Preview

Journal of Advanced Materials and Technologies

Расширенный поиск

Исследование кристаллической структуры, морфологических и дисперсионных свойств углеродных составляющих коллоидных препаратов на основе природного графита и сажи

https://doi.org/10.17277/jamt-2026-11-01-043-056

Аннотация

Представлены результаты сопоставительного исследования кристаллической структуры углеродных составляющих нанодисперсных жидких коллоидных препаратов на основе естественного природного графита (ЕГ) и сажи, полученных методом измельчения в сочетании с химическим расщеплением (окисление смесью азотной и серной кислот). Для исследуемых образцов определяли особенности структурного строения, средний размер частиц, электропроводность и коэффициент диффузного отражения. В результате исследований установлено существование принципиальных различий как по структуре углеродных составляющих коллоидных растворов на основе ЕГ и сажи, так и по свойствам изготовленных из них покрытий. В случае ЕГ – это нанодисперсный графит, даже после измельчения и химического расщепления, сохраняющий структуру исходного ЕГ. Несмотря на разрушение исходных кристаллитов по базисным плоскостям, образования малослойных, графеновых частиц не происходит, и образовавшиеся частицы представляют собой нанокристаллиты ЕГ и имеют трехмерно упорядоченную структуру. Углеродная составляющая сажевого коллоидного раствора также является нанодисперсным поликристаллическим графитоподобным материалом, однако имеет турбостратную структуру, присущую исходной саже. Структурные различия приводят к принципиальной разнице в свойствах покрытий, полученных из коллоидных растворов на основе ЕГ и сажи по поверхностному электросопротивлению (5,10 и 55600 кОм/кв. соответственно). Для ЕГ отражательная способность покрытий при угле наклона светового луча 60° составляла (3,0 – 5,0 %). Однако для сажи отражательная способность покрытий при угле наклона светового луча 60° составляла 0,2 – 0,3 %, что является аномально низким для углеродных материалов.

Об авторах

Н. Н. Гончарова
Частное учреждение «Наука и инновации»
Россия

Гончарова Наталья Николаевна - руководитель направления.

Большая Ордынка, 44, стр. 4, Москва, 119017



В. М. Самойлов
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Самойлов Владимир Маркович - доктор технических наук, главный научный сотрудник, АО «НИИграфит».

ул. Электродная, 2, Москва, 111524



Е. А. Данилов
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Данилов Егор Андреевич - кандидат химических наук, начальник управления функциональных материалов, АО «НИИграфит».

ул. Электродная, 2, Москва, 111524



А. В. Находнова
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Находнова Анастасия Васильевна - кандидат технических наук, начальник испытательного центра, АО «НИИграфит».

ул. Электродная, 2, Москва, 111524



Б. С. Клеусов
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Клеусов Борис Сергеевич - старший научный сотрудник, АО «НИИграфит».

ул. Электродная, 2, Москва, 111524



М. В. Гудков
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАН
Россия

Гудков Максим Владимирович - кандидат химических наук, старший научный сотрудник.

ул. Косыгина, 4, Москва, 119991



Н. И. Новосадов
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАН
Россия

Новосадов Николай Иванович - младший научный сотрудник.

ул. Косыгина, 4, Москва, 119991



В. А. Гончарова
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Гончарова Влада Андреевна - стажер-исследователь, АО «НИИграфит».

ул. Электродная, 2, Москва, 111524



Список литературы

1. Fialkov AS. Interlayer compounds and composites based on it. Moscow: Aspekt-press; 1998. 717 p. (In Russ.)

2. Rashed MN, editor. Colloids: types, preparation and applications. IntechOpen; 2021. 232 p. DOI:10.5772/intechopen.92521

3. Chen K, Xue D. Preparation of colloidal graphene in quantity by electrochemical exfoliation. Journal of Colloid and Interface Science. 2014;436:41-46. DOI: 10.1016/j.jcis.2014.08.057

