[go: up one dir, main page]

RU2436749C2 - Nanocomposite material based on mineral binding materials - Google Patents

Nanocomposite material based on mineral binding materials Download PDF

Info

Publication number
RU2436749C2
RU2436749C2 RU2009138819/03A RU2009138819A RU2436749C2 RU 2436749 C2 RU2436749 C2 RU 2436749C2 RU 2009138819/03 A RU2009138819/03 A RU 2009138819/03A RU 2009138819 A RU2009138819 A RU 2009138819A RU 2436749 C2 RU2436749 C2 RU 2436749C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanocomposite material
material according
nanoparticles
fraction
particles
Prior art date
Application number
RU2009138819/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009138819A (en
Inventor
Андрей Николаевич Пономарев (RU)
Андрей Николаевич Пономарев
Михаил Евгеньевич Юдович (RU)
Михаил Евгеньевич Юдович
Original Assignee
Андрей Николаевич Пономарев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Николаевич Пономарев filed Critical Андрей Николаевич Пономарев
Priority to RU2009138819/03A priority Critical patent/RU2436749C2/en
Publication of RU2009138819A publication Critical patent/RU2009138819A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2436749C2 publication Critical patent/RU2436749C2/en

Links

Landscapes

  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to nanocomposite material based on mineral binder and can be used as construction material when building buildings and structures, including transport and hydraulic engineering. The nanocomposite material contains mineral binder, mineral filler and a fraction of nanoparticles which contains multilayer carbon particles with a toroid shape with size of 15-150 nm, in which the ratio of the outer diameter to the thickness of the torus body is in the range of (10-3):1. The invention is developed in subclaims.
EFFECT: high density and strength.
15 cl, 1 tbl, 14 ex

Description

Изобретение относится к области композиционных материалов на основе минеральных вяжущих, таких как портландцемент, известь, гипс, или их смеси, наполненных минеральными наполнителями с фракциями наночастиц. Такие композиционные материалы на основе минеральных вяжущих используют в качестве строительных материалов при возведении зданий и сооружений, а также объектов транспортного и гидротехнического строительства (мосты, тоннели, дамбы, плотины и т.п.).The invention relates to the field of composite materials based on mineral binders, such as Portland cement, lime, gypsum, or mixtures thereof, filled with mineral fillers with fractions of nanoparticles. Such composite materials based on mineral binders are used as building materials in the construction of buildings and structures, as well as objects of transport and hydraulic engineering construction (bridges, tunnels, dams, dams, etc.).

Композиционные материалы на основе минеральных вяжущих обычно состоят из гидратированных цементов, извести, шлакоцементных вяжущих или гипса, смешанных с минеральными наполнителями различных фракций по крупности. Для оптимизации плотной упаковки разнородных материалов, упрочнения цементного камня и повышения физико-механических параметров композиций в целом в состав композиций на основе минеральных вяжущих вводят различные фракции наночастиц (цемент сверхтонкого помола, микрокремнезем и (или) углеродные кластеры фуллероидного типа). Такие композиционные материалы получили название «нанокомпозитные».Composite materials based on mineral binders usually consist of hydrated cements, lime, slag cement or gypsum mixed with mineral fillers of various fractions by size. To optimize the tight packing of heterogeneous materials, hardening cement stone and increase the physicomechanical parameters of the compositions as a whole, various fractions of nanoparticles (ultrafine grinding cement, microsilica and / or fulleroid type carbon clusters) are introduced into the compositions based on mineral binders. Such composite materials are called “nanocomposite”.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является нанокомпозитный материал на основе минеральных вяжущих, содержащий минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси, и воду и дополнительно содержащий фракцию наночастиц в виде углеродных кластеров фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 или более, причем компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: минеральное вяжущее 33-77; углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2,0, вода - остальное [RU 2233254, C2, 2004]. Недостатками данного технического решения являются недостаточно высокие физико-механические характеристики нанокомпозитного материала и необходимость высокого содержания в нем минеральных вяжущих (не менее 33 мас.%).The closest set of essential features to the claimed one is a nanocomposite material based on mineral binders, containing a mineral binder selected from the group comprising cement, lime, gypsum or mixtures thereof, and water and additionally containing a fraction of nanoparticles in the form of carbon clusters of the fulleroid type with the number of atoms carbon 36 or more, and the components are taken in the following proportions, wt.%: mineral binder 33-77; carbon clusters of the fulleroid type 0.0001-2.0, water - the rest [RU 2233254, C2, 2004]. The disadvantages of this technical solution are the insufficiently high physical and mechanical characteristics of the nanocomposite material and the need for a high content of mineral binders (at least 33 wt.%).

Задачей данного изобретения является создание нанокомпозитного материала на основе минеральных вяжущих с улучшенными физико-механическими характеристиками, а именно - прочностью на сжатие и водонепроницаемостью и сниженным порогом минимального содержания вяжущего.The objective of the invention is the creation of a nanocomposite material based on mineral binders with improved physical and mechanical characteristics, namely, compressive strength and water resistance and a reduced threshold for a minimum binder content.

Данная задача решается тем, что предложен нанокомпозитный материал, содержащий минеральное вяжущее, минеральный наполнитель и дополнительно содержащий фракцию наночастиц, в котором фракция наночастиц включает многослойные углеродные наночастицы тороподобной формы, в которых соотношение внешнего диаметра к толщине тела тора находится в пределах (10-3):1.This problem is solved by the fact that the proposed nanocomposite material containing a mineral binder, a mineral filler and additionally containing a fraction of nanoparticles, in which the fraction of nanoparticles includes multilayer carbon nanoparticles of a toroidal shape, in which the ratio of the outer diameter to the thickness of the torus body is in the range (10-3) :one.

