведение многоэтажных домов из газосиликатных блоков и несущих опор в небольших зданиях без дополнительного армирования бетонными поясами.

На сегодняшний день на рынке строительных материалов существует большое разнообразие газобетона … Не каждый профессиональный строитель может сказать, что лучше — газосиликатный или пенобетон, пенобетон или керамзитобетон, а также в каких условиях использовать тот или иной вид этого строительного материала.Разберемся, чем блоки отличаются друг от друга, в чем их достоинства и недостатки.

Что это такое?

По ГОСТу оба этих бетона относятся к ячеистым, или, как их еще называют, пористым бетонам. В процессе изготовления внутри каждой из них формируются равномерно расположенные поры-ячейки округлой формы диаметром от 1 до 3 мм.

Основное различие между ними заключается в способе застывания. Так, газосиликатные блоки затвердевают только в результате автоклавирования (под действием пара и давления), а газобетон можно производить как автоклавным, так и неавтоклавным способом.

Сравнительный обзор

Эти два типа ячеистого бетона получают путем смешивания различных компонентов. Основа газосиликата — смесь кварцевого песка с известью, придающая ему сероватый оттенок, и газобетона — портландцемент, благодаря чему материал имеет белый цвет.

По способу твердения оба типа можно автоклавировать, но не автоклавировать можно только пенобетон.

В таблице ниже наглядно показано различие между газобетоном и газосиликатом:

Проанализировав таблицу, можно понять, что по морозостойкости газобетон превосходит газосиликатный.

Какой строительный материал лучше?

У тех, кто собирается строить собственный дом, возникнет вопрос: а какой из этих бетонов выбрать? Остановимся подробнее на достоинствах и недостатках каждого из них в сравнении друг с другом.

Автоклавные газосиликатные блоки имеют практически идеальную форму, что значительно облегчает их транспортировку, хранение и выкладку. Также их используют для возведения внешних и внутренних стен, различных перегородок… Кроме того, газосиликат лучше еще и потому, что его поры открыты и позволяют построенной из него поверхности «дышать». Недостатком этого материала является его гигроскопичность, то есть способность накапливать и впитывать влагу из окружающего воздуха.

То есть, если блоки из него не защищены особым образом, в условиях повышенной влажности они будут накапливать в себе влагу. Если это произойдет при резком падении температуры, то стена, построенная из газосиликата, очень быстро промерзнет, ​​а в дальнейшем треснет и рухнет.Таким образом, газобетон хорош при высоком уровне влажности, так как его водопоглощающая способность на 5-10% ниже, чем у газосиликата.

Преимущество газобетонных блоков в том, что они укладываются на специальный клеевой состав, благодаря которому можно обойтись без «мостиков холода», так как швы всего 1-4 мм.

Отличие газобетона от газосиликата

Расширенный ассортимент строительных материалов, предлагаемых предприятиями, усложняет клиентам принятие решения о выборе необходимого материала для возведения зданий.Желая обеспечить долгий срок службы, высокую прочность, экологичность возводимого здания, девелоперы активно используют газосиликатный газобетон, а также керамзитобетон и пенокомпозиты.

Различные строительные изделия из пенобетона, применяемые при строительстве жилых и промышленных объектов, различаются способом производства, эксплуатационными характеристиками, внешним видом и, конечно же, ценой.

Не зная особенностей строительной терминологии и характеристик, любители ошибочно считают пенобетон и газосиликат синонимами.Обсуждая особенности использования материалов, их часто называют просто — блоки.

В настоящее время при строительстве малоэтажных домов используются блоки из легких ячеистых типов бетона — газобетона и газосиликата

Выбор неподходящего материала для решения поставленных строительных задач вызывает нарушение технологии строительства, снижает качество работ, связанных с переделками, непредвиденные финансовые затраты. Зная, чем отличается газобетон от газосиликата, можно избежать серьезных ошибок.Рассмотрим подробно, чем отличается газобетон от газосиликата.

Визуальные отличия

При первом взгляде на изделия из ячеистых композитов несложно определить, что это газобетон или газосиликат. Зная, что газосиликатный блок не содержит цемента, а газобетон образован цементом, который является вяжущей основой, становится понятно, почему существуют различия цветов:

• белый цвет газосиликатных блоков связан с высоким содержанием силиката (извести) и отсутствием цемента в композитной массе, затвердевающей автоклавным методом;
• Серый оттенок газобетона определяет цемент, составляющий основу массива, который естественным образом затвердевает.

В зависимости от концентрации цемента, являющегося основой газобетонного блока, и извести, входящей в состав газосиликата, изделия могут иметь небольшие различия в цвете. Есть светло-серая палитра газобетонных блоков, а также серо-белые оттенки газосиликатных изделий.

Разница между ними заключается в количественном составе сырья и в том, на какой стадии оно входит в производственный процесс.

Структура массива

Газосиликат и газобетон имеют еще одну отличительную особенность — гигроскопичность.Повышенная гигроскопичность газосиликата способствует насыщению бетонной массы влагой, что способствует постепенному разрушению бетона под действием перепадов температур. Газобетон обладает повышенной устойчивостью к влагопоглощению, отличается более прочной структурой бетонной массы. Провести эксперимент, погрузив каждый из этих материалов в воду, несложно.

Несмотря на разную степень гигроскопичности, блоки требуют защиты ячеистой поверхности штукатуркой.Помещения из газобетона обеспечивают комфортный температурный режим, благоприятный для проживания микроклимат.

Особенности газобетона

Разберемся, в чем разница между материалами, каждый из которых относится к разновидностям ячеистого бетона:

Особенности характеристики

Чтобы ответить на вопрос, какой материал лучше всего использовать для строительства, газосиликат или газобетон, остановимся подробно на характеристиках этих ячеистых материалов, каждый из которых отличается свойствами, структурой и определенными эксплуатационными параметрами:

• прочностные характеристики газосиликата превышают прочность газобетона, что связано с более равномерной концентрацией воздушных полостей в бетонной массе;
Газоблоки
• из силикатных композитов незначительно отличаются по весу, что увеличивает силы, действующие на фундамент здания, и немного усложняет выполнение работ, связанных с кладкой;

Газосиликат — разновидность газобетона

• теплоизоляционные характеристики силикатных бетонов выше, чем у изделий из газового композита, что связано с более равномерной концентрацией воздушных пор.Это позволяет использовать газосиликатные изделия для возведения построек с комфортным температурным режимом;
• повышенной устойчивостью к отрицательным температурам и длительным циклам замерзания и оттаивания обладает газобетон, который превосходит силикатный блок, склонный к интенсивному впитыванию влаги;
• , в отличие от пенобетона, силикатные блоки имеют правильную геометрию и также характеризуются пониженными допусками. Это облегчает укладку и снижает расход клеевой смеси и состава для изготовления штукатурки;
• эстетическое восприятие белых зданий из газосиликата намного выше, чем у зданий из серого газонаполненного бетона;
• более высокая стойкость к ударам открытого огня газобетон, хотя оба материала обладают хорошей огнестойкостью;
• Срок службы зданий из газобетона и газосиликатных блоков достаточно велик.Оба материала используются в жилищном и промышленном строительстве непродолжительное время, поэтому сделать вывод о долговечности любого из них проблематично.

Перечислив рабочие характеристики, стоит остановиться на финансовой стороне. При равных размерах изделий газосиликатные изделия отличаются повышенной ценой по сравнению с газобетоном, что связано с особенностями технологии изготовления.

Проблема выбора

Ознакомившись с эксплуатационными характеристиками блоков из пенобетона, детально изучив газосиликатный и газобетон, можно сделать вывод о серьезных эксплуатационных преимуществах силикатных изделий по сравнению с изделиями из пенобетона.

Использование специализированного оборудования для производства силикатных материалов, наличие лабораторного контроля, гарантирует высокое качество стройматериала … Естественно, себестоимость производства влияет на цену продукции. Этот фактор никоим образом не ограничивает использование газобетона в домостроении. Материал отличается доступной ценой, повышенной влагостойкостью и огнестойкостью.

Из всех видов строительных блоков чаще всего путают газобетон и газосиликатные блоки, они имеют схожую структуру и характеристики, и на первый взгляд разницы между ними нет.Однозначно сказать, какой из этих материалов лучше, нельзя, они не универсальны и не лишены недостатков. Но у каждого из них есть оптимальная область применения.

Приставка «газ» означает, что эти марки бетона получают свою пористую структуру за счет добавления пузырьков в раствор, как во время термообработки, так и в естественных условиях … Конечный диаметр ячеек варьируется от 1 до 3 мм, они имеют правильный круглой формы и равномерно распределяются по объему, пористость зависит от марки и достигает 80%.Это позволяет материалам хорошо удерживать тепло и изолировать помещение от постороннего шума при минимальной нагрузке на фундамент.

Отличия заключаются в составе и технологии изготовления. Сырье включает около 24% извести и 62% молотого кварцевого песка, остальное — алюминиевый порошок и щелочные добавки. Смесь разливается в формы и проходит обязательную автоклавную обработку; Поризация газосиликата начинается в момент пропаривания под избыточным давлением. Полученный кирпич режется на куски нитками нужного размера, изделия отличаются высокой геометрической точностью.Из-за извести они чаще всего бывают белыми.

Смеси содержат не менее 50% цемента, другие компоненты помимо алюминиевой пудры разные: от натуральных и экологически чистых мелкоизмельченных песков и минералов (в том числе известняка) до дешевых вторичных продуктов (золы, шлака). Эту марку газобетона получают как путем автоклавирования, так и путем естественного твердения или электрического нагрева. При этом пропарка газобетона позволяет повысить его прочность и добиться требуемых характеристик, но сам процесс образования ячеек начинается раньше, в момент совмещения компонентов.Разновидность гидратации (неавтоклавная) затвердевает при атмосферном давлении, такой способ изготовления дешевле, но сам процесс занимает не менее 28 дней (стандартное время гидратации цемента).