4. Park SK, Park BJ, Cho WB, Shin EJ, et al. A semipermanently stable, photocrosslinkable graphene colloid: a fresh strategy for fabricating polymer nanocomposites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2025;190:108693. DOI:10.1016/j.compositesa.2024.108693

5. Bhattacharya S, Dhar P, Das SK, Ganguly R, et al. Colloidal graphite/graphene nanostructures using collagen showing enhanced thermal conductivity. International Journal of Nanomedicine. 2014;9(1):1287-1298. DOI: 10.2147/IJN.S57122

6. Gilmanshina TR, Mamina LI, Koroleva GA, Bezrukikh AI. On the possibility of using oxidized and expanded crystalline graphites in foundry production. Metallurgiya mashinostroeniya. 2007;6:22-25. (In Russ.)

7. Kyei-Manu WA, Herd CR, Chowdhury M, Busfield JJC, et al. The influence of colloidal properties of carbon black on static and dynamic mechanical properties of natural rubber. Polymers. 2022;14(6):1194. DOI: 10.3390/polym14061194

8. Rutherford KJ, Akutagawa K, Ramier JL, Tunnicliffe LB, et al. The influence of carbon black colloidal properties on the parameters of the Kraus model. Polymers. 2023;15(7):1675. DOI:10.3390/polym15071675

9. Maas M. Carbon nanomaterials as antibacterial colloids. Materials. 2016;9(8):617. DOI:10.3390/ma9080617

10. Zhang C, Zheng Y, Lin X, Weng S. Research progress on the preparation, performance, mechanisms, and applications of carbon nanomaterials against gram-negative bacteria. RSC Advances. 2025;15(28):22180-22201. DOI:10.1039/D5RA01704A

11. Li Q, Noffke BW, Liu Y, Li LS. Understanding fundamental processes in carbon materials with well-defined colloidal graphene quantum dots. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2015;20(5-6):346-353. DOI:10.1016/j.cocis.2015.10.008

12. Shafi Z, Pandey VK, Singh R, Rustagi S. Carbon dots-nanosensors: advancement in food traceability for a sustainable environmental development. Food Control. 2024;165:110693. DOI:10.1016/j.foodcont.2024.110693

13. Damasceno JPV, Marques FB. Aqueous dispersion of n-doped graphite and the electronic stabilization of lyophobic colloids. Journal of Colloid and Interface Science. 2025;698:138074. DOI:10.1016/j.jcis.2025.138074

14. Draude AP, Dierking I. Lyotropic liquid crystals from colloidal suspensions of graphene oxide. Crystals. 2019;9(9):455. DOI:10.3390/cryst9090455

15. Keinanen P, Siljander S, Koivula M, Sethi J, et al. Optimized dispersion quality of aqueous carbon nanotube colloids as a function of sonochemical yield and surfactant/CNT ratio. Heliyon. 2018;4(9):e00787. DOI: 10.1016/j.heliyon.2018.e00787

16. Pavia M, Emo M, Estelle P, Rahman Mohamed A, et al. Controlled structural damaging of multiwalled carbon nanotubes and graphene nanoplatelets by oxidation for stable nanofluids with enhanced thermal conductivity. Journal of Molecular Liquids. 2023;390:123194. DOI: 10.1016/j.molliq.2023.123194

17. Gubernat M, Tomala J, Frohs W, Fraczek-Szczypta A, et al. De-agglomeration and homogenisation of nanoparticles in coal tar pitch-based carbon materials. Journal of Nanoparticle Research. 2016;18(3):1-13. DOI: 10.1007/s11051-016-3362-9

18. Nemanich RJ, Solin SA. First- and second-order Raman scattering from finite-size crystals of graphite. Physical Review B. 1979;20(2):392—401. D0I:10.1103/PhysRevB.20.392

19. Cangado LG, Takai K, Enoki T, Endo M, et al. Measuring the degree of stacking order in graphite by Raman spectroscopy. Carbon. 2008;46(2):272-275. DOI: 10.1016/j.carbon.2007.11.015

