Возможности применения диффузионной аэрозольной спектрометрии для определения среднего размера частиц нанодисперсных порошков

высоте сечения элементов и по длине швов.

3. Разработанные программы позволяют оценить напряженно -деформированное состояний при любых уровнях нагружения.

Список литературы

1. Додонов М.И. Развитие и применение метода сосредоточенных деформаций к расчету проемных диафрагм многоэтажных зданий // Строительная механика и расчет сооружений. 1984. № 6. С. 65-69.

2. Зулпуев А.М., Темикеев К., Бактыгулов К. Соотношения «напряжения-деформации» для бетона при различной длительности загружения // Синергия. 2016. № 1. С. 59-68.

3. Зулпуев А.М., Бактыгулов К. Дискретная расчетная модель для нормальных сечений железобетонных стержней несущих систем многоэтажных зданий // Синергия. 2016. № 2. С. 63-72.

4. Карпенко Н.И. К расчету железобетонных пластин и оболочек с учетом трещин // Строительная механика и расчет сооружений. 1971. № 1. С.7-13.

5. Карповский М.Г. Совместная работа балок с плитами перекрытия армированными профилированным стальным настилом // Дисс. канд. техн. наук. - М.: НИИЖБ. 1985. - 152 с.

6. Ржаницын А.Р. Составные стержни и пластинки. - М.: Стройиздат. 1986. - 315 с.

Романов П.С., Пантелова Х.М.

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ

АЭРОЗОЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

Московский государственный машиностроительный университет,

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Ключевые слова: размер наночастиц, строительные материалы, диагностика.

Аннотация: В статье указаны основные направления применения нанодисперсных порошков, используемых при производстве строительных материалов. Рассмотрены возможности определения среднего размера частиц и ширины распределения частиц по размерам для нанодисперсных порошков, используемых при производстве строительных материалов,при помощи диффузионного аэрозольного

спектрометра ДАС- 2702 с автоматической системой диспергирования нанодисперсных порошков (АСДНП-3705). Приведены экспериментальные результаты анализа наночастиц диоксида кремния, выделенных из природных гидротермальных растворов, являющихся перспективным компонентом высокоэффективных бетонов.

Keywords: size of nanoparticles, building materials, diagnostics.

Abstract: this review article deals with the main directions of applying of nanostructured powders, used in the production of building materials. Considered the possibility of determining the average particle size and particle size distribution width for nanostructured powders, used in the production of building materials, using Diffusion Aerosol Spectrometer DAS-2702 with automatic system of dispersing nanostructured powders (ASDNP-3705). The experimental results for silica extracted from natural hydrothermal solutions which are promising components of highperformance concreteare presented.

В настоящее время в мире наблюдается рост научного интереса к нанотехнологии, в том числе и в строительной индустрии. В развитых странах, таких как Япония, США, Франция, Германия, больше 30% строительных компаний внедряют нанотехнологии в производство. При этом наиболее широкое применение наноструктурированные материалынашли при производстве бетонов и строительных смесей (порядка 46% от общего числа), значительно меньшая доля разработок приходится на композиционные материалы и металлические конструкции (18 и 12% соответственно).

Современные научные исследования по повышению эффективности строительных материалов направлены не только на получение новых, но и на улучшение свойств уже известных материалов, например, за счет использования нанодисперсных компонентов. Так, технология домола цемента перед его использованием до наноразмерных частиц позволяет увеличить долю вещества, вступающего в реакцию с водой, с 30% до 80 - 90%, что позволяет значительно уменьшить содержание цемента в бетоне без потери качества. Введение наночастиц в качестве модификаторов позволяет значительно повысить прочностные характеристики различных материалов, их срок службы, устойчивость по отношению к внешним воздействиям, таким как колебания температуры и влажности, загрязнение атмосферного воздуха [1].