Введение такой модифицирующей добавки позволяет достичь эффективного уплотнения и упрочнения нанокомпозитного материала вблизи межфазных границ наполнитель/цементный камень (продукт гидратации минерального вяжущего) и, таким образом, повысить его прочность.The introduction of such a modifying additive allows one to achieve effective compaction and hardening of the nanocomposite material near the filler / cement stone interphase boundaries (a product of hydration of a mineral binder) and, thus, increase its strength.

Указанные углеродные частицы тороподобной формы предпочтительно имеют фуллероидный тип. Межслоевое расстояние в таких частицах равно 0,34-0,36 нм.Said toroidal carbon particles are preferably of the fulleroid type. The interlayer distance in such particles is 0.34-0.36 nm.

Целесообразно, когда указанные частицы тороподобной формы представляют собой те частицы из корки катодного осадка, полученного испарением графитового анода в дуговом процессе и подвергнутого газофазному окислению, которые подвержены действию электрического поля.It is advisable when these toroidal particles are those particles from the crust of the cathode deposit obtained by evaporation of a graphite anode in an arc process and subjected to gas-phase oxidation, which are exposed to an electric field.

Предпочтительно в способе получения корку перед окислением размалывают, а газофазное окисление проводят в СВЧ-поле, причем, возможно, после газофазного окисления перед испытанием на подверженность действию электрического поля дополнительно осуществляют жидкофазное окисление. Описанный способ позволяет получить частицы с необходимыми характеристиками.Preferably, in the production method, the crust is ground before oxidation and the gas-phase oxidation is carried out in a microwave field, and it is possible that, after gas-phase oxidation, liquid-phase oxidation is additionally carried out before the exposure test to the electric field. The described method allows to obtain particles with the necessary characteristics.

Фракция наночастиц в предложенном композиционном материале может дополнительно включать углеродные нанотрубки.The fraction of nanoparticles in the proposed composite material may further include carbon nanotubes.

Соотношение углеродных нанотрубок и указанных углеродных наночастиц может составлять от 1:10 до 10:1.The ratio of carbon nanotubes and these carbon nanoparticles can be from 1:10 to 10: 1.

Фракция наночастиц в предложенном композиционном материале может дополнительно включать функционализированные водорастворимые фуллерены.The fraction of nanoparticles in the proposed composite material may further include functionalized water-soluble fullerenes.

Соотношение фуллеренов и указанных наночастиц может составлять от 1:10 до 1:10000.The ratio of fullerenes and these nanoparticles can be from 1:10 to 1: 10000.

Функционализированные фуллерены могут представлять собой Rn-C-60, Rn-C-70 и аналогичные, где R - радикалы, обеспечивающие водорастворимость фуллеренов, например аминные, сульфокислотные и гидроксильные либо другие функциональные группы. Могут применяться их смеси, а также смеси фуллеренов и углеродных нанотрубок.Functionalized fullerenes can be R n -C-60, R n -C-70 and the like, where R are radicals that provide water solubility of fullerenes, for example, amine, sulfonic acid and hydroxyl or other functional groups. Mixtures thereof, as well as mixtures of fullerenes and carbon nanotubes, can be used.

Если фракция наночастиц в предложенном композиционном материале не включает фуллерены и нанотрубки, целесообразно, чтобы многослойные углеродные наночастицы тороподобной формы составляли по меньшей мере 5% от массы фракции. При этом остальная часть фракции может быть представлена, например, полиэдральными наночастицами. Такого количества углеродных наночастицц тороподобной формы достаточно для обеспечения желаемого технического эффекта.If the fraction of nanoparticles in the proposed composite material does not include fullerenes and nanotubes, it is advisable that the multilayer carbon nanoparticles of a toroidal shape comprise at least 5% by weight of the fraction. In this case, the rest of the fraction can be represented, for example, by polyhedral nanoparticles. Such a quantity of carbon nanoparticles of a toroidal shape is sufficient to provide the desired technical effect.

Целесообразно, когда в предложенном нанокомпозитном материале фракция наночастиц присутствует в количестве до 3% от массы минерального связующего. При этом желаемый эффект достигается, уже когда такие частицы присутствуют в количестве 0,00003% от массы связующего.It is advisable when in the proposed nanocomposite material the fraction of nanoparticles is present in an amount up to 3% by weight of the mineral binder. The desired effect is achieved even when such particles are present in an amount of 0.00003% by weight of the binder.

В предпочтительном воплощении изобретения наполнитель представляет собой кварцевый, в том числе промытый, речной песок.In a preferred embodiment of the invention, the filler is quartz, including washed, river sand.

Настоящее изобретение характеризуется тем, что нанофракция в композитном материале на основе минеральных вяжущих включает многослойные углеродные наночастицы тороподобной формы (МНТФ).The present invention is characterized in that the nanofraction in the composite material based on mineral binders includes multilayer carbon nanoparticles of a toroidal shape (MNTF).

По определению тор - это тело, получаемое от вращения круга около оси, лежащей в его плоскости. Хотя шар представляет частный случай тора, указанное для частиц по изобретению соотношение внешнего диаметра к толщине тела тора исключает шарообразные частицы.By definition, a torus is a body obtained from the rotation of a circle about an axis lying in its plane. Although the ball represents a particular case of a torus, the ratio of the outer diameter to the thickness of the torus body indicated for particles according to the invention eliminates spherical particles.

Частицы по изобретению, при сохранении указанного соотношения внешнего диаметра к толщине тела тора, могут быть представлены неправильными торами, внешняя граница проекции которых на плоскость представляет собой ломаную линию. Структура частиц по изобретению может быть аналогична многослойным нанотрубкам, которые замкнуты так, что не имеют свободных концов.Particles according to the invention, while maintaining the specified ratio of the outer diameter to the thickness of the torus body, can be represented by irregular tori, the outer boundary of the projection of which onto the plane is a broken line. The particle structure of the invention may be similar to multilayer nanotubes that are closed so that they do not have free ends.

