Статьи журнала - Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал
Все статьи: 903
Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок и модифицирование цементных систем
Статья научная
Наиболее существенным направлением исследований в области строительного материаловедения является разработка новых эффективных методов повышения прочностных свойств материалов. Одним из таких способов является модифицирование матрицы композита с использованием углеродных нанотрубок. Свойства наномодифицированных бетонов во многом зависят от выбранного способа введения углеродных наночастиц в объем материала. Предварительное диспергирование УНТ в воде затворения с пластифицирующей добавкой посредством ультразвукового воздействия на среду и находящихся в ней коллоидных и других частиц, в том числе наночастиц, является наиболее часто применяемым в исследованиях способом равномерного распределения нанотрубок в цементной системе. В некоторых исследованиях разделение агломерированных УНТ в суспензии осуществляли при помощи ультразвуковой обработки. Последующий анализ показал, что основными недостатками ультразвуковой дисперсии являются высокая энергоемкость и малая производительность, что существенно затрудняет их применение в рамках реального производства. На практике все шире применяются методы кавитационного диспергирования, которые получили развитие в конце 90-х годов XX века. В настоящей работе представлены результаты диспергирования многослойных нанотрубок на гидродинамическом кавитационном оборудовании. Установлено, что использование кавитационного гидродинамического оборудования позволяет получать стабильные и однородные углеродные дисперсии для введения и равномерного их распределения в объеме бетона так же, как и в случае использования ультразвуковой обработки. При этом преимуществами данной технологии являются существенное снижение энергозатрат и возможность обработки крупных объемов жидкости, необходимых для наномодификации бетона в условиях реального производства.
Бесплатно
Капиллярное структурообразование сырьевых композиций на основе минеральных вяжущих веществ
Статья научная
На основе представлений о капиллярном структурообразовании в цементных сырьевых композициях, включая микро- и наноуровень, базирующихся на закономерностях формирования полидисперсных структур в условиях баланса межчастичных сил в трехфазных дисперсных системах, рассматриваются предпосылки для разработки научной методики определения оптимальной влажности сырьевой смеси для получения наибольшей прочности бетона из жестких сырьевых смесей.
Бесплатно
Статья научная
Современное состояние сырьевой базы жидкого углеводородного сырья характеризуется повышением его стоимости и снижением объемов добычи. При этом запасы природного газа и твердых горючих ископаемых значительно превышают запасы нефти [1-3]. Кроме того, при переработке нефти на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) образуется значительное количество так называемых нефтезаводских газов. Суммарный выход нефтезаводских газов на НПЗ составляет в среднем 5-8% масс. от объема перерабатываемой нефти, а на НПЗ нефтехимического профиля эта цифра значительно выше [4, 15, 16]. Наиболее крупнотоннажным процессом переработки легкого углеводородного сырья (природного, попутного нефтяного и нефтезаводского газа) является каталитическая переработка на базе процессов алкилирования и олигомеризации. Несмотря на то, что в процессе олигомеризации легких олефинов предлагается большое разнообразие катализаторов, на практике находят применение лишь некоторые из них. Это связано с относительно высокой стоимостью большинства катализаторов, сложностью состава и технологии, как производства катализаторов, так и процессов переработки газов с применением данных катализаторов [5, 17]. Наибольшее распространение в процессах олигомеризации получили силикофосфатные и цеолитные катализаторы. Силикофосфатные катализаторы обладают рядом недостатков, такими, как: высокое давление, необходимое для проведения процесса (до 10 МПа); малый срок службы катализатора, не поддающегося окислительной реактивации. К недостаткам цеолитных катализаторов высокотемпературной олигомеризации следует отнести достаточно короткий межрегенерационный период, присутствие в продуктах значительных количеств ароматических углеводородов и тяжелого остатка [6-9]. В работе представлены результаты исследований разработанных авторами суперкислотных катализаторов на основе анион-модифицированного оксида металла, смешанных гетерополикислот (ГПК) и наноразмерного порошка никеля (NiНРП), нанесенного на нанокомпозитный кислотно-активированный монтмориллонит для процесса переработки легкого углеводородного сырья в компоненты моторных топлив. Установлено, что синтезированные образцы катализаторов обладают высокими показателями активности в процессах олигомеризации пропан-пропиленовой фракции и алкилирования изобутана бутан-бутиленовой фракцией.
