Нанодобавки для композиционных материалов

^^^^^^^м 81

к содержанию результате патентного поиска и анализа запатентованных изобретений российских учёных в области строительства автором выявлены несколько эффективных направлений:

• •    в области расширения ассортимента нанодобавок для высокопрочных бетонов;

• •    для монолитного строительства зданий и сооружений, эксплуатируемых в экстремальных климатических условиях с повышенной сейсмичностью, продолжительными низкотемпературными зимами;

• •    для устройства скважин для добычи нефти и газа.

Данное направление работ получает своё развитие за счёт создания новых волокон модифицированной фибры (см. патент на полезную модель № 88372) и новых комплексных нанодобавок (см. патент № 2400516).

Композитная арматура «АСТРОФЛЕКС» (варианты)

Патент на полезную модель № 88372

Композитная арматура «Астрофлекс» (варианты) применяется в строительных конструкциях для армирования термоизоляционных стеновых панелей, монолитных бетонных и сборных зданий и сооружений.

Пример 1

Композитная арматура, содержащая внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего слоя, отличается тем, что внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована углеродными наноструктурами, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного бетона, содержащего в своем составе компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Цемент	20–50
Наполнитель	70–30
Пластификатор	0,02–2,5
Вода	Остальное

Пример 2

Композитная арматура по примеру 1 отличается тем, что поверхность внешнего слоя снабжена огнезащитным покрытием.

Пример 3

Композитная арматура по примеру 1 отличается тем, что поперечное сечение внешнего и внутреннего слоев имеют произвольную форму.

Пример 4

Композитная арматура, содержащая внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего слоя, отличается тем, что внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа (астраленами) в соотношении 0,01–10 % от массы полимерной матрицы, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты в следующем соотношении, мас. %:

Цемент	24–48
Наполнитель	60–30
Модифицированное базальтовое волокно	2–6
Пластификатор	0,05–3,0
вода	Остальное

Пример 5

Композитная арматура по примеру 4 отличается тем, что поверхность внешнего слоя снабжена огнезащитным покрытием.

Пример 6

Композитная арматура по примеру 4 отличается тем, что поперечное сечение внешнего и внутреннего слоев имеют произвольную форму.

Пример 7

Композитная арматура, содержащая внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего слоя отличается тем, что внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Цемент	20–50
Наполнитель	50–20
Пластификатор	0,02–2,5
Эпоксидная смола водосовместимая	0,2–25
Вода	Остальное

Пример 8

Композитная арматура по примеру 7 отличается тем, что поверхность внешнего слоя снабжена огнезащитным покрытием.

Пример 9

Композитная арматура по примеру 7 отличается тем, что поперечное сечение внешнего и внутреннего слоев имеют произвольную форму.

В отличие от бетонов, армированных стальной арматурой, бетоны, армированные полимерной композитной арматурой, не подверга- ются коррозии. Применение каркасной структуры повышает физикомеханические показатели, а также приводят к снижению напряжений в конструкциях.

Применение композитной арматуры «Астрофлекс» позволяет существенно снизить массу конструкций, повысить коррозионную стойкость, устойчивость к агрессивным средам, расширить архитектурные возможности, сократить трудовые затраты, превосходя по многим свойствам традиционные материалы.

Нанодобавка для операций по цементированию скважиныдля добычи углеводородного сырья

Патент № 2400516

Существующие цементирующие системы, предназначенные для устройства скважин при добыче углеводородного сырья, используют для финишной заделки скважины и стабилизации канала между поверхностью и, особенно, подходящей зоной скважины. При использовании таких цементирующих систем возникают следующие технические трудности:

• •    цементирующие системы обладают недостаточными механическими характеристиками;

• •    окружающие пласты земли обладают плохими механическими характеристиками;

• •   наблюдаются затруднения с миграцией газа и флюидов;

• •    на систему воздействует высокосернистый нефтяной газ.

Необходимы улучшенные цементирующие системы, применимые при указанных выше условиях.

Настоящее изобретение относится к добавке к цементу, которая включает частицы SiO2–CaO–Al2O3 и, по меньшей мере, одну добавку, выбранную из группы, включающей наночастицы SiO2, 2CaO•SiO2, 3CaO•SiO2, Al2O3, Р–Са и их комбинации.

Настоящее изобретение также относится к цементному продукту, который содержит частицы цемента и частицы SiO2–CaO–Al2O3 и, по меньшей мере, одну добавку, выбранную из группы, включающей наночастицы SiO2, 2CaO•SiO2, 3CaO•SiO2, Al2O3, Р–Са и их комбинации.