Сравнение характеристик

Помимо различных технологий изготовления, различия проявляются в процессе монтажа и эксплуатации: газосликат имеет более легкую и однородную структуру, по способности звукопоглощения превосходит блоки на цементной основе, но уступает по устойчивости к внешним воздействиям и долговечности.Все виды, прошедшие автоклавирование, выигрывают по качеству за счет равномерного распределения пустот, именно их рекомендуется выбирать при возведении надежных конструкций, эксплуатируемых в условиях нормальной влажности. Разница между газосиликатом и газобетоном становится более очевидной при сравнении характеристик и свойств:

Оба материала пожаробезопасны, но под воздействием открытого пламени газобетон дольше сохраняет форму и полезные свойства… Также, несмотря на закрытую структуру ячеек, эти типы легкого бетона хорошо впитывают влагу и требуют соответствующей защиты от пара и атмосферных осадков. При риске намокания специалисты советуют выбирать изделия на основе цемента как более стойкие (в таких условиях разница в 5-10% может быть решающей). Ключевое отличие — прочность: благодаря термообработке под давлением 12-14 атм газосиликат хорошо выдерживает высокие нагрузки и менее склонен к растрескиванию.

К спорным характеристикам относятся морозостойкость и долговечность, заявленные производителями автоклавной продукции на 100 циклов и 50 лет на практике, пока не подтверждены.Строительные форумы утверждают, что для обеих разновидностей среднее значение не превышает 35 и именно на нем стоит ориентироваться. На практике газосиликатные элементы в этом отношении уступают как из-за отсутствия цемента в составе, так и из-за большего водопоглощения, но в целом разница несущественная.

Какие блоки лучше для строительства дома?

При сравнении этих материалов руководствуются:

• Вес: при равном классе прочности газобетонные блоки будут тяжелее, они немного больше нагружают фундамент.
• Необходимость максимальной экономии энергии: газосиликат лучше сохраняет тепло. Полезные качества обоих видов проявляются исключительно в сухом состоянии, при недостаточной влагозащите разницы между ними нет.
• Геометрическая точность, в этом плане выигрывают газосиликатные элементы, их использование снижает затраты на клей и отделку. Для укладки на цементно-песчаный раствор лучше выбирать неавтоклавный газобетон.
• Разница в цене, доступность стройматериалов.При равных размерах дешевле газобетонные изделия; для хозяйственных и подобных построек вполне подойдут блоки, замерзающие естественным путем, в том числе самостоятельно.

Газосиликат оптимален для более высоких требований к прочности конструкций. Применяются как обычные перегородки, так и перегородки, а также нестандартные и пазогребневые изделия, последние ценятся за хорошие энергосберегающие свойства и удобный захват. Возведение дома из газобетона выбирается при ограниченном строительном бюджете, его неавтоклавные разновидности рекомендуются при заливке монолитных стен и полов.Эти блоки лучше удаляют влагу и, в отличие от газосиликатных блоков, не накапливают ее внутри.

Оба типа требуют дополнительного усиления при укладке рядов в несущих конструкциях.

Защита от влаги осуществляется сразу, сразу после окончания усадки, при наружной отделке стен предпочтение отдается паропроницаемым материалам или системе вентилируемых фасадов. Для этих целей отлично подходит сайдинг, он недорогой и не трескается.

Средняя стоимость газобетона и газосиликата

За счет более простой технологии изготовления газобетон дешевле по сравнению с газосиликатом, но это касается только гидратных разновидностей.Качественные автоклавные блоки с высокой геометрической точностью стоят не менее 3400 руб. / М 3. Лидерами среди производителей газосиликата являются Hebel, Wehrhahn (EKO), Костромской ЗСМ, газобетон — Betolex, Aerobel, Betokam.

изогнутых сегментов по сравнению с блоком с V-образной канавкой: прямая встреча

Когда дело доходит до изоляции труб и резервуаров большого диаметра, существует множество вариантов изоляции, в том числе изогнутые сегменты из силиката кальция Thermo-1200 ™ компании Johns Manville и блоки с V-образными пазами и насечками.Учитывая, что эти два изоляционных материала в основном используются для одной и той же цели, может быть сложно определить, какой из них выбрать для вашего применения с большим диаметром. Недавно мы встретились с Джеком Биттнером, менеджером по промышленной продукции Johns Manville, чтобы обсудить различия в изогнутых сегментах и ​​блоках с V-образной канавкой / рифлением и где они наиболее применимы.

Узнайте, что Джек сказал о различиях между двумя продуктами с точки зрения установки, приложений и производительности ниже.

1. Что такое изогнутые сегменты?
   Изогнутые сегменты — это сегменты шириной 6 дюймов и длиной 36 дюймов из водостойкого силиката кальция Thermo-1200 ^TM . Изогнутые сегменты имеют изогнутый радиус на верхней и нижней поверхностях, который соответствует диаметру трубы или емкости большого диаметра.
2. Чем криволинейные сегменты отличаются от блоков с V-образными пазами / насечками?
   Блоки с V-образными пазами / насечками имеют ширину 12 дюймов и длину 36 дюймов и являются плоскими как на верхней, так и на нижней поверхности, а не изогнутыми.Блоки с V-образной канавкой / насечкой имеют 3 V-образные канавки с тремя канавками, прорезанными в изоляции, или одну V-образную канавку, с одной канавкой, вырезанной в изоляции. Блоки с V-образными пазами / насечками используются для тех же типов труб и резервуаров большого диаметра, что и криволинейные сегменты; однако они устанавливаются немного иначе и не имеют верхнего предела диаметра. Блоки с V-образными пазами / насечками устанавливаются путем «разламывания» блоков по канавкам / царапинам во время установки, так что конечный продукт формируется по кривизне трубы или резервуара.
3. Почему JM начала производство изогнутых сегментов?
   В отрасли мы увидели признаки того, что инженеры искали продукт, который мог бы обеспечить более точную посадку на большие трубы и резервуары, чем блоки с V-образными пазами / насечками. Изогнутые сегменты изготавливаются точно для определенных диаметров, поэтому они обеспечивают более точную посадку, чем блоки с V-образными пазами / насечками после установки.
4. Какие приложения идеально подходят для изогнутых сегментов?
   Изогнутые сегменты предназначены для труб и сосудов диаметром от 30 до 126 дюймов, работающих при температурах 1200 ° F или ниже.
5. Какие области применения идеально подходят для блока с V-образными пазами / насечками?
   Блоки с V-образными пазами / насечками обычно используются на трубах и резервуарах диаметром 36 дюймов и более. Для применений от 36 до 126 дюймов предлагается блок с V-образной канавкой / насечкой с 3 Vs, нанесенным на изоляцию. Для применений размером более 126 дюймов предлагаются материалы с одним V-образным вырезом в изоляции. Поскольку блоки с V-образными пазами / насечками изготовлены из того же силиката кальция, что и изогнутые сегменты, их также можно использовать в приложениях, которые работают при температурах от 150 ° F до 1200 ° F.Однако они не имеют верхнего предела диаметра и, как таковые, могут охватывать более широкий диапазон размеров труб и резервуаров.
6. Можно ли использовать какие-либо материалы для труб или сосудов диаметром более 126 дюймов?
   Хотя вы можете использовать блок с одной V-образной насечкой и V-образной канавкой на сосудах диаметром более 126 дюймов, мы также предлагаем лаги со скошенной кромкой. Скошенный лаг — это сегмент размером 6 x 36 дюймов, плоский сверху и снизу и имеющий небольшой угол среза с обеих сторон. Когда вы начинаете изолировать поверхности, диаметр которых превышает 126 дюймов, вырезание радиуса на небольшом куске изоляции шириной 6 дюймов становится непрактичным, поскольку кусок шириной 6 дюймов в любом случае ложится ровно на подложку.Вместо этого мы разрезаем уголки по бокам утеплителя, чтобы обеспечить плотное прилегание сегментов.
7. Чем отличается установка?
   Техника установки блоков с V-образными пазами / насечками и криволинейных сегментов практически одинакова. Обвяжите эластичный шнур вокруг трубы / сосуда и продвигайте блок или изогнутые сегменты под стяжку, пока не будет покрыта вся окружность. При установке блока монтажники должны «сломать» блок по канавкам, чтобы он прилегал заподлицо к изгибу трубы или резервуара, а края канавок были заподлицо друг с другом.При установке изогнутых сегментов этот шаг не требуется, поскольку он изготовлен таким образом, чтобы прилегать к изгибу трубы или резервуара. Затем установите ленту из нержавеющей стали вокруг изоляции и снимите эластичный шнур. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока труба или резервуар не будут полностью изолированы. Учитывая разницу в ширине двух продуктов, обычно быстрее установить блок с V-образными пазами / насечками, поскольку они в два раза шире изогнутых сегментов.
8. Оба продукта обладают водонепроницаемостью?
   Да, оба продукта водостойкие.Посмотрите это видео, чтобы узнать больше о водостойкости Thermo-1200 ^TM Caclium Silicate.
9. Предлагают ли эти продукты ингибитор коррозии XOX ^® ?
   Да, эти продукты изготовлены из одного и того же состава силиката кальция, и каждый из них содержит ингибитор коррозии XOX ^® как часть состава материала.

Если вам нужна дополнительная информация о типах материалов, доступных для труб и резервуаров большого диаметра, посетите страницу «Промышленность» на веб-сайте JM.Существует множество материалов для множества применений. Если вам нужна техническая помощь с вашей спецификацией или установкой, обратитесь в нашу группу технической поддержки по телефону 1-800-866-3234.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Fused Silica Foam-50 (2500ºF + Блок изоляционной пены с низким коэффициентом расширения 50 pcf)

Fused Silica Foam-50 характеризуется однородной структурой с открытыми ячейками с превосходными теплоизоляционными свойствами, исключительной стойкостью к тепловому удару и стабильностью объема в широком диапазоне температур классифицировать.Материал можно обрабатывать с жесткими допусками с использованием стандартной твердосплавной оснастки. При облицовке силикатным цементом или другими подходящими растворами. Пена-50 может выдерживать умеренные рабочие условия на поверхности, включая футеровку желобов для расплавленного алюминия, меди и других цветных сплавов. Стандартный размер блока 4,5 ″ x 12 ″ x 18 ″ (другие размеры по запросу). Пена из плавленого кремнезема-30 также доступна в Foundry Service по специальному заказу. Foam-30 — это версия керамической пены объемом 30 фунтов на кубический фут.