Бесплатно
Статья научная
В этой статье мы рассматривали возможности применения квазигомогенного приближения для описания свойств дисперсных систем. Мы использовали статистический полимерный метод на основе рассмотрения усредненных структур всех возможных макромолекул одинакового веса. Выведены уравнения, позволяющие оценить многие аддитивные параметры макромолекул и содержащих их систем. Статистический полимерный метод позволяет моделировать разветвленные, сшитые макромолекулы и содержащие их системы, находящиеся в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии. Фрактальное рассмотрение статистического полимера позволяет моделировать различные виды случайного фрактала и других объектов, изучаемых методами фрактальной теории. Способ статистического полимера применим не только к полимерам, но также и к композитам, гелям, ассоциатам в полярных жидкостях и другим агрегативным системам. В данной работе было описано состояние коллоидных растворов оксида кремния с точки зрения статистической физики. Такой подход основан на идее, состоящей в том, что коллоидный раствор диоксида кремния - золь диоксида кремния - состоит из очень большого числа взаимодействующих друг с другом частиц, находя- щихся в непрерывном движении. Она посвящена изучению идеализированной системы сталкивающихся, но не взаимодействующих частиц золя. Был проведен анализ поведения золя кремнезема с точки зрения распределения Максвелла-Больцмана, и была рассчитана средняя длина свободного пробега коллоидных частиц. На основании этих данных было рассчитано количество частиц, способных преодолеть потенциальный барьер при столкновении. Для моделирования кинетики золь-гель перехода были рассмотрены различные подходы.
Бесплатно
Статья научная
В этой статье мы рассматривали возможности применения квазигомогенного приближения для описания свойств дисперсных систем. Мы использовали статистический полимерный метод на основе рассмотрения усредненных структур всех возможных макромолекул одинакового веса. Выведеныуравнения, позволяющие оценить многие аддитивные параметры макромолекул и содержащих их систем. Статистический полимерный метод позволяетмоделировать разветвленные, сшитые макромолекулы и содержащие их системы, находящиеся в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии. Фрактальное рассмотрение статистического полимера позволяет моделировать различные виды случайного фрактала и других объектов, изучаемыхметодами фрактальной теории. Способ статистического полимера применимне только к полимерам, но также и к композитам, гелям, ассоциатам в полярных жидкостях и другим агрегативным системам. В данной работе былоописано состояние коллоидных растворов оксида кремния с точки зрениястатистической физики. Такой подход основан на идее, состоящей в том, чтоколлоидный раствор диоксида кремния - золь диоксида кремния - состоитиз очень большого числа взаимодействующих друг с другом частиц, находящихся в непрерывном движении. Она посвящена изучению идеализированной системы сталкивающихся, но не взаимодействующих частиц золя. Былпроведен анализ поведения золя кремнезема с точки зрения распределенияМаксвелла-Больцмана, и была рассчитана средняя длина свободного пробегаколлоидных частиц. На основании этих данных было рассчитано количествочастиц, способных преодолеть потенциальный барьер при столкновении. Длямоделирования кинетики золь-гель перехода были рассмотрены различныеподходы.
Бесплатно
Статья научная
В этой статье мы рассматривали возможности применения квазигомогенного приближения для описания свойств дисперсных систем. Мы использовали статистический полимерный метод на основе рассмотрения усредненных структур всех возможных макромолекул одинакового веса. Выведены уравнения, позволяющие оценить многие аддитивные параметры макромолекул и содержащих их систем. Статистический полимерный метод позволяет моделировать разветвленные, сшитые макромолекулы и содержащие их системы, находящиеся в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии. Фрактальное рассмотрение статистического полимера позволяет моделировать различные виды случайного фрактала и других объектов, изучаемых методами фрактальной теории. Способ статистического полимера применим не только к полимерам, но также и к композитам, гелям, ассоциатам в полярных жидкостях и другим агрегативным системам. В данной работе было описано состояние коллоидных растворов оксида кремния с точки зрения статистической физики. Такой подход основан на идее, состоящей в том, что коллоидный раствор диоксида кремния - золь диоксида кремния - состоит из очень большого числа взаимодействующих друг с другом частиц, находящихся в непрерывном движении. Она посвящена изучению идеализированной системы сталкивающихся, но не взаимодействующих частиц золя. Был проведен анализ поведения золя кремнезема с точки зрения распределения Максвелла-Больцмана, и была рассчитана средняя длина свободного пробега коллоидных частиц. На основании этих данных было рассчитано количество частиц, способных преодолеть потенциальный барьер при столкновении. Для моделирования кинетики золь-гель перехода были рассмотрены различные подходы.