Единичный слой частицы может иметь фуллероидную структуру, то есть представлять собой непрерывную сеть, состоящую из пяти- и шестичленных колец, имеющих чередующиеся σ- и π- связи. Однако заявителем установлено, что технический результат достигается не столько за счет такой природы слоя, а в основном за счет формы наночастицы.A single layer of a particle can have a fulleroid structure, that is, it can be a continuous network consisting of five- and six-membered rings having alternating σ- and π-bonds. However, the applicant has established that the technical result is achieved not so much due to the nature of the layer, but mainly due to the shape of the nanoparticles.

Заявителем обнаружено, что многослойные наночастицы именно тороподобной формы (МНТФ) обладают неожиданной способностью повышать среднюю плотность материала, что, вероятно, достигается за счет аномально сильного дисперсионного взаимодействия с поверхностью наполнителя (в частности, кварцевого или промытого речного песка) и ближайших фрагментов цементного камня.The applicant has found that multilayer nanoparticles of precisely the toroidal shape (MNTF) have an unexpected ability to increase the average density of the material, which is probably achieved due to an abnormally strong dispersion interaction with the surface of the filler (in particular, quartz or washed river sand) and the closest fragments of cement stone.

Тем самым достигается технический результат, заключающийся в уплотнении нанокомпозитного материала вблизи межфазных границ, как следствие, в повышении его прочности и в снижении порога минимального содержания вяжущего в таком материале.Thus, a technical result is achieved, consisting in compaction of the nanocomposite material near the interfacial boundaries, as a result, in increasing its strength and in lowering the threshold of the minimum binder content in such a material.

МНТФ могут иметь различные геометрические параметры, например соотношение внешнего диаметра к толщине многослойного тела тора. Указанные параметры могут быть измерены с помощью электронного просвечивающего микроскопа или получены из результатов рентгеноструктурного анализа.MNTFs can have various geometric parameters, for example, the ratio of the external diameter to the thickness of the multilayer torus body. These parameters can be measured using an electron transmission microscope or obtained from the results of x-ray diffraction analysis.

Заявителем установлено, что частицы, у которых соотношение внешнего диаметра к толщине тела тора находится в пределах (10-3):1, обеспечивают достижение указанного технического результата, причем предпочтительно соотношение (5-4):1 и более предпочтительно 4,5:1 для углеродных наночастиц фуллероидного типа.The applicant has found that particles in which the ratio of the outer diameter to the thickness of the torus body is in the range (10-3): 1, achieve the specified technical result, and preferably the ratio (5-4): 1 and more preferably 4.5: 1 for carbon nanoparticles of the fulleroid type.

Введение тороподобных наночастиц по изобретению может быть осуществлено в дополнение к известной модификации нанокомпозитных материалов нанотрубками, полиэдральными углеродными наноструктурами фуллероидного типа и фуллеренами.The introduction of torus-like nanoparticles according to the invention can be carried out in addition to the known modification of nanocomposite materials by nanotubes, fulleroid-type polyhedral carbon nanostructures and fullerenes.

Введение нанотрубок само по себе обеспечивает некоторое повышение прочности цементного камня, формируемого при гидратации минерального вяжущего, а одновременная дополнительная модификация нанокомпозитного материала многослойными углеродными наночастицами тороподобной формы обеспечивает структурирование нанотрубок с неожиданным повышением прочности гидратированного минерального вяжущего, которого ранее не удавалось достичь.The introduction of nanotubes in itself provides a certain increase in the strength of cement stone formed during the hydration of a mineral binder, while the simultaneous additional modification of the nanocomposite material with toroidal multilayer carbon nanoparticles provides the structure of nanotubes with an unexpected increase in the strength of the hydrated mineral binder, which could not be achieved before.

При этом ясно, что углеродные нанотрубки являются хорошим материалом для упрочнения, поскольку обладают высокой прочностью на разрыв и большим отношением длины к диаметру. Однако для углеродных нанотрубок наблюдается проскальзывание стенок одна относительно другой, что снижает реально достижимые значения прочности нанокомпозитного материала, а атомно-гладкие внешние поверхности нанотрубок приводят к их слабому сцеплению с упрочняемым материалом.It is clear that carbon nanotubes are a good material for hardening, because they have high tensile strength and a large ratio of length to diameter. However, for carbon nanotubes, walls slip one relative to the other, which reduces the realistically achievable strength values of the nanocomposite material, and atomically smooth outer surfaces of nanotubes lead to their weak adhesion to the hardened material.

Введение в состав нанокомпозитного материала многослойных углеродных наночастиц тороподобной формы приводит к повышению силы сцепления нанотрубок с упрочняемым материалом, по-видимому, за счет их аномально сильного дисперсионного воздействия с тороподобными наночастицами.The introduction of a toroidal shape of multilayer carbon nanoparticles into the nanocomposite material leads to an increase in the adhesion force of nanotubes to the hardened material, apparently due to their anomalously strong dispersion effect with toroidal nanoparticles.

Введение фуллеренов, как известно, обеспечивает улучшение поверхностных свойств компонентов нанокомпозитного материала, что в сочетании с введением указанных многослойных углеродных наночастиц тороподобной формы приводит к синергическому улучшению межфазного взаимодействия в нанокомпозитном материале.The introduction of fullerenes, as is known, provides an improvement in the surface properties of the components of the nanocomposite material, which in combination with the introduction of these multilayer carbon nanoparticles of a toroidal shape leads to a synergistic improvement in the interfacial interaction in the nanocomposite material.

Многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа тороподобной формы получают из корки катодного депозита, полученного термическим или плазменным распылением графитового анода в условиях протекания постоянного тока в промежутке между анодом и катодом в атмосфере инертного газа и выделяют из общей массы получаемых таким образом углеродных наночастиц, например, методом последовательного окисления и последующего разделения при силовом взаимодействии электродов, например, в процессе автоэмиссии из углеродосодержащих катодов.Multilayer carbon nanoparticles of a fulleroid type of a toroidal shape are obtained from the crust of a cathode deposit obtained by thermal or plasma sputtering of a graphite anode under direct current flow in the gap between the anode and cathode in an inert gas atmosphere and isolated from the total mass of carbon nanoparticles thus obtained, for example, by the sequential method oxidation and subsequent separation during the force interaction of the electrodes, for example, in the process of field emission from carbon-containing cathodes.