Технические характеристики

Примечание

Все механические свойства были определены при комнатной температуре. Это типичные лабораторные результаты для данного материала, которые могут изменяться при обычном производстве. Они предоставляются только в качестве технической услуги.

Области применения

Объемная стабильность изоляционной пены-50 позволяет изготавливать изделия большой формы, которые могут использоваться в жестких циклических условиях с температурой около 2000 ° F.Поскольку это такой хороший тепловой барьер, использование Пены-50 приведет к экономии топлива по сравнению с обычными огнеупорами и огнеупорами. Возможности большого размера в сочетании с производством ячеек обеспечивают большую свободу в проектировании и дизайне имен ячеек. Блоки Пенопласт-50 легко соединяются с кварцевым цементом. Материал имеет высокую химическую чистоту, хорошую кислотостойкость, отличное электрическое сопротивление и не подвержен влиянию ядерной радиации. Типичные области применения включают дверцу печи, крышу и изоляцию стен, алюминиевые футеровки желобов, отражатели для кварцевых ламп и инфракрасных обогревателей, инструменты для аэрокосмических операций и операций по формованию стекла, паяльные приспособления, футеровки для впуска газа и термобарьеры для ядерных применений.

Foundry Service может отливать, изготавливать и обрабатывать пену-50 в точном соответствии с требованиями заказчика. Отправьте запрос по факсу или электронной почте уже сегодня.

с кремнеземом Зарождение ячеек из вспененного полимера с Влияние размера частиц, линейного натяжения и Поверхность Функциональность

Абстрактная

Сердечник – оболочка наночастицы, состоящие из диоксида кремния в качестве ядра и поверхностно-привитой поли (диметилсилоксан) (ПДМС) в виде оболочки с различными диаметры были подготовлены и использованы в качестве гетерогенных агентов зародышеобразования для получения нанокомпозита из поли (метилметакрилата) (ПММА) из CO ₂ пены.ПДМС был выбран в качестве материала оболочки, так как он обладает низкой поверхностная энергия и высокая CO ₂ -фильность. Успешный синтез наночастиц ядро-оболочка подтверждено преобразованием Фурье инфракрасная спектроскопия, термогравиметрический анализ и пропускание электронная микроскопия. Размер ячеек и плотность ячеек микро- и наноклеточные материалы были определены с помощью сканирующей электронной микроскопии. Эффективность зарождения клеток с использованием наночастиц ядро-оболочка был значительно улучшен по сравнению с немодифицированным кремнеземом.Наибольшая наблюдаемая эффективность зародышеобразования составила ∼0,5. для наночастиц с диаметром ядра 80 нм. Размер частиц обсуждается зависимость эффективности нуклеации клеток с учетом учитывать эффекты натяжения линии. Полное поглощение полимерной матрицей частиц с диаметром ядра менее 40 нм на границе раздела клеточной стенки наблюдалось, что соответствует значениям линейного натяжения примерно 0,42 нН. Это натяжение линии значительно увеличивает энергетический барьер. гетерогенного зародышеобразования и, таким образом, снижает эффективность зародышеобразования.Повышение давления насыщения CO ₂ до 300 бар. перед периодическим вспениванием приводило к увеличению длины натяжения линии. Мы наблюдали снижение эффективности гетерогенной нуклеации. для вспенивания после насыщения CO ₂ при 300 бар, что мы связываем с тем, что гомогенное зародышеобразование становится более благоприятным на в этом случае за счет гетерогенного зародышеобразования. В целом показано что вклад линейного натяжения в барьер свободной энергии гетерогенное зародышеобразование ячеек пены необходимо учитывать, чтобы понять вспенивание вязкоупругих материалов.Этот вывод подчеркивает необходимость для новых стратегий, включая использование дизайнерских зародышевых частиц для повышения эффективности зародышеобразования ячеек пены.

Ключевые слова: гетерогенная пена зародышеобразование клеток, наноячечная пена, сильно изогнутая наночастица ядро-оболочка, поверхность функционализация, интерфейс, линейное натяжение

Введение

Полимерные пены — это материалы с многочисленными приложений и используется, например, в качестве энергопоглощающих систем, в теплоизоляции, и в качестве носителей катализатора. ^1-3 Когда размер ячейки в закрытой ячейке пены меньше, чем длина свободного пробега от столкновения инкапсулированных молекулы газа (∼70 нм при комнатной температуре и абсолютном давление 1 атм), столкновения между молекулами газа уменьшаются и, как следствие, теплопроводность газовой фазы, заключенной в в ячейках пены значительно уменьшается. Это относится к как так называемый эффект Кнудсена. ^4,5 Это делает наноклеточные полимерные пены очень многообещающие кандидаты в качестве высокоэффективных термических изоляционные материалы. ² Однако изготовление пен с такими маленькими ячейками и с высокой плотностью ячеек остается научно-технический вызов. ^2,3

Среди возможных стратегий вспенивания CO ₂ периодическое вспенивание открывает большие перспективы для получения нанопористых пен. ⁶⁻¹⁴ Это связано с легким контролем условий вспенивания и использование CO ₂ в качестве экологически безвредного вспенивателя. К недостаткам периодического вспенивания можно отнести то, что (i) оно ограничено относительно малые размеры образцов и (ii) более низкая эффективность производства по сравнению с непрерывными процессами.

Тюнинг поролона морфология клетки, определяемая размером клетки, клетка плотность, распределение ячеек по размеру и структура ячеек (например, открытая или закрытые ячейки), представляет большой практический интерес, который в конечном итоге позволяют определить оптимальную структуру пены для целевого заявление. ^15,16 Например, вспененные полимеры с размер ячеек 100 нм или меньше и плотность ячеек 10 ¹⁵ –10 ¹⁶ ячеек см ^–3 показывают высокий теплоизоляционные характеристики, относящиеся к уже введенным Эффект Кнудсена. ³ Однако наноклеточный полимерные пены с маленькими размерами ячеек (<100 нм) и с высокими ячейками плотности (> 10 ¹⁵ клеток см ^–3 ) все еще редко сообщается. ¹⁷⁻¹⁹ Помимо оптимизации условий вспенивания, еще распространенной стратегией улучшения контроля морфологии клеток является введение наноструктурированные гетерогенные фазы к вспененной матрице, чтобы действовать как гетерогенные центры зародышеобразования во время вспенивания. ^2,12 дюйм вообще, согласно классической теории зародышеобразования, гетерогенные зарождение клеток было бы предпочтительнее из-за более низкой энергии зародышеобразования барьеры по сравнению с гомогенным зародышеобразованием. ²⁰ Например, наполнители (нано) в виде частиц ^17,21-29 и блок (со) полимеры ^30-33 описаны в открытой литературе как неоднородные. агенты зародышеобразования.

Наночастицы кремнезема представляют особый интерес как неоднородный агенты зародышеобразования при вспенивании полимеров благодаря их низкой стоимости, простоте приготовления, хороший контроль размеров и простота использования различной функционализации поверхности стратегии для украшения их поверхности. Например, He и соавторы ²⁴ сообщили, что добавление наночастиц диоксида кремния в поликарбонате до вспенивания привело к более однородной ячейке распределение по размерам и более высокая плотность клеток из-за гетерогенного зародышеобразования по сравнению с чистым пенополикарбонатом.Spontak и соавторы ¹⁰ описали влияние концентрации наночастиц. на морфологию клеток при вспенивании ПММА с помощью CO ₂ . Авторы продемонстрировали, что ниже определенной концентрации зародышеобразователя наночастиц кремнезема размер ячейки уменьшается, а плотность ячейки увеличивается с увеличением концентрации частиц. Чжун и его сотрудники ³⁴ , а также Озисик и сотрудники ²⁷ продемонстрировали, что дериватизация поверхности наночастиц диоксида кремния с CO ₂ -фильные поверхностно-активные вещества могут уменьшить энергию зародышеобразования и значительно улучшить клетку эффективность зародышеобразования при вспенивании полимера CO ₂ по сравнению с те, что в нетронутых частицах.Эффективность зародышеобразования определяется как отношение количества ячеек на см ³ невспененный материал к количеству наночастиц на см ³ добавленных к полимеру перед вспениванием. ^13,35 Кроме того, мы недавно сообщили синтез наночастиц диоксида кремния с привитым ПДМС с диаметром ядра 80 нм в качестве высокоэффективных агентов зародышеобразования клеток в CO ₂ — периодическое вспенивание полистирола и полиметилметакрилата фильмы. ¹³ Эффективность нуклеации до до ∼0.5 (т.е. 1 ячейка пены на 2 частицы в среднем) были достигнуты для указанных нами условий вспенивания. Это самый высокий значение эффективности зародышеобразования, наблюдаемое до сих пор для используемых наночастиц как гетерогенные агенты зародышеобразования. Отметим, что в данной работе мы использовали устройство для вспенивания периодического действия по индивидуальному заказу, которое позволяет насыщать полимеры с CO ₂ при давлении до 300 бар (для дальнейшего подробности см. на рисунке S1).