Бесплатно
Квантовый путь в новую эру измерения энтропии. Приложения квантовой механики. Часть I
Статья
Бесплатно
Квантовый путь в новую эру измерения энтропии. Приложения квантовой механики. Часть II
Статья научная
Рассматриваются трибофизические модели на основе реализации углеродно-азотного и протон-протонного циклов холодного ядерного синтеза, в результате которых в зоне трения (внутреннего и внешнего) водород превращается в гелий. Обсуждаются возможности получения конкурентоспособных технологий на основе научных открытий (Диплом № 258, Диплом № 277, Диплом № 289, Диплом № 302, Диплом № 392, Диплом № 404) и квантовой теории трения.
Бесплатно
Киберфизические системы как технологии субсидиарного управления
Статья научная
Актуальность темы статьи заключатся в том, что в России запущена масштабная системная программа развития экономики нового технологического поколения на базе промышленной концепции «Индустрия 4.0» путем ее цифровизации и реструктуризации с использованием инновационных инструментов и механизмов. Киберфизические системы (CPS) представляют высокоэффективные технологические процессы, объединяющие реальный и виртуальный миры с целью формирования единого сетевого пространства, где «умные объекты» коммуницируют между собой. CPS являются эволюционными последователями встроенных систем. Киберфизическим системам отводится ведущая роль в решении проблем, связанных с нехваткой природных ресурсов, устойчивой мобильностью и изменениями энергии [1]. Область использования киберфизических процессов очень многогранна: от промышленного производства, строительства, транспорта, энергосбережения до медицины. «Умные электросети» являются ярким примером применения киберфизических систем, в которых объединены несколько производственных станций, осуществляя балансировку нагрузки и ценообразования. В «Умных зД.А.ниях» встроенные Д.А.тчики предназначены для экономного управления освещением, вентиляцией, а также для обеспечения безопасности жильцов. В статье рассматриваются киберфизические системы и субсидиарное управление, рассмотрена связь киберфизического управления с субсидиарным управлением. В статье описаны производственно-технологические принципы концепции «Индустрия 4.0», проанализирован эволюционный процесс киберфизических систем, установлено их предназначение в производственной деятельности, определены основные функции киберфизических систем.
Бесплатно
Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов
Статья научная
Потребность современной строительной отрасли в широком спектре материалов, характеризующихся различными сочетаниями физико-механических и функциональных свойств, обусловлена возрастанием эксплуатационных нагрузок на строительные конструкции. Одними из перспективных материалов являются серные композиционные материалы, в качестве вяжущего для которых используется элементарная сера, а в качестве дисперсных фаз — минеральные порошки различного фракционного состава и/или короткие волокна. Серные композиционные материалы характеризуются комплексом положительных качеств: невысокая стоимость вяжущего, быстрое твердение, высокая стойкость к воздействию агрессивных сред. Посредством наномодификации, состоящей в формировании переходного слоя нанометровой толщины на частицах тонкодисперсного наполнителя, возможно повышение показателей физико-механических свойств и, в частности, предела прочности при сжатии. Вместе с тем, только значение предела прочности не является исчерпывающей характеристикой структуры; для исследования необходимо привлекать кинетические закономерности процесса разрушения. Для исследования указанных закономерностей нами использован метод акустической эмиссии, измерения проводились на авторском оборудовании. Показано, что наномодификация приводит к перераспределению энергии акустической эмиссии на стадии нагружения, непосредственно предшествующей разрушению. Характеризовать структуру предложено напряжением, которое соответствует половинному значению суммарной энергии эмиссии. Показано, что предложенный параметр находится в сильной корреляционной связи с пределом прочности при сжатии.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Развитие строительной индустрии на современном этапе предполагает модифицирование уже известных традиционных строительных материалов нано- и тонкодисперсными добавками, которые могли бы придать строительным материалам на основе цемента новые уникальные характеристики, позволили бы управлять процессами структурообразования и, следовательно, создавать материалы с заранее заданными необходимыми свойствами. Добавки могут вводиться в состав цементного композита в процессе совместного помола с минералами цементного клинкера, в качестве одного из компонентов в составе сухой строительной смеси или в виде суспензии вместо воды затворения. Таким образом, возникает необходимость получения устойчивых к агрегации и оседанию суспензий тонкодисперсных частиц добавок. Таким образом, целью данной работы было получение стабилизированных суспензий тонкодисперсных частиц титаната висмута для цементных систем и исследование свойств