Катодный депозит может быть получен электродуговой эрозией анодного графитового стержня сечением 30-160 мм2 при плотности тока 80-200 A/см2 и падении напряжения на дуге 20-28 В в гелиевой атмосфере при давлении 40-100 торр (например так, как это описано в патенте RU 2196731, 2000).A cathode deposit can be obtained by electric arc erosion of an anode graphite rod with a cross section of 30-160 mm 2 at a current density of 80-200 A / cm 2 and a voltage drop across the arc of 20-28 V in a helium atmosphere at a pressure of 40-100 torr (for example, like this described in patent RU 2196731, 2000).

Для дальнейшей обработки отбирают плотную корку катодного осадка, отделяя ее от рыхлой середины, и измельчают.For further processing, a dense crust of the cathode deposit is selected, separating it from the loose middle, and crushed.

Окисление проводят в СВЧ-поле, например поле с частотой 2,5 ГГц и мощностью 500-1500 Вт. Перед помещением в СВЧ-поле измельченный катодный осадок помещают во вращающуюся кварцевую трубу. Такое газофазное окисление проводят в течение 100-150 мин.The oxidation is carried out in a microwave field, for example, a field with a frequency of 2.5 GHz and a power of 500-1500 watts. Before being placed in the microwave field, the crushed cathode deposit is placed in a rotating quartz tube. Such gas-phase oxidation is carried out for 100-150 minutes.

После газофазного окисления полученный продукт может быть дополнительно подвергнут электрохимическому окислению.After gas-phase oxidation, the resulting product can be further subjected to electrochemical oxidation.

Также после газофазного и/или электрохимического окисления полученный продукт можно поместить в среду жидкого газа (азота, гелия).Also, after gas-phase and / or electrochemical oxidation, the resulting product can be placed in a liquid gas medium (nitrogen, helium).

По окончании разделения при силовом взаимодействии электродов полученный на различных электродах продукт собирают в органический растворитель.At the end of the separation during the force interaction of the electrodes, the product obtained at various electrodes is collected in an organic solvent.

Для определения основных физических параметров продукт можно отделить от растворителя и исследовать по следующим методикам:To determine the main physical parameters, the product can be separated from the solvent and examined by the following methods:

- с помощью электронного просвечивающего микроскопа, например JEM-100C, и стандартных образцов латексных шариков определяют размеры, форму и соотношение внешних диаметров тороподобных наночастиц и толщины их многослойного тела;- using an electron transmission microscope, for example JEM-100C, and standard samples of latex balls, determine the size, shape and ratio of the outer diameters of the torus-like nanoparticles and the thickness of their multilayer body;

- рентгенографически определяют межслоевое расстояние в многослойных углеродных наночастицах; расстояние 0,34-0,36 нм характерно для соединений углерода фуллероидного типа.- X-ray determine the interlayer distance in multilayer carbon nanoparticles; a distance of 0.34-0.36 nm is characteristic of carbon compounds of the fulleroid type.

Фуллерены и нанотрубки можно получить так, как это описано, например, в патенте [RU 2234457, 2001]. Они также имеются в продаже под товарными знаками, например, «Фуллерены» и «Таунит». Функционалзация фуллеренов, необходимая для достижения их водорастворимости, может быть произведена, например, обработкой исходных фуллеренов в гидроокиси калия либо кипячением в растворах серной кислоты.Fullerenes and nanotubes can be obtained as described, for example, in the patent [RU 2234457, 2001]. They are also commercially available under trademarks, for example, Fullerenes and Taunit. The functionalization of fullerenes, necessary to achieve their water solubility, can be accomplished, for example, by treating the starting fullerenes in potassium hydroxide or by boiling in sulfuric acid solutions.

В качестве минерального вяжущего используют портландцемент марки ПЦ500Д0, гипс строительный полуводный (CaSO4·0,5H2O), известь техническую и их смеси, в качестве минерального наполнителя - промытый речной песок с модулем крупности 0-1,0, а также воду техническую, ГОСТ 23732. Соотношение компонентов в композитном материале составляет: 16-76 мас.% - минеральное вяжущее, 16-76 мас.% - наполнитель, 3-0,00003 мас.% - фракция наночастиц, остальное - вода техническая.As a mineral binder use Portland cement grade ПЦ500Д0, gypsum building gypsum (CaSO 4 · 0.5H 2 O), technical lime and their mixtures, as a mineral filler - washed river sand with a particle size of 0-1.0, as well as technical water , GOST 23732. The ratio of components in the composite material is: 16-76 wt.% - mineral binder, 16-76 wt.% - filler, 3-0,00003 wt.% - fraction of nanoparticles, the rest is technical water.

Нанокомпозитный материал может быть получен следующим образом.Nanocomposite material can be obtained as follows.