Получить нанопористые материалы надежным и контролируемым способом, мы приступили к изучению влияния межфазных взаимодействий и кривизна частиц при зарождении клеток.С этой целью в данной работе голые наночастицы SiO ₂ с открытыми на поверхности силанольными группами и наночастицы ядро-оболочка с привитым ПДМС (SiO ₂ -PDMS) с различным диаметром ядра кремнезема (от 12 до 120 нм). и впоследствии включен в ПММА, чтобы функционировать как гетерогенный агенты зародышеобразования. Мы выбрали давление насыщения CO ₂ 55 бар и температура вспенивания 40 ° C на основе наши ранее сообщенные результаты, поскольку это обеспечивает высокоэффективную пену зарождение клеток наночастицами ядро-оболочка с привитым ПДМС. ¹³ В этих условиях гетерогенное зародышеобразование по-прежнему благоприятен по сравнению с гомогенным зародышеобразованием, и эффект Таким образом, ожидается, что размер частиц и химический состав поверхности определят морфология пены. Кроме того, это давление (т.е. 55 бар) составляет значительно ниже, чем давление, используемое во время часто используемых сверхкритические условия вспенивания при периодическом вспенивании, например, с использованием давление до 330 бар. ^36,37 Мы ожидаем, что улучшенный понимание гетерогенного зародышеобразования и пенообразования при относительно низкое давление насыщения в конечном итоге приведет к развитию промышленных процессов вспенивания.

Мы учли представляет особый интерес для уменьшения привитых ПДМС размер частиц ядро-оболочка ниже, чем ранее сообщалось, кремнезема. диаметр сердцевины 80 нм ¹³ из-за уменьшения размер частиц позволяет ввести больше мест зарождения ячеек пены, тогда как весовой процент загрузки частиц остается постоянным. При условии, что более мелкие частицы столь же эффективно зарождают ячейки пены. как и более крупные, ожидается, что использование более мелких частиц даст пены с более высокой плотностью ячеек и более низкой общей плотностью пены.Ожидается, что пены для теплоизоляции принесут пользу. от как можно более низких массовых концентраций кремнезема, а также из-за того, что хороший теплопроводник. Как мы покажем позже, наночастицы с большая кривизна поверхности, то есть малые диаметры, особенно ниже 40 нм, оказались менее эффективными для гетерогенного зародышеобразования. по сравнению с частицами большего размера. Сообщаем здесь, что менее эффективное зародышеобразование для более мелких частиц приписывается положительные значения линейного натяжения, действующие на трехфазной контактной линии среди наночастиц — ядро ​​CO ₂ и набухший полимер CO ₂ .Натяжение линии определяется как избыточная свободная энергия на единицу длины контактной линии, в которой сосуществуют три отдельные фазы. ³⁸ Хотя шкала длины, по которой натяжение линии эффекты становятся актуальными для вязкоупругих систем полимер / частицы пенообразование еще не до конца изучено, принято считать, что Эффекты линейного натяжения становятся значительными при уменьшении размеров. ³⁹⁻⁴¹ Фактически, мы явно показываем, что в масштабах длины, относящихся к наш процесс вспенивания, натяжение линии должно быть включено в модели для количественно описывающая свободную энергию зарождения клеток в полимере вспенивание.

Интересно, что визуализация морфологии клеточных материалов, И в в частности, фиксация положения зарождающихся частиц с помощью относительно границы раздела матрица-клеточный газ, предоставляет информацию о влиянии эффектов натяжения линии на зарождение клеток. За Например, микрофотографии с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) выявляют отсутствие мельчайших наночастиц на поверхности ячейки пены стены. Это наблюдение подтверждает важность положительной линии напряжения и тем самым подтверждает, что его вклад в свободную энергию нуклеации клеток должны быть включены в модели, описывающие пенообразование.Эти результаты еще раз подчеркивают важность получения улучшенного понимание взаимодействия между сильно искривленными частицами с вязкоупругими полимерами, когда размер частиц составляет нанометр шкала длины. Связанные с этим знания позволят полностью использовать потенциал наночастиц как высокоэффективных агентов зародышеобразования в наноячечное пенообразование, а также эффекты линейного натяжения во многих другие приложения, например, в электронике, ⁴² датчиков, ^43,44 клеев, ⁴⁵ и шаблонных пористых материалов. ⁴⁶

Материалы и методы

Материалы

Тетраэтил ортосиликат (TEOS) ≥ 99,0% и 2-пропанол 99,5% были приобретены у Aldrich (Милуоки, WI). (3-Аминопропил) триэтоксисилан (APTES) 99%, соляная кислота 37%, раствор гидроксида аммония 28–30%. от Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури). Моноглицидиловый эфир с концевыми группами поли (диметилсилоксан) (ПДМС-G) ( M _w = 1000 и 5000 г / моль ^–1 ) была закуплена у Гелеста. (Моррисвилл, Пенсильвания). N — (2-аминоэтил-3-аминопропил) метилдиметоксисилан (Dynasylan 1411) ≥ 99,0% было получено от Evonik (Марл, Германия). Гранулы ПММА были приобретены у Arkema (VM100, т.е. полимер PMMA- co -EA, ρ = 1,18 г см ^–3 ) (Ла Гарен-Коломб, Франция). Наночастицы диаметром 12 нМ (биндзил 40/220), 20 нМ (биндзил 40/130) и 60 нМ (левасил 50/50) были подарком компании AkzoNobel (Бохус, Швеция). Эти частицы были рассеяны в водном растворе и имеют открытые на поверхности силанольные группы на поверхность в полученном виде.Приобретен абсолютный тетрагидрофуран (ТГФ). от Biosolve (Валкенсвард, Нидерланды). Абсолют этанола для анализ был получен от Merck (Дармштадт, Германия). Вода Milli-Q был произведен системой Millipore Synergy (Биллерика, Массачусетс). Пока не иначе упомянуто, все другие химические вещества использовались в том виде, в каком они были получены.

Синтез наночастиц

Получение наночастиц диоксида кремния Stöber

Для приготовления наночастиц (SiO ₂ ) методом Штёбера (далее мы сокращаем «наночастицу» с NP) с диаметром ~ 80 нм, 168 мл этанола смешивали с 28 мл Milli-Q вода и 30 мл ТЭОС в присутствии 2 мл гидроксида аммония при перемешивании со скоростью 500 об / мин при комнатной температуре.Через 1,5 ч полученный Дисперсию SiO ₂ центрифугировали при 10000 об / мин в течение 30 минут. Впоследствии собранный SiO ₂ был повторно диспергирован. в этаноле и снова центрифугировали. Этот этап промывки повторяли 2 раза. несколько раз с последующей сушкой в ​​вакууме собранных наночастиц SiO ₂ при комнатной температуре в течение 12 часов. Чтобы синтезировать частицы размером 40 нм, 84 мл этанола смешивали с 14 мл воды Milli-Q и 15 мл ТЭОС в присутствии 0,75 мл гидроксида аммония в 250 мл круглодонную колбу при перемешивании со скоростью 500 об / мин.Реакция была проведена в течение 1,5 ч при комнатной температуре. Чтобы получить частицы размером 120 нм, 100 мл этанола смешивали с 8 мл воды Milli-Q и 5 мл TEOS. в круглодонной колбе при перемешивании со скоростью 500 об / мин, а затем 5 мл гидроксида аммония, и он реагировал в течение 3 ч при 50 ° C. Этапы сбора, промывки и сушки этих НЧ были одинаковыми. как описано для НЧ 80 нм.

Гидролиз

К ввести силанольные группы на поверхность наночастиц SiO ₂ , частицы были повторно диспергированы в Milli-Q воду обработкой ультразвуком (BRANSON 2510, Канада) в течение 1 часа.Впоследствии соляную кислоту добавляли к дисперсии при перемешивании при 500 ° С. об / мин, пока pH раствора не достигнет значения приблизительно 1. Через 4 ч дисперсию центрифугировали при 10 000 об / мин. на 30 мин. Собранные НЧ повторно диспергировали в воде Milli-Q и снова центрифугировали. Этот этап промывки повторяли еще 2 раза, после чего сушкой НЧ с силанольными функциональными группами (SiO ₂ -OH) в вакууме при комнатной температуре в течение 12 ч.

Аминофункционализация

SiO ₂ -ОН НЧ (3.0 ж) повторно диспергировали в 100 мл этанола с последующим добавлением 15 мл APTES. Дисперсию оставили перемешиваться при 500 об / мин при комнатной температуре. температура в течение 17 ч. НЧ с функционалом APTES (SiO ₂ -NH ₂ ) собирали центрифугированием при 10000 об / мин в течение 30 мин, повторно диспергировали в этаноле и снова центрифугировали. Этот этап промывки повторяли еще 2 раза с последующей сушкой собранных SiO ₂ -NH ₂ НЧ в вакууме при комнатной температуре для 12 ч.

Биндзил 40/220, Биндзил 40/130 и Левасил 50/50 частицы диаметром 12, 20 и 60 нм соответственно были функционализированы с помощью Dynasylan 1411, чтобы их поверхность демонстрировала амино-функциональность.В типичной процедуре 7 мл Dynasylan 1411 добавляли к 10 мл суспензии NP. Дисперсию оставили перемешиваться. при 500 об / мин при комнатной температуре в течение 17 ч. Аминофункциональные НЧ (SiO ₂ -NH ₂ ) диаметром 12 и 20 нм собирали добавлением 5 мл хлорида кальция (1 моль L ^-1 ), что вызывает обратимую агрегацию НЧ с последующим центрифугированием при 10 000 об / мин в течение 30 мин. В обратимая агрегация НЧ способствует их седиментации во время центрифугирования.Затем частицы повторно диспергировали в этаноле. Эта стирка этап повторяли еще 2 раза с последующей сушкой собранных наночастиц SiO ₂ -NH ₂ в вакууме при комнатной температуре в течение 12 часов. НЧ Levasil 50/50 собирали повторным центрифугированием в виде описано ранее.

Прививка PDMS-G к НЧ диоксида кремния

SiO ₂ -NH ₂ НЧ (1,0 г) были редиспергированы в 20,5 мл ТГФ и 15 г PDMS-G при перемешивании со скоростью 500 об / мин в течение 1 часа с последующей обработкой ультразвуком за 1 ч.Впоследствии ТГФ удаляли роторным испарением и полученную дисперсию наночастиц диоксида кремния в PDMS-G погружали в масляную баню, термостатируется при 80 ° C в течение 17 часов. После охлаждения до комнатной температуры реакционную смесь промывали ТГФ и центрифугировали при 10000 об / мин в течение 30 мин. Этот этап промывки повторяли еще 2 раза, после чего путем вакуумной сушки SiO ₂ -PDMS при комнатной температуре в течение 12 ч.

