Помощь студентам в учебе
Изучение влияния углеродныхнанотрубок на свойства полимерно- битумного вяжущего
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ) 10
1.1 Способы улучшения свойств битумов 10
1.2 Свойства и структура СБС 13
1.3 Свойства и технические требования, предъявляемые к ПБВ 16
1.4 Технология синтеза ПБВ 19
1.5Характеристика углеродных волокон и области применения 24
1.6 Характеристика углеродных нанотрубок 27
1.7 Свойства углеродных нанотрубок 30
1.8 Методы получения углеродных нанотрубок 31
1.9 Электронная микроскопия 37
1.10Функционализация УНТ 40
1.11 Предпосылки к наномодифиировнию полимерных-битумных вяжущих .. 43
Выводы по разделу1 48
2 ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 51
2.1 Объекты исследования 51
2.2 Методы исследования 54
2.3Выполнение эксперимента 55
2.3.1 Формирование оксидных пленок на волокне 55
2.3.2 Синтез углеродных нанотрубок 55
2.3.3 Функционализация и очистка УНТ 57
2.3.4Электронное микроскопическое исследование 57
2.3.5 Синтез полимерно-вяжущего битума в лабораторных условиях 58
2.3.4 Модификация ПБВ функционализированными нанотрубками 59
2.3.7 Определение глубины проникания иглы ГОСТ 11501-78 60
2.3.8 Определение температуры размягчения битума по ГОСТ 11506-78 62
2.3.9 Определение температуры хрупкости в соответствии с требованиями
ГОСТ 11507-78 64
2.3.10 Определение растяжимости (дуктильности) вязкого битума по ГОСТ11505-78 66
2.3.11Определение эластичности в соответствии с требованиями ГОСТ 13398-2013 68
2.3.12 Определение сцепления (адгезии) вяжущегос каменными материалами 71
2.4 Эксперементальные данные 74
2.4.1 Результаты исследований, проведенных на растровом электронном микроскопе 74
2.4.2Результаты исследования эксплуатационных характеристик образов исследования 75
2.5 Обсуждение результатов и выводы 78
Вывод по разделу 2 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 83
ВВЕДЕНИЕ 7
1 МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ) 10
1.1 Способы улучшения свойств битумов 10
1.2 Свойства и структура СБС 13
1.3 Свойства и технические требования, предъявляемые к ПБВ 16
1.4 Технология синтеза ПБВ 19
1.5Характеристика углеродных волокон и области применения 24
1.6 Характеристика углеродных нанотрубок 27
1.7 Свойства углеродных нанотрубок 30
1.8 Методы получения углеродных нанотрубок 31
1.9 Электронная микроскопия 37
1.10Функционализация УНТ 40
1.11 Предпосылки к наномодифиировнию полимерных-битумных вяжущих .. 43
Выводы по разделу1 48
2 ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 51
2.1 Объекты исследования 51
2.2 Методы исследования 54
2.3Выполнение эксперимента 55
2.3.1 Формирование оксидных пленок на волокне 55
2.3.2 Синтез углеродных нанотрубок 55
2.3.3 Функционализация и очистка УНТ 57
2.3.4Электронное микроскопическое исследование 57
2.3.5 Синтез полимерно-вяжущего битума в лабораторных условиях 58
2.3.4 Модификация ПБВ функционализированными нанотрубками 59
2.3.7 Определение глубины проникания иглы ГОСТ 11501-78 60
2.3.8 Определение температуры размягчения битума по ГОСТ 11506-78 62
2.3.9 Определение температуры хрупкости в соответствии с требованиями
ГОСТ 11507-78 64
2.3.10 Определение растяжимости (дуктильности) вязкого битума по ГОСТ11505-78 66
2.3.11Определение эластичности в соответствии с требованиями ГОСТ 13398-2013 68
2.3.12 Определение сцепления (адгезии) вяжущегос каменными материалами 71
2.4 Эксперементальные данные 74
2.4.1 Результаты исследований, проведенных на растровом электронном микроскопе 74
2.4.2Результаты исследования эксплуатационных характеристик образов исследования 75
2.5 Обсуждение результатов и выводы 78
Вывод по разделу 2 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 83
Битумы - продукты в твёрдом или смолоподобном агрегатном состоянии, состоящие из углеводородов, а так же их производных. Перерабатывая тяжелые нефтяные мазуты, остатки-гудроны, асфальты деасфальтизации, остатки полученных с крекингом и экстракты при селективной очистке масляных фракций, соблюдая технологию производства, получается битум.