Многослойные углеродные наночастицы тороподобной формы или их смеси с нанотрубками и фуллеренами смешивают с заранее приготовленной порцией воды, затем подвергают гомогенизации в ультразвуковом гомогенизаторе. В приготовленную раствор-суспензию добавляют сухой наполнитель в соотношении (1000-10000):1 к полной массе фракции наночастиц, тщательно перемешивают, затем выпаривают воду и полученный концентрат высушивают до постоянного веса. Приготовленный таким образом концентрат вводят в сухую смесь минерального вяжущего и наполнителя (наполнителя с технологическими добавками), дозируя концентрат таким образом, чтобы обеспечить присутствие МНТФ в количестве от 0,0003 до 3% от общей массы нанокомпозитного материала. Однородность смеси обеспечивают с помощью механического перемешивания в смесителе принудительного действия, используя, таким образом, метод последовательного разбавления ранее приготовленного концентрата. Затем при постоянном перемешивании добавляют расчетное количество воды. Полученный раствор строительной смеси заливают в форму и обеспечивают созревание нанокомпозитного материала в течение 28 суток в нормальных условиях.Toroidal multilayer carbon nanoparticles or mixtures thereof with nanotubes and fullerenes are mixed with a pre-prepared portion of water, then homogenized in an ultrasonic homogenizer. Dry filler is added to the prepared suspension solution in the ratio (1000-10000): 1 to the total mass of the nanoparticle fraction, mix thoroughly, then water is evaporated and the resulting concentrate is dried to constant weight. The concentrate thus prepared is introduced into a dry mixture of a mineral binder and filler (filler with technological additives), dosing the concentrate in such a way as to ensure the presence of MNTF in an amount of from 0.0003 to 3% of the total mass of the nanocomposite material. The homogeneity of the mixture is ensured by mechanical stirring in a forced action mixer, thus using the method of successive dilution of the previously prepared concentrate. Then, with constant stirring, the calculated amount of water is added. The resulting mortar of the building mixture is poured into the mold and the maturation of the nanocomposite material is provided for 28 days under normal conditions.

Пример 1. Получение углеродных наночастиц тороподобной формыExample 1. Obtaining carbon nanoparticles toroidal form

Электродуговой эрозией анодного графитового стержня сечением 100 мм2 при плотности тока 200 А/см2 и падении напряжения на дуге 24 В в гелиевой атмосфере при давлении 70 торр получают катодный осадок. Плотную корку катодного осадка отделяют от рыхлой середины, измельчают до порошка со средней дисперсностью 200-800 нм и помещают во вращающуюся кварцевую трубу, находящуюся в СВЧ-поле с частотой 2,5 ГГц и мощностью 1000 Вт. После 100 мин газофазного окисления в указанных условиях полученный порошок охлаждают и помещают в вакуумный объем на отрицательный электрод в межэлектродное пространство между катодом и анодом. Затем повышают разность потенциалов между катодом и анодом до появления тока автоэмиссии. При повышении автоэмиссионного тока часть многослойных углеродных наночастиц перемещается на положительный электрод. После окончания процесса их собирают с поверхности анода и переводят в дисперсию, например, в диметилформамиде.By electric arc erosion of an anode graphite rod with a cross section of 100 mm 2 at a current density of 200 A / cm 2 and a voltage drop across the 24 V arc in a helium atmosphere at a pressure of 70 torr, a cathode deposit is obtained. The dense crust of the cathode deposit is separated from the loose middle, ground to a powder with an average fineness of 200-800 nm and placed in a rotating quartz tube located in a microwave field with a frequency of 2.5 GHz and a power of 1000 watts. After 100 minutes of gas-phase oxidation under the indicated conditions, the resulting powder is cooled and placed in a vacuum volume on a negative electrode in the interelectrode space between the cathode and anode. Then, the potential difference between the cathode and the anode is increased until the field emission current appears. With increasing field emission current, part of the multilayer carbon nanoparticles moves to the positive electrode. After the end of the process, they are collected from the surface of the anode and transferred to a dispersion, for example, in dimethylformamide.

Пример 2. Получение углеродных наночастиц тороподобной формыExample 2. Obtaining carbon nanoparticles toroidal form

Продукт получают, как в примере 1, но газофазное окисление проводят в среде, содержащей повышенное количество кислорода, например от 20 до 60%.The product is obtained as in example 1, but the gas-phase oxidation is carried out in a medium containing an increased amount of oxygen, for example from 20 to 60%.

Пример 3. Получение углеродных наночастиц тороподобной формыExample 3. Obtaining carbon nanoparticles toroidal form

Продукт получают, как в примере 1, но после газофазного окисления многослойные углеродные наночастицы дополнительно окисляют электрохимически в водном электролите, содержащем растворы соединений хлора.The product is obtained as in example 1, but after gas-phase oxidation, multilayer carbon nanoparticles are additionally oxidized electrochemically in an aqueous electrolyte containing solutions of chlorine compounds.

Пример 4. Получение углеродных наночастиц тороподобной формыExample 4. Obtaining carbon nanoparticles toroidal form

Продукт получают, как в примере 1, но выделение тороподобных многослойных углеродных наночастиц производят в электрическом поле в диэлектрической среде с высоким значением диэлектрической проницаемости (например, в уайт-спирите).The product is obtained, as in example 1, but the selection of torus-like multilayer carbon nanoparticles is produced in an electric field in a dielectric medium with a high dielectric constant (for example, in white spirit).

Пример 5. Получение углеродных наночастиц тороподобной формыExample 5. Obtaining carbon nanoparticles toroidal form

Продукт получают, как в примере 1, но после газофазного окисления многослойные углеродные наночастицы дополнительно помещают в среду жидкого азота, барботируют и разделяют осадок с жидкой фазой в электрическом поле с последующим испарением жидкого газа и получением двух видов углеродного порошка, который далее обрабатывают, как это показано в примере 1.The product is obtained as in example 1, but after gas-phase oxidation, the multilayer carbon nanoparticles are additionally placed in a liquid nitrogen medium, bubbled and the precipitate is separated with a liquid phase in an electric field, followed by evaporation of the liquid gas and two types of carbon powder, which are further processed as shown in example 1.