полученного модифицированного цементного камня. Материалы и методы. В рамках данной работы проводили исследования по установлению оптимальной концентрации поликарбоксилатного пластификатора в водопроводной воде, необходимого для стабилизации суспензий тонкодисперсного титаната висмута при помощи сталагмометрического и кондуктометрического методов, была изучена седиментационная устойчивость полученных суспензий и влияние на нее ультразвукового воздействия, определены физико-механические характеристики цементного камня, модифицированного полученными суспензиями. Результаты. Для того чтобы установить оптимальную концентрацию пластификатора, необходимую для получения стабилизированных суспензий частиц титаната висмута, была определена критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) для пластификатора в суспензиях, в которых дисперсионной средой является водопроводная вода. Значение ККМ составило 1,3 г/л. После достижения данной концентрации в истинном растворе пластификатора начинается процесс образования мицелл. В мицеллярной форме пластификатор уже не обладает стабилизирующим эффектом на частицы добавки, следовательно, концентрация пластификатора должна быть ниже ККМ. Также было выявлено, что ультразвуковое воздействие повышает седиментационную устойчивость суспензий. Полученные стабилизированные суспензии использовались вместо воды затворения для получения модифицированных образцов цементного камня. Было выявлено повышение прочности при сжатии образцов цементного камня, полученных после введении тонкодисперсного титаната висмута в состав цементного композита в виде стабилизированных ультразвуковой обработкой водных суспензий с концентрацией тонкодисперсной добавки 10, 30 и 50 г/л в первые сутки с 24 до 33 МПа по сравнению с бездобавочным образом (на 13, 25 и 38% соответственно), а в марочном возрасте с 80 до 93 МПа (на 4, 9 и 16%). Аналогично, при модифицировании образцов цементного камня стабилизированными ультразвуком воднополимерными суспензиями титаната висмута прочность при сжатии возросла максимально в первые сутки и третьи сутки твердения с 29 до 42 МПа (на 31, 38 и 45%) и с 53 до 70 МПа (на 28, 30 и 32%), соответственно, по сравнению с образцом цемента с пластификатором. Заключение. В результате проведенных в данной работе исследований была установлена ККМ поликарбоксилатного пластификатора, оптимальная для стабилизации тонкодисперсной добавки титаната висмута для цементных систем, подтверждена эффективность ультразвуковой обработки для достижения седиментационной устойчивости полученных суспензий добавки, установлено повышение прочностных характеристик модифицированных образцов цементного камня как в начальные сроки твердения, так и в марочном возрасте, что позволит рассматривать цементный композит с тонкодисперным титанатом висмута в качестве основы для получения строительных материалов нового поколения.
Бесплатно
Комбинационная спектроскопия формирования кремнегеля
Статья научная
Наномодифицированные материалы находят многочисленные применения в строительной отрасли. Как реализация нанотехнологии строительного материаловедения наномодификация может быть осуществлена различными способами. Наиболее известный из них — введение в строительную композицию предварительно синтезированной первичной нанотехнологической продукции. Известны недостатки этого способа (сложности гомогенизации композиции, неполнота сведений о токсикологическом воздействии нанообъектов и др.). Второй способ — наноструктурирование материала в процессе структурообразования. Реализация второго способа возможна при использовании прекурсоров, способных претерпевать физико-химические преобразования, сопровождающиеся формированием наноразмерных объектов в структуре строительного композита. Одной из наиболее эффективных технологий является золь-гель технология, применяемая как для синтеза прекурсоров, так и для производства нанокомпозитов (аэрогелей и т.п.). Функциональные покрытия для строительной отрасли — одно из наиболее перспективных приложений нанотехнологии строительного материаловедения. Покрытие, как правило, является наноструктурированным композитом с органической или неорганической матрицей. Одной из наиболее перспективных матриц, которая допускает наполнение различными функциональными дисперсными фазами, является ксерогель кремнезема. Получение этой матрицы может включать гидролиз алкоксисиланов и последующую тепловую обработку на подложке. При этом в зависимости от вида подложки и требуемых эксплуатационных свойств, для продуктов тепловой обработки будет предпочтительным или аморфное, или кристаллическое состояние. В работе для исследования влияния температуры тепловой обработки на наличие остатка растворителя, плотность слоя и переход между аморфным и кристаллическим состояниями был использован метод спектроскопии комбинационного рассеяния. Показано, что для стеклянной подложки переход продуктов гидратации алкоксисилана из аморфного состояния в кристаллическое при температуре 500 оС не реализуется. Сделаны рекомендации по выбору режима изготовления матрицы — ксерогеля кремнезема.