На качество дорожных покрытий оказывает существенное влияние целый перечень факторов, состоящий в совокупности. Главенствующим фактором является технология добычи сырья для синтезирования битумов. В странах с похожими погодными и эксплуатационными условиями, высококачественного дорожного покрытия достигают в основном за счёт использования остатка нефти глубокой вакуумной перегонки, как сырья для синтеза битума. Сырьем для смесей битума в России служат окисленные гудроны. Их получают переработкой нефти различного состава.
Вопреки технологичности, ремонтопригодности и дешевизне дорожных материалов, в частности битумов, они обладают множеством дефектов, такими как чувствительность к переменным температурам в условиях резко континентального климата России, невысокие адгезионные свойства и, как следствие, потери качества дорожного покрытия с течением времени (охрупчивание и старение). В сочетании с механическими и динамическими напряжениями, это приводит к нарушению целостности структуры асфальтобетонных покрытий — разломов, что в конечном итоге приводит к потере деформационной стойкости.
В рамках большинства научных работ было показано, что характеристические показатели нефтяных битумов могут быть улучшены с использованием полимерных синтетических добавок. Разнообразие появившихся в промышленности модификаторов открывает новые возможности для улучшения свойств битумов для дорожных покрытий.Повышение стойкости покрытий с применением полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) к пластическим деформациям и растрескиванию привело к популярности этого вида модифицированного вяжущего в дорожно-строительной отрасли во многих европейских странах, где имеется значительный опыт использования дорожно-строительных материалов для улучшения композитов на основе битума.
Перспективным направлением повышения качества дорожно-строительных материалов, помимо модиификации полимерными добавками, является использование методов модификации наноразмерных объектов, таких как фуллерены, графены, углеродные нанотрубки и т. д. . Это связано с уникальным сочетанием механических, электрических, магнитных и оптических свойств, проявляемых нанотрубками: сверхпроводимость, высокая устойчивость к механическим нагрузкам, высокая эмиссионная способность и т.д. Для повышения прочностных характеристик дорожно-строительных композитов успешно используются однослойные и многослойные углеродные нанотрубки, а также углеродные нановолокна .Волокнистая структура этих элементов позволяет им «переплетаться» со структурой материала, формируя более эффективный каркас, чем в случае дисперсных углеродных частиц.
. Усиление взаимодействия дисперсионной среды полимера и основы УНТ происходит за счёт изменения химического состава оболочки нанотрубок, посредством метода функционализации. При использовании данного метода в объёме усовершенствованного продукта УНТ распределяются более равномерно
Существует много экспериментальных методик получения УНТ. Но в связи с недостаточной изученностью закономерностей выращивания углеродных нанотрубок их стоимость достаточно высока. При использовании УНТ в качестве компонента стоит задуматься об экономической оправданности применения, ввиду дороговизны УНТ
Синтез углеродных волокон путем добавления углеродных нанотрубок значительно улучшит характеристики производительности структурных материалов. В настоящее время существует передовой отечественный и зарубежный опыт, подтверждающий эффективность применения
Наномодификационных технологий в дорожно-строительных материалах. Было доказано, что использование первичных наноматериалов (углеродных нанотрубок) может улучшить эксплуатационные свойства асфальтобетона на целых 30%. Многочисленные исследования также продемонстрировали эффективность применения полимерных битумных вяжущих, которые отличаются от нефтяных уличных битумов улучшенными физическими и механическими свойствами и долговечностью. Однако ПБВ имеют тенденцию к расслаблению и старению, а также к низкой адгезии к минеральному материалу. В научно-технической литературе нет исследований влияния углеродных нанотрубок на структуру и свойства ПБВ
Исходя из теоретических предположений, было высказано предположение, что введение УНТ в битум сможет улучшить его эксплуатационные характеристики.