Пример 6. Получение продукта сравненияExample 6. Obtaining a comparison product

В смеситель принудительного действия роторного типа объемом 300 л загружают в качестве минерального вяжущего 40 кГ портландцемента ПЦ500Д0, 40 кГ наполнителя в виде кварцевого песка и 8 кГ технологической добавки в виде модификатора МБ10-01. Сухую смесь минерального вяжущего и наполнителя с технологической добавкой перемешивают в течение 20 минут, после чего в смеситель добавляют 12 кГ воды, содержащей 0,003 кГ (0,003 мас.%) углеродных нанотрубок. Смесь перемешивают в течение 5 минут и разливают по формам, в которых нанокомпозиционный материал твердеет 28 суток в нормальных условиях.A 300 l rotary type forced-action mixer is loaded with 40 kg portland cement PTs500D0 as a mineral binder, 40 kg filler in the form of quartz sand, and 8 kg technological additive in the form of an MB10-01 modifier. A dry mixture of mineral binder and filler with a technological additive is mixed for 20 minutes, after which 12 kg of water containing 0.003 kg (0.003 wt.%) Carbon nanotubes are added to the mixer. The mixture is stirred for 5 minutes and poured into molds in which the nanocomposite material hardens for 28 days under normal conditions.

Пример 7. Получение нанокомпозитного материала по заявляемому техническому решениюExample 7. Obtaining nanocomposite material according to the claimed technical solution

Многослойные углеродные наночастицы тороподобной формы (МНТФ) в количестве 0,003 кГ смешивают с 10 кГ воды, затем подвергают гомогенизации в ультразвуковом гомогенизаторе. В приготовленную раствор-суспензию добавляют 10 кГ кварцевого песка, тщательно перемешивают, затем выпаривают воду и полученный концентрат высушивают до постоянного веса. Приготовленный таким образом концентрат вводят в сухую смесь из 30 кГ портландцемента ПЦ500Д0, 40 кГ кварцевого песка и 8 кГ модификатора бетона МБ10-01. Смесь тщательно перемешивают в течение 20 минут для достижения максимальной однородности. Затем при постоянном перемешивании добавляют 12 кГ воды и продолжают перемешивать в течение 5 минут. Полученный раствор строительной смеси заливают в формы и обеспечивают созревание нанокомпозитного материала в течение 28 суток при нормальных условиях.Torus-like multilayer carbon nanoparticles (MNTF) in an amount of 0.003 kg are mixed with 10 kg of water, then subjected to homogenization in an ultrasonic homogenizer. 10 kg quartz sand is added to the prepared suspension solution, mixed thoroughly, then water is evaporated and the resulting concentrate is dried to constant weight. The concentrate thus prepared is introduced into a dry mixture of 30 kg Portland cement PTs500D0, 40 kg quartz sand and 8 kg concrete modifier MB10-01. The mixture is thoroughly mixed for 20 minutes to achieve maximum uniformity. Then, with constant stirring, add 12 kg of water and continue to mix for 5 minutes. The resulting mortar of the building mixture is poured into molds and provide the maturation of the nanocomposite material for 28 days under normal conditions.

Пример 8. Получение нанокомпозитного материалаExample 8. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но количество МНТФ составляет 0.0003 кГ.Nanocomposite material is obtained, as in example 7, but the amount of MNTF is 0.0003 kg.

Пример 9. Получение нанокомпозитного материалаExample 9. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но количество МНТФ составляет 3 кГ, портландцемента ПЦ500Д0 - 16 кГ, кварцевого песка - 54 кГ.Nanocomposite material is obtained, as in example 7, but the amount of MNTF is 3 kg, Portland cement ПЦ500Д0 - 16 kg, quartz sand - 54 kg.

Пример 10. Получение нанокомпозитного материалаExample 10. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но дополнительно вводят 0,0003 кГ нанотрубок.Nanocomposite material is obtained, as in example 7, but additionally enter 0.0003 kg of nanotubes.

Пример 11. Получение нанокомпозитного материалаExample 11. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но дополнительно вводят 0,03 кГ нанотрубок. При этом количество портландцемента ПЦ500Д0 составляет 20 кГ, кварцевого песка - 50 кГ.A nanocomposite material is obtained as in Example 7, but 0.03 kg of nanotubes is additionally introduced. The amount of Portland cement ПЦ500Д0 is 20 kg, silica sand - 50 kg.

Пример 12. Получение нанокомпозитного материалаExample 12. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но дополнительно вводят 0,003 кГ фуллеренов. При этом количество портландцемента ПЦ500Д0 составляет 25 кГ, кварцевого песка - 48 кГ, модификатора МБ10-01 - 5 кГ.The nanocomposite material is obtained, as in example 7, but an additional 0.003 kg of fullerenes is added. The amount of Portland cement ПЦ500Д0 is 25 kg, quartz sand - 48 kg, modifier MB10-01 - 5 kg.

Пример 13. Получение нанокомпозитного материалаExample 13. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но дополнительно вводят 0,00003 кГ фуллеренов.A nanocomposite material is obtained as in Example 7, but an additional 0.00003 kg of fullerenes is added.

Пример 14. Получение нанокомпозитного материалаExample 14. Obtaining nanocomposite material

Нанокомпозитный материал получают, как в примере 7, но фракция наночастиц состоит из 0,005 кГ МНТФ, 0,001 кГ фуллеренов и 0,094 кГ нанотрубок. При этом количество портландцемента составляет 20 кГ, кварцевого песка - 53 кГ, модификатора МБ10-01 - 5 кГ.A nanocomposite material is obtained as in Example 7, but the nanoparticle fraction consists of 0.005 kg of MNTF, 0.001 kg of fullerenes and 0.094 kg of nanotubes. The amount of Portland cement is 20 kg, quartz sand is 53 kg, and the modifier MB10-01 is 5 kg.

Результаты испытаний образцов нанокомпозитных материалов на основе минеральных вяжущих, полученных в соответствии с примерами 1-14, приведены в таблице.The test results of samples of nanocomposite materials based on mineral binders obtained in accordance with examples 1-14 are shown in the table.

