Способ введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия и применение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок
METHOD OF INTRODUCTION OF SINGLE-WALLED AND/OR DOUBLE-WALLED AND/OR MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES INTO COMPOSITION OF ADHESIVE ADDITIVES FOR ASPHALT PAVEMENT AND APPLICATION OF SINGLE-WALLED AND/OR DOUBLE-WALLED AND/OR MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES WITH ADHESIVE ADDITIVES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к строительной отрасли и в частности к материалам, используемым в дорожном, аэродромном и гражданском строительстве, а именно к применению одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок (ОУНТ, ДУНТ, МУНТ) в составе адгезионных добавок (АД) для асфальтового (асфальтобетонного) покрытия (полотна) дорожного полотна и к способу введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав указанных адгезионных добавок.
Уровень техники
Адгезионные добавки - это любые существующие или перспективные поверхностно-активные вещества (ПАВ), применяемые в составе с дорожными битумами и полимербитумными вяжущими.
Углеродные нанотрубки - это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубу графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.
Идеальная углеродная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершине которых расположены атомы углерода. Структура одностенных углеродных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин углеродной нанотрубки, форма которых далека от идеальной полусферы. В основном одностенные углеродные нанотрубки применяются в литий-ионных аккумуляторах, углепластиковых материалах, автомобилестроении. Многостенные углеродные нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур появляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Широко известна структура "матрешки" многостенных углеродных трубок, которая представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Также известен структура в виде свистка.
Открытие углеродных нанотрубок произошло относительно недавно и по этой причине их применение в настоящее время ограничено лишь определенными отраслями и направлениями, в частности: микроэлектроника, капиллярные, оптические применения, медицина, генераторы энергии и двигатели, источники тока.
В настоящее время на практике углеродные нанотрубки практически не применяются в строительной отрасли и в составе материалов, используемых в дорожном (аэродромном, гражданском) строительстве, а именно в составе адгезионных добавок для асфальтового покрытия дорожного полотна.
Также в настоящее время назрела необходимость создания способа введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав указанных адгезионных добавок.
Заявителю не известны патентные и иные опубликованные документы, раскрывающие применение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок для асфальтового покрытия дорожного полотна и способ введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав указанных адгезионных добавок.
Раскрытие изобретения
Одна задача настоящего изобретения заключается в применении одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок для асфальтового покрытия, содержащего дорожные битумы, минеральную часть и полимербитумные вяжущие, дорожного полотна. Другая задача настоящего изобретения заключается в получении устойчивых дисперсий углеродных нанотрубок в различных ПАВ на процесс диспергирования, размер агрегатов и стабильность полученных коллоидных систем (это - системы, в которых дискретные частицы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 1000 нм, распределены в другой фазе, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу). Положительное влияние одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в адгезионных добавках заключается в следующем:
Осуществляется модификация поверхности одностеных, двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок с помощью адсорбции молекул ПАВ, которая способствует высокой эффективности диспергирования. Молекулы ПАВ прилипают к стенкам трубки и не позволяют трубкам агломерироваться, вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз.
Получение однородных суспензий и определение видов или смесей адгезионных добавок, позволяющих провести эффективное диспергирование для последующего получения конструкционных и функциональных композиционных материалов.
На основании полученных данных разработаны условия введения наномодификаторов (ОУНТ, ДУНТ, МУНТ) в ПАВ. Отмечено существенное улучшение физико-механических характеристик и термостабильности при использовании наномодифицированной АД в различного рода материалах.
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании наиболее эффективного способа введения одностенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в адгезионную добавку, которая будет использоваться в асфальтовом покрытии дорожного полотна.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении эффективности введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в адгезионные добавки для асфальтового покрытия и в повышении адгезионных свойств адгезионных добавок для асфальтового покрытия а также, соответственно, в повышении качества и долговечности асфальтового покрытия.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет способа введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия, который заключается в введении одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок посредством их размешивания на измельчающих мельницах. За счет этого осуществляется смешивание углеродных нанотрубок с адгезионными добавками.
Согласно настоящему изобретению в качестве измельчающих мельниц могут использовать валковые мельницы или шаровые мельницы или циркуляционные мельницы.
Согласно настоящему изобретению могут варьировать угловую скорость в зависимости от вида измельчающих мельниц.
Согласно настоящему изобретению могут варьировать температурный режим и длительность измельчения в зависимости от вида измельчающих лестниц и предельных значений адгезионных добавок.
Согласно настоящему изобретению после размешивания могут использовать обработку одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок ультразвуком.
Также для достижения вышеуказанного технического результата предложено применение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок, полученных любым из вышеуказанных способов, в составе адгезионных добавок для асфальтового покрытия, содержащего дорожные битумы и полимербитумные вяжущие, в качестве средств повышения адгезионных свойств.
Согласно настоящему изобретению концентрация одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок может составлять от 0,01% до 15% от объема асфальтового покрытия.
Осуществление изобретения
Способ введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия осуществляют следующим образом. Введение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок осуществляют посредством их размешивания на измельчающих мельницах. В качестве таких мельниц могут быть выбраны валковые, шаровые, циркуляционные и другие мельницы. Режим процесса размешивания выбирают следующим:
- угловая скорость (цикличная, скорость потока и др.) выбирается в зависимости от используемого оборудования;
- температурный режим и длительность диспергирования выбирается в зависимости от оборудования и предельных значений добавок;
- для некоторых адгезивных добавок после размешивания используют обработку ультразвуком. Ультразвуковое воздействие приводит к проникновению молекул поверхностно-активных веществ в промежутки между углеродными нанотрубками, к их разъединению и созданию адсорбированного слоя молекул поверхностно-активных веществ.
В результате осуществления способа происходит смешивание углеродных нанотрубок с адгезивными добавками.
Интенсивность диспергирования, структура полученных систем и размеры частиц оценивались методами абсорционной спектроскопии, кофокальной микроскопии и динамического рассеяния света. Изучалось влияние природы дисперсионной среды, структуры и концентрации ПАВ, концентрации дисперсной фазы, а также анализировалась устойчивость дисперсий в процессах центрифугирования и при длительном хранении. Показано, что введение ПАВ в оптимальных концентрациях приводит к существенному снижению размера частиц (агломератов).
В настоящем изобретении предлагается сам факт применения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок для асфальтового покрытия, в том числе применение одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в составе адгезионных добавок для асфальтового покрытия, полученных согласно вышеуказанному способу введения одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок в состав адгезионных добавок для асфальтового покрытия.
Концентрация (содержание) одностенных и/или двустенных и/или многостенных углеродных нанотрубок составляет от 0,01% до 15% от объема асфальтового покрытия, т.е. от объема готового продукта. Именно этот интервал обеспечивает наилучшее качество и адгезивные свойства асфальтового покрытия. Это обусловлено тем, что более низкой концентрации (0%) требуемый эффект не будет достигаться, а более высокая концентрация может привести к нарушению качества продукта.