Nanobuild 5-2016 by Nanotechnologies in Construction

ISSN 2075-8545 Chemical Abstracts • CrossRef • DOAJ • EBSCO Publishing • ESCI Web of Science • EZB Global Impact Factor • ResearchBib • ResearchGate • Scientific Electronic Library • Ulrich’s Periodicals Directory

Nanotehnologii v stroitel’stve

nauchnyj Internet-zhurnal

2016•Tom 8•№ 5

Nanotechnologies in construction A Scientific Internet-Journal

2016•Vol. 8•№ 5

Лауреат премии

«Российский Строительной Олимп–2010»

Лауреат премии

ЛАУРЕАТ КОНКУРСА

«Российский Олимп высоких технологий–2013»

IN THE ISSUE:

• About the influence of carbon nanomaterials on the properties of cement and concrete • Efficiency of application of complex nanomodifying additives based on zeolites in building materials • New technical solutions in nanotechnology • The Second International Conference on Industrial Informatics – Computing Technology, Intelligent Technology, Industrial Information Integration ICIICII (Wuhan December 3–4, 2016)

www.nanobuild.ru

e-mail: info@nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 ISSN 2075-8545 Chemical Abstracts • CrossRef • DOAJ • EBSCO Publishing • ESCI Web of Science • EZB Global Impact Factor • ResearchBib • ResearchGate • Scientific Electronic Library • Ulrich’s Periodicals Directory

2016 • Tom 8

•

NANOTEHNOLOGII V STROITEL’STVE 2016 • Vol. 8

•

nauchnyj Internet-zhurnal

NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION A Scientific Internet-Journal PUBLISHER INFORMATION (EDITORIAL COUNCIL; EDITORIAL BOARD; THE EDITORS; FOUNDERS; PUBLISHER; PUBLICATION ETHICS; CONTACTS; MINIMAL SYSTEM REQUIREMENTS TO ACCESS THE EDITION; JOURNAL PRODUCTION SCHEDULE)

EDITORIAL COUNCIL PUBLIC ADVISORY BODY Chairman of the editorial council GUSEV Boris Vladimirovich – Editor-In-Chief of Electronic Edition «Nanotechnologies . in Construction: A Scientific Internet-Journal», Corresponding Member of RAS, President . of Russian Academy of Engineering and International Engineering Academy, Head . of Department «Construction Materials and Technologies», Moscow State University . of Railway Engineering, Honored Scientist of RF, Laureate of USSR and RF State prizes, Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation

Members of The Editorial Council ANANYAN Mikhail Arsenovich – Director General of CC «Concern «Nanoindustry», President of National Association of Nanoindustry, Member of RANS, Doctor of Engineering, Russian Federation IVANOV Leonid Alekseevich – Head of the Project «Nanobuild.ru», Chief Academic Secretary and Vice-President of the Russian Academy of Engineering and the International Academy of Engineering, Academician of RAE and IAE, PhD in Engineering, Member of the International Federation of Journalists, Russian Federation KALIUZHNIY Sergei Vladimirovich – Scientific Advisor of Chairman of Board «RUSNANO», Chief Scientist, Member of Board «RUSNANO», Doctor of Chemistry, Professor, Russian Federation KOROLEV Evgeniy Valerjevich – Prorector for Education, Director of the Research and Educational Center «Nanotechnology», National Research University «Moscow State University of Civil Engineering», Adviser of RAACS, Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 TELICHENKO Valerij Ivanovich – President of National Research University «Moscow . State University of Civil Engineering», 1st vice-president of RAACS, Academician of RAACS Honored Scientist of RF, Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation FIGOVSKY Oleg L’vovich – Full Member of European Academy of Science, Forein Member . of RAE and RAACS, Editor-in-Chief of SITA, OCJ и RPCS, Director of «Nanotech Industries, Inc.» (USA), and Director of International Nanotechnological R&D Center «Polymate» (Israel), President of IAI, Chairman of the UNESCO Chair «Green Chemistry», USA, Israel CHERNYSHOV Evgenij Mikhailovich – Full member of RAACS, Chairman Presidium of Central Regional Department of Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Director of Educational Creative Academic Center «Archstroynauka» SUACE Department . of Academic Scientific and Educational Cooperation, Doctor of Engineering, Professor, . Russian Federation Surendra P. SHAH – Walter P. Murphy Emeritus Professor of Civil and Environmental Engineering of Northwestern University, Ill.,USA,Honorary Professor at the University of L’Aquilla, Italy, and Hong Kong Polytechnic University; Member of Аmerican National Academy of Engineering, Chinese Academy of Engineering, and Indian Academy of Engineering SHEVCHENKO Vladimir Yaroslavovich – Director of Institute of Silicate Chemistry . of Russian Academy of Sciences, Head of Scientific Council RAS on Ceramic and Other Nonmetal Materials, Vice-Chair of Coordinating Council on Development of Nanotechnologies attached to the Committee of the Council of the Federation of the Federal Assembly of the RF on Science, Culture, Education, Medicine and Ecology, Member of RAS, Doctor of Chemistry, Professor, Russian Federation

EDITORIAL BOARD Chairman of the editorial board GUSEV Boris Vladimirovich – Editor-In-Chief of Electronic Edition «Nanotechnologies . in Construction: A Scientific Internet-Journal», Corresponding Member of RAS, President . of Russian Academy of Engineering and International Engineering Academy, Head . of Department «Construction Materials and Technologies», Moscow State University . of Railway Engineering, Honored Scientist of RF, Laureate of USSR and RF State prizes, Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation

Members of the editorial board BAZHENOV Yury Mikhailovich – Head of Department «Binders and Concrete Technologies», Scientific Adviser of the Research and Educational Center «Nanotechnology» in National Research University «Moscow State University of Civil Engineering», Member of RAE, Academician of RAACS, Honored Scientist of RF, Doctor of Engineering, Professor, . Russian Federation Prof. Peter J.M. BARTOS – The Queen’s University of Belfast, UK, Chair of RILEM Technical Committee TC 197-NCM on Nanotechnology in Construction Materials (2002–2009), former Head of Scottish Centre for Nanotechnology in Construction Materials (University of West Scotland), UK http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 BELOV Vladimir Vladimirovich – Vice-Rector for Innovative Development of Tver State Technical University, Head of Department «Production of Building Materials and Wares», Honoured Scientist and Figure of Higher Education of Tver Region, Advisor of RAACS, Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation VAKHRUSHEV Alexander Vasilievich – Head of the laboratory «Mechanics of nanostructures», Institute of Mechanics (Ural Branch of RAS), Head of the chair «Nanotechnologies and microsystem equipment» in State Technical University named after M.T. Kalashnikov (Izhevsk), Associate Member of RAE, Doctor of Physics and Mathematics, Professor LYNKOV Leonid Mihailovich – Head of the Department «Information Security», . Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics, Doctor of Engineering, . Professor (Minsk, Belarus), Belarus MECHTCHERINE Viktor Sergeevich – Director of the Institute of Construction Materials, Chair of Construction Materials, Technische Universität Dresden, Professor, . Doctor of Engineering, Germany SOBOLEV Konstantin Gennadievich – Head of Technical Committee of American Concrete Institute ACI 241 «Nanotechnologies of Concrete», Associate Professor of University . of Wisconsin-Milwaukee, USA URKHANOVA Larisa Alekseevna – Head of Department «Production of Building . Materials and Wares» East-Siberian State University of Technologies and Management, . Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation FALIKMAN Vyacheslav Ruvimovich – 1st vice-president of Structural Concrete Association, Academician of RAE, Regional Convener of International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures (RILEM) in East Europe and Central Asia, Member of Technical Committee of American Concrete Institute ACI 241 «Nanotechnologies of Concrete», Professor of MSUCE, Doctor of Material Science and Engineering, . Russian Federation KHOZIN Vadim Grigorievich – Head of Department «Technology of Construction Materials, Products and Structures», Kazan State University of Architecture and Engineering, Honoured Scientist of Russian Federation and the Republic of Tatarstan, Honoured . Figure of Higher Education of RF, Doctor of Engineering, Professor, Russian Federation

THE EDITORS Editor-in-Chief Executive Editor Consultant Journalists: Design and layout The Сhief for Foreign Relations

D.Eng., Prof. B.V. Gusev Yu.А. EvstigNeeva D.Eng., Prof.V.N. Karpov Ph.D. (Engineering) V.A. Vlasov К.N. Broeva А.S. Reznichenko Ph.D. (Engineering) S.R. Muminova

FOUNDERS The Russian Academy of Engineering • ООО «CNT «NanoStroitelstvo» http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

PUBLISHER ООО «CNT «NanoStroitelstvo» The Electronic Edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» is registered as an independent mass media in the Ministry of Communication and Mass Media of The Russian Federation. (Registration Certificate Эл № ФС77 – 35813 of 31 March 2009 issued by the Federal Service on Supervision in the Sphere of Connection and Mass Communications). The Electronic Edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific InternetJournal» has been included in the list of peer-review journals in which the candidates for Ph.D. and Doctorate degree must publish the main results of their theses. The electronic edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific InternetJournal» has been included: Chemical Abstracts (USA); DOAJ (Sweden); EBSCO Publishing (USA); ESCI Web of Science (USA); EZB (Germany); Global Impact Factor (Australia); CrossRef (USA); ISSN 2075-8545 (France); ResearchBib (Japan); ResearchGate (USA); Scientific Electronic Library (Russia); Ulrich’s Periodicals Directory (USA) et al. Each paper is assigned UDC, DOI, HTML-code.

PUBLICATION ETHICS Editorial Council, Editorial Board and the editorial staff second the politics aimed at observance of ethical publishing principles and recognize that keeping track of observance of ethical publishing principles is one of the main components in reviewing and publishing activities. The basic ethical principles of reviewing and publishing are available at website http//www.nanobuild.ru. The authors of the published materials are responsible for the reliability of the presented information and utilization of the data which are not to be published avowedly. The editors have the right to make corrections. The opinion of the editors can be different from the authors’ opinions, the materials are published to discuss the up-to-date problems. The editors are not responsible for the content of advertisement. Any full or partial reprinting of the materials is possible only with editors’ written permission.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

CONTACTS Address: Russian Federation, 125009, Moscow, Gazetny per., bld. 9, str. 4 Internet: http//www.nanobuild.ru E-mail: info@nanobuild.ru

MINIMAL SYSTEM REQUIREMENTS TO ACCESS THE EDITION Windows • Intel Pentium® III or equivalent processor. • Microsoft® Windows® 2000 with Service Pack 4; Windows Server® 2003 (32-bit or 64-bit editions) with Service Pack 1; Windows XP® Professional, Home, Tablet PC(32-bit or 64-bit editions) with Service Pack 2 or 3(32-bit or 64-bit editions); or Windows Vista® Home Basic, Home Premium, Ultimate, Business, or Enterprise with Service Pack 1 or 2 (32-bit or 64-bit editions). • 128MB of RAM (256MB recommended for complex forms or large documents). • 170MB of available hard-disk space. • Microsoft Internet Explorer 6.0 or 7.0, Firefox 1.5 or 2.0, Mozilla 1.7, AOL 9, Google Chrome 5.0, Opera 10.6. Macintosh • PowerPC G3, G4, G5 or Intel processor. • Mac OS X v10.4.11–10.5.5. • 128MB of RAM (256MB recommended for complex forms or large documents). • 170MB of available hard-disk space (additional space required for installation). • Safari® (Shipping with supported OS).

JOURNAL PRODUCTION SCHEDULE IN 2016 Editing, The approval proof-reading, of the issue by layout, the Editor-inagreement Chief

№№

Papers submission deadline

2016, Vol. 8, № 1

05.02.16

15.02.16

16.02.16

29.02.16

2016, Vol. 8, № 2

05.04.16

11.04.16

12.04.16

29.04.16

2016, Vol. 8, № 3

06.06.16

11.06.16

14.06.16

30.06.16

2016, Vol. 8, № 4

15.08.16

19.08.16

23.08.16

09.09.16

2016, Vol. 8, № 5

03.10.16

11.10.16

14.10.16

24.10.16

2016, Vol. 8, № 6

29.11.16

06.12.16

09.12.16

19.12.16

Website publication

Note

Issue 2016, Volume 8, № 5 approved on 14.10.2016 http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

UDC 666.972.16, 691.32 Author: URKHANOVA Larisa A., Doctor of Engineering, Professor, Head of department «Production of building materials and articles», East Siberia state university of technology and management; Kluchevskaya st., 40v, Ulan-Ude, Russian Federation, 670013, urkhanova@mail.ru; Author: LKHASARANOV Solbon A., Ph.D. in Engineering, Senior lecturer of department «Production of building materials and articles», East Siberia state university of technology and management; Kluchevskaya st., 40v, Ulan-Ude, Russian Federation, 670013, solbon230187@mail.ru; Author: BUYANTUEV Sergey L., Doctor of Engineering, Professor of department «Electric power supply industrial plants and agriculture», East Siberia state university of technology and management; Kluchevskaya st., 40v, Ulan-Ude, Russian Federation, 670013, buyantuevsl@mail.ru; Author: KUZNETSOVA Anastasia Yu., Master student of department «Production of building materials and articles», East Siberia state university of technology and management; . Kluchevskaya st., 40v, Ulan-Ude, Russian Federation, 670013, nastasyu1994@mail.ru

ABOUT THE INFLUENCE OF CARBON NANOMATERIALS ON THE PROPERTIES OF CEMENT AND CONCRETE

Extended Abstract: The article presents the results of studies on the modification of the cement stone and concrete with carbon nanomaterials, which were obtained as a by-product in the plasma gasification of coal. Under the action of plasma arc from the electrode material and coal supplied for the gasification, carbon nanomaterials – fullerene-containing soot are formed simultaneously in one apparatus. This method of production of carbon nanomaterials is a perspective due to a smaller effect on the increase in the cost of the final composite. These carbon nanomaterials have both compact and ultradisperse fibrous structure, which indicates the presence of such basic forms of nanoparticles as «onion carbon structures» (multiwall, hyperfullerens) and «filamentous carbon structures» (nanotubes, nanofibers). Considering the problem of introduction and uniform distribution of carbon nanoparticles in the cement matrix, that are prone to aggregation, ultrasonic treatment of carbon nanomaterials and mixing water was carried out. The optimal dosage of carbon nanomaterials is 0.01 wt. %, which led to improved physical and mechanical properties of cement stone. It is found that when using various superplasticizers carbon nanomaterials ef-

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

fectively distributed in the mixing water amount, but the complex effect of improving cement varies depending on the type of superplasticizer. Changing of hydration temperature of the cement with carbon nanomaterials and various superplasticizers is determined. It has been shown that the introduction of carbon nanomaterials increase the maximum temperature during hydration. The introduction of carbon nanomaterials improves the physical, mechanical and performance properties of cement and concrete by accelerating the hydration process of Portland cement, improving the microstructure and reduction of porosity of cement stone. Lower total porosity of cement stone with the introduction of carbon nanomaterials was found by the method of mercury porosimetry, as well as changes in the number of micropores of cement stone of various sizes was shown. Physical and mechanical properties and performance of the concrete with the introduction of carbon nanomaterials were determined. The improvement in strength at different times of hardening, frost resistance, water absorption and water resistance of concrete were found. Key words: Portland cement, carbon nanomaterials, hydration temperature, porosity, mechanical properties.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> About the influence of carbon nanomaterials on the properties of cement and concrete by <a xmlns:cc="http://creativecommons. org/ns#" href="Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 16–41. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Urkhano va L.A., Lkhasaranov S.A., Buyantuev S.L., Kuznetsova A.Yu. </a> is licensed under a <a rel="license" href="http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href=" http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016/" rel="dct:source"> http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016/</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="solbon230187@mail.ru" rel="cc:morePermissions">solbon230187@mail. ru</a>.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

he widespread use of a variety of physical and chemical research methods of hydration processes and hardening of cement, as the main component of concrete, has allowed extending idea of its structure and properties, the relationship between construction and technical properties of concrete and phase composition, microstructure, porosity of a cement stone [1]. Modification of cement and concrete using various nanomodifiers is promising because their introduction significantly improves the physical-mechanical characteristics at low dosages of additives and enables to adjust the material structure through various effects [2–13]. Carbon nanomaterials (CNM) can allocate as perspective additive from wide range of nano-additives for cement and concrete modification. The development and commercialization of carbon nanomaterials requires the optimization of methods and conditions of their production. A special place in this regard takes ways in which CNM formation occurs simultaneously. Carbon nanomaterials which were produced by these methods, along with their beneficial structure-forming effect on the material, will affect a lesser extent on the cost increase of the final product. In current research for modification of cement stone CNM was used, which was produced in the apparatus for plasma processing of coal. Under the action of plasma arc from electrode material and coal supplied for gasification in a single apparatus synthesis gas (CO+H2), activated carbon (sorbent) and a carbon nanomaterial - fullerene-containing soot (FCS) were formed [14, 15]. Fullerene-containing soot is simultaneously formed in the apparatus, which favorably distinguishes this method of production of carbon nanomaterials in comparison with others. The results of the phase composition of the FCS indicate that the content of C60 in additive is about 1.5–2%. According to the electron microscopic analysis, carbon nanomaterial has an average primary particle size of less than 100 nm [15]. For high-strength cement and concrete it is preferred to obtain ultrafine nano-carbon suspension, as well as to ensure the stability of the uniform distribution of the composite volume. For the distribution of FCS ultrasonic treatment was performed in a volume of mixing water. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Optimal content FCS as a part of Portland cement (PC) is 0.01 wt. % with the highest strength characteristics, but when the amount additive is 0.1 wt. % there is a decrease of strength of cement composites (Fig. 1). This fact is associated with a complex action mechanism of nanosized FCS, to the greatest extent manifested at very low dosages. With increasing of ultrasonic treatment time from 10 to 20 minutes, the cement stone strength increases by 5–15%. Obviously, nanosized carbon particles act as nucleation sites of cement hydration products that accelerate hydration and hardening processes, particularly in the initial period of hardening. a

Fig. 1. Physical and mechanical properties of cement stone with the FСS at the age of 2 days (a) and 28 days (b) at different times of ultrasonic treatment

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Recently, studies on the distribution of carbon nanomaterials are focused on methods that are compatible with the chemistry of Portland cement. In this regard, the use for this purpose organic solvent (benzene, toluene) will negatively effect on the cement hydration process. The basic approach is to apply commonly used superplasticizers (SP) as dispersing agents of nanoadditives [16, 17]. Introduction of additives in an amount of 0.01% together with SP S-3 lead to cement strength increasing to 21% compared with a control composition (Fig. 2). There is a slight increase in strength by 5–11% in the case of using SP «Steinberg GROS -63 MB» together with the FCS. This might due to the fact that SP based on polycarboxylates («Steinberg GROS-63 MB»), although effective for uniform distribution of nanomodifier, but when it is used to a greater extent to envelop the nanomodifier particles preventing interaction with the cement grains.