№ п/пNo. p / p ОбразецSample Характеристики образцаSpecimen characteristics Прочность на сжатие, МПаCompressive strength, MPa Водонепроницаемость, атмWater resistant, atm Содержание вяжущего, %The binder content,% 1one Изготовлен по пр.6 (продукт сравнения)Made according to pr.6 (product of comparison) 6767 1212 4040 22 Изготовлен по пр.7Made according to pr. 7 8080 18eighteen 4040 33 Изготовлен по пр.8Made according to project 8 7272 1616 4040 4four Изготовлен по пр.9Made according to project 9 6868 14fourteen 1616 55 Изготовлен по пр.10Made according to project 10 8484 20twenty 4040 66 Изготовлен по пр.11Made according to pr.11 7272 14fourteen 20twenty 77 Изготовлен по пр.12Made according to project 12 7676 1616 2525 88 Изготовлен по пр.13Made according to pr.13 8282 18eighteen 4040 99 Изготовлен по пр.14Made according to project 14 7878 1616 20twenty

Из результатов испытаний, приведенных в таблице, видно, что заявляемый нанокомпозитный материал обладает более высокой прочностью на сжатие, более высокими значениями водонепроницаемости и может содержать меньшее количество минерального вяжущего, чем нанокомпозитный материал, не содержащий МНТФ.From the test results shown in the table, it is seen that the inventive nanocomposite material has a higher compressive strength, higher water resistance and may contain less mineral binder than a nanocomposite material that does not contain MNTF.

Claims (15)

1. Нанокомпозитный материал на основе минеральных вяжущих, содержащий минеральное вяжущее, минеральный наполнитель и фракцию наночастиц, отличающийся тем, что фракция наночастиц включает многослойные углеродные частицы тороподобной формы размером от 15 до 150 нм, в которых соотношение внешнего диаметра к толщине тела тора находится в пределах (10-3):1.1. Nanocomposite material based on mineral binders, containing a mineral binder, mineral filler and a fraction of nanoparticles, characterized in that the fraction of nanoparticles includes multilayer carbon particles of a toroidal shape ranging in size from 15 to 150 nm, in which the ratio of the outer diameter to the thickness of the torus body is within (10-3): 1. 2. Нанокомпозитный материал по п.1, где указанные углеродные частицы тороподобной формы имеют фуллероидный тип.2. The nanocomposite material according to claim 1, where these carbon particles of a toroidal shape are fulleroid type. 3. Нанокомпозитный материал по п.1, где межслоевое расстояние в указанных частицах тороподобной формы равно 0,34-0,36 нм.3. The nanocomposite material according to claim 1, where the interlayer distance in these particles of a toroidal shape is 0.34-0.36 nm. 4. Нанокомпозитный материал по п.1, где указанные частицы тороподобной формы представляют собой те частицы из корки катодного осадка, полученного испарением графитового анода в дуговом процессе и подвергнутого газофазному окислению, которые подвержены действию электрического поля.4. The nanocomposite material according to claim 1, wherein said toroidal particles are those particles from a crust of a cathode deposit obtained by evaporation of a graphite anode in an arc process and subjected to gas phase oxidation that are exposed to an electric field. 5. Нанокомпозитный материал по п.4, где корку перед окислением размалывают.5. The nanocomposite material according to claim 4, wherein the crust is ground before oxidation. 6. Нанокомпозитный материал по п.4, где газофазное окисление проводят в СВЧ поле.6. The nanocomposite material according to claim 4, where gas-phase oxidation is carried out in a microwave field. 7. Нанокомпозитный материал по п.5, где после газофазного окисления перед испытанием на подверженность действию электрического поля дополнительно осуществляют жидкофазное окисление.7. The nanocomposite material according to claim 5, where after gas-phase oxidation, liquid-phase oxidation is additionally carried out before testing for exposure to an electric field. 8. Нанокомпозитный материал по п.1, где фракция наночастиц дополнительно включает углеродные нанотрубки.8. The nanocomposite material according to claim 1, where the fraction of the nanoparticles further includes carbon nanotubes. 9. Нанокомпозитный материал по п.8, где соотношение углеродных нанотрубок и указанных углеродных наночастиц составляет от 1:10 до 10:1.9. The nanocomposite material of claim 8, where the ratio of carbon nanotubes and these carbon nanoparticles is from 1:10 to 10: 1. 10. Нанокомпозитный материал по п.1, где фракция наночастиц дополнительно включает фуллерены.10. The nanocomposite material according to claim 1, where the fraction of the nanoparticles further comprises fullerenes. 11. Нанокомпозитный материал по п.10, где соотношение фуллеренов и указанных наночастиц составляет от 1:10 до 1:10000.11. The nanocomposite material of claim 10, where the ratio of fullerenes and said nanoparticles is from 1:10 to 1: 10000. 12. Нанокомпозитный материал по п.1, где указанные частицы тороподобной формы составляют по меньшей мере 5% от массы фракции из наночастиц за вычетом массы фуллеренов и нанотрубок, если они присутствуют.12. The nanocomposite material according to claim 1, wherein said toroidal particles are at least 5% of the mass of the nanoparticle fraction minus the mass of fullerenes and nanotubes, if present. 13. Нанокомпозитный материал по п.1, где указанная фракция наночастиц присутствует в количестве от 0,0003% до 3% от общей массы нанокомпозитного материала.13. The nanocomposite material according to claim 1, where the specified fraction of the nanoparticles is present in an amount of from 0.0003% to 3% of the total mass of the nanocomposite material. 14. Нанокомпозитный материал по любому из пп.1-10, где минеральный наполнитель представляет собой кварцевый, в том числе промытый речной песок.14. Nanocomposite material according to any one of claims 1 to 10, where the mineral filler is quartz, including washed river sand. 15. Нанокомпозитный материал по любому пп.1-11, где кроме минерального наполнителя в количестве от 0,1% до 20% от общей массы нанокомпозитного материала присутствуют технологические добавки-модификаторы бетона, пластификаторы, ускорители или замедлители твердения. 15. Nanocomposite material according to any one of claims 1 to 11, wherein, in addition to the mineral filler, from 0.1% to 20% of the total mass of the nanocomposite material, technological additives, concrete modifiers, plasticizers, accelerators, or hardening retardants are present.
RU2009138819/03A 2009-10-22 2009-10-22 Nanocomposite material based on mineral binding materials RU2436749C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009138819/03A RU2436749C2 (en) 2009-10-22 2009-10-22 Nanocomposite material based on mineral binding materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009138819/03A RU2436749C2 (en) 2009-10-22 2009-10-22 Nanocomposite material based on mineral binding materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009138819A RU2009138819A (en) 2011-04-27
RU2436749C2 true RU2436749C2 (en) 2011-12-20