Подготовка нанокомпозитной пленки

Нанокомпозиты мы полученные диспергированием количества (функциональных) наночастиц кремнезема (2.3 × 10 ¹³ см ^–3 ) в ПММА с помощью мини-экструдера (DSM Xplore, Нидерланды). Плотность НЧ поддерживалась постоянной на указанном значении. на протяжении всего исследования. В типичной процедуре сухая смесь НЧ и ПММА подавали в экструдер с последующим внутренним перемешиванием для 3 мин. Температура ствола была установлена ​​на 155 ° C, а винт скорость была 100 об / мин. Впоследствии нанокомпозит ПММА был собран. и оставили остывать до комнатной температуры.

Подготовка пленки

Горячий пресс (Fontijne, Нидерланды) использовалось для нажатия ∼0.Нанокомпозитные пленки толщиной 2 мм в форме (4 × 3 см ² ). Температура пресса, приложенная нагрузка, время прессования составляло 180 ° C, 250 кН и 10 мин соответственно.

Порционное вспенивание нанокомпозитных пленок

Нанокомпозит Пленки ПММА пропитывались CO ₂ (55 бар) в автоклаве. в течение 4 ч при комнатной температуре с последующим быстрым сбросом давления. Впоследствии нанокомпозитные пленки ПММА погружались в термостатированную водяную баню. при 40 ° C для разного времени вспенивания (0.3 и 180 с), после чего образцы закаливали на ледяной бане в течение 30 мин. Образцы были оставляют сушиться на воздухе не менее 12 ч перед дальнейшим анализом. За Схема используемой нами нестандартной установки вспенивания представлена ​​на рисунке S1.

Характеристика

Преобразование Фурье Инфракрасная (FTIR) спектроскопия

FTIR спектры были получены с помощью одиночного ослабленного суммарного ИК-Фурье-спектрометр на отражение (НПВО), оснащенный НПВО для однократного отражения кристалл (Bruker Optic GmbH, Эттлинген, Германия).Спектры были собраны в диапазоне 4000–400 см ^–1 (спектральная раствор 4 см ^–1 , 128 сканирований). Фоновые спектры были записаны против воздуха.

Термогравиметрический анализ (ТГА)

Потеря веса (модифицированные) частицы как функция температуры измерялись с TGA400 (PerkinElmer, Inc., Уолтем, Массачусетс). Образец взвешивания ∼5–10 мг загружали в платиновую кастрюлю, и температура был установлен на 50 ° C для стабилизации. Впоследствии образец нагревали. до 900 ° C при скорости нагрева 20 ° C мин. ^–1 .Применяемый воздушный поток составлял 20 мл мин. ^–1 .

Трансмиссия Электронная микроскопия (ПЭМ)

Ядро – оболочка структура функционализированных НЧ была визуализирована с помощью FEI / Philips Просвечивающий электронный микроскоп CM300 (Эйндховен, Нидерланды). Для получения изображений просвечивающим электронным микроскопом осаждали разбавленные дисперсии частиц в ТГФ. на углеродной стороне сетки углерод / медь (HC200-Cu) (EMS, Германия). Изображения были получены в режиме светлого поля с ускорением 300 кВ. Напряжение.

Сканирующая электронная микроскопия (SEM)

Для исследования ячеистая морфология вспененных нанокомпозитных пленок, высокое разрешение растровый электронный микроскоп (JEOL Field Emission JSM-633OF, JEOL Benelux, Nieuw-Vennep, Нидерланды).Обычно используемое ускоряющее напряжение электронов составляло 5 кэВ. Перед анализом нанокомпозитные пены подверглись замораживанию после охлаждения в жидкости. азот в течение 10 мин.

Расчет плотности и зарождения клеток Эффективность

Размер ячеек и плотность ячеек были получены с помощью анализируя SEM поперечные изображения. Плотность ячеек ( N _против ) пен была рассчитана в соответствии с теоретическими расчетами Кумара. приближение. ⁴⁷ Без прямых измерений в этом методе требуются размеры ячеек; только микрофотография Следует определить площадь ( A ) и общее количество содержащихся в ней ячеек ( n ).Вместе с увеличением коэффициент микрофотографии ( M ), N _v можно рассчитать в соответствии с уравнением 1.

1

Объединив N _v с коэффициентом объемного расширения ( B ) (т. в отношение объема пленки ПММА после вспенивания к ее объему до вспенивания) нанокомпозитных пленок после вспенивания (см. Таблицу S3), количество ячеек на см ³ невспененных материалов ( N ) можно рассчитать согласно уравнению 2.

2

Значения плотности клеток, упомянутые далее в этом исследование см. N .

Кроме того, зародышеобразование эффективность ( f ) НЧ при вспенивании может быть рассчитана как

3

, где C — количество НЧ на см ³ (т.е. 2,3 × 10 ¹³ ) добавлено к полимер во время смешения расплава. ¹³ ср наблюдали однородное распределение частиц по поперечному сечению СЭМ-изображение полимерных нанокомпозитных пленок до вспенивания.

Результаты and Discussion

Получение и характеристика кремнезема НПС

Stöber Были синтезированы наночастицы кремнезема разного диаметра с последующим их поверхностная прививка с PDMS. Схема реакции процесса мы использовали, изображено в A. Обычно наночастицы кремнезема (SiO ₂ ) были получены с помощью реакция Штёбера ⁴⁸ (стадия а) с последующей гидролизом этоксигрупп на поверхности до силанола фрагменты (стадия b). Гидролизованные частицы (SiO ₂ -OH) были дериватизирован (3-аминопропил) триэтоксисиланом (APTES), в результате чего в образовании НЧ, функционализированных амином (SiO ₂ -NH ₂ ) (стадия c).Впоследствии ПДМС-привитые НЧ ядро-оболочка (SiO ₂ -PDMS) получали путем «прививки к» метод с использованием ПДМС с концевыми группами моноглицидилового эфира (стадия d). Когда коммерчески использовались доступные частицы ядра кремнезема, их поверхность была непосредственно модифицированный N — (2-аминоэтил-3-аминопропил) метилдиметоксисилан с получением SiO ₂ -NH ₂ с последующей прививкой ПДМС к частицам. (Отметим, что диаметр кремнезема (core) NP обозначены круглыми числами, а информация о соответствующие средние размеры частиц и распределения по размерам доступно во вспомогательной информации; Таблица S1).

Схема препарата НП процесс (А). Однократное отражение Спектры поглощения ATR-FTIR SiO ₂ , SiO ₂ -OH, SiO ₂ -NH ₂ и SiO ₂ -PDMS НЧ с диоксид кремния (сердцевина) диаметром 80 нм (B). Черные стрелки в FTIR спектры показывают характеристические значения поглощения FTIR (модифицированного) НП. Неизотермические термограммы ТГА наночастиц SiO ₂ -NH ₂ и SiO ₂ -PDMS с диаметром диоксида кремния (сердцевины) 20 и 80 нм (C).

B показывает репрезентативные спектры поглощения FTIR (модифицированных) НЧ. В оставшиеся этоксигруппы после реакции Штёбера тетраэтила ортосиликат (TEOS) можно четко наблюдать в спектрах FTIR частицы SiO ₂ , то есть изгибная полоса поглощения CH ₂ / CH ₃ при 1452 см ^–1 и полоса поглощения CH ₂ / CH ₃ при 2980 см ^-1 . ⁴⁹ После гидролиза с получением SiO ₂ НЧ с поверхностными функциональностями -ОН (SiO ₂ -ОН) эти полосы поглощения исчезли, что указывает на количественное гидролиз этоксигрупп. ⁵⁰ The повторное появление полос при 2980, 1450 и 1380 см ^–1 в FTIR-спектре аминофункциональных НЧ (SiO ₂ -NH ₂ ) указывает на успешную модификацию поверхности с помощью NH ₂ групп. Это указание подтверждается тем фактом, что что наночастицы SiO ₂ -NH ₂ привели к положительному цветовой тест нингидрина, ⁵¹ , подтверждающий наличие групп NH ₂ на этих частицах. Полосы поглощения для CH ₃ растяжение на 2967 см ^-1 и для C – H изгиб на 1263 см ^–1 подтверждает успешный прививка ПДМС к НП. ⁵²

ср использовали анализ ТГА для определения количества привитых полимеров. C показывает пример зависимости потери массы от температуры для неизотермической ТГА измерения SiO ₂ -NH ₂ и НЧ с привитым ПДМС, с диаметром кремнезема (сердцевины) 20 и 80 нм соответственно. Вес процент ПДМС, связанного с НЧ, рассчитывали по диаграммам ТГА. (см. Таблицу S2). Результаты показывают, что количество привитого ПДМС увеличивается с ∼3,1 до ∼24,2 % при уменьшении диаметра НЧ от 120 до 12 нм.Это объясняется увеличенной удельной поверхностью для более мелких частиц. На основании результатов ТГА использовалась молярная масса привитых цепей ПДМС (т.е. 1000 г / моль ^–1 ) и площадь поверхности наночастиц (например, 33 м ² г ^–1 для наночастиц 80 нм), значения плотности прививки PDMS были оценены приблизительно как ∼0.9 цепочек нм ^–2 для частиц диаметром от 12 до 120 нм (см. Таблицу S2). Таким образом, изменения размера наночастиц кремнезема и, следовательно, кривизны поверхности не влияют на плотность прививки PDMS.

ТЕМ использовался для подтверждения структура ядро-оболочка гибридные НП. показывает ПЭМ-изображения голых и привитых ПДМС НЧ с диаметром сердцевины из кремнезема. 20 и 80 нм соответственно. Четкая структура оболочки PDMS вокруг НЧ можно наблюдать (см. C, D). По изображениям ПЭМ значение толщины оболочки оценивается в диапазоне 6,0 ± 1,3 нм. Полученные НП впоследствии использовались в качестве гетерогенных зародышеобразователей для ПММА. вспенивание нанокомпозитов.

