Исследование свойств наноматериалов

Н а современном этапе проводимые в стране исследования по изучению нанотехнологий востребованы и активно поддерживаются правительством РФ, находятся в списке приоритетных задач по развитию техники и науки. В Татарстане уделяется значительное внимание созданию новых видов продукции, модифицированных нанотрубками. Научный интерес на практическом уровне представляет собой улучшение эксплуатационных свойств дорожных покрытий на основе модификации битумов с добавлением углеродных нанотрубок для производства требуемых экспортоориентированной и импортозамещающей продукции [1–3].

Постоянно увеличивающийся парк транспортных средств требует автомобильные дороги хорошего качества. Однако в настоящее время часто сталкиваемся с проблемой некачественного ремонта дорожного полотна, который ведется повсеместно из-за низкого качества сырья для изготовления дорожных покрытий. Верхний изнашивающийся слой периодически возобновляется по мере его истирания и определяет эксплуатационные свойства дорожного покрытия [4–5].

Дорожное полотно автомобильных дорог включает в себя следующие компоненты:

– нефтяные дорожные битумы, являющиеся вяжущим материалом и основой для разработки наномодифицированных битумов;

– щебень шлаковый;

– песок требуемого модуля крупности;

– тонкодисперсный минеральный порошок, придающий дорожному полотну прочностные свойства. Для строительства автомобильных дорог высокого качества важное значение имеет качество сырья, а именно качество битума [6]. Битумы – это смолоподобные или твердые вещества, представляющие

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ собой смесь углеводородных фракций и их металлосодержащих, азотистых, кислородистых и сернистых производных.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Развитие строительных комплексов определяет высокий уровень спроса на битумы, вынуждая производителей при этом к производству битумов из нефтей различного качества, иногда не пригодных для этого. Такие дорожные битумы характеризуются низкими адгезионными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Приоритетными являются вопросы качества дорожного полотна, обеспечиваемые повышением прочностной характеристики адгезионной связи между минеральным наполнителем и нефтяным битумом, так как этот показатель играет решающую роль в сохранении целостности дорожного покрытия [7–10].

Определяющей характеристикой нефтяного битума можно выделить адгезию, характеризующую способность дорожного битума сцепляться с остальными компонентными частицами асфальтобетонной смеси. В случае низкого качества адгезионной способности песок и щебень отцепляются от нефтяного битума, и дорожное полотно начинает крошиться.

Важными также являются и теплотехнические характеристики дорожных битумов. Теплотехнические характеристики материалов включают в себя следующие свойства: температура размягчения, температура вспышки, огнестойкость, теплоемкость, температура хрупкости, теплопроводность и т.д.

Маркировочным признаком дорожных вязких битумов, косвенным образом определяющим вязкость, является значение пенетрации, определяемое глубиной проникания иглы в битумную смесь при температурах 25 и 0оС. Глубина проникновения иглы зависит от содержания асфальтенов в нефтяном битуме и характеризует эксплуатационные свойства битума, а именно прочность, теплостойкость и твердость.

Температура размягчения нефтяного битума характеризует процесс изменения вязкостной составляющей битума с изменением температуры. Этот показатель определяется методом «Кольца и шара», то есть определяется температура, при которой нефтяной битум, расположенный в кольце с заданными размерами, при испытании размягчается и, под действием металлического шарика перемещаясь, касается нижней части пластинки, в это время фиксируется значение температуры размягчения. Битум в расплавленном состоянии заливается в медное кольцо, которое укладывается на стеклянную пластину, пропитанную тальком. На медное кольцо с битумной смесью накладывается шарик и совместно с термометрическим прибором помещается в емкость с водой. Для шарика и кольца в каждом случае определяют температурное значение, при котором битум, выдавливаемый стальным шариком, касается нижней пластинки. Когда шарик продавливает битум, испытание повторяют. В случае повторного испытания продавливание повторяется. Экспериментальные замеры проводятся в соответствии с ГОСТ 11506-73.

Температура хрупкости характеризуется температурой разрушения нефтяного битума под действием приложенной кратковременно силы.

Температура вспышки характеризуется наименьшей температурой, когда пары нефтяного битума могут вспыхнуть при поднесении к нему источника огня над его поверхностью. Этот показатель характеризует уровень огнеопасности битума в случае его разогрева.

Все эти характеристики должны соответствовать требованиям государственных отраслевых стандартов [11]. При отклонении этих показателей от нормативных требований автомобильные дороги быстро приходят в негодное состояние, что требует большие финансовые затраты на восстановление и ремонт дорожных покрытий.

Для решения обозначенной проблемы активно проводят фундаментальные исследования с применением наномодифицированных материалов. Такие материалы получаются методом добавления в традиционные материалы частиц с очень малыми размерами около нескольких нано- и микрометров с целью улучшения требуемых характеристик и свойств материалов [12–13]. Существует много различных видов нанодобавок. Предлагается применять битумные композиционные наномо-дифицированные материалы, а именно углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки можно представить как протяженную цилиндрическую структуру, имеющую диаметр в несколько десятков нанометров и длину в несколько сантиметров. Существуют технологии, которые позволяют сплетать нанотрубки в виде нитей неограниченной длины. Они могут выглядеть как одна или несколько трубчатых свернутых графеновых плоскостей, имеющих полусферическую головку в конце, и рассматривающуюся как часть молекулы фуллерена [14–15]. В настоящий период механизм образования фуллеренов не установлен. Есть предположение, что фуллерены появляются из атомов углерода, которые соединяются между собой в слой, состоящий из бензольных шестичленных сочлененных колец, затем в определенный момент сворачивают слой в какой-либо многогранник. Изображение нанотрубок показано на рис. 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Рис. 1. Изображение нанотрубок