20. Ferrari AC, Meyer JC, Scardaci V, Casiraghi C, et al. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Physical Review Letters. 2006;97(18):187401. DOI:10.1103/PhysRevLett.97.187401

21. Wu JB, Lin ML, Cong X, Liu HN, et al. Raman spectroscopy of graphene-based materials and its applications in related devices. Chemical Society Reviews. 2018;47(5):1822-1873. DOI:10.1039/C6CS00915H

22. Goncharova N, Samoilov V, Elchaninova V, Nakhodnova A, et al. Estimation of graphene layers number and defectiveness of few-layered graphene particles by Raman spectroscopy. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2024;9(2):84-90. DOI: 10.17277/jamt.2024.02.pp.084-090

23. Sosedov VP. (ed.) Properties of Carbon-Based Structural Materials. Moscow: Metallurgiya; 1975. 335 p. (In Russ.)

24. Ostrovsky VS. Fundamentals of Artificial Graphite Materials Science. Moscow: Metallurg izdat; 2011. 111 p. (In Russ.)

25. Park S, An J, Piner RD, Jung I, et al. Aqueous suspension and characterization of chemically modified graphene sheets. Chemistry of Materials. 2008;20(21): 6592-6594. DOI:10.1021/cm801932u

26. Radon A, Wlodarczyk P, Lukowiec D. Structure, temperature and frequency dependent electrical conductivity of oxidized and reduced electrochemically exfoliated graphite. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018;99:82-90. DOI:10.1016/j.physe.2018.01.025

27. Woznica N, Hawelek L, Fischer HE, Bobrinetskiy I, et al. The atomic scale structure of graphene powder studied by neutron and X-ray diffraction. Journal of Applied Crystallography. 2015;48(5):1429-1436. DOI: 10.1107/S1600576715014053

28. Bukalov SS, Zubavichus YV, Leites LA, Sorokin AI, et al. Structural changes in industrial glassy carbon as a function of heat treatment temperature according to Raman spectroscopy and X-ray diffraction data. Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. 2014;5(1):186-191.

29. Jurkiewicz K, Pawlyta M, Burian A. Structure of carbon materials explored by local transmission electron microscopy and global powder diffraction probes. C. 2018;4(4):68. DOI:10.3390/c4040068

30. Le KC, Lefumeux C, Pino T. Differential Raman backscattering cross sections of black carbon nanoparticles. Scientific Reports. 2017;7(1):17124. DOI: 10.1038/s41598-017-17300-6

31. Pawlyta M, Rouzaud JN, Duber S. Raman microspectroscopy characterization of carbon blacks: spectral analysis and structural information. Carbon. 2015;84:479-490. DOI:10.1016/j.carbon.2014.12.030

32. Salver-Disma F, Tarascon JM, Clinard C, Rouzaud JN. Transmission electron microscopy studies on carbon materials prepared by mechanical milling. Carbon. 1999;37(12):1941-1959. DOI:10.1016/S0008-6223(99)00059-7

33. Samoilov VM, Streletsky AN. Influence of ultrafine grinding on the crystal structure and graphitability of carbon fillers. Himiya tverdogo topliva = Solid fuel chemistry. 2004;2:53-59. (In Russ.)

34. Nikolaeva AV, Samoilov VM, Danilov EA, Mayakova DV, et al. Effectiveness of using surfactants and organic additives in obtaining aqueous suspensions of graphene from natural graphite under the influence of ultrasound. Perspektivnye materialy = Inorganic Materials: Applied Research. 2015;2:44-56. (In Russ.)