Fig. 2. The strength of the modified cement stone when using superplasticizer S-3 and «Steinberg GROS-63 MB»

The effect of the polycarboxylate type SP is based on steric effects in contrast to the SP on basis of sulfonated naphthalene-formaldehyde polycondensates («S-3»), where the electrostatic repulsion effect predominates [18–20]. Both types of SP provide around the FCS the particles adsorption layer, and in the case of SP «S-3» structure of its molecules is characterized by a linear form of the polymer chain. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Typical structure for SP «Steinberg GROS-63 MB» is the cross-linked molecules with two- or three dimensional form. This form of cross-linked molecules contributes to creation of a larger adsorption layer than the linear form of the molecules, wherein repulsion force the particles caused by SP of the polycarboxylate type nearly twice that when using SP based on naphthalene-formaldehyde polycondensates. The properties of the cement are changed due to the fact that the introduction of carbon nanomaterials accelerates the hydration process. According to different authors effect of nano-additives on the cement hydration process can detail study and reveal by determining the thermo-kinetic characteristics [21–24]. In order to identify changes in the hydration process study of cement hydration temperature was conducted (Testo 176 T4) (Fig. 3). From these results it is clear that at introduction FCS in an amount of 0.001% and 0.01%, there is an increase of maximum temperature of 5–10 degrees compared with a control composition. Temperature growth at given concentrations is more intensive compared to the control composition. At the same time, when the content of FCS is 0.1% change in temperature is slightly compared to the control composition, which correlates with the data of physical and mechanical properties of cement.

Fig. 3. Changing the temperature during cement hydration at various dosages of FCS (% of cement weight) http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

It is observed an increase in hydration temperature by 10–15% when co-introducing FCS and SP of both types (Fig. 4). It is proved that carbon nanoparticles act as active nucleation centers that accelerate the hydration processes by increasing the hydration temperature with introduction of FCS [21].

Fig. 4. Changing the temperature during the cement hydration with various superplasticizers

Comparison of hydration temperature of cement systems at introduction different types of SP shows that the polycarboxylate type of SP significantly increases the hydration temperature compared with SP based on sulfonated naphthalene-formaldehyde polycondensates. The compositions with SP «S-3» show «delayed» heat dissipation compared to compositions with SP «Steinberg GROS-63 MB». Increasing the strength of cement is not only due to the acceleration of the hydration processes, but it also includes changes in the structure and porosity of the cement stone. It is found by mercury porometry (Quantachrome PoreMaster 33) that the introduction of FCS reduces the total porosity by 12% compared with the control composition (Table 1, Fig. 5). Analysis of the data shows an improvement of capillary-porous structure of the cement stone with FCS in comparison with the structure of the cement stone without additives. In concrete technology it has developed http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Table 1 The porosity of the cement stone after 28 days of hardening Total Composition porosity, cm3/g

The pore diameter, µm 1–0.1

0.1–0.01

0.01–0.001

cm3/g

Control

0.094

0.02

21.2

0.072

76.4

0.002

2.4

PC+FCS

0.083

0.008

9.6

0.073

87.7

0.002

2.7

Fig. 5. Histograms of the pore size distribution in the cement stone: a – control sample, b – with introduction of FCS (0.01%) http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

a generalized representation that in cement concrete structure prevail micro- and macropores with a radius no greater than 10–4 cm, which should be mostly enclosed [25]. Pore size distribution in the cement stone with FCS shifts toward increasing the amount of small pores, the pore diameter of 1–0.1 microns content decreased to 11.6%, while the content of pores in the range of 0.1–0.01 microns increased to 11.3%. The changing porosity character in towards increasing amount of small micropores with FCS contributes to a dense cement stone and improves its physical and mechanical properties. The positive impact of the FCS on the properties of Portland cement leads to improved properties of modified concrete. In modified concrete compositions FCS was used with the optimal concentration of 0.01% by weight of binder, whose consumption was 300 kg/m3. The main technological, physical, mechanical and performance properties of the concrete mix and concrete have been identified (Table 2). Introduction of FCS increases concrete compressive strength by 15–20% compared with a control composition. Complex influence the FCS at different stages of hardening contributes to a high-density structure, change the character of porosity and improve the hydro-physical and operational indicators of the modified concrete. Table 2 Technological and physical-mechanical properties of modified concrete Characteristic

Indicators Control

FCS

17.5

Compressive strength, MPa, at the age 3 days 7 days 28 days

8.9 17.7 24.5

10.6 18.9 32.8

Water resistance

0.86

0.91

Water absorption, wt. %

1.4

1.1

Frost resistance, cycles

100

150

Workability of the concrete mix, cm

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

As a result of the research, there are the following conclusions: – The introduction of FCS leads to improved physical and mechanical properties of cement; – Cement hydration temperature analysis confirmed that FCS at optimum content of 0.01% leads to accelerated hydration process, which is associated with a complex structure-effect of FCS; – Reduction of the cement stone porosity is found at introduction of FCS. Changing the structure of the porosity is due to the complex effect of FCS on the processes of hydration and hardening of cement stone; – The introduction of FCS leads to improved physical-mechanical, hydro-physical and performance properties of modified concrete. The work carried out as a part of the base government assignments in the sphere of scientific work № 13.892.2014/K on the topic «Production of new composite materials from molten rocks and slag waste in plasma reactor and research of their physical and technical and operational characteristics» of East Siberia State University of Technology and Management.

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Urkhanova L.A., Lkhasaranov S.A., Buyantuev S.L., Kuznetsova A.Yu. About the influence of carbon nanomaterials on the properties of cement and concrete. Nano tehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 16–41. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

References: Artamonova O.V., Sergutkina O.R. Construction Nanomaterials: Trends and Prospects. Nauchnyj Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturnostroitel'nogo universiteta = Scientific Bulletin of the Voronezh State Architecture and Construction University. 2013, Issue 6, pp. 13–23. 2. Pukharenko Yu.V., Aubakirova I.U., Nikitin V.A. Staroverov V.D. Structure and properties of nano-modified cement systems. Intern. Congress «Science and Innovation in» the SIB-2008 construction. «Modern problems of building materials and technology». Voronezh, 2008. Vol. 1, B. 2, pp. 424–429. 3. Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes. Carbon, 2005, no. 43, pp. 1239–1245. 4. De Ibarra Y.S., Gaitero J.J., Campillo I. Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions. Phys. Status Solidi A. 2006, no. 203, pp. 1076–1081. 5. Cwirzen, A., Habermehl-Cwirzen K., Penttala V. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites. Adv. Cem. Res. 2008, no. 20, pp. 65–73. 6. Korotkikh D.N., Artamonova O.V., Chernyshov E.M. About requirements to nanomodified additives for high-strength cement concrete. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2009, no. 2, pp. 42–49. (In Russian). 7. Falikman V., Vajner A. New high performance nanoadditives for photocatalytic concrete: synthesis and study. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, no. 1, pp. 18–28. DOI: dx.doi.org/10.15828/20758545-2015-7-1-18-28. 8. Ivanov L.A., Muminova S.R. New technical solutions in nanotechnology. Part 1. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 2, pp. 52–70. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-52-70. (In Russian). 9. Gusev B.V., Petrunin S.Y. Cavitation dispersion of carbon nanotubes and modification of cement systems. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2014, Vol. 6, no. 6, pp. 50–57. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-85452014-6-6-50-57 (In Russian). 10. Tolmachev S.N., Belichenko E.A. Features of the influence of carbonaceous nanoparticles on the rheological properties of cement paste and technological properties of 1.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

the fine-grained concrete. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2014, Vol. 6, no. 5, рр. 13–29. (In Russian). Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Korzhenko A., Buryanov A.F., Kerene Ya. Maeva I.S., Khazeev D.R., Pudov I.A., Senkov S.A. Applying multi-walled carbon nanotubes dispersion for producing silicate autoclaved aerated concrete. Stroitel’nye materialy = Construction Materials. 2013. No 2. pp. 25–29. (In Russian). Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Kerene Ya., Polyanskikh I.S., Pudov I.A., Khazeev D.R., Senkov S.A. Complex additive based on carbon nanotubes and silica fume for modification autoclaved gas silicate. Stroitel’nye materialy = Construction Materials. 2014, no. 1–2, pp. 3–7. (In Russian). Pudov I.A., Yakovlev G.I., Lushnikova A.A., Izryadnova O.V. Hydrodynamic method of dispersion of multiwalled carbon nanotubes in the modification of mineral binders. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve = Intelligent systems in production. 2011, no. 2, pp. 285–293. (In Russian). Buyantuev S.L., Kondratenko A.S., Damdinov B.B. A method for producing carbon nanomaterials using low-temperature plasma energy and the installation for its implementation. Patent RU 2488984. 2013. (In Russian). Buyantuev S.L., Kondratenko A.S., Khmelev A.B. Peculiarities of carbon nanomaterials by plasma integrated coal processing. Vestnik VSGUTU = Bulletin of ESSUTM. 2013, no. 3 (42), pp. 21–25. (In Russian). Nisina T.A., Kochetkov S.N., Ponomarev A.N., Kozeev A.A. Assessment of the effectiveness nanomodifiers effects on strength and rheology of cement composites, depending on the type of plasticizing additives. Regional'naja arhitektura i stroitel'stvo = Regional architecture and engineering. 2013, no. 1, pp. 43–49. (In Russian). Ponomarev A.N., Nikitin V.A., Rybalko V.V. Study multilayer polyhedral nanoparticles fulleroid type – astralenes. Poverhnost'. Rentgenovskie, sinhrotronnye i nejtronnye issledovanija = Surface. X-ray, synchrotron and neutron research. 2006, no. 5, pp. 44–47. (In Russian). Ohta A., Sugiyama T., Tanaka Y. Fluidizing Mechanism and Application of Polycarboxylate-Based Superplasticizers. Proceedings Fifth CANMET/ACI Int. Conference. Rome, Italy. 1997. SP 173-19. Uchikawa H., Hanehara Sh. Influence of Characteristics of Sulfonic Acid-Based Admixture on Interactive Force between Cement Particles and Fluidity of Cement Paste. Proceedings Fifth CANMET/ACI Int. Conference. Rome, Italy. 1997. SP173-2.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

20. Kaprielov S.S., Batrakov V.G., Sheynfeld A.V. Modified concretes new generation: Reality and Perspectives. Beton i zhelezobeton = Concrete and reinforced concrete. 1999, no. 6, pp. 6–10. (In Russian). 21. Pukharenko Yu.V., Ryzhov D.I. The effect of nanoparticles on carbon fulleroid heat of cement paste. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov = Bulletin of Civil Engineers. 2013, no. 4, pp. 156–161. (In Russian). 22. Khuzin A.F. Kinetics of heat during hydration of the cement with complex nanomodified additive. Izvestija KGASU = News of Kazan State Architecture and Construction University, 2016, no. 1 (35), pp. 216–220. (In Russian). 23. Usherov-Marshak A.V. Additives in concrete: progress and problems. Stroitel'nye materialy = Construction Materials. 2006, no. 8, pp. 8–12. (In Russian). 24. Senff L., Labrincha J.A., Ferreira V.M., Hotza D., Repette W.L. Effect of nano silica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars. Constr. Build. Mater. 2009, no. 3, pp. 2487–2491. 25. Bazhenov Yu.M., Demyanova V.S., Kalashnikov V.I. Modified high-quality concretes. Moscow, Izdatelstvo Assotsiatsii stroitelnykh vuzov, 2006, 368 p. (In Russian).

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 666.972.16, 691.32 Автор: УРХАНОВА Лариса Алексеевна, д-р техн. наук, профессор, заведующая кафедрой «Производство строительных материалов и изделий», Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления; ул. Ключевская, 40в, г. Улан-Удэ, Российская Федерация, 670013, urkhanova@mail.ru; Автор: ЛХАСАРАНОВ Солбон Александрович, канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Производство строительных материалов и изделий», Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления; ул. Ключевская, 40в, г. Улан-Удэ, Российская Федерация, 670013, solbon230187@mail.ru; Автор: БУЯНТУЕВ Сергей Лубсанович, д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и сельского хозяйства», Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления; ул. Ключевская, 40в, г. Улан-Удэ, Российская Федерация, 670013, buyantuevsl@mail.ru; Автор: КУЗНЕЦОВА Анастасия Юрьевна, магистрант, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления; ул. Ключевская, 40в, г. Улан-Удэ, Российская Федерация, 670013, nastasyu1994@mail.ru

О ВЛИЯНИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТА И БЕТОНА

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): В статье представлены результаты исследований по модифицированию цементного камня и бетона углеродными наноматериалами, полученными в качестве сопутствующего продукта при плазменной газификации угля. Под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке попутно образуются углеродные наноматериалы – фуллеренсодержащая сажа. Данный способ производства углеродных наноматериалов является перспективным ввиду меньшего влияния на увеличение себестоимости конечного композита. Полученные при плазменной обработке углеродные наноматериалы имеют как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие в ней таких основных форм наночастиц, как «луковичные углеродные структуры» (многослойные, гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры» (нанотрубки, нановолокна). Учитывая сложность введения и равномерного распределения в цементной матрице углеродных наночастиц, склонных к агрегированию, про-

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

водилась ультразвуковая обработка углеродных наноматериалов и воды затворения. Установлена оптимальная дозировка углеродных наноматериалов в количестве 0,01 масс.%, при которой получены максимальные физико-механические показатели цементного камня. Установлено, что при использовании суперпластификаторов различной природы углеродные наноматериалы эффективно распределяются в объеме воды затворения, однако комплексный эффект улучшения показателей цемента варьируется в зависимости от вида суперпластификатора. Исследовано изменение температуры гидратации цемента при введении углеродных наноматериалов и различных суперпластификаторов. Показано, что при введении углеродных наноматериалов происходит увеличение максимальной температуры при гидратации. Введение углеродных наноматериалов повышает физико-механические и эксплуатационные свойства цемента и бетона за счет ускорения процессов гидратации портландцемента, улучшения микроструктуры и снижения пористости цементного камня. Методом ртутной порометрии установлено снижение общей пористости цементного камня при введении углеродных наноматериалов, а также изменение количества микропор цементного камня разных размеров. Определены физико-механические свойства и эксплуатационные свойства бетонов при введении углеродных наноматериалов. Установлено улучшение прочности бетона в разные сроки твердения, морозостойкости, водопоглощения и водостойкости бетона. Ключевые слова: портландцемент, углеродные наноматериалы, температура гидратации, пористость, физико-механические свойства.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Лицензия Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Произведение «О влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и бетона » созданное автором по имени <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href=" Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 16–41. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Урхано ва Л.А., Лхасаранов С. А., Буянтуев С.Л. Кузнецова А.Ю. </a>, публикуется на условиях <a rel="license" href="http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/">лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</ a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/ru_RU/ nanobuild-5-2016/" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="solbon230187@mail.ru" rel="cc:morePermissions">solbon230187@mail.ru</a>.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ирокое применение различных физико-химических методов исследований процессов гидратации и твердения цемента как основного компонента бетона позволило расширить представления о его структуре и свойствах, связи между строительно-техническими свойствами бетона и фазовым составом, микроструктурой, пористостью цементного камня [1]. Модифицирование цемента и бетона с применением различных наномодификаторов является перспективным, поскольку их введение заметно улучшает физико-механические характеристики при малых дозировках добавок и позволяет направленно регулировать структуру материала путем различных эффектов [2–13]. В числе широко применяемых для модифицирования цемента и бетона нанодобавок можно выделить углеродные наноматериалы (УНМ). Развитие и промышленное внедрение углеродных наноматериалов требует оптимизации способов и условий их получения. Особое место в этой связи занимают способы, в которых образование УНМ происходит попутно. Углеродные наноматериалы, полученные данными способами, наряду с их благоприятным структурообразующим воздействием на материал, в меньшей степени будут влиять на повышение себестоимости конечного продукта. В проводимых исследованиях для модификации цементного камня был использован УНМ, полученный на установке при плазменной обработке угля. Под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке образуются синтез-газ (СО+Н2), активированный уголь (сорбент) и углеродный наноматериал – фуллеренсодержащая сажа (ФСС) [14, 15]. Фуллеренсодержащая сажа в данной установке образуется попутно, что выгодно отличает данный способ получения углеродных наноматериалов по сравнению с другими. Результаты определения фазового состава ФСС свидетельствуют, что содержание фуллерена С60 в добавке приблизительно 1,5–2%. По данным электронно-микроскопического анализа полученный углеродный наноматериал имеет средний размер первичных частиц не более 100 нм [15]. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Для получения высокой прочности цемента и бетона предпочтительно получить ультрадисперсную наноуглеродную суспензию, а также обеспечить устойчивость равномерного распределения по объему композита. Для распределения ФСС в объеме воды затворения проводилась ультразвуковая обработка. Оптимальное содержание ФСС в составе портландцемента 0,01 масс. %, при увеличении количества добавки до 0,1 масс. % наблюдается снижение прочности цементных композитов (рис. 1). Данный факт связан с комплексным механизмом действия наноразмерной ФСС, в наибольшей мере проявляющимся при очень малых доa

Рис. 1. Физико-механические показатели цементного камня с ФСС в возрасте 2 сут (а) и 28 сут (б) при различном времени ультразвуковой обработки

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

зировках. При увеличении времени ультразвуковой обработки от 10 до 20 минут прочность цементного камня увеличивается на 5–15%. Очевидно, что частицы углеродного наномодификатора служат в качестве центров кристаллизации продуктов гидратации цемента, что ускоряет процессы его гидратации и твердения, особенно в начальные сроки твердения. Исследования по распределению углеродных наноматериалов сосредоточены на методах, совместимых с химией портландцемента. В этой связи применение для этой цели органических растворителей (бензола, толуола) будет неблагоприятно сказываться на процессах гидратации цемента. Основной подход заключается в том, чтобы применять повсеместно используемые суперпластификаторы (СП) в качестве диспергирующих агентов нанодобавок [16, 17]. Введение добавки в количестве 0,01% совместно с СП С-3® повышает прочность цемента на 21% по сравнению с контрольным бездобавочным составом (рис. 2). В случае использования СП «Штайнберг GROS-63 MB» совместно с ФСС происходит незначительное увеличение прочности – на 5–11%. Это связано с тем, что СП на основе поликарбоксилатов хотя и эффективен для равномерного распределения наномодификатора, но при его использовании в большей степени происходит обволакивание частиц наномодификатора, препятствующего взаимодействию с цементным зерном.

