The investigation of the gel-formation mechanism in aqueous dispersions of the oxidized graphite and diamond

Department of Physical Chemistry of Disperse Minerals, Institute of Biocolloidal Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine, 42, Vernadsky blvd, Kiev 252142, Ukraine.

Abstract

The experimental dependencies of the rheological properties of the dispersions of two inorganic polymers (oxidized graphite and diamond) on the concentration of the disperse phase and medium pH at constant ionic strength of background electrolyte (KCI) have been obtained and the results have been compared with calorimetric data as well as with pH-dependencies of the surface charge (σ), the stability (D) and the dispersion ζ-potential. It is established that in the whole pH region the change in the plastic viscosity (η*), the dynamic yield limit (τ_B) and the thixotropy of the dispersions is precisely correlated with the change of their electrosurface properties and the specific heat of the graphite and diamond wetting (q). The maximum dispersion structure-formation is observed in the vicinity of the zero charge point and meets the minimum q values and the system stability. A strong dependence of the dispersion gel-formation and thixotropy on the particle anisometry has been revealed.

The conclusion that gel-formation in hydrodispersions of the oxidized graphite and diamond is the result of the near and/or further coagulation interaction of particles through liquid interlayers in the medium controlled by the lyophilicity and the electrosurface forces has been drawn on the obtained data. This conclusion agrees with the results of the calculation of the graphite and diamond particle’s pair interaction potential curves within the DLVO theory with the allowance for the structural forces.

Résumé

Nous présentons l'évolution des propriétés rhéologiques de dispersions de deux polymères inorganiques (graphite oxydé, diamant) en fonction de la concentration de la phase dispersée et du pH du milieu lorsque l'électrolyte de fond (KCI) reste à force ionique constante. Ces résultats sont comparés avec les données obtenues par calorimétrie ainsi que la variation, en fonction du pH, de la charge superficielle (σ), de la stabilité (D) et du potentiel dzéta (ζ) de la dispersion. II a été établi que, dans tout le domaine de pH, les modifications de viscosité plastique (η*), le rendement dynamique limite (τ_B) et la thixotropie des dispersions se corrélent exactement avec les variations de charge de surface, la chaleur spécifique du graphite et le mouillage du diamant (q). La formation de stuctures est maximale au voisinage du point de charge nulle et est associée au minimum de q et de stabilité du système. La formation de gel et la thixotropie dépendent fortement de l'anisotropie des particules.

On en déduit que la formation de gel dans les dispersions aqueuses de graphite oxydé et de diamant résulte des interactions à courte distance et/ou de la coagulation des particules via les couches liquides du milieu, contrôlés par la lyophilicité et les charges superficielles. Cette conclusion est cohérente avec les courbes de potentiel d'interaction de paires de particules réalisés dans le cadre de la théorie DLVO.