Бесплатно
Компатибилизация смесей полимеров при переработке отходов изделий из термопластов
Статья научная
Введение. Переработка отходов термопластов в строительные материалы с длительным жизненным циклом – перспективное и технологически реализуемое направление утилизации. Целесообразно развивать переработку смешанных полимерных отходов. Термопласты термодинамически несовместимы, но технологической совместимостью можно управлять на стадии расплава: введением компатибилизаторов; нанонаполнителей; образованием в расплаве свободных радикалов; реакционной компатибилизацией. Материалы и методы. Работа нацеливалась на исследование влияния компатибилизатора – сополимера этилена и винилацетата с привитыми акрилатными и эпоксидными группами на свойства композитов, полученных из смесей отходов полиэтилентерефталата и полипропилена. Смесь полимеров расплавляли, наполняли известняковой мукой (50–85% по массе), прессовали образцы, исследовали их физико-механические свойства. Результаты, обсуждение, выводы. Дифференциальным термическим анализом установлена температура приготовления расплава – 240оС до начала термоокислительной деструкции компатибилизатора. Установлено оптимальное соотношение между полиэтилентерефталатом, полипропиленом и компатибилизатором 70:25:5% по массе, обеспечивающее наибольший прирост прочности при изгибе без снижения прочности при сжатии наполненных композитов; оптимальная степень наполнения – 60–70%. Объемные доли полимеров в смеси соизмеримы, поэтому можно ожидать как формирования матричной структуры композита, так и структур типа взаимопроникающих сеток. В обоих случаях компатибилизатор распределяется по межфазным границам. Его воздействие на свойства может быть объяснено собственным пластическим деформированием в межфазном слое и морфологическими изменениями структуры смеси полимеров. Есть данные о повышении структурно-чувствительных свойств – прочности при растяжении и разрыве для смесей полимеров, содержащих данный компатибилизатор. Это указывает на увеличение адгезии между полимерными фазами, которое сложно объяснить только физическими причинами. Проанализированы возможные реакции между функциональными группами компатибилизатора и полиэтилентерефталатом в расплаве с раскрытием эпоксидных циклов. Отмечается усиление эффекта совместимости, однако фактическую эффективность компатибилизатора оценить сложно. Необходимы дополнительные механические испытания, оптимизация температуры расплава и поиск баланса между активизацией реакционной компатибилизации и минимизацией деструктивных процессов в полимерах.
Бесплатно
Статья научная
Предложена принципиальная схема комплексного подхода для оценки токсикологических свойств горных пород, учитывающая их физико-химические свойства. Методология апробирована на опытных образцах базальта, отобранных с месторождения «Мяндуха» (Архангельская область). Представлены данные по химическому составу, на основании которого рассчитана величина удельной массовой энергии атомизации сырьевого материала горной породы. Проведен расчет энергетических параметров микро- и наносистем исследуемого образца: свободной поверхностной энергии и поверхностной активности. Для токсикологической оценки анализируемого материала использованы метод секвенирования нового поколения (СИП), метагеномный анализ и МТТ-метод определения жизнеспособности клеточных культур. Данные методы позволили определить видовое разнообразие микроорганизмов в исходных образцах базальта, а также цитотоксичность тонкодисперсных частиц базальта. Установлено, что базальт, обладая высокой поверхностной активностью, способен сорбировать на поверхности частиц значительное количество микроорганизмов различных видовых групп, что представляет со бой потенциальную опасность микробиологического заражения - данный факт необходимо учитывать при переработке сырья в технологических процессах. Вместе с тем, отмечена нетоксичная природа самих наночастиц базальта. Предложенная принципиальная схема комплексного подхода может быть рекомендована для оценки токсикологических свойств горных пород.
Бесплатно
Комплексный подход к оценке наноразмерных фракций полидисперсных систем измельченных горных пород
Статья научная
Проведен сравнительный анализ результатов определения размеров механически диспергированных горных пород (полиминеральный песок, базальт), выполненных методами: динамического рассеяния света, сорбции газа (азота) и электронной микроскопии. Опытные пробы получены механическим диспергированием сырьевых материалов на планетарной и коллоидной мельницах. Полученные экспериментальные результаты показали высокую сходимость. Метод динамического рассеяния света позволяет проводить анализ размерных характеристик полидисперсных систем с высоким содержанием нано- и микроразмерных частиц, обладающих достаточной с диментационной устойчивостью в используемой дисперсионной среде. Размерные характеристики частиц, рассчитанные по величине удельной поверхности анализируемых систем, учитывают содержание микроразмерной фракции. Для характеристики морфологии частиц предложено использовать величину их эффективного диаметра, расчет которого осуществляется с учетом массы частицы.
Бесплатно