Рис. 2. Прочность модифицированного цементного камня при применении суперпластификаторов С-3 и «Штайнберг GROS-63 MB»

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Эффект действия СП поликарбоксилатного типа основан на стерическом эффекте в отличие от СП на основе сульфированных нафталинформальдегидных поликонденсатов, где преобладает эффект электростатического отталкивания [18–20]. СП обоих типов создают вокруг частиц ФСС адсорбционный слой, причем в случае СП С-3® строение его молекул характеризуется линейной формой полимерной цепи. Для СП «Штайнберг GROS-63 MB» характерно строение молекул с поперечными связями и двух- или трехмерная форма. Данная форма молекул с поперечными связями способствует созданию более объемного адсорбционного слоя по сравнению с линейной формой молекул, при этом силы отталкивания частиц, вызываемые СП поликарбоксилатного типа, почти вдвое больше, чем при использовании СП на основе нафталин-формальдегидных поликонденсатов. Изменение свойств цемента обусловлено тем, что введение углеродных наноматериалов способствует ускорению процесса гидратации. По данным разных авторов эффект воздействия наномодифицирующих добавок на процесс гидратации цемента можно более подробно изучить и раскрыть путем определения термокинетических характеристик [21–24]. Для выявления изменения процессов гидратации было проведено исследование температуры гидратации цемента термосным способом (Testo 176 T4) (рис. 3). Из представленных результатов видно, что при введении ФСС в количестве 0,001 и 0,01% происходит повышение максимальной температуры на 5–10 град. по сравнению с контрольным бездобавочным составом. Темп нарастания температуры при данных концентрациях более интенсивен по сравнению с контрольным составом. В то же время, при содержании добавки 0,1% изменение температуры незначительно по сравнению с контрольным составом, что коррелирует с данными физико-механических свойств цемента. При введении ФСС в составах с СП обоих типов наблюдается повышение температуры гидратации на 10–15% (рис. 4). Повышение температуры гидратации при введении ФСС доказывает предположение о действии углеродных наночастиц в качестве активных центров зародышеобразования кристаллогидратов, способствующих ускорению процесса гидратации [21]. При сравнении температуры гидратации цементных систем при введении СП различных типов установлено, что СП поликарбоксилатhttp://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 3. Изменение температуры при гидратации цемента при различных концентрациях ФСС (% от массы цемента)

Рис. 4. Изменение температуры при гидратации цемента с различными суперпластификаторами

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ного типа значительно повышает температуру гидратации по сравнению с СП на основе сульфированных нафталин-формальдегидных поликонденсатов. Составы с СП С-3 показали «отложенное» тепловыделение по сравнению с составами с СП «Штайнберг GROS-63 MB». Повышение прочности модифицированного цемента происходит не только благодаря ускорению процессов его гидратации, но в том числе благодаря изменению структуры и пористости цементного камня. Методом ртутной порометрии (Quantachrome PoreMaster 33) установлено, что введение ФСС приводит к снижению суммарной пористости на 12% по сравнению с контрольным составом (табл. 1, рис. 5). Анализ данных показывает улучшение капиллярно-пористой структуры цементного камня при введении ФСС в сравнении со структурой цементного камня без добавок. В технологии бетона сложилось обобщенное представление, что в структуре цементных бетонов должны преобладать микро- и макропоры с радиусом, не превышающим 10–4 см, которые должны быть большей частью замкнутыми или тупиковыми [25]. Распределение пор по размерам в цементном камне с ФСС сдвигается в сторону увеличения количества мелких пор, содержание пор диаметром 1–0,1 мкм снизилось на 11,6%, в то же время содержание пор в интервале 0,1–0,01 мкм повысилось на 11,3%. Изменение характера пористости в сторону увеличения количества мелких микропор при введении ФСС способствует созданию плотной структуры цементного камня и улучшению его физико-механических свойств. Положительное влияние ФСС на свойства портландцемента приводит к улучшению свойств модифицированного бетона. При подборе соТаблица 1 Пористость цементного камня после 28 суток твердения Диаметр пор, мкм

Суммарная пористость, см3/г

см3/г

Контрольный (без добавок)

0,094

0,02

21,2

0,072

76,4

0,002

2,4

ПЦ+ФСС

0,083

0, 008

9,6

0,073

87,7

0,002

2,7

Состав

http://nanobuild.ru

1–0,1

0,1–0,01

0,01–0,001

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 5. Гистограммы распределения пор по размерам в цементном камне: а – контрольный образец, б – с введением ФСС (0,01%)

ставов модифицированных бетонов класса В20 использована ФСС с оптимальной концентрацией 0,01% от массы вяжущего, расход которого составил 300 кг/м3. Были определены основные технологические, физико-механические и эксплуатационные свойства бетонной смеси и бетона (табл. 2). Введение ФСС увеличивает прочность при сжатии бетона на 15–20% по сравнению с контрольным бездобавочным составом. Комплексное воздействие ФСС на разных этапах твердения бетона способствует созданию высокоплотной структуры, изменению характера пористости и улучшению гидрофизических и эксплуатационных показателей модифицированного бетона. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Таблица 2 Технологические и физико-механические свойства модифицированных бетонов Характеристика

Показатели Контрольный

ФСС

17 (П4)

17,5 (П4)

Прочность при сжатии, МПа, в возрасте 3 сут 7 сут 28 сут

8,9 17,7 24,5

10,6 18,9 32,8

Водостойкость, Кразм

0,86

0,91

Водопоглощение по массе, %

1,4

1,1

Морозостойкость, циклы

100

150

Подвижность бетонной смеси, см

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: – введение ФСС приводит к улучшению физико-механических свойств цемента; – анализ температуры гидратации цемента подтверждает, что введение ФСС при оптимальном содержании 0,01% приводит к ускорению процесса гидратации, что связано со структурообразующим комплексным действием ФСС; – методом ртутной порометрии установлено снижение пористости цементного камня при введении ФСС. Изменение структуры пористости происходит благодаря комплексному воздействию ФСС на процессы гидратации и твердения цементного камня; – введение ФСС приводит к улучшению физико-механических, гидрофизических и эксплуатационных свойств тяжелого бетона. Статья подготовлена в рамках выполнения проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 13.892.2014/K по теме «Получение новых композиционных материалов из расплавов горных пород и золошлаковых отходов в плазменнодуговом реакторе и исследование их физико-технических и эксплуатационных свойств» ВСГУТУ. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Уважаемые коллеги!

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

Урханова Л.А., Лхасаранов С. А., Буянтуев С.Л. Кузнецова А.Ю. О влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и бетона // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 16–41. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41.

Dear colleagues!

Библиографический список: 1.

Артамонова О.В., Сергуткина О.Р. Строительные наноматериалы: тенденции развитий и перспективы // Научный Вестник воронежского государственного архитектурно-строительного университета. – 2013. – Вып. 6. – С. 13–23. Пухаренко Ю.В., Аубакирова И.У., Никитин В.А., Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифицированных цементных систем // Междунар. конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. – Воронеж. 2008, – Т. 1, кн. 2. – С. 424–429. Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes // Carbon. 2005. № 43. P. 1239–1245. De Ibarra Y.S., Gaitero J.J., Campillo I. Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions // Phys. Status Solidi A. 2006. № 203. P. 1076–1081.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

10.

11.

12.

13.

14.

Cwirzen A., Habermehl-Cwirzen K., Penttala V. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites // Adv. Cem. Res. 2008. № 20. P. 65–73. Коротких Д.Н., Артамонова О.В., Чернышов Е.М. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов // Нанотехнологии в строительстве. – 2009. – № 2. – С. 42–49. Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Новые высокоэффективные нанодобавки для фотокаталитических бетонов: синтез и исследование // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 1. – С. 18–28. – DOI: dx.doi.org/10.15828/20758545-2015-7-1-18-28. Иванов Л.А., Муминова С.Р. Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 2. – С. 52–70. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-52-70. Гусев Б.В., Петрунин С.Ю. Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок и модифицирование цементных систем // Нанотехнологии в строительстве. – 2014. – Том 6, № 6. – С. 50–57. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-85452014-6-6-50-57. Толмачев С.Н., Беличенко Е.А. Особенности влияния углеродных наночастиц на реологические свойства цементного теста и технологические свойства мелкозернистых бетонов // Нанотехнологии в строительстве. – 2014. – Том 6, № 5. – С. 13–29. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Корженко А., Бурьянов А.Ф., Керене Я., Маева И.С., Хазеев Д.Р., Пудов И.А., Сеньков С.А. Применение дисперсий многослойных углеродных нанотрубок при производстве силикатного газобетона автоклавного твердения // Строительные материалы. – 2013. – № 2. – С. 25–29. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Керене Я., Полянских И.С., Пудов И.А., Хазеев Д.Р., Сеньков С.А. Комплексная добавка на основе углеродных нанотрубок и микрокремнезема для модификации газосиликата автоклавного твердения // Строительные материалы. – 2014. – № 1–2. – С. 3–7. Пудов И.А., Яковлев Г.И., Лушникова А.А., Изряднова О.В. Гидродинамический способ диспергации многослойных углеродных нанотрубок при модификации минеральных вяжущих // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 2. – С. 285–293. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Дамдинов Б.Б. Способ получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления // Патент РФ № 2488984. 2013.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

15. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Хмелев А.Б. Особенности получения углеродных наноматериалов методом комплексной плазменной переработки углей // Вестник ВСГУТУ. – 2013. – № 3 (42). – С. 21–25. 16. Низина Т.А., Кочетков С.Н., Пономарев А.Н., Козеев А.А. Оценка эффективности влияния наномодификаторов на прочностные и реологические характеристики цементных композитов в зависимости от вида пластифицирующих добавок // Региональная архитектура и строительство. – 2013. – № 1. – С. 43–49. 17. Пономарев А.Н., Никитин В.А., Рыбалко В.В. Исследование многослойных полиэдрических наночастиц фуллероидного типа – астраленов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2006. – № 5. – С. 44–47. 18. Ohta A., Sugiyama T., Tanaka Y. Fluidizing Mechanism and Application of Polycarboxylate-Based Superplasticizers // Proceedings Fifth CANMET/ACI Int. Conference. Rome, Italy. – 1997. SP 173-19. 19. Uchikawa H., Hanehara Sh. Influence of Characteristics of Sulfonic Acid-Based Admixture on Interactive Force between Cement Particles and Fluidity of Cement Paste // Proceedings Fifth CANMET/ACI Int. Conference. Rome, Italy. – 1997. SP173-2. 20. Каприелов С.С., Батраков В.Г., Шейнфельд А.В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива // Бетон и железобетон. – 1999. – № 6. – С. 6–10. 21. Пухаренко Ю.В., Рыжов Д.И. О влиянии углеродных фуллероидных наночастиц на тепловыделение цементного теста // Вестник гражданских инженеров. – 2013. – № 4. – С. 156–161. 22. Хузин А.Ф. Кинетика тепловыделения при гидратации цемента, модифицированного комплексной наномодифицированной добавкой // Известия КГАСУ. – 2016. – № 1 (35). – С. 216–220. 23. Ушеров-Маршак А.В. Добавки в бетон: прогресс и проблемы // Строительные материалы. – 2006. – № 8. – С. 8–12. 24. Senff L., Labrincha J.A., Ferreira V.M., Hotza D., Repette W.L. Effect of nanosilica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars, Constr. Build. Mater. – 2009. – № 23. – Р. 2487–2491. 25. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. – М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. – 368 с.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

UDC 691.32 Author: STROKOVA Valeria Valerievna, Professor, Dr. of Technical Sciences Director of Innovation scientific and educational and experimental-industrial center of «Nanostructured composite materials», Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education «Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov»; Kostukova street, 46, Belgorod, Russia, 308012; vvstrokova@gmail.com; Author: OGURTSOVA Yulia Nikolaevna, PhD in Technical Sciences, junior research assistant of Research Institute of «Nanosystems in building material science», Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education «Belgorod State Technological University named after . V.G. Shoukhov»; Kostukova street, 46, Belgorod, Russia, 308012; ogurtsova.y@yandex.ru; Author: BOTSMAN Larisa Nikolaevna, Associate professor, PhD in Technical Sciences, Assistant professor of the Department of Materials Science and Technology, Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education «Belgorod State Technological University named after . V.G. Shoukhov»; Kostukova street, 46, Belgorod, Russia, 308012; lora80@list.ru

EPICRYSTAL MODIFICATION OF CONSTRUCTION COMPOSITES OF DIFFERENT PURPOSE WITH APPLICATION OF GRANULATED NANOSTRUCTURED AGGREGATE

Extended Abstract: The paper shows that the volume impregnation of the concrete matrix in case of using granular nanostructured aggregate is an example of several anthropogenic metasomatosis such as phase replacement with the change of the chemical composition, as well as formation of new paragenesises, transformation of characteristics of final material. It is shown the impregnation of concrete with modifying solution results in microstructure impaction and homogenization; grain surface is covered with micro- and nano-sized new formations with different morphology. Considering the relevance of researches related to the development of new lightweight concrete aggregates and modification of traditionally used aggregates application of nanostructured granular aggregate for the implementation epicrystal modification of lightweight concrete based on inorganic binders is proposed. It allows creating composite macroporous structure with joint modification of the matrix on nano- and microlevel. Also, in view of increase in number of researches devoted to alkali-activated silicate and aluminosilicate systems for application as individually and as modifiers for increasing of hydrophobic properties of building materials, the possibility of creating a fine-grained concrete

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

with low water absorption by the introduction of hydrophobic additives into the composition of granular nanostructured aggregate is demonstrated. During the steam treatment the fluids from solutions of sodium polysilicates and hydrophobic additives are form at the core of the granular aggregate with its later migration through the shell of the granules and spreading in the volume of the concrete matrix. Improving of performance characteristics presented construction composites for various purposes is defined by the infiltrational metasomatic transformation of crystalline matrix with the activated functional systems, obtained during the thermal activation of granulated nanostructured aggregate. Key words: anthropogenic metasomatosis, epicrystal modification, granular nanostructured aggregate, lightweight concrete, fine-grained concrete.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Epicrystal modification of construction composites of different purpose with application of granulated nanostructured aggregate by <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no.5, pp. 42–59. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59" property="cc:attributionName" rel=" cc:attributionURL">Strokova V.V., Ogurtsova Y.N., Botsman L.N. </a> is licensed under a <a rel="license" href="http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href=" http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016/" rel="dct:source"> http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016/</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="ogurtsova.y@yandex.ru" rel="cc:morePermissions">ogurtsova.y@ yandex.ru</a>.

References: 1.

Haq E.U., Padmanabhan S.K., Karim M.R.A., Licciulli A. Setting and curing of mortars obtained by alkali activation and inorganic polymerization from sodium silicate and silica aggregate. Construction and Building Materials. 2016, Vol. 105, pp. 291–296. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.064 Abramovskaya I.R., Ayzenstadt A.M., Frolova M.A., Veshnyakova L.A., Tutygin A.S. Jenergetika vysokodispersnyh kompozitov gornyh porod [The energy of highly dispersed rock composites]. Nanotehnologii v stroitel'stve = Nanotechnologies in Construction. 2013, Vol. 5, № 3, pp. 56–65. Available online: http://nanobuild. ru/ru_RU (Accessed date: 11.07.2016). (In Russian).