ПЭМ-изображения НЧ SiO ₂ -OH диаметром 20 нм (А) и 80 нм (B), а также наночастицы SiO ₂ -PDMS с ядром из диоксида кремния диаметры 20 нм (C) и 80 нм (D).Масштабные линейки соответствуют 50 нм.

Нанокомпозитные пены

Перед вспениванием наночастицы смешивают в расплаве с ПММА и прессуют для получения пленок толщиной обычно 200 мкм. (Как уже было сказано, для сравнения мы сохранили громкость постоянная числовая плотность частиц разного диаметра при значении 2.3 × 10 ¹³ частиц см ^–3 .)

Нанокомпозиты ПММА с голыми НЧ и НЧ ядро ​​– оболочка вспенивались после насыщения CO ₂ при 55 бар.показывает изображения SEM поперечных сечений пен ПММА, содержащих частицы диаметром 20 и 80 нм, соответственно, после 180 с вспенивания. Очевидно, что включение НЧ с привитым ПДМС могут значительно уменьшить размер клеток и увеличить плотность клеток по сравнению с плотностью необработанного кремнезема (сравните B с D). Для количественного сравнения значения размера ячеек и плотности ячеек репрезентативного ПММА пены были определены и показаны в зависимости от диаметра ядра NP.

изображений SEM поперечных сечений пен ПММА, содержащих SiO ₂ -ОН НЧ с диаметры 20 нм (A) и 80 нм (B), а также PMMA пены, содержащие SiO _{2 НЧ} -PDMS с диаметром сердцевины из диоксида кремния 20 нм (C) и 80 нм (D).Масштабные линейки соответствуют 1 мкм. Давление насыщения, температура вспенивания и время вспенивания были 55 бар, 40 ° C и 180 с соответственно.

Размер клеток (A), плотность клеток (B) и эффективность зародышеобразования (C) нанокомпозитных пен ПММА, содержащих наночастицы SiO ₂ -OH и SiO ₂ -PDMS, в зависимости от диаметра кремнезема (сердцевины). (D) СЭМ-изображение поперечного сечения образца пенопласта из ПММА, содержащего привитой ПДМС. наночастицы с диаметром ядра диоксида кремния 80 нм (вспенены на 180 с).Масштабная линейка представляет 200 нм. (Примечание: планки погрешностей для измерения с участием чистого кремнезема в (B) и (C) слишком малы, чтобы быть увиденным.).

Для сравнения пенопласты ПММА (полученные при тех же условиях вспенивания) без добавления зародышеобразователей, отличался размером и плотностью клеток значения приблизительно 13 мкм и 3 × 10 ⁸ ячеек см ^–3 соответственно. Таким образом, добавление NP Используемые здесь зародышеобразователи существенно влияют на морфологию пены. Кроме того, как очевидно из A, B, размер ячеек и распределение ячеек по размеру уменьшаются, тогда как плотность клеток увеличивается с увеличением размер наночастиц.Например, размер ячеек и плотность ячеек с 120 нм чистыми наночастицами кремнезема составляют ∼810 нм и 2,1 × 10 ¹² клеток на см ^–3 соответственно, что является значительным усиление по сравнению с пеной, полученной с использованием 12 нм голые НП. После введения поверхностно-привитого ядра – оболочки НЧ размеры ячеек еще больше уменьшаются, а их плотности значительно увеличен по сравнению с пенопластами без покрытия только диоксид кремния. Например, для пен ПММА, зародившихся на 120 нм SiO ₂ -PDMS НЧ, размер ячеек уменьшился до ~ 410 нм, а плотность клеток увеличилась до 1.09 × 10 ¹³ ячеек см ^–3 .

Поразительно, но есть резкое и неожиданное увеличение клетки плотность при увеличении размера SiO ₂ -PDMS НЧ стартовых при диаметре частиц ∼40 нм и достижении плато на ∼80 нм. Об этом эффекте мы поговорим позже.

Зарождение эффективности наночастиц были рассчитаны как отношение количества ячеек на см ³ невспененных полимера к количеству наночастиц на см ³ невспененных полимер (т.е., 2,3 × 10 ¹³ ; также раздел «Материалы и методы»). (Мы рассмотрим здесь невспененный материал, поскольку здесь учитывается количество ячеек. не включает коэффициент расширения пены.) Предполагается, что (i) во время вспенивания не происходит коалесценции клеток и (2) каждая частица обеспечивает один потенциальный сайт зародышеобразования. Однако отметим, что количество центров зародышеобразования на частицу не ограничивается 1. В принципе, нет физических ограничений, препятствующих возникновению более одного события нуклеации на частицу, то есть эффективности нуклеации возможно превышение единицы.

Эффективность нуклеации НЧ с оболочкой PDMS значительно выше по сравнению с чистым кремнеземом. Например, зарождение КПД 0,47 была получена для кремнезема, декорированного ПДМС с диаметр сердцевины 80 нм, что в 12 раз больше, чем у значение, наблюдаемое для соответствующих необработанных НЧ (которые имели зарождение КПД ∼0.04). Изображения SEM, показанные в D, показывают, что каждая клетка пересекается раздел содержит примерно одну частицу. Отметим, что это число было подтверждено исследованием обеих половин поперечного сечения пенопласта ПММА. с SEM.Если предположить, что в среднем каждая ячейка была разрезана пополам это соответствовало бы двум частицам зародыша одной ячейки пены. Это прекрасно согласуется с полученной эффективностью нуклеации. ∼0,5, как определено анализом изображений.

Отметим, что наши НП работают значительно лучше, когда [AQ6] значения нуклеации сравнивались с типичными значениями, то есть <0,01, для других зародышеобразователей, например наноглины, ^12,22 нанотрубок, ⁵³ и CO ₂ -фильных полиионные частицы с привитой жидкостью. ³⁴ Прямой сравнение эффективности нуклеации — нетривиальная задача, потому что значения эффективности также зависят от выбора матрицы пены, так как а также от параметров процесса вспенивания. Тем не менее мы приписываем наблюдается увеличение плотности клеток и высокая эффективность зародышеобразования в наших экспериментах к (i) хорошей дисперсии НЧ в полимерной матрице (см. рисунок S2), (ii) низкая поверхностная энергия оболочки PDMS, что снижает энергетический барьер зародышеобразования, и (iii) более высокая локальная концентрация CO ₂ в оболочке PDMS (∼75 мас.%) ⁵⁴ по сравнению с матрица ПММА (∼18 мас.%). ⁵⁵ The более высокая концентрация CO ₂ в оболочке PDMS гарантирует, что при понижении давления и повышении температуры во время вспенивание количество CO ₂ , доступное для вспенивания, выше ближе к центрам гетерогенного зародышеобразования по сравнению с основной массой матрица. ¹³ Ожидается, что в результате более высокая скорость зародышеобразования на межфазных границах частиц. Кроме того, сообщалось, что из-за разделения полимерной фазы зародышеобразование энергетический барьер для клеток, зародившихся на межфазной границе, снижается, так как Что ж. ^56,57

Мы попытались получить гибридные НЧ. с более высокой прививкой PDMS длина для увеличения адсорбции CO ₂ в зародышеобразователе межфазный. При увеличении длины прививки за счет использования 5000 г моль ^–1 ПДМС НЧ с диаметром ядра 80 нм имели аналогичные процент прививки по сравнению с более короткими трансплантатами PDMS. Для НЧ такого размера ядро-оболочка аналогичная эффективность зародышеобразования были получены. Напротив, мельчайшие частицы (диаметры ниже 40 нм) значительно увеличили процент прививки для более длинные цепи PDMS.Удивительно, но это не привело к значительному повышение эффективности нуклеации клеток для этих НЧ. Это объясняется неэффективным зарождением клеток НЧ с диаметром (ядра) ниже 40 нм, как мы обсудим позже.

Для дальнейшего выяснения процесс зарождения клеток на границе раздела наночастиц, мы вспенили ПММА за очень короткий период времени, то есть 0,3 с. (Отметим, что это было самое короткое время вспенивания, которое мы может быть достигнута экспериментально.) показаны изображения поперечного сечения ячеек из пенопласта ПММА. содержащие диоксид кремния без покрытия и с привитым ПДМС с диаметром сердцевины 20 и 80 нм, соответственно, после вспенивания при 0.3 с. Из этого ясно, что эти пены имеют в среднем меньший размер ячеек и более толстую клеточную стенку по сравнению с к пенам, полученным за 180 с (см.). Мы связываем это с ограниченным временем для роста клеток. Например, пены ПММА, содержащие 80 нм ПДМС, привитые НЧ, вспененные в течение 0,3 и 180 с, имеют средний размер ячеек примерно 290 и 430 нм соответственно. Очевидно, что в процессе вспенивания зародышеобразование сопровождается быстрым ростом клеток. К сожалению, экспериментальные ограничения не позволяют нам фиксировать морфологию клеток сразу после зародышеобразование, то есть в масштабе времени быстрее 0.3 с.

Поперечное сечение СЭМ-изображения 0,3 с вспененного ПММА, содержащего SiO ₂ -OH с диаметром 20 нм (A) и 80 нм (B), а также SiO ₂ -PDMS с диаметром сердцевины 20 нм (C) и 80 нм (D). В масштабные линейки представляют 1 мкм. На вставках — изображения SEM / EDS увеличенные части, а масштабные линейки на этих вставках представляют 200 нм.

Принимая во внимание, что большинство отчетов обсуждают гетерогенное зародышеобразование со сферическими частицами игнорировать положение зарождающихся частиц в окончательной морфологии пены мы действительно получили ценную информацию от изображения положения НЧ после вспенивания.А именно поразительный Отличие в морфологии, зафиксированное в, заключается в отсутствии НЧ диаметром 20 нм. на границе раздела полимерных стенок ячеек, тогда как частицы размером 80 нм четко видны (и выступают). Кроме того, наночастицы SiO ₂ -OH и SiO ₂ -PDMS 12 и 40 нм также не были видны на поверхности клеточной стенки. Частицы с диаметром ядра 60 нм и более на клеточной стенке наблюдались как для SiO ₂ -OH, так и для SiO ₂ -PDMS НП. Этот удивительный эффект будет обсуждаться в следующем разделе.

