Применение ЯМР томографии для исследования межфазных границ в коллоидных и микрогетерогенных системах

• Автор: Морозов, Евгений Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Оглавление
Введение
Г лава 1. Физические основы ЯМР томографии
1.1. Необходимые сведения из ядерного магнитного резонанса
1.2. Ядерная магнитная релаксация
1.3 Локализация спинов с помощью градиентов магнитного поля
1.3 Л Частотное кодирование
1.3.2 Фазовое кодирование
1.3.3 Формализм ^-пространства
1.4 Основные импульсные последовательности
1.4.1 Методика на основе градиентного эхо
1.4.2 Методика на основе спин-эхо
1.5. Контраст на томографическом изображении
Г лава 2. Дисперсные системы
2.1 Классификация
2.1.1 Классификация по агрегатному состоянию
2.1.2 Классификация по размерам
2.2 Суспензии
2.3 Золи и гели
2.4 Нефтяные дисперсные системы
2.5 Порошки
Постановка задачи
Глава 3. Экспериментальная часть
3.1 Оборудование
3.2 Материалы и образцы
3.2.1 Коллоидные суспензии
3.2.2 Золи и гели ультрадисперсных алмазов (УДА)
3.2.3 Золи и гели кремнезема
3.2.4 Образцы тяжелой нефти
3.2.5 Коллоидные кристаллы

3.3 Методики эксперимента
3.3.1 Методики получения ЯМР изображений
3.3.2 Методика измерения объемной доли частиц в суспензии
3.3.3 Методика измерения скорости и ширины межфазной границы чистая вода/суспензия в процессе седиментации коллоидных суспензий
3.3.4 Методика исследования размягчения тяжелых НДС
Глава 4. Результаты ЯМР томографического исследования коллоидных систем и их обсуждение
4.1 Коллоидные суспензии ПММА
4.1.1 Измерение медианной скорости
4.1.2 Временная динамика ширины границы чистая вода/суспензия
4.1.3 Изучение осадкообразования
4.2 Золи и гели УДА
4.2.1 Образование фаз в процессе гелеобразования
4.2.2 Динамика процессов высыхания геля УДА
4.3 Золи и гели кремнезема
4.3.1 Золи на основе силикатов щелочных металлов
4.3.2 Золи на основе аморфного волластонита (пеносиликата)
4.3.3 Золи на основе базальтовой минеральной ваты
Глава 5. Результаты ЯМР томографического исследования микрогетерогенных систем и их обсуждение
5.1. Тепловое размягчение тяжелой нефти
5.2 Пропитка коллоидно-кристаллических образцов ПММА
5.2.1 Пропитка крупнокристаллических образцов
5.2.2 Пропитка порошкообразных образцов
Приложения
Выводы
Список публикаций по тематике диссертационной работы
Список литературы
Благодарности

Введение
На сегодняшний день дисперсные системы составляют основу развития современных технологий получения функциональных материалов с заданными свойствами. С помощью коллоидных суспензий, золей и гелей различного химического состава, ультрадисперсных порошков и пористых сред получают такие материалы, как фотонные кристаллы, носители активной фазы в катализе, сорбенты, материалы электронной техники и др. Представленные системы и материалы являются объектами повышенного внимания исследователей в различных областях физики частично-упорядоченных сред. Однако, не смотря на активную работу в данном направлении, многие вопросы все еще остаются нерешенными. Актуальным вопросом остается проблема формирования пространственно коррелированных областей (микроструктуры) в процессе седиментации коллоидных частиц. Гидродинамическое взаимодействие между частицами приводит к образованию сложных моделей «вихрей», т.е. к образованию коррелированных областей, однако в системах из броуновских частиц хаотическое движение разрушает дальние корреляции. Но при этом теоретически показано, что при Ре<1 гидродинамическое взаимодействие, будучи уже на порядок слабее броуновских сил, все еще имеет решающее значение. Также неясными остаются ряд вопросов в теории зарождения и распространения фазы геля при золь-гель переходе, тепло- и массо-переноса в нефтяных дисперсных системах (НДС) и пористых средах.
Характерным свойством дисперсных систем является принципиальная гетерогенность, т.е. наличие в системе нескольких фаз, что приводит к формированию межфазных границ, таких как дисперсная фаза/дисперсионная среда, характеризуемых нано- и микропараметрами (в соответствии с масштабом дисперсной фазы). При этом различные процессы, протекающие в дисперсных системах (например, фазовые переходы) приводят к образованию объемных фаз в масштабах, на порядки превышающих размерность образующих систему частиц (например, фаза геля в объеме золя в процессе золь-гель перехода или фаза осадка в процессе седиментации). Соответст-

2.3 Золи и гели
Под термином золь обычно понимают предельно высокодисперсные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой [33]. Золи по традиции иногда называются коллоидными растворами. Частицы дисперсной фазы золя вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды называются мицеллами. Они свободно и независимо друг от друга участвуют в броуновском движении и равномерно заполняют весь объем дисперсионной среды, вследствие чего не оседают под действием силы тяжести (в отличие от суспензий). Размер частиц обычно лежит в пределах 1-100 нм.
Важнейшим свойством золей, определившим их широчайшее применение во многих областях науки и техники, и в частности химической технологии получения функциональных материалов, является способность терять устойчивость под действием различных факторов. Обычно устойчивость дисперсных систем подразделяют на два вида [33]: устойчивость к осаждению дисперсной фазы и устойчивость к агрегации ее частиц. Первый тип характеризуется процессами седиментации и описан ранее. Потеря агрегативной устойчивости приводит к образованию гелей - дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку. Переход золя в гель представляет собой основу современной наноиндустрии. Его используют при производстве неорганических сорбентов, катализаторов и носителей катализаторов, синтетических цеолитов, вяжущих неорганических веществ, керамики со специальными теплофизическими, оптическими, магнитными и электрическими свойствами, стекла, стеклокерамики, волокон и др. [84-86].
Переход коллоидных систем в более связанное состояние (агрегация) может включать в себя следующие процессы.
1. Желатинирование. Связанные вместе частицы образуют разветвленные цепочки, которые целиком заполняют объем золя. Поэтому не наблюдается повышение концентрации частиц в любой выбранной макроскопической