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Nelubova V.V., Kobzev V.A., Sivalneva M.N., Podgorniy I.I., Palshina Yu.V. Osobennosti nanostrukturirovannogo vjazhushhego v zavisimosti ot genezisa syr'ja [Features of nanostructured binder according to the genesis of raw materials]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov]. 2015, № 2, pp. 25–29. (In Russian). 4. Nelubova V.V., Bukhalo A.B., Anishchenko T.A., Krivetcki V.V. Nekotorye aspekty primenenija nanorazmernyh modifikatorov s uchetom ih svojstv [Some nanosized modifiers application aspects taking into account their properties]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov]. 2009, № 4, pp. 47–50. (In Russian). 5. Korzhinsky D.S. Teorija metasomaticheskoj zonal'nosti [Theory of Metasomatic Zoning]. Moscow, Nauka Publ., 1969. 115 p. (In Russian). 6. Tyutyunova F.I. Gidrogeohimija tehnogeneza [Hydrochemistry of Technogenesis]. Moscow: Nauka Publ., 1987. 335 p. (In Russian). 7. Lesovik V.S., Volodchenko A.A. Tehnogennyj metasomatoz v stroitel'nom materialovedenii [Technogenic metasomatism in construction materials]. Strojsib – 2015. Stroitel'nye materialy – 4S: sostav, struktura, sostojanie, svojstva. Mezhdunarodnyj sbornik nauchnyh trudov [Stroysib – 2015 Building Materials – 4C: composition, structure, state, properties. International collection of research papers]. Novosibirsk, 2015, pp. 26–30. (In Russian). 8. Lesovik V.S., Volodchenko A.A. K probleme tehnogennogo metasomatoza v stroitel'nom materialovedenii [The problem of technogenic metasomatose in materials science]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov]. 2015, № 4, pp. 38–41. (In Russian). 9. Strokova V.V., Maksakov A.V., Zhernovsky I.V., Ogurtsova Y.N. Granulirovannyj nanostrukturirujushhij zapolnitel' prolongirovannogo dejstvija na osnove syr'ja razlichnyh tipov dlja legkih betonov [Granular nanostructured aggregate sustained action on the basis of different types of raw materials for lightweight concrete]. Belgorod, Publishing house of BSTU named after V.G. Shoukhov, 2012. 118 p. (In Russian). 10. Strokova V.V., Zhernovsky I.V., Maksakov A.V., Ogurtsova Y.N., Solovyova L.N. Posledovatel'nost' processov formirovanija cemento-peschanoj matricy betona pri ispol'zovanii granulirovannogo nanostrukturirujushhego zapolnitelja [Consequence of forming processes cement-sand matrix of concrete with using of granu-

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

lar nanostructured aggregate]. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education]. 2012, № 6. Available online: http://www. science-education.ru/106-7874 (Accessed date: 24.12.2012). (In Russian). Lesovik V.S., Mospan A.V., Belentcov Y.A., Ryapukhin N.V. Silikatnye izdelija na granulirovannyh zapolniteljah dlja sejsmostojkogo stroitel'stva [Load-bearing structural insulating materialwith granulated filler for earthquake resistant building]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov]. 2012, № 4, pp. 62–65. (In Russian). Yanakhmetov M. R., Chuykin A.E., Massalimov I.A. Modificirovanie porovoj struktury cementnyh betonov propitkoj serosoderzhashhimi rastvorami [Pore structure modification of cement concretes by impregnation with sulfur-containing compounds]. Nanotehnologii v stroitel'stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, № 1, pp. 63–72. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-6372. (In Russian). Inozemtcev A.S., Korolev E.V. Prochnost' nanomodificirovannyh vysokoprochnyh legkih betonov [Strength of nanomodified high-strength lightweight concretes]. Nanotehnologii v stroitel'stve = Nanotechnologies in Construction. 2013, Vol. 5, № 1, pp. 24–38. Available online: http://nanobuild.ru/ru_RU (Accessed date: 11.07.2016). (In Russian). Bubenkov O.A., Ketov A.A., Ketov P.A., Ketov Y.A., Lobastov S.V. Sintez melkogranulirovannogo penostekljannogo materiala iz prirodnogo amorfnogo oksida kremnija s nanorazmernoj poristost'ju [Synthesis of fine foamed glass material made from natural amorphous silica oxide with nanodimensional porosity]. Nanotehnologii v stroitel'stve = Nanotechnologies in Construction. 2010, Vol. 2, № 4, pp. 14– 21. Available online: http://nanobuild.ru/ru_RU (Accessed date: 29.06.2016). (In Russian). Mueller A., Schnell A., Ruebner K. The manufacture of lightweight aggregates from recycled masonry rubble. Construction and Building Materials. 2015, Vol. 98, pp. 376–387. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.027 Kanellopoulos A., Qureshi T.S., Al-Tabbaa A. Glass encapsulated minerals for selfhealing in cement based composites. Construction and Building Materials. 2015, Vol. 98, pp. 780–791. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.08.127. Ishchenko K.M., Suleymanova L.A., Zhernovskiy I.V. O vozmozhnosti i sposobah primenenija anionnoaktivnyh kremnijorganicheskih gidrofobizatorov dlja obrabotki materialov na osnove vspuchennogo perlitovogo peska i othodov ego proizvodstva [The possibility and methods of anionnoaktivnyh organosilicon water re-

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

18.

19. 20.

21.

22. 23. 24.

pellent material handling based swollen perlitic sand waste and its production]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov]. 2012, № 3, pp. 60–63. (In Russian). Song Z., Xue X., Li Y., Yang J., He Z., Shen S., Jiang L., Zhang W., Xu L., Zhang H., Qu J., Ji W., Zhang T., Huo L., Wang B., Lin X., Zhang N. Experimental exploration of the waterproofing mechanism of inorganic sodium silicate-based concrete sealers // Construction and Building Materials. 2016, Vol. 104, pp. 276–283. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.069 Batrakov V.G. Modificirovannye betony. Teorija i praktika [Modified concrete. Theory and practice]. Moscow: Technoprojekt Publ., 1998. 768 p. (In Russian). Demyanova V.S., Kalashnikov V.I., Ilyina I.E., Kazina G.N. Sistemnyj podhod pri razrabotke mnogokomponentnyh bystrotverdejushhih vysokoprochnyh betonov povyshennoj vodostojkosti [A systematic approach in the development of multicomponent quick-hardening high-strength concrete increased water resistance]. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo [Proceedings of the higher educational institutions. Building]. 2005, № 10, pp. 28–34. (In Russian). Khigerovich M.I., Bayer V.E. Gidrofobno-plastificirujushhie dobavki dlja cementa, rastvorov i betonov [Hydrophobic plasticizing additives for cement, mortar and concretes]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1979. 124 p. (In Russian). Taylor H. Himija cementa [Cement Chemistry]. Moscow, Mir Publ., 1996. 560 p. (In Russian). Akhverdov I.N. Osnovy fiziki betona [Basics of physics concrete]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1981. 465 p. (In Russian). Jennings H.M., Pratt P.L. On the Hydration of Portland Cement. Proceedings of the British Ceramic Society. 1979, № 28, pp. 179–193.

Dear colleagues!

T he reference to this paper has the following citation format: Strokova V.V., Ogurtsova Y.N., Botsman L.N. Epicrystal modification of construction composites of different purpose with application of granulated nanostructured aggregate. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no.5, pp. 42–59. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-542-59. (In Russian).

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 691.32 Автор: СТРОКОВА Валерия Валерьевна, профессор, д-р техн. наук, директор ИНО и ОПЦ «Наноструктурированных композиционных материалов», ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова, 46, . Белгород, Россия, 308012; vvstrokova@gmail.com; Автор: ОГУРЦОВА Юлия Николаевна, канд. техн. наук, мл. научный сотрудник НИИ «Наносистемы в строительном материаловедении», ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова, 46, Белгород, Россия, 308012; ogurtsova.y@yandex.ru; Автор: БОЦМАН Лариса Николаевна, доцент, канд. техн. наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов, ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова, 46, Белгород, Россия, 308012; lora80@list.ru

ЭПИКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАНУЛИРОВАННОГО НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): В работе показано, что объемная пропитка бетонной матрицы при использовании гранулированного наноструктурирующего заполнителя выступает примером некоторых процессов техногенного метасоматоза – процесса замещения фаз с изменением химического состава, формирования новых парагенезисов, преобразования свойств конечного материала. Показано, что в результате пропитки модифицирующим раствором микроструктура бетона становится более плотной и однородной, поверхность зерен покрыта микро- и наноразмерными новообразованиями различной морфологии. Ввиду актуальности направления, связанного с разработкой новых заполнителей легких бетонов и модификации традиционных, предлагается использование гранулированного наноструктурирующего заполнителя для реализации эпикристализационного модифицирования легких бетонов на основе неорганических вяжущих. Это позволяет создать макропористую структуру композита с одновременной модификацией матрицы на нано- и микроуровне. Также ввиду увеличения объемов исследований в области щелочеактивированных силикатных и алюмосиликат-

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ных систем для применения как в самостоятельном виде, так и в качестве модификаторов, в том числе для повышения гидрофобности строительных материалов, показана возможность создания мелкозернистого бетона с пониженным водопоглощением путем введения в состав гранулированного наноструктурирующего заполнителя гидрофобизирующей добавки. При тепловлажностной обработке в ядре гранулированного заполнителя формируются флюиды из растворов полисиликатов натрия с гидрофобизирующей добавкой, происходит их миграция через оболочку гранул и распределение в объеме бетонной матрицы. Улучшение эксплуатационных характеристик представленных строительных композитов различного функционального назначения обусловлено инфильтрационным метасоматическим преобразованием кристаллической матрицы активированными функциональными системами, полученными при термической активации гранулированного наноструктурирующего заполнителя. Ключевые слова: техногенный метасоматоз, эпикристаллизационное модифицирование, гранулированный наноструктурирующий заполнитель, легкий бетон, мелкозернистый бетон.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Лицензия Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Произведение «Эпи кристаллизационное модифицирование строительных композитов различного функционального назначения с использованием гранулированного наноструктурирующего заполнителя» созданное автором по имени <a xmlns:cc="http:// creativecommons.org/ns#" href="Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 42–59. – DOI:dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Строкова В.В., Огурцова Ю.Н., Боцман Л.Н. </a>, публикуется на условиях <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/">лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/" rel="dct:source">http:// nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="ogurtsova.y@yandex.ru" rel="cc:morePermission s">ogurtsova.y@yandex.ru</a>.

учетом актуальности направления, связанного с адаптацией природных процессов при синтезе и производстве современных композиционных материалов и их составляющих, перспективным является использование механизмов геологических процессов и энергетики сырьевых материалов при модифицировании кристаллической матрицы строительных композитов [1–4]. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

В частности, при производстве цементных материалов может быть использован изученный и описанный в геологической литературе процесс инфильтрационного метасоматоза [5]. Метасоматоз (от греч «мета» – после, «сома» – тело) – эндогенный процесс твердофазового замещения пород под действием флюида, приводящий к существенному изменению их минерального и химического состава [5]. При переносе природных процессов на техногенные рядом исследователей описаны примеры техногенного метасоматоза. Техногенный метасоматоз трактуется различным образом: как необратимый химический процесс локального замещения минералов горных пород новыми твердыми фазами в результате их взаимодействия с метаморфизованными подземными водами [6]; как стадия в эволюции строительных материалов, характеризующаяся приспособлением композита к изменяющимся, при эксплуатации зданий и сооружений, условиям, т.е. как химическое взаимодействие в системе «вяжущее – заполнитель – наполнитель – добавки – поровый – раствор – окружающая среда» с изменением химического состава, при котором растворение исходных компонентов и синтез новообразований происходит почти одновременно [7, 8]. Реализация данного механизма в цементной матрице может быть осуществлена путем создания условий для формирования активированных функциональных (протогенетических) систем при термической обработке композита. Формирование таких систем возможно при использовании гранулированного наноструктурирующего заполнителя (ГНЗ) [9, 10]. Введение данного заполнителя в состав бетонной смеси и последующая термическая обработка обеспечивает эпикристаллизационное модифицирование [9] кристаллической матрицы материала. Эпикристаллизационным (эпи... – от греч. ерí – после) модифицированием при синтезе искусственных композитов (строительных материалов) на основе неорганических вяжущих называется инфильтрационное метасоматическое преобразование активированными функциональными (протогенетическими) минеральными системами кристаллической матрицы материала с целью образования новых парагенезисов или преобразования поверхностей минеральных индивидов [9]. Компонентами ГНЗ являются: кремнеземное сырье, щелочной активатор, жидкое стекло в качестве связки, портландцемент (а также известь или мел) в качестве материала оболочки. Физико-механические и функциональные характеристики ГНЗ определяются: особенностями http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

кремнеземного сырья, в частности, содержанием аморфного SiO2; соотношением кремнеземного и щелочного компонентов; условиями производства (параметрами гранулятора) (табл. 1). Таблица 1 Свойства гранулированного наноструктурирующего заполнителя Состав заполнителя

Свойства заполнителя

Дозировка щелочного активатора, % от массы кремнеземного сырья

Размер гранул, мм

Кислота Хемогенный кремниевая техногенный водная

0,63–10

700–750

0,3–0,49

Опока

Хемогенный осадочный

0,63–10

720–870

0,32–1,47

Трепел

Органогенный осадочный

0,63–10

758–873

0,85–1,47

Зола-уноса

Пирогенный техногенный

0,315–1,25

851–895

1,50–1,64

Кремнеземное сырье

Вид

Генетический тип

Прочность Насыпная при сдавливании плотность, 3 в цилиндре, кг/м МПа

Принцип действия ГНЗ заключается в щелочной активации кремнеземного сырья в ядре заполнителя с последующей пропиткой бетонной матрицы образовавшимся раствором. Эпикристаллизационное модифицирование бетонной матрицы может быть использовано для получения строительных композитов различного функционального назначения [9].

Легкие бетоны Использование ГНЗ в легких бетонах в качестве альтернативы керамзитовому гравию обусловлено их способностью к активному химическому взаимодействию с цементной матрицей, повышению ее водоhttp://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

стойкости, прочностных характеристик и снижению теплопроводности композита в целом. Как правило, использование пористых заполнителей для легких бетонов, как природных, так и искусственных, приводит к существенному влагопоглощению, что существенно ухудшает их теплозащитные характеристики при эксплуатации. Также большинство традиционных заполнителей имеют слабую контактную зону с цементным камнем, обусловленную отсутствием либо слабым химическим взаимодействием вещества заполнителя с продуктами гидратации цемента. В данном случае контактный слой включает два независимых компонента – контактную зону заполнителя, прилегающую к цементному камню, и контактную зону цементного камня около поверхности заполнителя. Поиск путей решения данной проблемы является актуальным направлением исследований как в России, так и за рубежом [12–16]. Использование ГНЗ позволяет исключить данный недостаток традиционных заполнителей за счет воздействия образующегося в ядре ГНЗ, во время тепловлажностной обработки (ТВО), раствора полисиликатов натрия на цементно-песчаную матрицу бетона и формирования плотной контактной зоны. Анализ микроструктурных особенностей ГНЗ и бетонной матрицы после ТВО позволяет описать механизм эпикристаллизационного модифицирования. Во время ТВО изделий из бетона на основе ГНЗ отмечается активное взаимодействие в ядре между кремнеземной породой и гидроксидом натрия с образованием водорастворимых силикатов натрия. Из ядра выщелачивается аморфный кремнезем, и в результате на месте ГНЗ остаются пустоты, наполненные малоактивными кристаллическими частицами (рис. 1). Мигрируя через трещины защитной оболочки гранул, силикаты натрия пропитывают цементно-песчаную матрицу изделия (рис. 2). Данный процесс ведет к формированию малорастворимых соединений на основе силикатов натрия, в т.ч. пленки натросилита на поверхности порового пространства бетона (рис. 3), исправлению («залечиванию») дефектов в структуре цементно-песчаной матрицы, заполнению микрои наноразмерных пор цементного камня, что способствует формированию монолитной контактной зоны между заполнителем и бетонной матрицей, препятствует процессам миграции воды, повышая тем самым водонепроницаемость строительного изделия в целом. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

а)

б)

Рис. 1. Внутренняя поверхность ядра ГНЗ после ТВО: а) на основе кислоты кремниевой водной; б) на основе опоки (респ. Мордвия)

Рис. 2. Структура бетона с ГНЗ после ТВО

Введение гранулированного наноструктурирующего заполнителя пролонгированного действия в состав цементной матрицы легкого бетона позволяет при помощи эпикристаллизационного модифицирования системы создавать плотную, монолитную композицию с минимальным количеством дефектов и трещин, что повышает прочностные показатели бетона, а также снижает водопоглощение, позволяет сохранять низкие показатели теплопроводности во влажных условиях (табл. 2). http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 3. ИК-спектральная диагностика 2D-нанообразований в цементном камне с ГНЗ [10]

Таблица 2 Свойства легкого бетона с гранулированным наноструктурирующим заполнителем Свойства легкого бетона Вид заполнителя

Средняя плотность, кг/м3

Предел прочности при сжатии, МПа

Водопоглощение, %

Теплопроводность, Вт/(м·К)

ГНЗ на основе: – кислоты кремниевой водной

1200–1300

10,5–11,2

4–6

0,15–0,30

– опоки

1700–1740

7,3–11,8

7–10

0,37–0,38

– трепела

1650–1720

7,0–11,3

7–10

0,31–0,32

Керамзитовый гравий

1200–1300

11,5–13,5

15–20

0,36–0,47

Мелкозернистые бетоны с пониженным водопоглощением Традиционно для повышения гидрофобности бетонных изделий используются гидрофобизирующие покрытия или гидрофобизирующие добавки [17, 18]. Согласно принципу действия, гидрофобизирующие http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

добавки способны «точечно» или в виде полимерных нерастворимых пленок адсорбироваться на поверхности минеральных компонентов, в частности, цементных частиц. После введения гидрофобизирующей добавки с сухими компонентами бетонной смеси или с водой затворения на поверхности минеральных частиц образуется «ворс» из углеводородных радикалов, который сокращает диффузию воды к их поверхности и уменьшает смачивание. В результате скорость гидратации цемента снижается, что негативно сказывается на прочности конечных изделий [19–21]. Использование ГНЗ в качестве носителя гидрофобизирующей добавки позволяет исключить процесс формирования гидрофобных адсорбционных оболочек на поверхности цементных частиц. В данной работе предлагается механизм взаимодействия компонентов в системе «мелкозернистый бетон – гранулированный заполнитель» при ТВО (рис. 4), основанный на двух параллельных процессах. Первый процесс связан с действием гидрофобизирующей добавки, инкапсулированной в гранулированный заполнитель. Предварительная выдержка (рис. 4 а). Ранее установлено оптимальное и достаточное время предварительной выдержки бетона с ГНЗ до ТВО – 10 часов [9]. К этому моменту [19, 22] уже активно идут процессы гидратации клинкерных минералов с образованием C–S–H и CH. Частицы цемента покрываются слоем новообразований – «гелевой оболочкой», продолжается постепенное поглощение воды из пор геля и гидратных (сольватных) оболочек [23], образованных вокруг поверхности а)