Влияние линейного натяжения на гетерогенное зародышеобразование

In В этом разделе мы обращаем внимание на эффекты натяжения линии, чтобы прояснить наблюдаемые различия и уточнить его вклад в бесплатную энергия зарождения клеток. В и мы предоставляем схемы предлагаемого эмбриона клеток CO ₂ -NP и предлагаемых этапов рост клеток для разных размеров НЧ.

Эскиз поперечного сечения предлагаемого CO ₂ эмбрион с радиусом r * в равновесии с набухшей полимерной оболочкой CO ₂ на сферической затравочной частице с радиусом R .

Схема зарождения клеток и начальный рост клеток из наночастиц диаметром менее 40 нм (A) и более 60 нм (B). R и r * обозначают радиус наночастиц и критический CO _{2 эмбриона} соответственно. Линия натяжения изогнутой линия трехфазного контакта действует по касательным линии контакта круг.

При ближайшем рассмотрении частицы во время зародышеобразования это очевидно, что на его поверхности существует линия трехфазного контакта (см.) и, следовательно, вклады линейного натяжения (τ) порядка 10 ^–12 –10 ^–6 Н · м ^–1 необходимо учитывать к барьеру свободной энергии зародышеобразования. ^39,58 подписок зарождение закрытого ядра на сильно изогнутой частице, ⁵⁹ положительное линейное натяжение в конечном итоге приводит к поглощение наночастицы полимером в ячейке пены стены (см. A). Хотя часто применяемая классическая теория зародышеобразования для При зародышеобразовании ячеек пены учитываются эффекты кривизны частиц, ⁶⁰ не учитываются эффекты линейного натяжения в энергетический барьер зародышеобразования. При рассмотрении эффектов натяжения лески энергетический барьер зародышеобразования можно записать согласно формуле 4. ^59,61

4

где Δ G * — зародышеобразование энергетический барьер, r * — критический радиус зародыша CO ₂ , σ — поверхностная свободная энергия между полимером и CO ₂ , R — радиус наночастицы, S — площадь поверхности между критическим зародышем CO ₂ и наночастицей, а τ — трехфазный контакт линия натяжения.

Площадь поверхности S может быть получена из уравнения 5 (59)

5

Угол ⌀ (см.) равен ⁶²

6

, где θ — контактный угол (см.).

f ( m , w ) — это коэффициент уменьшения энергии согласно классической теории нуклеации ⁶⁰

7

в котором

8

9

10

11

Здесь Δ P — давление разница между давлением насыщения пенообразователя и атмосферным давление. ²⁷

Хотя величина линейного натяжения для многих систем составляет все еще обсуждается, принято решение, что для положительного линейного натяжения частицы поглощаются, когда их радиус меньше линейного натяжения длина (я.е., L = τ / σ). Следовательно, поглощение более мелких частиц (т.е. диаметром менее 40 нм) полимером последующее зарождение пузырьков, как показано на A, согласуется с L , составляющим приблизительно 20 нм, и при условии, что σ составляет ∼21 мН м ^–1 для используемых условий вспенивания, ⁶³ мы оцениваем линейное натяжение ∼0,42 nN. Критический радиус пузырька для нашего CO ₂ , насыщенного ПММА система составляет порядка 3 нм для давления насыщения 55 бар. (см. также уравнение 10). ⁶⁴ Кроме того, из изображений СЭМ высокого разрешения, Углы смачивания набухшего полимера и частицы CO ₂ голых и привитых ПДМС частиц с ядром из диоксида кремния 80 нм были определено как ∼79 и ∼28 °, соответственно (см. рисунок S3). Нижний угол контакта для 80 нм SiO ₂ -PDMS-частицы по сравнению с чистыми НЧ объясняется высоким сродством привитых НЧ к фазе CO ₂ , что также объясняет более высокую эффективность зародышеобразования. (Отметим, что здесь предполагаются одинаковые значения краевого угла для наночастицы с одинаковым химическим составом поверхности.)

показывает расчетный энергетический барьер зародышеобразования как функция контакта угол (θ) (A) и критический радиус ( r *) (B) в соответствии с уравнением 4, используя значение натяжения линии ∼0,42 нН.

Нуклеарная энергия барьера образования критического CO ₂ эмбрион на наночастицах в зависимости от контакта угол для линейного натяжения 0,42 нН (сплошные линии), а также без вклад линейного натяжения (пунктирные линии) (A). Критическая ячейка радиус зарождения 3 нм.Энергетический барьер зародышеобразования как функция критического радиуса эмбриона CO ₂ для линейного натяжения 0,42 нН и краевой угол 28 ° (B).

из А, ясно, что при положительном натяжении линии 0,42 нН зарождение энергетический барьер (показан сплошными линиями) значительно увеличен когда частицы существуют на границе раздела полимерный газ (т. е. когда θ не 0 или 180 °) по сравнению с барьером, рассчитанным в соответствии с классической теории зародышеобразования (показано штриховыми линиями).

Особый интерес представляет то, что для НЧ с привитым ПДМС (θ составляет 28 °) энергия зародышеобразования значительно увеличивается за счет вклад линейного натяжения для частиц 12, 20 и 40 нм по сравнению к таковым для их более крупных аналогов (диаметр> 60 нм). Общий, голые частицы кремнезема (θ 79 °) имеют более высокую нуклеацию энергетический барьер по сравнению с привитыми. Интересно, для более мелких голых наночастиц диоксида кремния эффект линейного натяжения на барьере зародышеобразования менее выражен.Кроме того, чем больше голые НЧ (> 60 нм) имеют почти одинаковые энергетические барьеры зарождения. Эти результаты подтверждают представленные значения эффективности нуклеации. в котором показывают резкое увеличение для частиц размером более 40 нм, когда контакт угол зародышеобразования мал, то есть для частиц с ПДМС оболочка, тогда как для голых частиц кремнезема существует более устойчивая повышение эффективности нуклеации. Интересно упомянуть здесь состоит в том, что CO ₂ -фильный блок-сополимер на основе гетерогенного фазы также рассматриваются как перспективные агенты зародышеобразования. ^8,65,66 Фактически, Родригес-Перес и коллеги ⁶⁶ сообщили об эффективности нуклеации близка к единице для поли (метилметакрилата) — co -поли (бутил акрилат) — co -поли (метилметакрилат) блок-сополимер (BCP) домены в PMMA. Такая высокая эффективность зародышеобразования может быть объяснена тем, что в зависимости от точки зародышеобразования в фазово-разделенных морфологии BCP, эти домены блок-сополимера не испытывают линия натяжения.

Значения эффективности нуклеации и результаты представленные в A демонстрируют, что размер частиц является важным параметром для контроля и оптимизации процесс вспенивания в присутствии наночастиц, используемых в качестве зародышеобразователя агенты.

Часто применяемая стратегия дальнейшего увеличения пены зарождение клеток эффективность заключается в увеличении давления насыщения CO ₂ , приводя к (i) уменьшению поверхностной энергии CO ₂ набухшего PMMA ⁶³ и (ii) увеличению падение давления, что в целом приводит к уменьшению критического пузыря радиус для зарождения ячеек пены (см. уравнение 10). Кроме того, уменьшенная поверхностная энергия при более высоких давлениях насыщения CO ₂ ожидается в увеличенной длине натяжения лески.Фактически, после насыщения CO ₂ при 300 бар и последующего вспенивания в течение 0,3 с при 40 ° C, мы наблюдали почти полное поглощение 60 и 80 нм голых и ПДМС-привитые НЧ (см. Рисунок S4), что указывает на действительно увеличенная длина натяжения лески. Это соответствует наблюдается снижение эффективности зародышеобразования до 0,1 для частиц с диаметром диоксида кремния (сердцевины) менее 80 нм в условиях вспенивания с использованием давления насыщения CO ₂ 300 бар (данные не показано).

В какой степени натяжение линии способствовало снижению зарождение эффективность при этих условиях вспенивания еще предстоит выяснить.В критический радиус пузырька для пленок ПММА, насыщенных 300 бар CO ₂ , снижается до значений менее 1 нм. ⁶³ Это означает, что для этих меньших по размеру ядер на поверхности наночастицы (диаметр> 12 нм) линия трехфазного контакта уменьшается и, как следствие, его вклад в неоднородную также снижается энергетический барьер зародышеобразования (см. B). Кроме того, чем выше падение давления, сравнивается более благоприятное гомогенное зародышеобразование с гетерогенным процессом зародышеобразования. ¹⁴ Интересно, что мы наблюдали доказательства гомогенного зародышеобразования в части стенок ячеек пен ПММА, приготовленных с давлением насыщения 300 бар, что согласуется с пониженной эффективностью нуклеации также заметил. Это означает, что после вспенивания из-за более высокой насыщенности давления, результирующий меньший критический радиус пузырька уменьшает потери энергии, связанные с натяжением линии для зародышеобразования, в то время как гомогенное зародышеобразование более благоприятный. ⁵⁹ Это ограничивает пену окно обработки, в котором частицы эффективны как агенты зародышеобразования.В условиях, когда НЧ эффективны (т. Е. При более низком давлении капель) необходимы относительно крупные частицы по сравнению с целевым субмикрометровые размеры ячеек пены для уменьшения эффекта кривизны частиц и линейное натяжение при зарождении ячеек пены. Это означает, что новые стратегии и должны быть разработаны конструкции частиц, которые увеличивают зародышеобразование. эффективность и результат вспенивания нанопористых пен ПММА с ячейками плотности более 10 ¹⁵ клеток см ^–3 .