Углеродные нанотрубки применяются для создания композиционных материалов повышенной прочности: за счет армирования прочность и износостойкость керамики, пластика,

металла повышается в несколько раз при содержании нанотрубок в материале порядка 0,2 - 0,4 масс.%. Применение углеродных нанотрубок и фуллеренов в строительной индустрии ограничивается их относительно высокой стоимостью, однакополученные российскими учеными фуллероиды являются почти такими же эффективными, но значительно более дешевыми модификаторами. Фуллероиды даже при содержании порядка 10-5% вызывают самопроизвольный рост протяженных структур длиной в несколько сотен микрометров в структуре цементного камня, что приводит к улучшению прочностных и реологических характеристик [2-3].

Большим достижением является и получение материалов, обладающих супергидрофобностью (эффект лотоса), т.е. способных самоочищаться за счет того, что капли воды принимают на такой поверхности почти шарообразную форму и даже при небольшом наклоне материала по отношению к горизонту скатываются, захватывая при движении все загрязнения. Применение покрытий с эффектом лотоса позволяет решить проблему очистки стекол и фасадов от загрязнений в больших городах с высоким уровнем загрязненности воздуха. Например, Большой национальный театр в Пекине, похожий на каплю воды, имеет купол площадью 6000 м2, сделанный из металла и стекла с нанесенным на него специально разработанным супергидрофобным покрытием.

Эффективное применение нанодисперсных компонентов при производстве строительных материалов невозможно без контроля качества исходного сырья и полученных материалов. В отличие от массивных образцов, наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз. К таким свойствам относится высокая реакционная активность, связанная с ростом поверхностной энергии, отсутствие точечных дефектов, склонность к самоорганизации, особые магнитные, электрические, оптические свойства. Особые свойства дисперсных материалов зависят не только от химического состава, но и отраспределения частиц по размерам и их морфологии, чтоделает необходимым контроль этих параметров с помощью технических средств.Применение нанодисперсных компонентов различного гранулометрического состава позволяет разрабатывать композиции с различными физическими, химическими, технологическими характеристиками. Однако, чтобы добиться воспроизводимости физико-механических свойств производимых материалов необходимо контролировать не только качественный и

количественный состав конченого продукта и химический состав исходного сырья, но и размер частиц отдельных компонентов [4-5].

Существует большое количество физико-химических методов анализа, позволяющих определить состав для макроскопических фаз и пригодных для анализа нанодисперсных компонентов. Однако, требуются новые методы и аппаратура для исследования специфических свойств, например, для определения гранулометрического состава. Дополнительные трудности возникают при работе с реакционноактивными наночастицами, поскольку при пробоподготовке и анализе необходимо избегать прессования (из-за агломерации частиц) и контакта наноразмерного порошка с воздухом и водой. Кроме того, контроль качества нанодисперсных компонентов, входящих в состав строительных материалов, необходимо осуществлять в условиях производства, что исключает использование дорогостоящих и трудоемких исследовательских методов, таких как электронная или зондовая микроскопия.

В связи с этим перспективным является метод диффузионной аэрозольной спектрометрии. Достоинствами диффузионной спектрометрии являются дешевизна оборудования, простота пробоподготовки и проведения анализа, экспрессность (одно измерение длится 1 мин), возможность работы в различных газовых средах, в том числе инертных, что особенно актуально при работе с реакционноактивными порошками. Метод реализован российской компанией ООО «Аэронанотех» в диффузионном аэрозольном спектрометре ДАС-2702 с автоматической системой диспергирования нанодисперсных порошков АСДНП-3705, позволяющем определять средний размер частиц и распределение частиц по размерам для нанопорошков в интервале размеров 5 - 200 нм. Форма исследуемых частиц должна быть близка к сферической.

Принцип работы АСДНП-3705 основан на формировании жидкой суспензии нанопорошка в специально разработанном диспергаторе, полного осушения жидкости с поверхности каждой аэрозольной наночастицы потоком инертного газа и подаче взвешенных сухих частиц в автоматизированную колонну стабилизации аэрозольного потока, где создаётся необходимая концентрация взвешенных частиц. Измерение при помощи ДАС - 2702 заключается в пропускании потока с аэрозолями через диффузионные батареи и определении через них проскока частиц. Затем этот проскок сравнивается с расчетным (расчетный размер определяется полуэмпирическим методом). На основании этого сопоставления рассчитывается распределение по размерам частиц.