б)

в)

Рис. 4. Механизм взаимодействия компонентов в системе «кристаллическая матрица – гранулированный заполнитель»

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

цементных зерен, и уплотнение геля. К этому времени в системе имеется значительное количество портландита (он начинает кристаллизоваться уже после 4 часов гидратации) [24]. При использовании гранулированного заполнителя в результате предварительного твердения в течение 10 ч частично прогидратированные зерна цемента покрываются слоем новообразований – «гелевой оболочкой», что предотвращает образование «ворса» из углеводородных радикалов гидрофобизатора. При ТВО в ядре гранулированного заполнителя (рис. 4 б) формируются флюиды из растворов полисиликатов натрия с гидрофобизирующей добавкой, происходит их миграция через оболочку гранул и распределение в объеме бетонной матрицы. Это обеспечивает: гидрофобизацию поверхностей межпоровых перегородок бетонной матрицы; заполнение гидрофобизирующим раствором пор и пустот между зернами мелкого заполнителя и цемента, покрытых сольватной оболочкой, не предотвращая диффузию воды, т.е. без нарушения процессов гидратации. Таким образом, реализуется механизм гидрофобизации бетонной матрицы «изнутри», равномерная пропитка пор и пустот гидрофобизирующим раствором по всей толще материала. Второй процесс обусловлен взаимодействием алюмосиликатных растворов с продуктами гидратации, что приводит к формированию в составе цементного камня водонерастворимых новообразований (рис. 4 в, рис. 5). Изучая и описывая процессы, протекающие в зоне контакта ГНЗ с бетонной матрицей, нами было предложено рассматривать их как локальное (в силу малых зон воздействия флюидов) инфильтрационное метасоматическое воздействие [10]. В результате эпикристаллизационного воздействия происходит изменение как состава композита, так и его структуры на различных размерных уровнях. При использовании ГНЗ с гидрофобизирующей добавкой реализуется механизм эпикристаллизационного воздействия коллоидных алюмосиликатных растворов, формируемых при ТВО в ядре заполнителя и мигрирующих в цементную матрицу, на структурообразование цементного камня, заключающийся в формировании каркасных алюмосиликатных минеральных образований при взаимодействии с CaO. Гейландитовая фаза кристаллизируется на минеральных компонентах цементного камня, как на подложке. Формируемый кристаллический http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 5. Количественный РФА (масс.%) портландцементного вяжущего, обработанного в растворе «зола-уноса+NaOH+ГКЖ-11»

алюмосиликатный каркас гейландита Б, представляющий собой тонкое покрытие с довольно высокой ретикулярной плотностью, инкапсулирует минеральные компоненты цементного камня, что обеспечивает пролонгированную объемную гидрофобизацию композита и подтверждается пониженными показателями водопоглощения (табл. 3). Таблица 3 Свойства мелкозернистого бетона с гидрофобизирующим гранулированным заполнителем Свойства МЗБ на ГНЗ Вид заполнителя

Предел Водопоглощение, прочности % при сжатии, МПа

Марка по морозостойкости

ГНЗ на основе – опоки и стеарата кальция

28,5–46,2

1,45–2,53

75–200

– золы-уноса и ГКЖ-11

26,2–45,3

2,35–3,28

75–200

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

В работе предложен механизм эпикристаллизационного воздейст вия коллоидных силикатных и алюмосиликатных растворов, формируемых при ТВО в ядре гранулированного наноструктурирующего заполнителя и мигрирующих в цементную матрицу, на структурообразование цементного камня, заключающийся в формировании каркасных силикатных и алюмосиликатных минеральных образований при взаимодействии с CaO. Установленная совокупность процессов, протекающих при формировании разработанных композитов, является инструментом для проектирования и управляемого синтеза легких и мелкозернистых бетонов, через направленное воздействие на их макро-, микрои наномасштабную структурную организацию. Показана возможность создания композитов с пониженным водопоглощением путем введения гидрофобизирующей добавки в состав гранулированного наноструктурирующего заполнителя.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 14-41-08024.

Уважаемые коллеги!

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

Строкова В.В., Огурцова Ю.Н., Боцман Л.Н. Эпикристаллизационное модифицирование строительных композитов различного функционального назначения с использованием гранулированного наноструктурирующего заполнителя // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 42–59. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59.

Dear colleagues!

T he reference to this paper has the following citation format: Strokova V.V., Ogurtsova Y.N., Botsman L.N. Epicrystal modification of construction composites of different purpose with application of granulated nanostructured aggregate. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 42–59. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-542-59. (In Russian).

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Библиографический список: Haq E.U., Padmanabhan S.K., Karim M.R.A., Licciulli A. Setting and curing of mortars obtained by alkali activation and inorganic polymerization from sodium silicate and silica aggregate // Construction and Building Materials. – 2016. – Vol. 105. – P. 291–296. – DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.064 2. Абрамовская И.Р., Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Вешнякова Л.А., Тутыгин А.С. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород // Нанотехнологии в строительстве. – 2013. – Том 5, № 3. – С. 56–65. – URL: http:// nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 11.07.2016). 3. Нелюбова В.В., Кобзев В.А., Сивальнева М.Н., Подгорный И.И., Пальшина Ю.В. Особенности наноструктурированного вяжущего в зависимости от генезиса сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2015. – № 2. – С. 25–29. 4. Нелюбова В.В., Бухало А.Б., Анищенко Т.А., Кривецкий В.В. Некоторые аспекты применения наноразмерных модификаторов с учетом их свойств // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2009. – № 4. – С. 47–50. 5. Коржинский Д.С. Теория метасоматической зональности. – Москва: Наука, 1969. – 115 с. 6. Тютюнова Ф.И. Гидрогеохимия техногенеза. – Москва: Наука, 1987. – 335 с. 7. Лесовик В.С. Техногенный метасоматоз в строительном материаловедении // Стройсиб – 2015. Строительные материалы – 4С: состав, структура, состояние, свойства. Международный сборник научных трудов. – Новосибирск, 2015. – С. 26–30. 8. Лесовик В.С., Володченко А.А. К проблеме техногенного метасоматоза в строительном материаловедении // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2015. – № 4. – С. 38–41. 9. Строкова В.В., Максаков А.В., Жерновский И.В., Огурцова Ю.Н. Гранулированный наноструктурирующий заполнитель пролонгированного действия на основе сырья различных типов для легких бетонов // Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. – 118 с. 10. Строкова В.В., Жерновский И.В., Максаков А.В., Огурцова Ю.Н., Соловьева Л.Н. Последовательность процессов формирования цементо-песчаной матрицы бетона при использовании гранулированного наноструктурирующего заполнителя // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – URL: http://www.science-education.ru/106-7874 (дата обращения: 24.12.2012). 11. Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Беленцов Ю.А., Ряпухин Н.В. Силикатные изделия на гранулированных заполнителях для сейсмостойкого строительства // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 4. – С. 62–65.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

12. Янахметов М.Р., Чуйкин А.Е., Массалимов И.А. Модифицирование поровой структуры цементных бетонов пропиткой серосодержащими растворами // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 1. – С. 63–72. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-63-72 13. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов // Нанотехнологии в строительстве. – 2013. – Том 5, № 1. – С. 24–38. – URL: http://nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 11.07.2016). 14. Бубенков О.А., Кетов А.А., Кетов П.А., Кетов Ю.А., Лобастов С.В. Синтез мелкогранулированного пеностеклянного материала из природного аморфного оксида кремния с наноразмерной пористостью // Нанотехнологии в строительстве. – 2010. – Том 2, № 4. – С. 14–21. – URL: http://nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 29.06.2016). 15. Mueller A., Schnell A., Ruebner K. The manufacture of lightweight aggregates from recycled masonry rubble // Construction and Building Materials. – 2015. – Vol. 98. – P. 376–387. – DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.027 16. Kanellopoulos A., Qureshi T.S., Al-Tabbaa A. Glass encapsulated minerals for selfhealing in cement based composites // Construction and Building Materials. – 2015. – Vol. 98. – P. 780–791. – DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.08.127 17. Ищенко К.М., Сулейманова Л.А., Жерновский И.В. О возможности и способах применения анионноактивных кремнийорганических гидрофобизаторов для обработки материалов на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 3. – С. 60–63. 18. Song Z., Xue X., Li Y., Yang J., He Z., Shen S., Jiang L., Zhang W., Xu L., Zhang H., Qu J., Ji W., Zhang T., Huo L., Wang B., Lin X., Zhang N. Experimental exploration of the waterproofing mechanism of inorganic sodium silicate-based concrete sealers // Construction and Building Materials. – 2016. – Vol. 104. – P. 276– 283. – DOI: dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.069 19. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. – М.: Технопроект, 1998. – 768 с. 20. Демьянова В.С., Калашников В.И., Ильина И.Е., Казина Г.Н. Системный подход при разработке многокомпонентных быстротвердеющих высокопрочных бетонов повышенной водостойкости // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2005. – № 10. – С. 28–34. 21. Хигерович М.И., Байер В.Е. Гидрофобно-пластифицирующие добавки для цемента, растворов и бетонов. – М.: Стройиздат, 1979. – 124 с. 22. Тейлор Х. Химия цемента. – М.: Мир, 1996. – 560 с. 23. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. – М.: Стройиздат, 1981. – 465 с. 24. Jennings H.M., Pratt P.L. On the Hydration of Portland Cement // Proceedings of the British Ceramic Society. – 1979. – № 28. – P. 179–193.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

UDC 620.18 (075.8) 372.862 Author: FIGOVSKY Oleg Lvovich, Full Member of European Academy of Sciences, Foreign Member of REA and RAACS, Editor-in-Chief of Journals SITA (Israel), ICMS (USA), Director R&D of INRC Polymate (Israel) and Nanotech Industries, Inc. (USA); Chairman of the UNESCO chair «Green Chemistry»; President of Israel Association of Inventors; Laureate of the Golden Angel Prize, NASA Nanotech Briefs®’ Nano 50™ Award and 2015 Presidential Green Chemistry Challenge Award (USA), Distinguish professor of KSTU and VGASU (Russia); Professor & Expert on Innjvation of WSGB (Poland), Chairman of the Interdisciplinary Knowledge’s University chair «Innovative Engineering», Order «Engineering Glory» (RF), Polymate INRC; P.O.Box 73, Migdal Ha’Emeq, Израиль, 10550, e-mail: figovsky@gmail.com; Author: SHAMELKHANOVA Nelya A., Professor of Kazakh National Technical University named after K. Satpayev, D.Sc., author more than 60 scientific publications; Satpaev str. 22, Almaty, 05013, Kazakhstan, nashamelkhan@yandex.kz; Author: AIDAROVA Saule B., Prof. of Kazakh National Technical University named after . K. Satpayev, D.Sc. Chairman of the Nanotechnology Chair of the Shanghai Cooperation Organiazation, author more than 170 scientific publications; Satpaev str. 22, Almaty, 05013, Kazakhstan, zvezda.s.a@gmail.com

METHODOLOGICAL BASES OF INNOVATIVE TRAINING FOR SPECIALISTS IN AREA OF NANOTECHNOLOGIES

Extended Abstract: The performance of innovative training system aimed at highly intellectual specialists in the area of nanotechnologies for Kazakhstan’s economy demands establishment and development of nanotechnological market in the country, teaching of innovative engineering combined with consistent research, integration of trained specialists with latest technologies and sciences at the international level. Methodological aspects of training competitive specialists for nanotechnological field are specific. The paper presents methodological principles of innovative training of specialists for science-intensive industry that were realized according to grant given by the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan. Key words: Nanotechnology, innovative training of specialists, schools of sciences, intensive research activity, science-oriented technologies, integration. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/»><img alt=»Creative Commons License» style=»borderwidth:0» src=»https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png» /></a> Methodological bases of innovative training of specialists in nanotechnology field by <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no.5, pp. 64–80. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80» property=»cc:attributionName» rel=»cc:attributionURL»>Figovsky O. L., Shamelkhanova N.A., Aidarova S.B. </a> is licensed under a <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/»>Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct=»http:// purl.org/dc/terms/» href=»http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016» rel=»dct:source»>http://nanobuild.ru/ en_EN/nanobuild-5-2016</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc=»http:// creativecommons.org/ns#» href=»figovsky@gmail.com» rel=»cc:morePermissions»>figovsky@gmail.com</a>.

Introduction Kazakhstan’s nanotechnology market endures a difficult stage of the formation and the development, meaning the active interaction and participation of key institutes and innovative structures of the country. From the state the close attention and support appear to domestic developments and the started projects, which are really passing to production stage. For acceleration of nanotechnology development the Kazakh national nanotechnological initiative is put forward, which will supervise also questions of the university education being in direct link with innovative processes happening in national economy. It is possible to claim that prospects of nanotechnology development will be determined in many respects by qualitative content of training system in concrete educational sector. Therefore, from the position of ensuring of scientific and technological breakthrough of the country, the system of preparation of highly intellectual specialists for science intensive industry is faced with extremely actual and complex challenge. There is an urgent need of creation of new quality of the organization of structure and content of education, according to modern requirements of national economy and tendencies of international experience. Orientation on perspectives of nanotechnology development with taking into account world experience and those initiatives, which are undertaken by the state, will demand the development of corresponding educational sectors. That is necessary to determine training opportunities for preparation of http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

specialists for researches and developments in chosen direction of nanotechnological activity (for example, in nanoengineering, nanoelectronics, nanocomposites, etc.). Actually, it is a question of ensuring of innovative training of highly qualified, competitive future specialists, which are capable to engage in large researches, effectively using high technologies. In this area the offer of Kazakhstan’s educational system is very limited and insufficiently competitive. In Kazakhstan first issues of magisters and doctors for specialty «Nanomaterials and nanotechnologies» only began to be implemented. Scientific search of optimal ways of the development of preparation system of highly intellectual specialists for key industries of economy (mainly, magisters and doctors) was based on the analysis of best international practices. Integration as a way of realization of updated training system of specialists in science intensive industry is the most effective way on the basis of development of international integration and partnership. On this occasion President of the country N. Nazarbayev was told: «according to examples of the European countries it is expedient to develop technological platforms, to create a common research network with participation of higher education institutions, research centers and business structures …» (Nazarbayev, N. 2012)1. Integration in the sector of training of specialists for science intensive industry (in particular for nanotechnologies), allows better understand the innovative processes in science, technologies, education. Thus, starting positions for substantiation of innovative training of needed specialists in nanotechnology field for Kazakhstan’s economy are: – the state and the development of Kazakhstan’s nanotechnological market; – innovative nature of future specialists training for nanotechnology; – integration as a main way of realization of innovative training. Methodological substantiation of given provisions will allow at methodical level to provide innovative training of competitive specialists in nanotechnology field for developing segment of economy. In the paper the essence of theoretical provisions is disclosed in line with researches that Speech of the President N. Nazarbayev at The IX Forum of border cooperation of the Russian Federation and the Republic of Kazakhstan. Pavlodar. September. 2012. Expert of Kazakhstan № 38– 39, 24 Sept – 7 Oct. 2012. – p. 28–29. 1

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

were conducted by authors by the order of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan (MES RK)2.

The state of kazakhstan’s nanotechnology market Today Kazakhstan’s market of nanoproducts isn’t still created fully, but there are producers and developers of nanotechnology products, and for the last decades their quantity steadily grows according to the growth of institutional order for innovative production. Any nanotechnology development causes huge social effect because it demonstrates the progress of a domestic production and market prospects of the country. Joint projects on the basis of cooperation of Kazakhstan with Russia as the main economic partner of the country play the important role in creation of market productions in nanotechnology. Portfolio of joint RussiaKazakhstan projects assumes both very short terms of production, and terms till five years depending on scale, for example: projects in the field of solar power (production of solar batteries of land and space basing), mechanical engineering (production of water purification equipment on the basis of nanotechnology), oil refining and production of bitumen (production of modern valves for pumps with nano-covering). Construction of the plant for production of new organic mineral fertilizer «Bioplant Flora»3 that is created on the basis of nanotechnological achievements in agriculture is begun in North Kazakhstan area with participation of partners from Russia. The entry into the world market gives the development of Kazakhstan’s initiative in nanoelectronics (Suleimenov, I.E., Mun, G.A., Polyakov, A.I. & Yeligbayeva, G.A.). According to opinion of Kazakhstan’s scientists, «now in Kazakhstan the nanoelectronics represent a certain bank of ideas, which are used only in insignificant degree in industry». Scientists consider «this circumstance presents opportunity for Kazakhstan to take own place in international division of labor in given field of science, because the Research project by the order of MES of RK «Methodological fundamentals of educational integration in the context of development of postgraduate technical education system (on the example of specialty «Nanomaterials and Nanotechnologies»)». – Almaty: KazNTU named after K. Satpayev, 2012– 2014. 3 Danilova, A 2010, ‘Kazakhstan: nanotechnologies will make revolution in agriculture’, Kazakh Zerno. Kz, № 37 (65), 11 May – http://www.kazakh-zerno.kz/. 2

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

countries possessing various level of technical development in nanoelectronics while are in approximately identical situation» (Ergojin, et al. 2010, p. 90). Physical chemistry of hydrophilic polymers is considered as scientific basis of Kazakhstan’s initiative in nanoelectronics. «In given field in the Kazakhstan physical and chemical schools traditionally hold position that is inferior to none in researches of the most developed countries. So, it is possible to realize breakthrough on the corresponding base» (Ergojin, et al. 2010, p. 90). Achievements of scientific schools in the field of hydrophilic polymers are considered as a reliable basis for the subsequent steps in nanoelectronics areas. Projects of creation of nanorobots or nanocomputer on quasi biological basis serve the confirmation of that. Such nanorobots represent the analog of transport RNA, allowing to write down information into nanostructures (the data recording is reached due to formation of the arrangement of atoms on the surface). Their basis is the complex that is created with incentive sensitive polymer and metal ions collapsing by the external influence (electric signal, temperature change, etc.) (Ergojin, et al. 2010, p. 101). Printers on quasi biological basis4, allowing considerably to reduce press cost were developed by Kazakhstan scientists. However insufficient financing significantly brakes an embodiment in practice of perspective development within the area of nanotechnological activity. In the country there are research teams, which carry out researches in nanotechnology field and there are certain achievements. So, universal nanocapsules from phosphatidyl inositol and transdermal forms with their application5 were created in laboratory of structure and regulation of enzymes of Institute of molecular biology and biochemistry named after M. Aytkhozhin. Nanotechnologies of super crushing for unique devices and for the production of nanodispersed and nanostructural powders were created (mills and mechanical activators surpassing in the characteristics the highest world level)6. Large-scale researches in nanotechnology field (in areas of «natural nanomaterials», «technology of extraction of natural carbon nanoparticles», «nanofilms and nanocoverings», «nanotechnologies of technical 4 http://www.academy.kz/en/useful/item/161 Pavlodar. 17 September. KAZINFORM. Livintsova, V. 5 http://slanet.kz/Nanotehnologii_Lechebnye_Nanoplastyri/~6919134/~175/. 6 Nanotechnology «SB: Supercrushing of Bashkirtseva». News of Government Standart, № 5, 2006 – from http://fitomilli.kz/writes/3-publication/23-gosstandart2006-sb.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

ceramics on the basis of compound of rare metals», etc.) are carried out at East-Kazakhstan State Technical University (EKSTU), where the mass production of technical ceramics is arranged on the basis of conducted researches (Mutanov, S. 2008, p. 6). Thus, given examples characterize the condition of domestic market of Kazakhstan having the real scientific and technical potential, certain experience of activity of scientific centers, organizations and universities in nanotechnology field that allows to speak about the prospects of development oriented on world level. As it is known, the development of nanoindustry in the majority of countries is carried out through the creation of nanoclusters as concrete models of the innovative development, allowing to solve large scientific and technical problems of the industry on the basis of integration of participants during the development and production of nanoproducts. Considering this fact there is obvious need to create corresponding educational cluster as important component of common state innovative system. The success depends on degree of integration during the realization of innovative training of competitive future specialists. So, innovative training of specialists in nanotechnology field taking into account integration processes, conditions and prospects of development of given field, as a whole, must be aimed for corresponding educational cluster’s creation in the future.