В.П. КУЗЬМИНА Нанодобавки для композиционных материалов

Настоящее изобретение также относится к способу получения добавки к цементу, который включает следующие стадии:

• •    раздельный синтез каждой из частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц или предшественников частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц;

• •    термическая обработка предшественников с получением частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц;

• •    перемешивание частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц при регулируемых температуре и pH с получением непрерывной поверхностноактивной системы, содержащей частицы SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастицы;

• •    объединение частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц в общем растворителе с получением в основном однородной смеси частиц SiO₂– CaO–Al₂O₃ и наночастиц.

Добавку можно использовать с любым типом цемента, и она предназначена для заполнения пустот между частицами и других участков цементного камня, обладающих высокой структурной пористостью, что уменьшает проницаемость цементного камня, повышает прочность и улучает другие характеристики цементного камня после завершения цементирования.

В конечной структуре цемента наночастицы добавки распределены в наноструктурированных частицах SiO2–СаО–Al2O3 и содействуют приданию необходимых характеристик структуре цемента.

Добавка, предлагаемая в настоящем изобретении, включает частицы трехкомпонентной системы SiO2–СаО–Al2O3. Из числа этих материалов SiO2 при использовании в настоящем изобретении часто обозначается как S, СаО при использовании в настоящем изобретении часто обозначается как С, и Al2O3 при использовании в настоящем изобретении часто обозначается как А. Так, C2S означает двухкальциевый силикат, или 2CaO•SiO2, и аналогичным образом C3S означает трёхкальциевый силикат, или 3CaO•SiO2.

С этой трехкомпонентной системой смешивают наночастицы, выбранные из группы, включающей нано-SiO2, нано-C2S, нано-C3S, нано-Al2O3 и нано-фосфор/кальций. В идеальном случае добавка, предлагаемая в настоящем изобретении, включает все эти компоненты, смешанные с образованием трехкомпонентной системы. Кроме того, сами частицы трехкомпонентной системы также предпочтительно могут являться на-

В.П. КУЗЬМИНА Нанодобавки для композиционных материалов ночастицами и могут быть наноструктурированными или не нанострук-турированными.

При использовании в настоящем изобретении наночастицей считается любая частица размером до 999 нм. Кроме того, предпочтительно, если размер частиц добавки, т.е. частиц SiO2, 2CaO•SiO2, 3CaO•SiO2, Al2O3 и Р–Са, составляет менее 100 нм. Предпочтительно, если частицы трехкомпонентной системы SiO2–СаО–Al2O3 меньше 900 нм, а размер частиц добавки меньше размера частиц трехкомпонентной системы.

Пример 1

Добавка к цементу включает частицы SiO2–CaO–Al2O3 и добавку, включающую все наночастицы SiO2, 2CaOSiO2, 3CaOSiO2, Al2O3 и Р–Са.

Пример 2

Добавка к цементу по примеру 1, в которой наночастицы обладают формой, выбранной из группы, включающей сферическую, эллипсоидную, пластинчатую, неправильную форму и их комбинации.

Пример 3

Добавка к цементу по примеру 1, в которой частицы SiO2–CaO–Al2O3 представляют собой наноструктурированные частицы материала.

Пример 4

Добавка к цементу по примеру 1, в которой частицы и указанная добавка содержатся в виде в основном однородной смеси.

Пример 5

Цементный продукт, включающий частицы цемента и добавку к цементу по примеру 1.

Пример 6

Цементный продукт по примеру 5, в котором частицы цемента образуют цементную матрицу, содержащую пустоты между частицами и поры, и в котором добавка к цементу занимает пустоты между частицами и поры.

Пример 7

Способ получения добавки к цементу по примеру 1 включает следующие стадии:

• •    раздельный синтез каждой из частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц;

• •    перемешивание частиц SiO₂–CaO–Al₂O₃ и наночастиц при регулиру

емых температуре и рН с образованием непрерывной поверхностноактивной системы, содержащей частицы и наночастицы;

• •    объединение частиц SiO₂–СаО–Аl₂О₃ и наночастиц с общим раство

рителем с образованием в основном однородной смеси частиц и наночастиц.

Пример 8

Способ по примеру 7, в котором стадия синтеза включает синтез предшественников частиц SiO2–CaO–Al2O3 и наночастиц и термическую обработку предшественников с получением частиц и наночастиц.

Выводы

Данный анализ не исчерпан рассмотрением вышеприведённых патентов на изобретение и позволяет утверждать, что данные направления работ [1–4] являются перспективными для внедрения полученных результатов в промышленное производство и строительство специальных сооружений, в том числе скважин для добычи углеводородов [5].

Наличие патентов указывает на перспективность развития производства нанодобавок в течение будущих двадцати лет.

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Кузьмина В.П. Нанодобавки для композиционных материалов // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2011, Том 3, № 3. C. 81–89. URL: nb/ (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Kuzmina V.P. Nanoadditives for Composite Materials. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2011, Vol. 3, no. 3, pp. 81–89. Available at: nb/ (Accessed _____________). (In Russian).