Применение активных нанодисперсных наполнителей, например диоксида кремния, при производстве современных высококачественных бетонов позволяет управлять процессом формирования структуры материала и кинетикой химических реакций, сопровождающих процесс твердения, улучшить упаковку его составляющих, снизить пористость и повысить прочность. Таким образом, применение наномодификаторов позволяет сохранить прочность, долговечность, удобоукладываемость и при сокращении количества цемента в бетонной смеси, что позволяет существенно удешевить производимый продукт.

Для определения среднего размера частиц и ширины распределения частиц по размерам наночастиц диоксида кремния, выделенных из природных гидротермальных растворов, был использовандиффузионный аэрозольный спектрометр ДАС-2702 с автоматической системой диспергирования нанодисперсных порошков АСДНП-3705. Измерения проводились в соответствии с аттестованной методикой [6]. В качестве дисперсионной среды был использован изопропиловый спирт, обладающий хорошей летучестью и не взаимодействующий с исследуемым соединением. Была проведена серия из 15 измерений, полученные результаты обрабатывались статистическими методами в соответствии с ГОСТ 8.207-76. Были получены следующие результаты:

• среднеарифметический размер частиц составляет 63±7 нм

• ширина распределения частиц по размерам составляет 12±3

нм

На рисунке 1 показана зависимость содержания частиц в пробе от размера. Распределение является одномодовым, в образце присутствуют частицы с размерами от 15 до 150 нм.

Г1 ОООООООООООООООООООООО

,—I rr, —J- so r-~ ОО ^ Г СО <0 ^

Ра змер ча ст нц, нм

Рисунок 1 - Зависимость содержания частиц в пробе от размера для наночастиц 8Ю2

Таким образом, диффузионная аэрозольнаяспектрометрия позволяет проводить контроль гранулометрического состава порошкообразных нанодисперсных компонентов, используемых при производстве строительных материалов. Для модификации строительных материалов помимо диоксида кремния используется большое разнообразие порошкообразных нанодисперсных компонентов с формой частиц, близкой к сферической: оксиды железа и титана, медь, серебро, известь. Для их анализа в качестве быстрого и недорогого метода определения гранулометрического состава может применяться диффузионная аэрозольнаяспектрометрия.

Список литературы

1. Жуков А.Д., Орлова А.М., Наумова Н.А., Никушкина Т.П., Майорова А.А. Экологические аспекты формирования изоляционной оболочки зданий // Научное обозрение. 2015. № 7. С. 209-212.

2. Павловец Г.Я., Бурдикова Т.В, Романова И.П. Возможности создания «умных» нанокомпонентов энергоёмких композитов и оценки их качества// В сб. тезисов докладов 7-й Всероссийской научн. конф. «Технологии и материалы для экстремальных условий». Туапсе. 2012. С.36-39.

3. Павловец Г.Я., Мелешко В.Ю., Романова И.П., Златкина В.Л. Методы и средства диагностики реакционноактивных нанокомпонентов энергоёмких композитов// В сб. тезисов докладов III международного научного симпозиума «Специальная связь и безопасность информации: технологии, управление, экономика», Краснодар, 25-28 апреля 2014 г. С. 78-81.

4. Генералова Н.Н., Клюев М.В. Конформационный анализ структуры п-н-пропилокси-о-гидроксибензилиден-п'-бутиланилина // Синергия. 2015. № 1. С. 71-78.

5. Романов П.С., Романова И.П. Рециклинг отходов металлургической промышленности как способ сбережения природных ресурсов и снижения экологической напряженности // Синергия. 2016. № 2. С. 94-99.

6. Методика измерений среднего размера частиц и распределения частиц по размерам нанодисперсных порошкообразных материалов методом диффузионной спектроскопии (свидетельство №225-01.00294-2010/2013)// ФГУП «ВНИИФТРИ». 2013. 14 с.