Динамические графеновые фильтры для селективного разделения газа, воды и масла

Схематическая диаграмма и фотография части трехмерной графеновой пены 25.На рис. 1а показаны изображения диаметром 4 мм и толщиной 2 мм, а также изображение этой пены, полученное с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM), которое выявляет трехмерную структуру с порами диаметром 150–200 мкм. Изображение с большим увеличением в области, покрытой графеном (вставка на рис. 1а), показывает, что графен имеет идеально слоистую и шероховатую поверхность (см. Рис. S5 в вспомогательной информации для спектров комбинационного рассеяния трехмерных графеновых пен). Схематические диаграммы трех различных типов графеновых пен, используемых в качестве селективных фильтров, показаны на рис.1b – d. На этих диаграммах представлена ​​омнифильная пена графена, полученная обработкой поверхности плазмой O ₂ , гидрофобная первичная графеновая пена и омнифобная пена с самоорганизующимся (гептадекафтор-1,1,2,2-тетрагидродецил) трихлорсиланом (HDF-S). . Синтезированный трехмерный структурный графен является гидрофобным, но обработка плазмой O ₂ создает дефекты на поверхности графена, делая его всефильным. Для омнифобной структуры гидроксильные группы (-OH) на поверхности графена и активная группа (трихлорсилан-SiCl ₃ ) HDF-S образуют ковалентные связи, из которых формируется прочная силоксановая сетка.Эти три различных типа графеновой пены позволяют избирательно фильтровать газ и / или жидкости.

( a ) Фотография трехмерной структурной пены графена диаметром 25,4 мм. FE-SEM изображение пены графена со средним диаметром пор 150–200 мкм. На вставке показано увеличенное изображение поверхности одиночной графеновой проволоки, на котором четко виден графен, нанесенный на поверхность излома. ( b – d ) Схематическое изображение трех различных типов графена с использованием обработки поверхности и их селективных фильтрующих свойств.

На рис. 2 показаны смачивающие свойства трех структур 3D-графена (O ₂ , обработанные плазмой, чистые и с самосборным HDF-S) для воды, бензина, керосина и оливкового масла. Показаны среднее значение и стандартное отклонение пяти измерений, выполненных для каждого образца. Краевой угол смачивания всех жидкостей на графеновой пене, обработанной плазмой O ₂ , составляет 0 °, что указывает на омнифильное поведение. Краевые углы смачивания воды на чистом графене составляют 107,9 ± 1,1 °, что контрастирует с 0 °, измеренным для бензина, керосина и оливкового масла.Таким образом, (гидрофобный) чистый графен блокирует только воду. С другой стороны, 3D-графен, покрытый самосборным HDF-S, не только супергидрофобен (угол контакта 143,2 ± 0,5 ° с водой, что на ~ 35 ° выше, чем измеренный для чистого графена), но и олеофобен по отношению к бензину, керосину и др. Краевые углы смачивания оливкового масла составляют 78,1 ± 1,4 °, 105,6 ± 3,8 ° и 121,7 ± 1,7 ° соответственно. Таким образом, он представляет собой омнифобный фильтр.

Смачивающие свойства омнифильных (O ₂ -плазма-обработанная графеновая пена), гидрофобных (первичная графеновая пена) и омнифобных фильтров (графеновая пена, покрытая самосборным HDF-S) для различных жидкостей.

На рисунке 3 показаны возможности передачи газа, воды, бензина, керосина и оливкового масла омнифильным, гидрофобным и омнифобным графеновым фильтрам. Каждый 3D-фильтр был закреплен между двумя стаканами из полипропилена. Затем через верхний стакан вводили газ, воду и масло, смешанные с красителем для облегчения наблюдения. Обратите внимание, что никакая внешняя сила не применялась во время процесса фильтрации (см. Подробности в экспериментальном разделе и видео с дополнительной информацией). Газ, вода и масло быстро проникают через омнифильную пену графена и падают в стакан ниже (рис.3а). Гидрофобный графеновый фильтр пропускает бензин, керосин и оливковое масло, но блокирует воду (рис. 3b). Омнифобная пена графена блокирует все жидкости (воду и масла), при этом газ проникает через фильтр только в стакан ниже (рис. 3c).

Разделение газа / воды / масла достигается с помощью омнифильных, гидрофобных и омнифобных графеновых фильтров, покрытых ячейками размером ~ 150–200 мкм.

Графеновые пены были закреплены между трубкой из полипропилена (PP) и стаканом из полипропилена, а чистый газ, вода или масло (последние два с красителем) были помещены в верхнюю трубку из полипропилена.Вода проникает через сетку с покрытием, а масло отталкивается и задерживается в верхней трубке.

Сила адсорбции между каждым растворителем и субстратом была исследована с молекулярной точки зрения для выяснения различного фильтрационного поведения. Прежде всего, теоретический баланс между поверхностным натяжением и гравитационной силой был рассчитан в модельной системе пор, чтобы оценить максимальную высоту растворителя, которая может поддерживаться только за счет поверхностного натяжения на одной поре (см. Рисунок S1 в дополнительной информации для изображение модели).Полученные значения высоты составляют ~ 0,204 мм для воды, ~ 0,206 мм для бензина и керосина и ~ 0,207 мм для оливкового масла, что намного меньше, чем те, которые использовались в вышеупомянутых испытаниях (рис.2), что позволяет предположить, что все эти жидкости должны были пройти через фильтры. Это подчеркивает избирательные фильтрующие эффекты взаимодействия между растворителями и модифицированными поверхностями каждого фильтра. Коллективное поглощение через соединенные между собой поры на рис. 4а в основном определяется несвязывающими взаимодействиями между поверхностью подложки и растворителем.Таким образом, энергия взаимодействия была оценена путем проведения молекулярно-динамического моделирования (при 298 K) плоской поверхности, покрытой молекулами растворителя (рис. 4а). Энергия адгезии, рассчитанная для каждого растворителя с подложкой через различные графеновые фильтры, представлена ​​на рис. 4b, c и в таблице S2, рассчитанная на основе межмолекулярных взаимодействий Ван-дер-Ваальса. Энергия отрицательна во всех случаях, что указывает на благоприятное взаимодействие поверхности с растворителем. Поскольку сила адгезии (и гравитация) притягивает молекулы растворителя к субстрату и поскольку фильтры очень пористые, более отрицательные энергии взаимодействия указывают на большее проникновение растворителя.Здесь мы определяем энергетический порог проникновения в наши системы, рассматривая факторы, влияющие на проникновение, такие как трехмерная структура пены, размер и форма ее пор, а также внутренние свойства растворителей как коллективный эффект. Таким образом, сравнивая энергию адгезии, соответствующую явлениям фильтрации в эксперименте, мы определили пороговую энергию, приблизительно -650 ккал / моль (, т.е. ~ 0,22 Н / м) для наших систем. На основе этого критерия рис. 4b ясно показывает, что чистый графен блокирует воду, но не бензин, керосин или оливковое масло, в то время как графен, покрытый HDF-S, отфильтровывает все растворители.Обратите внимание, что относительные степени фильтрации и проникновения также можно оценить по высоте столбцов. Поскольку роль гидрофобной поверхности, вызывающей слипание растворителей, является решающей в этом контексте, рис. 4c подчеркивает влияние различных функциональных групп. При применении той же пороговой энергии поверхность графена, покрытая на 3% или 6,25% = O, -OH или -COOH, становится проницаемой для всех растворителей, кроме керосина, который отфильтровывается при 6,25% OH или -COOH. Тот факт, что блокируется только керосин, предполагает, что физическая длина и форма молекул растворителя влияют на их фильтрацию различными поверхностями графена.Интересно, что рис. 4c также показывает, что функционализированный эпоксидом графен отфильтровывает все растворители при покрытии 6,25%, но является селективным при покрытии 3%, блокируя только воду. Это указывает на то, что относительное покрытие менее привлекательным эпоксидом и более привлекательным углеродом sp ² является важным фактором, определяющим фильтрацию бензина, керосина и оливкового масла.

( a ) Схематическая диаграмма типичной границы раздела растворитель-подложка с водой, графеном и молекулами Ni во время молекулярно-динамического моделирования.( b ) Энергии адгезии — представлены столбиками, перевернутыми при -650 ккал / моль — воды, бензина, керосина и оливкового масла к никелевым подложкам, покрытым чистым или омнифобным графеном. Растворители, энергия адгезии которых попадает в красную область, отфильтровываются, а те, чья энергия адгезии попадает в синюю область, проходят через фильтр. ( c ) Энергия адгезии воды, бензина, керосина и оливкового масла к Ni-подложкам, покрытым (3% и 6,25%) гидроксил-, карбокси-, эпоксид- и карбонил-функционализированным графеном.

Деревянный дом, сруб, проектирование, строительство

Скандинавский деревянный дом из клееного бруса «Dina’s Morning» — большой дом с просторной гостиной, отдельной кухней, двумя спальнями и совмещенной ванной / душем. . Это отличное решение для тех, кто не любит небольшие замкнутые пространства. …

Деревянный дом из клееного бруса и терраса «Евродом» — домик для круглогодичного проживания для небольшой семьи. Есть все самое главное: 2 спальни, санузел, просторная кухня-гостиная. …

Деревянный дом из клееного бруса «Мираж» — компактный дом с 2 спальнями, гостиной и отдельной кухней и выходом на террасу.Это отличное решение для тех, кто ищет небольшой дом для круглогодичного проживания. …

В деревянном доме из клееного бруса «Белый дом» 5 спален, кухня-гостиная 58 м2 и 2 санузла. Этот дом подходит для большой семьи для круглогодичного проживания. …

Дом с террасой «IT House» состоит из: 3 спален с отдельными санузлами, просторной солнечной террасы и кухни-гостиной. Такой дом подойдет тем, кто любит принимать гостей и проводить деловые встречи дома….

Деревянный дом из клееного бруса с топкой и террасой «Маяк» имеет: 2 спальни по 17 м2 каждая, кухня-гостиная 50 м2 и 2 санузла 4,8 м2.