Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С использованием метода высокотемпературного пиролиза этилена на Fe2Co/Al2O3 (CaO) катализаторах были получены образцы многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) со средним диаметром 7.2, 9.6 и 18.8 нм. Образцы обозначены как М1, М2 и М3 соответственно. Образцы каталитического волокнистого углерода получали путем высокотемпературного пиролиза метана на Ni/Al2O3 (КВУ-1, коаксиально-коническая структура) и Ni5Cu/Al2O3 (КВУ-2, стопочная структура). Контроль за средним диаметром получаемых НУМ осуществляли с использованием метода ПЭМ. Аспектное отношение МУНТ варьировали путем их механической обработки в планетарной мельнице, функционального состава поверхности МУНТ – путем газофазной обработки озоном и жидкофазной обработки концентрированной азотной кислотой. Методами термопрограммируемой десорбции и рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии было показано, что с использованием газофазной обработки озоном на поверхности МУНТ возможно создавать кислородсодержащие функциональные групп, а количество кислородсодержащих групп можно регулировать длительностью такой обработки. С использованием метода спектроскопии комбинационного рассеяния установлено, что использование механической обработки для регулирования аспектного отношения МУНТ не приводит к изменениям в дефектности нанотрубок. Вместе с тем, использование химической обработки ведет к небольшому увеличению дефектности, что выражается в уменьшении I(G)/I(D). С использованием измерения оптической плотности суспензий установлено, что основное увеличение оптической плотности происходит в течение первых 30 минут УЗ обработки, а при более длительной обработке оптическая плотность суспензий меняется незначительно. Было установлено, что все используемые в работе МУНТ, несмотря значительно меньшее содержание карбоксильных групп, образуют более концентрированные и стабильные суспензии, чем КВУ. Установлено, что уменьшение оптической плотности для суспензий КВУ происходит уже через 0.2 ч. Суспензии МУНТ сохраняют свою стабильность около 1 ч, после чего происходит уменьшение оптической плотности за счет образования агломератов. Проведенное исследование стабильности водных суспензий НУМ показало, что их стабильность не превышает 1 часа при содержании НУМ в суспензии 0.05 мг/мл, а не большой локальный нагрев приводит к образованию вторичных агломератов даже при концентрации 0.01 мг/мл. В дополнение к этому, КВУ продемонстрировали плохую диспергируемость и еще более низкую, чем у МУНТ, стабильность водных суспензий. Для определения влияния добавок ПАВ на стабильность водных суспензий НУМ, к качестве ионогенного ПАВ был использован додецицилсульфат натрия (SDS), в качестве неионогенного – Pluronic L-81, представляющий собой блок-сополимер полиэтиленгилколь-полипропиленгликоль-полиэтиленгликоль со средней молекулярной массой 2800. Дополнительно в работе в качестве ПАВ был использован суперпластификатор, используемый в получении бетона (Sika) представляющий собой водный раствор поликарбоксилатных эфиров, который был выбран благодаря высоким водоредуцирующим свойствам, что позволяет получать бетоны высокой прочности. Установлено, что использование Sika и SDS в качестве ПАВ позволяет получать стабильные суспензии НУМ со схожим диаметром частиц (~ 50нм), который незначительно изменяется со временем. Использование Pluronic не позволяет получить стабильные в долгосрочной перспективе водные суспензии с равномерно распределенными МУНТ. Было установлено, что введение МУНТ в воду затворения цемента позволяет значительно увеличить прочность получаемого цементного камня, как на изгиб, так и на сжатие. Так, прочность исходного цементного камня, изготовленного из цемента марки М400, согласно ТУ должен составлять 5.5 МПа и 32.5 МПа на изгиб и на сжатие соответственно. Добавление 0.5 масс.% суперпластификатора Sika к цементу позволяет увеличить прочность цементного камня до 16.5 МПа (в 3 раза) и до 85.2 МПа (в 2.6 раза) на изгиб и на сжатие соответственно. Введение 0.1 масс.% МУНТ (M2-R2-OxNA) позволяет еще более увеличит прочность цементного камня: до 25.1 МПа (в 4.6 раза!) и до 126.5 МПа (в 3.9 раза!) соответственно по сравнению с исходным цементным камнем. Данные результаты получены для водоцементного отношения 0.33. В случае ВЦ = 0.22 были получены еще более высокие результаты по прочности цементного камня 28 МПа и 144.4 МПа (рост в 5.1 и 4.4 раза). Также полученные данные показывают увеличение прочности цементного камня на 48-52 % при его модификации 0.1 масс.% МУНТ по сравнению с цементным камнем, модифицированным только суперпластификатором Sika. Варьирование содержания НУМ в цементном камне от 0.001 до 0.5 масс.% показало, что оптимальным содержанием НУМ является 0.03 – 0.1 масс.%. Введение более 0.1 масс% (0.3 и 0.5 масс.%) приводит к уменьшению предела прочности на изгиб (от 23 до 380%) и прочности на сжатие (от 15 до 58%) в зависимости от концентрации НУМ (Таб. 3-4). Отдельно стоит отметить, что эффект увеличения прочности цементного камня наблюдается уже при введении 0.001 масс.% МУНТ, особенно при ВЦ = 0.22. В ходе выполнения работы был разработан способ получения цементного камня путем добавления концентрата МУНТ-ПАВ-вода. Разработанный способ значительно упрощает проведение модификации нежели получение суспензии МУНТ непосредственно в процессе затворения цементного камня. Проведенные исследования показали, что прочность цементного камня, модифицированного с использованием концентрата МУНТ превосходит прочность камня, модифицированного с использованием суспензии, что достигается за счет более правильного введения суперпластификатора. Уменьшение ВЦ, с одной стороны приводит к увеличению прочности цементного камня за счет уменьшения трещин, за счет меньшего количества пустот и трещин, возникающих при формировании цементного камня, так и более равномерному распределению МУНТ за счет больших сдвиговых деформаций в смеси с меньшим ВЦ при перемешивании.