Innovative training of specialists in nanotechnology field Innovations in industry, science, education become a priority of development of our state, which has chosen a course on withdrawal from a raw materials economy and transition to science intensive industry (including nanoindustry). Hence a task of ensuring of innovative nature of education becomes actual too. The strategy of education is presented in State program of development of education of the Republic of Kazakhstan for 2011–2020 (SPDE RK)7, where it is planned to raise a share of higher education institutions having created innovative structures, scientific laboratories, science and technology parks, centers (from 14% to 50% in 2020). State Program of Development of Education of the Republic of Kazakhstan for 2011–2020. – Astana, 2011. – p. 52. 7

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

Preparation of specialists in nanotechnology as part of innovative policy is connected with aspiration to increase a contribution of science and technologies in economy development, to provide progressive transformations in the sphere of goods production, to increase competitiveness of national products in world market, to strengthen national security and defense capability of the country, to improve ecological situation. However, it is necessary to recognize, despite of existence of several universities, where prepare specialists in the nanotechnology field, for the present, in Kazakhstan, there is no enough developed scientific and educational reserve to allow carrying out the preparation according to high international standards. But, as local scientists write, «strategy of development of nanotechnologies can be constructed only on a concrete material» (Ergojin, et al. 2010, p. 13), respectively development of educational sphere in this sector has to be under construction taking into account «a concrete material». Therefore the role of research groups working within schools of sciences is steadily increasing. In this connection in KazNTU named after K. Satpayev fundamental researches dedicated to creation of nanostructured organic polymeric photo cells for transformation of solar energy and nanocomposite materials on the basis of carbon nanotubes are developing within school of sciences of professor Smagulov D. Results of this scientific direction connected with creation of CVD systems with induction heating for cultivation of multilayered carbon nanotubes (MWCNT); production of carbon nanotubes and the nanocomposite materials consisting of polymers and carbon nanotubes, which serve for receiving many modern nanostructured functional devices; receiving of samples of solar batteries of new generation on the basis of organic polymeric photocells. The projection of these scientific works to education led to pedagogical design of a number of disciplines («Perspective carbon nanomaterials», «Methods of synthesis of carbon nanomaterials», «Modeling of processes of nanomaterials receiving»), including separate modules («Carbon nanotubes», «Polycrystalline diamond (PCD)», «Metalcarbon nanocomposites», «Chemical vapor deposition (CVD technology and equipment»), aimed on formation of concrete professional competences. Thanks to scientific ensuring of education process oriented on specific objectives of nanoscience and nanoindustry, the KazNTU was determined http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

by the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan (MES RK) as a head university-coordinator in nanotechnology for Network University of Shanghai Organization of Cooperation (USOC)8. Partners of USOC are 60 higher education institutions of China, Russia, Kyrgyzstan, Tajikistan, Uzbekistan. Within USOC joint working training programs and syllabuses are developed and coordinated for specialty «Nanomaterial and nanotechnologies» (for applying in nanoelectronics, chemical and processing industries). Schools of sciences that are created, mainly, at leading universities of the country serve as the base on which it is possible to carry out innovative training of highly qualified future specialists due to binding of study process to real tasks of industry. Schools of sciences will create the environment in which can be formed innovative persons. Such persons are necessary for science-intensive industry, where the most important qualities of specialists are: creativity, deep understanding of economic, production reality. Innovative type of the specialist is characterized by a susceptibility to innovations, ability to fast adaptation in the conditions of changing economic and technical situations. Specialists in nanotechnology corresponds to category of professional of innovative type, their activity is connected with the highest manifestations of creativity with the fullest scientific knowledge and technologies. The process of training of such specialist differs. For formation of corresponding qualities of specialists of innovative type at all stages of their future innovative activity are required following skills (Makhov, A.): 1) search of new ideas, 2) selection of ideas, 3) analysis of opportunities of production and sale of ideas and production, 4) development of products (design of products and development of technological process), 5) pilot production, 6) checking of market condition, 7) organization of mass production. The main essence of professional activity of future highly intellectual specialists (postdoc or magister in nanotechnology) is scientific and technical innovation (1 and the 2nd stages), realization of which is possible on the basis of interrelation of intellectual, emotional, strong-willed qualities of the specialist, embodied in intuition, flexibility, independence of thinking and initiative. http://www.eduweek.ru.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

It is possible to master the specified stages of innovative activity in the course of training if intensive research activity will be implemented. Intensive research causes chain reaction of ideas, promotes knowledge accuracy, fulfillments of opening. «The intensification of activity is an important form of development of creative abilities of the person leading to creation of innovations because it assumes continuous expansion of a framework of the actions, overcoming of the obstacles arising at the solution of tasks» (Shamelkhanova, N. 2005, p. 70). Thanks to existence of schools of sciences as the basis of scientific and educational infrastructure appears the possibility of real research work meaning intensive works during the solution of specific practical objectives. Thus, consideration of training of specialists in nanotechnology in parameters of innovations means strengthening of research training component because specialist in nanotechnology is, first of all, the researcher who is using scientific knowledge, research skills in the professional activity. Such specialist has to be able to analyze and generalize world experience, to master scientific and technical achievements according to requirements of modern economy. It is necessary to have the inventive potential and internal need to master innovative processes. Ensuring of innovative nature of training of competitive future specialists leads to achievement of required quality of education and must lean on schools of sciences, existing laboratories with use of unique scientific equipment (devices, installations, measuring complexes and so forth). Use of complicated scientific equipment in the course of research activity of the students and simultaneous development of technologies of science-oriented training underlies innovative training. Depending on a type of research activity it is possible to refer to the following technologies of science-oriented training: – technologies of selection of scientific knowledge (during the development of discipline, modules, tasks); – technologies of development of theoretical and practical methods of research (mathematical, modeling, special technologies such as technology of mastering of methods of scanning probe microscopy, etc). So, for students by specialties «Materials science and technology of new materials», «Nanomaterials and nanotechnologies» following technologies of research activity were introduced in educational process: – development of structure of scientific researches with justification of scientific apparatus, http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

– organization of independent research work by individual tasks, – carrying out experimental works with use of modern equipment. Realization of offered technologies was happened step by step: at first, primary assimilation of a material, then further improvement and on this basis the formation of research and innovative qualities of the students. The concrete innovative projects of university scientists were used for ensuring of science-oriented training during the realization of specified technologies. However, effective realization of innovative training of future specialists in nanotechnology requires the considering of international experience and active participation in world processes, that makes necessary exit at integration level of training. Following section of article is devoted to the development of scientific and educational integration in given direction of training.

Integration as the main way of realization of innovative training Based on the above we can emphasize that orientation on interests of industrial and innovative development of the country9 at the present stage calls the need of search and realization of effective ways of providing of innovative training of specialists for science-intensive industry. Considering the fact that Kazakhstan’s education system has entered into the European educational space, there is inevitable its participation in globalization processes. Therefore in the context of development of innovative training of specialists in nanotechnology field we will substantiate a phenomenon of integration by global tendencies of development of scientific knowledge and activity technologies. It is important to note that nanomaterials and nanotechnologies are a sphere of knowledge not of one country, and the sphere of knowledge of all mankind, that is why integration in area of training of nanotechnology specialists is not only actual, but also inevitable. Integration as the main way of realization of innovative nature of training is not only caused by requirement to association of efforts in in State Program On Forced Industrial And Innovative Development of Kazakhstan Republic for 2010–2014. ASTANA. 19 March, 2010. № 958. 9

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

vestigations of the most difficult problems of broad practice. There are general regularities of a development of education, science in the modern world; comparable properties and identical interests of subjects of the integration, allowing to be in relations of integration to form integrity within the general educational space. Integration can result in new quality of training due to fruitful results of joint cooperation, when the carrying out scientific researches and coordination of theoretical and practical content of education. Innovative nature of the training is provided thanks to research infrastructure of foreign partners, namely the laboratories with the modern equipment, including the equipment necessary for creation and research of nanomaterials and nanostructures: scanning probe microscopes (SPM), installations of spraying, etc. So, as earlier it was already noted, obvious benefits are provided for example due to cooperation with the partners of Russia , which have the experience of educational program creation of RUSNANO for training of methods of nanomaterials receiving. From researches of foreign and domestic experts it was found out that education systems of world leading countries are actively included in integration processes. But integration in education is wide and not simple notion, which still methodologically isn’t developed. In the context of broad adaptation of best practices, integration in international educational space is focused on growing world relationships, new technologies with their developed infrastructure and modern global problems of mankind. It was spoken at a meeting of ministers of the higher education of states-members of G8 in June, 2006. Important step of consolidation of potentials of leading national universities for preparation of highly qualified specialists and specific integration projects is the opening of University of Shanghai Organization of Cooperation (USOC). in 2009. As a whole real processes of international integration of education systems are realized through numerous international educational projects, adaptation of a number of realities of foreign education in domestic conditions. We think it is a phenomenon of new time, that is in the beginning of the development, and it is irreversible, and, certainly, extends to Kazakhstan. Numerous articles from Internet sites, and also materials of held conferences on the international and republican levels (for example, International scientific and practical conference: «International integration of http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

educational spaces: priorities and development prospects», organized by the Kazakhstan-American university in Ust-Camenogorsk on October 28– 29, 2011) confirm that. In the majority of economically developed countries the main factors that define leading tendencies of development of nanotechnological preparation are: – integration and coordination of joint actions of experts; – expansion of scientific communications at different levels; – more active involvement of scientists from adjacent fields to participation in discussions, to the developments and joint researches. Analysis of literature shows that intensive researches connected with creation and development of educational programs with orientation on result are conducted in CIS countries: there are educational programs and joint projects with foreign colleagues, programs of double and joint international diplomas and programs of the international activity, etc. The particular interest causes the report of Association of the European universities about programs of preparation of PhD in the conditions of transition to knowledge economy, where is emphasized the need of their transformations according to time requirements and creation of preconditions for deepening cooperation in this area. The researches conducted in Kazakhstan on TEMPUS project deserve attention too. They are devoted to definition and introduction of online system on ensuring of quality of educational programs accordingly European standards and Guides to ensuring quality in partner countries. However integration processes in the sphere of training of specialists for science intensive industry are characterized with high level of uncertainty owing to existing heterogeneity of economic and social development of participants of integration process. It often makes difficult realization of innovative training at integration level without creation of scientific base and formation of relevant structures. In this regard innovative nature of training of specialists in nanotechnology can be provided in the course of concrete joint scientific researches with partners universities, which carried out on the expensive unique equipment taking into account world tendencies of development of nanoindustry. At the heart of integration lies the search the points of international cooperation, where is possible to get advantage and to make final result for scientific and technological breakthrough. http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

Thus, integration sets reference points on advanced international level of development of nanoindustry and allows to develop the most perspective directions of preparation of domestic specialists. Proceeding from development of integration there is possible a practical realization of the innovative training that is connected with intensive research activity on the basis of carrying out of joint scientific projects and development of programs integrated into the international educational space. This way of development can lead to improvement of process of preparation of magisters and doctors in the field of nanomaterials and nanotechnologies that will provide competitiveness both educational programs and scientists, and specialists in world market of educational services.

Conclusion Methodological basics of innovative training of specialists in nanotechnology were considered in the context of the conditions and prospects of development of science intensive branch, ensuring innovative nature of training, and also integration interaction of partners universities. As a whole theoretical substantiation of the content of training of future specialists in nanotechnology is aimed at creation of corresponding educational cluster as important component of common state innovative system. The state of domestic market of Kazakhstan is characterized with the examples of nanotechnological development given in the article. Existence of scientific and technical potential, certain experience of activity of scientific centers, organizations and universities in nanotechnological sphere allows to speak about development prospects (including educational sector), oriented on world level. Innovative training is connected with intensive research activity, which is realized during the creation and the development of schools of sciences. Integrative interaction in nanotechnology field will allow to realize effectively innovative training on the basis of international transfer of knowledge and introduction of new technologies of the organization of research activity and training methods.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Figovsky O. L., Shamelkhanova N.A., Aidarova S.B. Methodological bases of innovative training of specialists in nanotechnology field. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no.5, pp. 64–80. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80.

References: Suleimenov I.E., Mun G.A., Polyakov A.I., Yeligbayeva G.A. Kazakhstan Initiative of Development of Nanoelectronics on Hybrid Spintronic and Quasi-biological Base. Prog. Euronanoforum. 2009, Praque, 2–5 June 2009, p. 162. 2. Ergojin E.E., Aryn E.M., Suleimenov I.E., Belenko N.M., Gabrielyan O.A., Suleimenova K.I, Mun G.A. Nanotechnology. Economics. Geopolitics. Almaty, «Print-S», 2010. 3. Perspective technologies, equipment and analytical systems for materials science and nanomaterials: Seminar materials. Edited by L.V. Kojitova. Moscow, Intercontact Science, 2008. 4. Makhov A. Social problems of development of scientific and technical creativity of students in the system of engineering education: Ph.D. thesis. 22.00.06. Ufa, Ufa State Oil Technical University, 2000. 5. Shamelkhanova N.A. Research training of future engineers (Conception of research culture formation). Almaty, KazNTU, 2005, p. 70. 6. Senin P.V., Nuyanzin Ye.A. The Problems of Engineering Universities’ Adoption to the Two-Level Education System. Engineering Education. № 8, 2011, pp. 79–81. 7. Kutuzov V.M., Shestopalov M.Y., Puzankov D. V., Shaposhnikov S.O. Experience of Strategic Partnership «University – Enterprise» for Development of Engineering Staff Training. Engineering Education. № 8, 2011, pp. 4–11. 8. Shamelkhanova N.A., Shokobayeva G.T., Uskenbayeva A.M. Competency-Based Model Of Nanotechnology Specialist’s Profile Kazakhstan`S Experience of Nanotechnology Education. Full Paper Proceeding MISG-2014, Vol. 1, pp. 94–108. 9. Shamelkhanova N., Sarsenbayeva G., Chabal P. Educational Integration for PostGraduate Training (PGT) System in the field of nanotechnology: the case of Ka1.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 INTERNATIONAL EXPERIENCE

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

zakhstan. Journal Public Administration & Regional Studies. 2013, № 1(11), pp. 5–22. Figovsky О.L. Nanotechnologies and development of them in the world and Russia as the mirrow of technological future [Nanotehnologii i ih razvitie v mire i v Rossii kak zerkala tehnologicheskogo budushhego]. Available at: http://www.rusnor. org/pubs/reviews/7550.htm (Accessed 09.02.2012). (In Russian). Figovsky О.L. Innovation process and innovation engineer [Innovacionnyj process i innovacionnyj inzhener]. Available at: http://www.rusnor.org/pubs/articles/7814.htm (Accessed 24.04.2012). (In Russian). Figovsky О.L. Development of nanotechnologies in Israel [Razvitie nanotehnologij v Izraile]. Available at: http://www.rusnor.org/pubs/reviews/8437.htm (Accessed 28.10.2012). (In Russian). Bobrova Yu.S. Characteristics of the course “Physical and chemical fundamentals of micro- and nanotechnology” [Osobennosti organizacii uchebnogo processa po discipline «Fiziko-himicheskie osnovy mikro- i nanotehnologij»]. Engineering Bulletin [Inzhenernyj vestnik]. 2015, № 4, pp. 1026–1032. (In Russian). Srisawasdi N. Evaluation of Motivational Impact of a Computer-Based Nanotechnology Inquiry Learning Module on the Gender Gap. Journal of NanoEducation, 2015, Vol. 7, № 1, pp. 10–17. Orgill MaryKay, Wood Sarah A. Chemistry Contributions to Nanoscience and Nanotechnology Education: A Review of the Literature. Journal of Nano Education, 2014, Vol. 6, № 2, pp.83–108. Figovsky О.L. Sozdanie bazy dlja razvitija novejshih tehnologij – osnovnaja zadacha nauki i obrazovanija [To create the base for the latest technologies development – main task of the science and education]. Ecology and life [Jekologija i zhizn’]. Available at: http://www.ecolife.ru/zhurnal/articles/43227/ (Accessed 28.05.2016). Stephen J. Fonash. Nanotechnology: the Nexus of Science Education, 4.04, 2008. Available at: http://www.cneu.psu.edu/pdfs/Fonash040408_Nanotechnology_ theNexusOfScienceEducation.pdf.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 МЕЖДУНАРОДНЫЙ ОПЫТ