35. Samoilov VM, Nikolaeva AV, Danilov EA, Erpuleva GA, et al. Preparation of aqueous graphene suspensions by ultrasonication in the presence of a fluorine-containing surfactant. Inorganic Materials. 2015;51(2):98-105. DOI:10.1134/S0020168515010161

36. Zhang Z, Schniepp HC, Adamson DH. Characterization of graphene oxide: variations in reported approaches. Carbon. 2019;154:510-521. DOI:10.1016/j.carbon.2019.07.103

37. Nemanich RJ, Lucovsky G, Solin SA. Infrared active optical vibrations of graphite. Solid State Communications. 1977;23(2):117-120. DOI:10.1016/0038-1098(77)90663-9

38. Lai SK, Tong LH, Lim CW. On the reflection and diffraction of carbon nanotube array thin film. Wave Motion. 2019;90:196204. DOI:10.1016/j.wavemoti.2019.04.005

39. Cui K, Wardle BL. Breakdown of native oxide enables multifunctional, free-form carbon nanotube-metal hierarchical architectures. ACS Applied Materials & Interfaces. 2019;11(38):35212-35220. DOI:10.1021/acsami.9b08290

40. Damnjanovic M, Vukovic T, Milosevic I. Diffraction from carbon nanotubes. Materials Science and Engineering: B. 2011;176(6):497-499. DOI:10.1016/j.mseb.2010.05.006

41. Ban S, Malek K, Huang C, Liu Z. A molecular model for carbon black primary particles with internal nanoporosity. Carbon. 2011;49(10):3362-3370. DOI:10.1016/j.carbon.2011.04.044

42. Nasibi M, Golozar MA, Rashed G. Nanoporous carbon black particles as an electrode material for electrochemical double layer capacitors. Materials Letters. 2013;91:323-325. DOI:10.1016/j.matlet.2012.09.088

43. Zhang W, Yin B, Akbar A, Li WW, et al. Nanomicro pore structure characteristics of carbon black and recycled carbon fiber reinforced alkali-activated materials. npj Materials Sustainability. 2024;2(1):30. DOI:10.1038/s44296-024-00033-9

44. Borah D, Satokawa S, Kato S, Kojima T. Characterization of chemically modified carbon black for sorption application. Applied Surface Science. 2008; 254(10):3049-3056. DOI:10.1016/j.apsusc.2007.10.053

45. Danilov EA, Samoilov VM, Dmitrieva VS, Nikolaeva AV, et al. Manufacturing transparent conducting films based on directly exfoliated graphene particles via Langmuir-Blodgett technique. Inorganic Materials: Applied Research. 2018;9(5):794-802. DOI: 10.1134/S2075113318050064

46. Cai W, Zhu Y, Li X, Piner RD, et al. Large area few-layer graphene/graphite films as transparent thin conducting electrodes. Applied Physics Letters. 2009;95(12):123115. DOI:10.1063/1.3220807

47. Pantea D, Darmstadt H, Kaliaguine S, Summchen L, et al. Electrical conductivity of thermal carbon blacks. Carbon. 2001;39(8):1147-1158. DOI:10.1016/S0008-6223(00)00239-6

48. Khodabakhshi S, Fulvio PF, Andreoli E. Carbon black reborn: structure and chemistry for renewable energy harnessing. Carbon. 2020;162:604-649. DOI:10.1016/j.carbon.2020.02.058


Рецензия

Для цитирования:


Гончарова Н.Н., Самойлов В.М., Данилов Е.А., Находнова А.В., Клеусов Б.С., Гудков М.В., Новосадов Н.И., Гончарова В.А. Исследование кристаллической структуры, морфологических и дисперсионных свойств углеродных составляющих коллоидных препаратов на основе природного графита и сажи. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2026;11(1):43-56. https://doi.org/10.17277/jamt-2026-11-01-043-056

For citation:


Goncharova N.N., Samoilov V.M., Danilov E.A., Nakhodnova A.V., Kleusov B.S., Gudkov M.V., Novosadov N.I., Goncharova V.A. Investigation of the crystal structure, morphological and dispersion properties of carbon components of colloidal solutions based on natural graphite and carbon black. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2026;11(1):43-56. https://doi.org/10.17277/jamt-2026-11-01-043-056

Просмотров: 83

JATS XML


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-2192 (Print)
ISSN 2782-2206 (Online)