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для изготовления асфальтобетонной смеси применяют битум разновидности БНД 90/130 (глубина проникания иглы толщины 0,1 мм при температуре 25оС находится в диапазоне от 91 до 130 мм). В качестве углеродной нанодобавки был выбран компонент «Таунит». Этот компонент представляет собой многослойные пакетированные нанотрубки, в основном, конической формы графеновых слоев. Общий объем примесей в продукте «Таунит» находится в пределах 1%, а его термостабильность – до 6000С. В табл. 1 представлены параметры углеродного наноматериала «Таунит».

Для изучения физической структуры и свойств наноматериалов использовали оборудование ООО «Центр нанотехнологий РТ» (г. Казань). Микрометрических размеров гранулы углеродного наноматериала представляют собой структуру в виде спутанных пучков углеродных многостенных нанотрубок. Исследовались микроструктуры материала «Таунит». С этой целью применили электронный автоэмисси-онный сканирующий высокоразрешающий микроскоп Merlin производства компании CARL ZEISS. Этот микроскоп применяется для измерений микро- рельефных линейных размеров у различных структур. Изображение под микроскопом наноматериала «Таунит» показано на рис. 2.

Исследования проводились в определенной последовательности. На первоначальном этапе осуществили нагрев нефтяного битума до 100оС. Далее в разогретую смесь добавили углеродный наноматериал «Таунит». Объем углеродного наноматериала, который вводится в смесь, находится в пределах 0,01–0,005 % от массового количества битума. После этого в ультразвуковом гомогенизаторе перемешивали данную смесь до равномерного распределения углеродного наноматериала в общем объеме. Процесс ультразвуковой гомогенизации особенно эффективен для размельчения твердых и мягких частиц. Этот процесс основан на применении действия кавитации, когда исследуемые жидкости подвергаются достаточно интенсивному действию звуковых волн, процесс характеризуется возникновением чередующихся между собой циклов низкого и высокого давлений (около 20 000 циклов в секунду). При низком давлении образуются вакуумные пузырьки малых размеров. При достижении пузырьками определенного размера в период действия высокого давления они мгновенно разрушаются. Высокая

Таблица 1

Параметры углеродного наноматериала «Таунит»

Углеродный наноматериал	Характеристики
	Диаметр внутренний, нм	Диаметр наружный, нм	Длина, мкм	Поверхность удельная геометрическая, м2/г	Плотность насыпная г/см3
Таунит	5–10	20–70	2 и более	120 и более	0,4–0,6
Таунит – МД	4–8	8–15	2 и более	300 и более	0,03–0,05
Таунит – М	10–20	30–80	20 и более	180–200	0,03–0,05

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Рис. 2. Наноматериал «Таунит» под микроскопом

скорость и высокое давление жидкостной струи генерируются локально во время внутреннего взрыва, а турбулентность и полученные потоки разрывают англомератные частицы и способствуют сильным столкновениям между отдельными частицами. Процесс охлаждения полученной структуры осуществлялся до окончания процесса кристаллизации. Затем произвели проверку контрольных образцов на растяжение и прочность с постоянной скоростью деформирования или нагружения до момента разрыва на испытательных машинах. Смешение с другими компонентами асфальтобетона при стандартном режиме происходит после наномодифицирования битумной смеси.

В результате проведения экспериментов выявили, что добавление наномодификатора в битумный раствор значительно увеличивает упругость и прочность получаемого асфальтового полотна. Установили следующее: даже незначительные по массе добавки (до 0,005%) углеродных наноматериалов повышают прочностные характеристики битумной смеси при сжатии. Эти характеристики определили по глубине вдавливания штампового элемента в исследуемые образцы.

Также изучили физико-механические свойства образцов битума с модифицированными углеродными наноматериалами, а именно температуру размягчения методом «Кольца и шара» и глубину проникания иглы методом пенетрации. Данные свойства дают возможность использования нано-модифицированного битума в составе асфальтобетонной смеси в регионах с жаркими климатическими условиями. В результате проведения исследований было установлено, что модифицированная углеродная битумная смесь имела улучшенные теплотехнические свойства, так как обладала достаточно высокой температурой размягчения. Показатель, косвенно характеризующий уровень твердости битумных смесей, а именно показатель пенетрации, находился в допустимых пределах в соответствии с нормами ГОСТа [1].

Исследования показывают, что даже малое количество углеродного наноматериала позволяет повысить прочностные характеристики битумной смеси, такие как пластичность, адгезионные свойства и долговечность. Существует необходимость в проведении исследований влияния наноструктурных и полимерных модификаторов в комплексе на прочностные характеристики нефтяных битумов [2].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При повышенных температурах битумная смесь сохраняет свойства эффективного вяжущего материала, и, как следствие, сохраняются качественные эксплуатационные параметры. Выявили, что модифицированный углеродный битум имеет хорошие теплотехнические свойства, а именно обладает более высокой температурой размягчения (∆t находится в интервале от 6 до 10оС). Показатель, который косвенно характеризует степень твердости битумных растворов (показатель пенетрации), находится в пределах норм ГОСТа, а иногда на 15–20% уменьшается.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