УДК 625.85.06-022.532 Автор: ФИГОВСКИЙ Олег Львович, действительный член Европейской академии наук, иностранный член РИА и РААСН, главный редактор журналов «Научный Израиль – технологические достижения» (Израиль) и «Инновации в науках о коррозии и материалах» (США), директор компании «Nanotech Industries, Inc.», Калифорния, CША, директор Международного нанотехнологического исследовательского центра «Polymate» (Израиль), зав. кафедрой ЮНЕСКО «Зелёная химия» и «Инновационный инжиниринг», почётный профессор Казанского государственного технического университета (КАИ) и Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, профессор и эксперт по инновациям Высшей школы экономики (Польша), награждён орденом «Инженерная слава», лауреат ряда премий США и Европы, президент Ассоциации изобретателей Израиля, Лауреат Golden Angel Prize, Polymate INRC; P.O.Box 73, Migdal Ha’Emeq, Израиль, 23100, e-mail: figovsky@gmail.com; Автор: ШАМЕЛХАНОВА Неля, профессор Казахского технического университета им. Сатпаева, доктор педагогических наук, автор более 60 научных публикаций; ул. Сатпаева 22, Алмата, 05013, Казахстан, nashamelkhan@yandex.kz; Автор: АЙДАРОВА Сауле, профессор Казахского технического университета им. Сатпаева, доктор химических наук, зав кафедрой ШОС «Нанотехнология», автор более 170 научных публикаций; ул. Сатпаева 22, Алмата, 05013, Казахстан, zvezda.s.a@gmail.com

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИННОВАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): Для осуществления инновационной системы подготовки высококвалифицированных специалистов для экономики Казахстана планируется создание и развитие нанотехнологического рынка в стране; преподавание инновационной инженирии в сочетании с интенсивными научными исследованиями, интеграция подготавливаемых специалистов в современные технологии и в науку на международном уровне. Методологические аспекты имеют специфическую направленность на подготовку конкурентоспособных специалистов именно в области нанотехнологий. Раскрываются методологические подходы инновационной подготовки специалистов для промышленности высоких технологий, которые выполнялись по грантам Министерства науки и образования Республики Казахстан. Ключевые слова: Nanotechnology, innovative training of specialists, schools of sciences, intensive research activity, science-oriented technologies, integration.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 МЕЖДУНАРОДНЫЙ ОПЫТ

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/»><img alt=»Лицензия Creative Commons» style=»border-width:0» src=»https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png» /></a> Произведение «Методологические основы инновационной подготовки специалистов в области нанотехнологий » созданное автором по имени <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 64–80. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80.» property=»cc:attributionName» re l=»cc:attributionURL»>Фиговский О.Л., Шамелханова Н., Айдарова С.</a>, публикуется на условиях <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/»>лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct=»http://purl.org/dc/terms/» href=»http://nanobuild. ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/» rel=»dct:source»>http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»figovsky@gmail.com» rel=»cc:morePermissions»>figovsky@gmail.com</a>.

Уважаемые коллеги!

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

Фиговский О.Л., Шамелханова Н., Айдарова С. Методологические основы инновационной подготовки специалистов в области нанотехнологий // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 64–80. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80.

Dear colleagues!

T he reference to this paper has the following citation format: Figovsky O. L., Shamelkhanova N.A., Aidarova S.B. Methodological bases of innovative training of specialists in nanotechnology field. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 64–80. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-64-80.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

UDC 691:620.197 Author: MASSALIMOV Ismail Alexandrovich, Doctor of Engineering, Bashkir State University (BashSU), Scientific and Research Technological Institute of Herbicides of the Academy of Sciences . of the Republic of Bashkortostan (SBI «SRTIH AS RB»); Mushnikov str., 13/2-75, Ufa, 450039; . ismail_mass@mail.ru; Author: YANAKHMETOV Marat Rafisovich, Scientific and Production Enterprise «Techproject», engineer of the first category; Mendeleev str., 215/2-47, Ufa, 450071; ymr89@yandex.ru; Author: CHUYKIN Aleksandr Evgenievich, Ph.D. in Engineering, Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), Department «Building constructions»; Mendeleev str., 195, Ufa, 450080; an2100@yandex.ru; Author: MASSALIMOV Burhan Ismailovich, Graduate Student, Lebedev P.N. Physics Institute, Russian Academy of Sciences; Leninsky Prospect, 63, Moscow, 119991; . b.massalimov@crocusnano.com; Author: URAKAEV Farit Hisamutdinovich, Doctor of Chemistry, Senior Researcher, . V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Russian Academy Science; . Koptyuga str. 3, Novosibirsk, 630090; urakaev@igm.nsc.ru; Author: URALBEKOV Bolat Muratovich, Ph.D. in Chemistry, Head of the Department, . Al-Farabi Kazakh National University; Al-Farabi Avenue 71, Almaty (Kazakhstan), 050040; . bulat.ural@gmail.com; Author: BURKITBAEV Muhambetkali Myrzabaevich, Doctor of Chemistry, Vice Rector, . Al-Farabi Kazakh National University; Al-Farabi Avenue 71, Almaty (Kazakhstan), 050040; . mukhambetkali.Burkitbayev@kaznu.kz

HYDROPHOBIZATION OF DENSE AND FINE CONCRETE BY POLYSULFIDE SOLUTIONS

Extended Abstract: The results of research on hydrophobic impregnation of dense concrete with composition «Aquastat» designed for manufacture of road and airfield plates are presented. It was found that after having been treated with waterrepellent agent the concrete sample is resistant to wetting, i.e. it gets hydrophobic properties. At the same time the water absorption of the samples treated for 24 hours at atmospheric pressure is reduced in three times, and soaked for 0.5 hours under vacuum decreases 5.5 times. It was revealed that the hydrophobic properties of fine-grained concrete impregnated with «Aquastat» may be at

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

the same level of those of dense concrete based on coarse filler. Substantially increased hydrophobic properties of dense concrete (more than 5 times) allow authors to forecast twice increased service life of road and airfield plates treated by «Aquastat» composition. Key words: concrete, sulfur, impregnation, hydrophobization, polysulphide.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-85-99

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Hydrophobization of dense and fine concrete by polysulfide solutions by <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction.2016, Vol. 8, no. 5, pp. 85–99. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-20168-5-85-99" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Massalimov I.A., Yanakhmetov M.R., Chuykin A.E., Massalimov B.I., Urakaev F.H., Uralbekov B.M., Burkitbaev M.M. </a> is licensed under a <a rel="license" href="http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016" rel="dct:source">http:// nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="ismail_mass@mail.ru" rel="cc:morePermissions">ismail_mass@mail. ru</a>.

References: 1. 2.

Bazhenov Y.M. Tekhnologiya betona [Concrete Technology]. Moscow, ASV. 2002. 500 p. (In Russian). Gusev B.V. The problems of nanomaterials creation and nanotechnologies development in construction industry. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2011. Vol. 6. No. 6, pp. 6-12. http://www.nanobuild.ru/ru_RU/ journal/Nanobuild_6_2011_RUS.pdf (date of access 01.06.2016). (In Russian). Inozemtsev A., Korolev E.V. Strength of nano-modified high-strength lightweight concrete. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2011. Vol. 3. No. 1, pp. 24–38. http://www.nanobuild.ru/ru_RU/journal/Nanobuild_6_2011_ RUS.pdf (date of access 01.06.2016). (In Russian). Korolev E.V. Proshin A.P., Bazhenov Y.M., Sokolov Y.A. Radiatsionno-zashchitnye i korrozionno-stoikie sernye stroitel'nye materialy [Radiation protection and corrosion-resistant construction materials sulfur]. Moscow: «Paleotypes». 2006. 272 p. (In Russian).

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

5. 6. 7.

9. 10.

11.

12.

13.

14.

15.

Paturoev V.V. Polimerbetony [Polymer concrete]. Moscow, Stroiizdat. 1987. 286 p. (In Russian). Bazhenov Yu.M. Betonopolimery [Polymers of concrete]. Moscow, Stroiizdat. 1983. 472 p. (In Russian). Patent US №5728428 A. Composition for protecting a body of concrete, a process for preparing same, and a method for the protection of a body of concrete. Rusinov A., Rusinov N., Rusinov H. Declared 01.06.1995. Published 17.03.1998. Zaykov D.N. The new generation of Russian waterproofing penetrating materials. Stroitel’nye Materialy [Building Materials]. 2003. No. 12, pp. 20–21. (In Russian). Latysheva L.Y., Smirnov S.V. How to protect against water and dampness. Stroitel’nye Materialy [Building Materials]. 2003. No. 8, pp. 24–25. (In Russian). Musavirov R.S., Massalimov I.A., Babkov V.V., Chuykin A.E., Balobanov M.A., Sharabyrov M.V. Impregnating water-repellent composition-based water soluble sulfur. Stroitel’nye Materialy [Building Materials]. 2003. No.10, pp. 25–27. (In Russian). Massalimov I.A., Volgushev A.N., Chuikin A.E., Khusainov A.N., Mustafin A.G. Long-term protection of building materials coatings based on nanoscale sulfur. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2010. No. 1, pp. 45– 58. Available at: http://www.nanobuild.ru/ru_RU/journal/Nanobuild_1_2010_ RUS.pdf (date of access 01.06.2016). (In Russian). Massalimov I.A., Mustafin A.G., Chuikin A.E., Volgushev A.N., Massalimov B.I., Khusainov A.N. The hardening and increasing of the water resistance of concrete coatings based on nanoscale sulfur. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2010. No. 2, pp. 54–61. Available at: http://www.nanobuild. ru/ru_RU/journal/Nanobuild_2_2010_RUS.pdf (date of access 01.06.2016). (In Russian). Massalimov I.A., Yanakhmetov M.R., Chuykin A.E., Mustafin A.G. Protection of Building Constructions with Sulfur Impregnating Solution. Study of Civil Engineering and Architecture (SCEA). June 2013. Vol. 2. Issue 2, pp.19–24. Yanahmetov M.R., Chuykin A.E., Massalimov I.A. Pore structure modification of cement concretes by impregnation with sulfur-containing compounds. Nano tehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, no. 1, pp. 63–72. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-63-72. Massalimov I.A., Yanahmetov M.R., Chuykin A.E. Massalimov I.A., Yanakhmetov M.R., Chuykin A.E. Strength and durability of concrete modified by sulfur-based impregnating compounds. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Construction. 2015, Vol. 7, no. 3, pp. 61–75. – DOI: dx.doi.org/10.15828/20758545-2015-7-3-61-75. 16. Patent RF 2243191. Sposob gidrofobizatsii shifera [Method slate hydrophobization]. Massalimov I.A., Babkov V.V., Musavirov R.S., Chuykin A.E., Amirhanov K.S., Mirsaev R.N. Declared 05.04.2002. Published 27.12.2004. (In Russian). 17. Patent RF 2416589. Sostav dlya obrabotki stroitel'nykh materialov i sposob ikh obrabotki [Composition for treatment of construction materials and method of their processing]. Massalimov I.A., Babkov V.V., Mustafin A.G. Declared 23.09.2009. Published 20.04.2011. Bulletin No. 11. (In Russian). 18. The Eurasian application 201400277/28. Sposob obrabotki stroitel'nykh materialov polisul'fidnymi rastvorami [The method of treating building materials polysulfide solution]. Massalimov I.A., Chuykin A.E., Yanahmetov M.R. Declared 03.26.2014. A positive decision on the grant of a patent 26.03.2016. (In Russian).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Massalimov I.A., Yanakhmetov M.R., Chuykin A.E., Massalimov B.I., Urakaev F.H., Uralbekov B.M., Burkitbaev M.M. Hydrophobization of dense and fine concrete by polysulfide solutions. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 85–99. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-85452016-8-5-85-99. (In Russian).

Contact information

http://nanobuild.ru

Massalimov Ismail Alexandrovich ismail_mass@mail.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 691:620.197 Автор: МАССАЛИМОВ Исмаил Александрович, д-р техн. наук, профессор, Башкирский государственный университет (ФГБОУ ВО БашГУ); зав. лабораторией, Научно-исследовательский технологический институт гербицидов Академии наук Республики Башкортостан (ГБУ «НИТИГ АН РБ»); ул. Мушникова, 13/2-75, г. Уфа, 450039; ismail_mass@mail.ru; Автор: ЯНАХМЕТОВ Марат Рафисович, инженер 1-й категории, ООО НПП «Техпроект»; . ул. Менделеева, 215/2-47, г. Уфа, 450071; ymr89@yandex.ru; Автор: ЧУЙКИН Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, Уфимский государственный нефтяной технический университет (ФГБОУ ВО УГНТУ), кафедра «Строительные конструкции»; ул. Менделеева, 195, г. Уфа, 450080; an2100@yandex.ru; Автор: МАССАЛИМОВ Бурхан Исмаилович, аспирант, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН; Ленинский проспект, д. 63, Москва, 119991; b.massalimov@crocusnano.com; Автор: УРАКАЕВ Фарит Хисамутдинович, д-р хим. наук, вед. научн. сотр., Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН; проспект Академика Коптюга, 3, Новосибирск, 630090; urakaev@igm.nsc.ru; Автор: УРАЛБЕКОВ Болат Муратович, канд. хим. наук, зав. кафедрой, Казахский национальный университет им. аль-Фараби; проспект аль-Фараби, 71, Алматы, Казахстан, 050040; . bulat.ural@gmail.com; Автор: БУРКИТБАЕВ Мухамбеткали Мырзабаевич, д-р хим. наук, проректор, Казахский национальный университет им. аль-Фараби, проспект аль-Фараби, 71, Алматы, Казахстан, . 050040; mukhambetkali.Burkitbayev@kaznu.kz

ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ПЛОТНОГО И МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНОВ ПОЛИСУЛЬФИДНЫМИ РАСТВОРАМИ

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): Представлены данные исследований по эффективности гидрофобизации пропиточной композицией «Аквастат» плотного бетона, используемого для изготовления дорожных и аэродромных плит. Установлено, что в результате обработки гидрофобизатором образец бетона перестает смачиваться водой, приобретая гидрофобные свойства, при этом водопоглощение образцов, пропитанных в течение 24 часов при атмосферном давлении, снижается в три раза, а пропитанных под вакуумом в течение 0,5 часов – в 5,5 раз. Выявлено, что по уровню водопоглощения мелкозернистые бетоны, пропитанные «Аквастат», могут соответствовать плотным бетонам на основе крупного заполнителя. Повышение гидрофобности поверхности бетонных дорожных и аэро-

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

дромных плит, обработанных составом «Аквастат», и возможность снижения водопоглощения структуры плотного бетона (более чем в 5 раз) позволяет прогнозировать повышение долговечности и увеличение срока службы дорожных изделий и конструкций до 2 раз и более. Ключевые слова: бетон, сера, пропитка, гидрофобизация, полисульфид.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-85-99

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Лицензия Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Произведение «Гидрофобизация плотного и мелкозернистого бетонов полисульфидными растворами » созданное автором по имени <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 85–99. – DOI:dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-85-99." property="cc:attributionName" re l="cc:attributionURL">Массалимов И.А., Янахметов М.Р., Чуйкин А.Е., Массалимов Б.И., Уракаев Ф.Х., Уралбеков Б.М., Буркитбаев М.М. </a>, публикуется на условиях <a rel="license" href="http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/">лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="ismail_mass@mail.ru" rel="cc:morePermissions">ismail_mass@mail.ru</a>.