По мнению исследователей, это становится возможным благодаря наличию в битуме ароматических соединений, которые способны улучшить диспергирование углеродных наночастиц аморфного графита с образованием устойчивых суспензий в органических растворителях, которые будут состоять из отдельных части, УНТ инебольших пучков УНТ. Данная наносистема будет представлять собой сетку из нанотрубок и углеродных наночастиц, которая сформирует прочный каркас полимерно-битумного вяжущего, что позволит достигнуть лучших показателей свойств дорожных материалов, их повысить износостойкость.
Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы, патентный поиск позволили сформулировать научную гипотезу, заключающуюся в том, что углеродные нано материалы при введении в ПБВ, вследствие адсорбции мальтеновой части битума (или высокомолекулярных соединений органической среды-носителя углеродных нано материалов), препятствуют коагуляции АСК, выполняя функцию физических барьеров, тем самым, увеличивают содержание объемной доли адсорбционно-связанной прослойки в нано модифицированном ПБВ, что способствует увеличению вязкости расплава, предотвращению расслоения и, как следствие, повышению качества наномодифицированных ПБВ и асфальтобетонов на их основе
В настоящей работе, в соответствии с поставленной целью, была освещенатема влияния углеродныхнанотрубок на характеристики полимеризованных битумных вяжущих (ПБВ). Для достижения поставленных целей выполнен обзор данных по модификации полимерно-битумных вяжущих углеродными нанотрубками, приготовлены катализаторы и синтезированы углеродные нанотрубки для модификащии изучаемого вяжущего материала, определены свойства по ГОСТ полученных образцов битумных вяжущих материалов с добавкой стирол-бутадиенстирола линейного
строения.иодностенных УНТ и битумов, модифицированных только полимером для проведения сравнительного анализа.
Исследование производилось на базе научно-исследовательской лаборатории Южно-Уральского Государственного Университета, кафедры «экологи и химическая технология», а так же при сотрудничестве с филиалом «Челябинскавтодор», ООО «Битумный завод» в рамках проведения преддипломной практики.
На качество дорожных покрытий оказывает существенное влияние целый перечень факторов, состоящий в совокупности. Главенствующим фактором является технология добычи сырья для синтезирования битумов. В странах с похожими погодными и эксплуатационными условиями, высококачественного дорожного покрытия достигают в основном за счёт использования остатка нефти глубокой вакуумной перегонки, как сырья для синтеза битума. Сырьем для смесей битума в России служат окисленные гудроны. Их получают переработкой нефти различного состава.
Вопреки технологичности, ремонтопригодности и дешевизне дорожных материалов, в частности битумов, они обладают множеством дефектов, такими как чувствительность к переменным температурам в условиях резко континентального климата России, невысокие адгезионные свойства и, как следствие, потери качества дорожного покрытия с течением времени (охрупчивание и старение). В сочетании с механическими и динамическими напряжениями, это приводит к нарушению целостности структуры асфальтобетонных покрытий — разломов, что в конечном итоге приводит к потере деформационной стойкости.
В рамках большинства научных работ было показано, что характеристические показатели нефтяных битумов могут быть улучшены с использованием полимерных синтетических добавок. Разнообразие появившихся в промышленности модификаторов открывает новые возможности для улучшения свойств битумов для дорожных покрытий.Повышение стойкости покрытий с применением полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) к пластическим деформациям и растрескиванию привело к популярности этого вида модифицированного вяжущего в дорожно-строительной отрасли во многих европейских странах, где имеется значительный опыт использования дорожно-строительных материалов для улучшения композитов на основе битума.