Family

ID=44731282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009138819/03A RU2436749C2 (en) 2009-10-22 2009-10-22 Nanocomposite material based on mineral binding materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2436749C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2524361C2 (en) * 2012-07-11 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Crude mixture for producing foam concrete
RU2538410C1 (en) * 2013-12-10 2015-01-10 Андрей Николаевич Пономарев Nanocomposite material based on mineral binders
US9090752B2 (en) 2009-07-21 2015-07-28 Andrey Ponomarev Multi-layered carbon nanoparticles of the fulleroid type
RU2644805C1 (en) * 2016-10-31 2018-02-14 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Брянский государственный инженерно-технологический университет" Method of manufacturing nano-disperse concrete additives
RU2761220C1 (en) * 2020-12-15 2021-12-06 Общество с ограниченной ответственностью "БЮРО ДОРОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ" Modifiers for polymer-bitumen binder based on media ii vacuum distillation and selective cleaning residual extract

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2036298C1 (en) * 1992-12-08 1995-05-27 Западно-Сибирский научно-исследовательский институт нефтяной промышленности Bridging composition
RU2051135C1 (en) * 1989-12-08 1995-12-27 Ниппон Каяку Кабусики Кайся Hydraulic composition, high-strength composite material, and process for producing high-strength composite material
RU2068489C1 (en) * 1992-10-26 1996-10-27 Украинский научно-исследовательский институт природных газов Method of wells casing and cementing
RU2085394C1 (en) * 1994-02-16 1997-07-27 Евгений Афанасьевич Точилин Composite material

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2051135C1 (en) * 1989-12-08 1995-12-27 Ниппон Каяку Кабусики Кайся Hydraulic composition, high-strength composite material, and process for producing high-strength composite material
RU2068489C1 (en) * 1992-10-26 1996-10-27 Украинский научно-исследовательский институт природных газов Method of wells casing and cementing
RU2036298C1 (en) * 1992-12-08 1995-05-27 Западно-Сибирский научно-исследовательский институт нефтяной промышленности Bridging composition
RU2085394C1 (en) * 1994-02-16 1997-07-27 Евгений Афанасьевич Точилин Composite material

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9090752B2 (en) 2009-07-21 2015-07-28 Andrey Ponomarev Multi-layered carbon nanoparticles of the fulleroid type
RU2524361C2 (en) * 2012-07-11 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Crude mixture for producing foam concrete
RU2538410C1 (en) * 2013-12-10 2015-01-10 Андрей Николаевич Пономарев Nanocomposite material based on mineral binders
RU2644805C1 (en) * 2016-10-31 2018-02-14 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Брянский государственный инженерно-технологический университет" Method of manufacturing nano-disperse concrete additives
RU2761220C1 (en) * 2020-12-15 2021-12-06 Общество с ограниченной ответственностью "БЮРО ДОРОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ" Modifiers for polymer-bitumen binder based on media ii vacuum distillation and selective cleaning residual extract

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009138819A (en) 2011-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Exfoliation and dispersion of boron nitride nanosheets to enhance ordinary Portland cement paste
Dalal et al. Experimental investigation on strength and durability of graphene nanoengineered concrete
WO2011010947A1 (en) Nanocomposite material containing mineral binders
US11919809B2 (en) Graphene reinforced concrete
Chen et al. Distribution of carbon nanotubes in fresh ordinary Portland cement pastes: understanding from a two-phase perspective
Hu et al. Dispersion of triethanolamine-functionalized graphene oxide (TEA-GO) in pore solution and its influence on hydration, mechanical behavior of cement composite
RU2436749C2 (en) Nanocomposite material based on mineral binding materials
JP2017149595A (en) Hardening method of waste gypsum
Jyothimol et al. Effect of reduced graphene oxide on the mechanical properties of concrete
WO2013096990A1 (en) Graphene oxide reinforced cement and concrete
US8871019B2 (en) Composition for construction materials manufacturing and the method of its production
RU2345968C2 (en) Composition for making construction material
EA019884B1 (en) Composition for producing construction materials
Alla et al. RETRACTED: Investigation on fluidity, microstructure, mechanical and durability properties of snail shell based graphene oxide cement composite material
KR20210067832A (en) Carbon Nanotube Intermixed Cement and preparation method thereof
Sheikh et al. Graphene oxide’s regenerative acidity and its effects on the hydration of Type II Portland Cement
CN109437763B (en) Microcrack self-repairing cement-based composite material and preparation method thereof
Abinayaa et al. Improving the properties of concrete using carbon nanotubes
Petrunin et al. Cement composites reinforced with functionalized carbon nanotubes
EP2457870A1 (en) Nanocomposite material containing mineral binders
JPH05213654A (en) Hydraulic composition and process for producing concrete pile by using this composition
EP3484830B1 (en) Hardening acceleration/hardening retardation composition for building materials
Marushchak et al. Research of nanomodified Portland cement systems
RU2764610C1 (en) Raw mix for electrically conductive concrete
RU2637246C1 (en) Nanomodifier of construction materials

Legal Events

Date Code Title Description
FA94 Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees)

Effective date: 20110620

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20110719

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111023

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20121110

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141023