Перспективным направлением повышения качества дорожно-строительных материалов, помимо модиификации полимерными добавками, является использование методов модификации наноразмерных объектов, таких как фуллерены, графены, углеродные нанотрубки и т. д. . Это связано с уникальным сочетанием механических, электрических, магнитных и оптических свойств, проявляемых нанотрубками: сверхпроводимость, высокая устойчивость к механическим нагрузкам, высокая эмиссионная способность и т.д. Для повышения прочностных характеристик дорожно-строительных композитов успешно используются однослойные и многослойные углеродные нанотрубки, а также углеродные нановолокна .Волокнистая структура этих элементов позволяет им «переплетаться» со структурой материала, формируя более эффективный каркас, чем в случае дисперсных углеродных частиц.
. Усиление взаимодействия дисперсионной среды полимера и основы УНТ происходит за счёт изменения химического состава оболочки нанотрубок, посредством метода функционализации. При использовании данного метода в объёме усовершенствованного продукта УНТ распределяются более равномерно
Существует много экспериментальных методик получения УНТ. Но в связи с недостаточной изученностью закономерностей выращивания углеродных нанотрубок их стоимость достаточно высока. При использовании УНТ в качестве компонента стоит задуматься об экономической оправданности применения, ввиду дороговизны УНТ
Синтез углеродных волокон путем добавления углеродных нанотрубок значительно улучшит характеристики производительности структурных материалов. В настоящее время существует передовой отечественный и зарубежный опыт, подтверждающий эффективность применения
Наномодификационных технологий в дорожно-строительных материалах. Было доказано, что использование первичных наноматериалов (углеродных нанотрубок) может улучшить эксплуатационные свойства асфальтобетона на целых 30%. Многочисленные исследования также продемонстрировали эффективность применения полимерных битумных вяжущих, которые отличаются от нефтяных уличных битумов улучшенными физическими и механическими свойствами и долговечностью. Однако ПБВ имеют тенденцию к расслаблению и старению, а также к низкой адгезии к минеральному материалу. В научно-технической литературе нет исследований влияния углеродных нанотрубок на структуру и свойства ПБВ
Исходя из теоретических предположений, было высказано предположение, что введение УНТ в битум сможет улучшить его эксплуатационные характеристики.
По мнению исследователей, это становится возможным благодаря наличию в битуме ароматических соединений, которые способны улучшить диспергирование углеродных наночастиц аморфного графита с образованием устойчивых суспензий в органических растворителях, которые будут состоять из отдельных части, УНТ инебольших пучков УНТ. Данная наносистема будет представлять собой сетку из нанотрубок и углеродных наночастиц, которая сформирует прочный каркас полимерно-битумного вяжущего, что позволит достигнуть лучших показателей свойств дорожных материалов, их повысить износостойкость.
Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы, патентный поиск позволили сформулировать научную гипотезу, заключающуюся в том, что углеродные нано материалы при введении в ПБВ, вследствие адсорбции мальтеновой части битума (или высокомолекулярных соединений органической среды-носителя углеродных нано материалов), препятствуют коагуляции АСК, выполняя функцию физических барьеров, тем самым, увеличивают содержание объемной доли адсорбционно-связанной прослойки в нано модифицированном ПБВ, что способствует увеличению вязкости расплава, предотвращению расслоения и, как следствие, повышению качества наномодифицированных ПБВ и асфальтобетонов на их основе
В настоящей работе, в соответствии с поставленной целью, была освещенатема влияния углеродныхнанотрубок на характеристики полимеризованных битумных вяжущих (ПБВ). Для достижения поставленных целей выполнен обзор данных по модификации полимерно-битумных вяжущих углеродными нанотрубками, приготовлены катализаторы и синтезированы углеродные нанотрубки для модификащии изучаемого вяжущего материала, определены свойства по ГОСТ полученных образцов битумных вяжущих материалов с добавкой стирол-бутадиенстирола линейного
строения.иодностенных УНТ и битумов, модифицированных только полимером для проведения сравнительного анализа.
Исследование производилось на базе научно-исследовательской лаборатории Южно-Уральского Государственного Университета, кафедры «экологи и химическая технология», а так же при сотрудничестве с филиалом «Челябинскавтодор», ООО «Битумный завод» в рамках проведения преддипломной практики.
В результате проделанной работы успешно решены поставленные задачи:
1) составлен обзор литературных источников по выбранной теме и доказана актуальность проведения исследования в области наномодифицирования полимерно-битумных вяжущих материалов углеродныминанотрубками;
2) приготовлен катализатор термолизом хлорида никеля и проведен синтез углеродных нанотрубок;
3) методом многократного введения порций пластифицирующего компонента в дисперсию унт с гудроном разработана методика приготовления однородной дисперсии и унт в пластификаторе. Получен пластифицирующий компонент для полимерно-битумного вяжущего материала в виде дисперсии углеродных нанотрубок в гудроне;
4) изучены методики составления рецептур согласно нормативным документам и физико-химическим показателям компонентов образов, составлено и синтезированы пять рецептур полимерно-битумного вяжущего, в которых варьировался процентный состав добавок стирол-бутадиент-стирольного полимер а ( 2% и 3%) и углеродных нанотрубок (0,002% и 0,03%).
5) исследованью физико-механические свойства полученных образцов, такие как глубина проникновения иглы, температура размягчения, температура хрупкости по Фраасу, растяжимость , эластичность, сцепление с минеральным материалом.
6) установлено, что изменение эксплуатационных показателей относительно стандартных значений имеет положительный характер для каждого состава. Изменение характеристик по вышеперечисленным методам исследования составляет:
- увеличения глубины проникания на 7%-25%;
- увеличения температуры размягчения на 2%-17%;
- уменьшения температуры хрупкости от 5%-65%;
- увеличения растяжимости на 8%-208%;
- увеличения эластичности 5-16%
7) проанализировав результаты исследований, можно сделать вывод о наиболее оптимальной рецептуре, которой является образец №4% ( 3%масс. сбс, 0,002% масс.унт). состав этого образа обеспечивает высокую степень пластичности , увеличивая показатель пенетрации на четверть для 25°с и на % для 0°с, в отличии от нормированного показателя для пбв60, рекомендованного в уральском климатическом регионе. увеличение температуры размягчения и хрупкости на 17% и 65% соответственно, расширили интервал работоспособности на четверть от стандартного показателя.
1) составлен обзор литературных источников по выбранной теме и доказана актуальность проведения исследования в области наномодифицирования полимерно-битумных вяжущих материалов углеродныминанотрубками;
2) приготовлен катализатор термолизом хлорида никеля и проведен синтез углеродных нанотрубок;
3) методом многократного введения порций пластифицирующего компонента в дисперсию унт с гудроном разработана методика приготовления однородной дисперсии и унт в пластификаторе. Получен пластифицирующий компонент для полимерно-битумного вяжущего материала в виде дисперсии углеродных нанотрубок в гудроне;
4) изучены методики составления рецептур согласно нормативным документам и физико-химическим показателям компонентов образов, составлено и синтезированы пять рецептур полимерно-битумного вяжущего, в которых варьировался процентный состав добавок стирол-бутадиент-стирольного полимер а ( 2% и 3%) и углеродных нанотрубок (0,002% и 0,03%).
5) исследованью физико-механические свойства полученных образцов, такие как глубина проникновения иглы, температура размягчения, температура хрупкости по Фраасу, растяжимость , эластичность, сцепление с минеральным материалом.
6) установлено, что изменение эксплуатационных показателей относительно стандартных значений имеет положительный характер для каждого состава. Изменение характеристик по вышеперечисленным методам исследования составляет:
- увеличения глубины проникания на 7%-25%;
- увеличения температуры размягчения на 2%-17%;
- уменьшения температуры хрупкости от 5%-65%;
- увеличения растяжимости на 8%-208%;
- увеличения эластичности 5-16%
7) проанализировав результаты исследований, можно сделать вывод о наиболее оптимальной рецептуре, которой является образец №4% ( 3%масс. сбс, 0,002% масс.унт). состав этого образа обеспечивает высокую степень пластичности , увеличивая показатель пенетрации на четверть для 25°с и на % для 0°с, в отличии от нормированного показателя для пбв60, рекомендованного в уральском климатическом регионе. увеличение температуры размягчения и хрупкости на 17% и 65% соответственно, расширили интервал работоспособности на четверть от стандартного показателя.