адача повышения долговечности дорожных бетонных и железобетонных изделий и конструкций (элементов арочных мостов, водопропускных труб, колец колодцев, лотков, тротуарных и дорожных плит, бордюрных камней и др.), эксплуатирующихся в условиях воздействия неблагоприятных атмосферных факторов и грунтовых вод, весьма актуальна. Одним из основных параметров, характеризующих долговечность названных изделий и конструкций, является морозостойкость бетона [1]. Высокая морозостойкость бетона должна быть обеспечена для дорожных изделий и конструкций, эксплуатирующихся в климатических условиях большей части Российской Федерации, что обусловлено продолжительным периодом отрицательных температур и многократным числом переходов температуры через 0оС. В России накоплен большой опыт строительства и эксплуатации автомобильных дорог со сборным http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

и цементобетонным покрытиями в климатических условиях Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, указывающий на необходимость применения современных методов дополнительной защиты цементобетонных покрытий и сборных железобетонных дорожных и аэродромных плит. Наиболее распространенными способами повышения плотности и долговечности бетонных структур являются: применение высокомарочных цементов, цементов после дополнительного помола или виброактивации; виброуплотнение и вибропрессование бетонной смеси; использование суперпластификаторов и модификаторов бетона, активных и инертных тонкодисперсных наполнителей, нанопорошков и др. [2–3]. Эти способы существенно улучшают эксплуатационные характеристики бетона за счет уменьшения его пористости и повышения прочности, позволяют получать бетоны, удовлетворяющие требованиям изготовления сборных железобетонных конструкций, цементобетонных дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. Улучшить эксплуатационные характеристики бетонов позволяет также применение специальных вяжущих, например, в технологиях серобетонов, полимербетонов, полимерцементных бетонов [4, 5, 6] и др. Еще одним из распространенных методов повышения долговечности традиционных цементных бетонов является применение различного рода защитных покрытий, предохраняющих бетонные изделия и конструкции от агрессивных факторов природных и техногенных воздействий. Покрытия, образующие пленку на поверхности изделия или конструкции, позволяют уменьшить количество воды, проникающей в поры бетона. Заполнение пор бетона различными пропиточными составами позволяет обеспечить надежное перекрытие доступа влаги в поровое пространство материала и тем самым защитить материал. Распространенным методом защиты бетонов в условиях периодического или постоянного воздействия воды является нанесение на поверхность бетона составов, обеспечивающих проникающую гидроизоляцию, таких как «Пенетрон» (США), «Вандекс супер» (Швейцария), «Ксайпекс» (Канада), «Лахта», «Гидро-S», «Гидротэкс», «ПластГидро», «Кристализол», «Акватрон» и «Кальматрон» (все – Россия) [7–9]. Преимуществами указанного типа пропиточных составов в отличие от органических и кремнийорганических покрытий являются: глубина их http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

проникновения вглубь бетона (более 10 см) и минеральная природа, обеспечивающие надежную и долговременную защиту бетона. Ограниченное использование гидроизоляции проникающего действия обусловлено относительно высокой стоимостью используемых материалов. Одним из наиболее простых и технологичных способов повышения долговечности бетона дорожных конструкций является снижение его пористости и водопоглощения на основе модификации порового пространства специальными пропиточными составами – гидрофобизаторами глубокого проникновения. В данной работе в качестве средства долговременной защиты бетона предлагается обработка поверхности бетонных и железобетонных изделий и конструкций серосодержащим пропиточным составом «Аквастат». В наших работах [10–16] были представлены результаты успешного применения названного пропиточного состава для обработки ряда наиболее распространенных пористых неорганических строительных материалов. Состав «Аквастат» представляет собой серосодержащую жидкость, которая благодаря низкой вязкости при обработке проникает в поровую структуру материала на глубину более 1 см и при последующем высыхании создает в порах материала нерастворимое защитное покрытие [17– 18], образованное водоотталкивающими наночастицами серы, которые не вымываются водой, растворителями или солевыми растворами. Результаты исследований физико-механических свойств строительных материалов, пропитанных серосодержащим составом «Аквастат», представленные в работах [10–18], были получены на образцах тяжелых бетонов с водопоглощением по массе 8–12%, образцах керамического кирпича с водопоглощением по массе 14–15% и других пористых материалах. В настоящей работе приводятся данные по эффективности снижения водопоглощения плотных цементных бетонов, характеризующихся низким исходным водопоглощением 1–3%, путем гидрофобизации «Аквастатом», названные бетоны используются для изготовления дорожных и аэродромных плит, к которым в силу жестких условий эксплуатации предъявляются повышенные требования по надежности и долговечности. В нашей работе проведены сравнительные исследования возможности снижения водопоглощения бетона путем пропитки составом «Аквастат» по четырем различным режимам (полное погружение в ванну в течение 1, 4 и 24 часов при нормальных условиях, а также в течение http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

0,5 часа в камере при пониженном давлении с предварительным вакуумированием) образцов-кубов с ребром 10 см плотного цементного бетона с исходным средним водопоглощением по массе, равным 2,5%, и мелкозернистого цементного бетона с аналогичным показателем, равным 12,4%. Водопоглощение по массе контрольных (необработанных) и пропитанных образцов бетона определялось по методике ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения». Важным показателем накопления влаги в поровой структуре материала, подвергающегося увлажнению атмосферными осадками, является динамика водонасыщения поверхности бетона при действии столба воды, методика проведения испытания по определению названного показателя приведена в работе [12]. В данной работе было изучено изменение водонасыщения образцов мелкозернистого цементного бетона, высушенных при нормальных условиях в течение 3 суток, за определенный интервал времени воздействия столба воды (0–8 часов).

Рис. 1. Влияние режима пропитки раствором полисульфида кальция на водопоглощение по массе образцов плотного цементного бетона

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 2. Влияние режима пропитки раствором полисульфида кальция на водопоглощение по массе образцов мелкозернистого цементного бетона

Результаты определения водопоглощения по массе для образцов плотного цементного бетона, обработанных пропиточным составом «Аквастат», приведены на рис. 1. Среднее значение водопоглощения по массе контрольных (непропитанных) образцов бетона, равное 2,5%, в результате пропитки в течение 4 часов снижается на 48%, а выдерживание образцов в ванне с составом в течение 24 часов приводит к снижению этого параметра на 76%. 24-часовая пропитка образцов бетона обеспечивает более глубокое проникновение пропиточного состава в капиллярные поры цементного камня матрицы бетона и их заполнение при осушении бетона твердой фазой – гидрофобными наночастицами элементной серы. Сократить сроки пропитки и повысить технологичность обработки бетона позволяет пропитка составом «Аквастат» при пониженном давлении c использованием предварительного вакуумирования образцов. В этом случае пропитка образцов бетона в течение 0,5 часа приводит к снижению водопоглощения по массе на 86% по сравнению с контрольными образцами (рис. 1). http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

На рис. 2 приведены аналогичные данные для образцов мелкозернистого бетона с исходным водопоглощением по массе 12,4%. В этом случае так же, как и для плотного цементного бетона, существенное снижение водопоглощения (на 75%) обеспечивается при пропитке образцов мелкозернистого бетона в течение 24 часов. При пропитке предварительно вакуумированных образцов мелкозернистого бетона в течение 0,5 часа снижение водопоглощения по массе составляет 94%. Данные, приведенные на рис. 1 и 2, показывают, что обработка мелкозернистого бетона составом «Аквастат» позволяет снизить его водопоглощение до уровня, соответствующего плотному бетону, имеющему более высокую стоимость, а также повысить долговечность мелкозернистого бетона, что позволит расширить область его использования для изготовления дорожных изделий и конструкций. На рис. 3а приведено изображение скола образца мелкозернистого цементного бетона размером 2х2х2 см, пропитанного составом «Аквастат» в течение 4 часов при атмосферном давлении. По периметру скола образца отчетливо видна область, в которую проник пропиточный состав и после высыхания образовал водоотталкивающий слой. На рис. 3б а)

б)

Рис. 3. Изображение скола мелкозернистого цементного бетона, обработанного серосодержащим пропиточным составом «Аквастат»: а – без увеличения; б – изображение скола бетона, полученное с помощью атомно-силового микроскопа

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

приведено изображение структуры скола того же образца мелкозернистого бетона, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. На нем видны овальные образования наночастиц серы со средним размером 50 нм, отсутствующие на изображении структуры скола непропитанного бетона. Таким образом, можно предположить, что наличие в поровом пространстве цементного камня матрицы бетона гидрофобных наночастиц серы является причиной предотвращения проникновения воды в поры бетона, снижения водопоглощения и повышения морозостойкости и долговечности цементных бетонов. На рис. 4 приведены кривые изменения удельного водопоглощения образцов мелкозернистого цементного бетона (В/Ц = 0,5), пропитанных составом «Аквастат» по вышеназванным режимам, за 8 часов воздействия столба воды. Результаты исследований (рис. 4) показывают, что пропитка образцов при нормальных условиях в течение 1 часа приводит

Рис. 4. Динамика изменения удельного водопоглощения образцов мелкозернистого цементного бетона (В/Ц = 0,5), пропитанных составом «Аквастат» по различным режимам: 1 – непропитанный (контрольный) образец мелкозернистого бетона; 2 – образец мелкозернистого бетона, пропитанный в течение 1 ч полным погружением в раствор; 3 – то же, в течение 4 ч; 4 – то же, в течение 24 ч; 5 – образец мелкозернистого бетона, пропитанный в вакууме в течение 0,5 ч

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

к двукратному снижению удельного водопоглощения бетона, а пропитка при пониженном давлении вакуумированных образцов обеспечивает 25-кратное снижение удельного водопоглощения. Обработанный составом «Аквастат» бетон становится практически водонепроницаемым в условиях статического давления столба воды. Таким образом, полученные результаты исследований позволяют сделать вывод о значительной эффективности применения состава «Аквастат» для пропитки цементных бетонов, изделий и конструкций на их основе, а также рекомендовать этот способ гидрофобизации с целью повышения долговечности дорожных бетонных и железобетонных изделий и конструкций, железобетонных аэродромных плит и конструкций гидротехнических сооружений.

Работа поддержана ПЦФ Республики Казахстан и Российским фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Уважаемые коллеги!

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

Массалимов И.А., Янахметов М.Р., Чуйкин А.Е., Массалимов Б.И., Уракаев Ф.Х., Уралбеков Б.М., Буркитбаев М.М. Гидрофобизация плотного и мелкозернистого бетонов полисульфидными растворами // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 85–99. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-85-99.

Dear colleagues!

T he reference to this paper has the following citation format: Massalimov I.A., Yanakhmetov M.R., Chuykin A.E., Massalimov B.I., Urakaev F.H., Uralbekov B.M., Burkitbaev M.M. Hydrophobization of dense and fine concrete by polysulfide solutions. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 85–99. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-85452016-8-5-85-99. (In Russian).

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Библиографический список: Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: АСВ, 2002. – 500 с. Гусев Б.В. Нанотехнологиям в строительстве быть // Нанотехнологии в строительстве. – 2011. – Том 3, № 6. – С. 6–12. – URL: http://www.nanobuild.ru/ ru_RU/journal/Nanobuild_6_2011_RUS.pdf (дата обращения 01.06.2016). 3. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов // Нанотехнологии в строительстве. – 2011. – Том 3, № 1. – С. 24–38. – URL: http://www.nanobuild.ru/ru_RU/journal/Nanobuild_6_2011_ RUS.pdf (дата обращения 01.06.2016). 4. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы / Е.В. Королев, А.П. Прошин, Ю.М. Баженов, Ю.А. Соколова. – М.: Палеотип, 2006. – 272 с. 5. Патуроев В.В. Полимербетоны. – М.: Стройиздат, 1987. – 286 с. 6. Баженов Ю.М. Бетонополимеры. – М.: Стройиздат, 1983. – 472 с. 7. Rusinov A., Rusinov N., Rusinov H. Composition for protecting a body of concrete, a process for preparing same, and a method for the protection of a body of concrete // Patent US № 5728428 A. Declared 01.06.1995. Published 17.03.1998. 8. Зайков Д.Н. Новое поколение российских гидроизоляционных материалов проникающего действия // Строительные материалы. – 2003. – № 12. –. С. 20–21. 9. Латышева Л.Ю., Смирнов С.В. Как защититься от воды и сырости // Строительные материалы. – 2003. – № 8. – С. 24–25. 10. Пропиточные гидрофобизирующие композиции на основе водорастворимой серы / Р.С. Мусавиров, И.А. Массалимов, А.Е. Чуйкин, В.В. Бабков, М.А. Балобанов, М.В. Шарабыров // Строительные материалы. – 2003. – № 10. –. С. 25 – 27. 11. Массалимов И.А., Волгушев А.Н., Чуйкин А.Е., Хусаинов А.Н., Мустафин А.Г. Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы // Нанотехнологии в строительстве. – 2010. – Т.2, № 1. – С. 45–58. – URL: http://www.nanobuild.ru/ru_RU/journal/Nanobuild_1_2010_ RUS.pdf (дата обращения 01.06.2016). 12. Массалимов И.А., Мустафин А.Г., Чуйкин А.Е., Волгушев А.Н., Массалимов Б.И., Хусаинов А.Н. Упрочнение и увеличение водонепроницаемости бетона покрытиями на основе наноразмерной серы // Нанотехнологии в строительстве. – 2010. – Т. 2, № 2. – С. 54–61. – URL: http://www.nanobuild.ru/ru_RU/ journal/Nanobuild_7_2010_RUS.pdf (дата обращения 01.06.2016). 1. 2.

http://nanobuild.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

13. Massalimov I.A., Yanakhmetov M.R., Chuykin A.E., Mustafin A.G. Protection of Building Constructions with Sulfur Impregnating Solution. Study of Civil Engineering and Architecture (SCEA). June 2013. Vol. 2. Issue 2, pp.19–24. 14. Янахметов М.Р., Чуйкин А.Е., Массалимов И.А. Модифицирование поровой структуры цементных бетонов пропиткой серосодержащими растворами // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 1. – С. 63–72. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-63-72. 15. Массалимов И.А., Янахметов М.Р., Чуйкин А.Е. Прочность и долговечность бетона, модифицированного пропиточными составами на основе серы // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 3. – С. 61–75. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2015-7-3-61-77. 16. Массалимов И.А., Бабков В.В., Мусавиров Р.С., Чуйкин А. Е., Амирханов К.Ш., Мирсаев Р.Н. Способ гидрофобизации шифера // Патент РФ 2243191. Заявл. 05.04.2002. Опубл. 27.12.2004. 17. Массалимов И.А., Бабков В.В., Мустафин А.Г. Состав для обработки строительных материалов и способ их обработки // Патент РФ 2416589. Заявл. 23.09.2009. Опубл. 20.04.2011. Бюл. № 11. 18. Массалимов И.А., Чуйкин А.Е., Янахметов М.Р. Способ обработки строительных материалов полисульфидными растворами // Евразийская заявка 201400277/28. Заявл. 26.03.2014. Положительное решение на получение патента 26.03.2016.

Контакты

http://nanobuild.ru

Массалимов Исмаил Александрович ismail_mass@mail.ru

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

UDC 54.057 Author: Shapovalov Nikolay Afanasyevich, Professor, Doctor of Engineering, First Vice-Rector of Belgorod State technological University named after V.G. Shoukhov; Kostyukov str., 46, Belgorod, Russia, 308012, val.po@bk.ru; Author: Poluektova Valentina Anatolyevna, Ph.D. in Engineering, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Pure and Applied Chemistry, Belgorod State technological University named after V.G. Shoukhov; Kostyukov str., 46, Belgorod, Russia, 308012, v.a.poluektova@gmail.com

FEATURES OF NANOMODIFIERS SYNTHESIS BASED ON TRIFUNCTIONAL OXYPHENYLS FOR MINERAL SUSPENSIONS

Extended Abstract: The focused influence on the rheological characteristics of highly-concentrated mineral suspensions used in the building industry is possible due to the directed synthesis of nano-sized macromolecules that have the certain structure and high adsorbing capacity on the surface of mineral particles and that are able to modify the boundary layer composition. The adsorbing capacity of organic compounds depends mostly on the hydrocarbon chain length and the molecular weight of the compound. The result of the condensate interaction of phenol and its derivatives with aldehydes is oligomers and polymers whose structure depends on the phenol functionality, the kind of aldehyde, molecular ration of reagents, the Ph medium of the reaction. So, changing the type or the functionality of initial monomers or the synthesis conditions one can produce linear thermoplastic oligomers (novolacs) or highly branched thermosetting oligomers (resols). It has been found that the resole production takes place under softer conditions, and there is no necessity to neutralize reaction products as with novolac production that usually requires acid environment. A number of thermosetting oligomers based on trifunctional polyatomic phenols have been synthesized. The theoretical and practical characteristics of resole oligomer synthesis have been studied, synthesis optimal conditions have been determined, the composition and structure of macromolecules were revealed by the methods of infrared spectroscopy, proton magnetic resonance spectroscopy, liquid chromatography and conductivity measurement, the length of the enlarged oligomer molecule was calculated. Obtained compounds can be qualified as nanoscaled modifiers of mineral dispersions. Key words: nanomodifier, trifunctional phenols, synthesis of macromolecules, plasticizing ability. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115

http://nanobuild.ru

100

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Features of nanomodifiers synthesis based on trifunctional oxyphenyls for mineralsuspensions by <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 100–115. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Shapovalov N.A., Poluektova V.A. </a> is licensed under a <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016</ a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="val.po@bk.ru" rel="cc:morePermissions">val.po@bk.ru</a>.

References: 1. 2.

Lipatov Y.S., Sergeeva L.M. Adsorbcija polimerov [Polymer adsorption]. Kiev: Naukova Dumka, 1972, 196 p. (In Russian) Lipatov Y.S. Sovremennye teorii adsorbcii polimerov na tverdyh poverhnostjah [Modern theories of polymer adsorption on hard surfaces]. Uspekhi chimii [Success of Chemistry] 1981, Vol. 50, № 2, pp. 355–379. (In Russian). Kharitonova T.V., Ivanova T.I., Sushm B.D. Adsorbcija kationnogo i neionogennogo PAV na poverhnosti SiO2 iz vodnyh rastvorov [Adsorption of cationic and nonionic surface active agent on SiO2 surface from aqueous solutions]. Kolloidnyj zhurnal [Colloid Journal]. 2005, Vol. 67, № 2, pp. 274–280. (In Russian). Poluektova, V.А., Shapovalov N.А., Balyatinskaya L.N. Adsorbcija oksifenol furfurol'nyh oligomerov na dispersnyh materialah [Adsorption of oxyphenol and furfurol oligomer on disperse materials]. Fundamental'nye issledovanija [Fundamental researches]. 2012, no. 11, part. 6, pp. 1470–1474. (In Russian). Vovk A.I. Analiz vzaimosvjazi stroenija PAV s ih adsorbcionnymi harakteristikami v sisteme cementnyj mineral – voda [Interrelation analysis of surface active agents structure and their adsorption characteristics in the system «concrete mineral – water»]. Kolloidnyj zhurnal [Colloid Journal]. 1997, Vol. 59, № 6, pp. 743– 746. (In Russian). Dolinnyi A.I. Adsorbcija iz smesi polimerov. Jeffekt molekuljarnoj massy [Adsorption from polymers mixture. Effect of molecular weight]. Kolloidnyj zhurnal [Colloid Journal]. 2006, Vol. 68, № 1, pp. 37–45. (In Russian). Shapovalov N.А. Regulirovanie agregativnoj ustojchivosti mineral'nyh suspenzij oligomernymi aromaticheskimi jelektrolitami [Regulation of aggregate stability of mineral suspensions by oligomer aromatic electrolytes]. Abstract of Doctoral Thesis. Belgorod, 1999, 32 p. (In Russian). Poluektova V.А., Lomachenko V.A., Stolyarova Z.V., Lomachenko V.M., Malinovker V.M. Kolloidno-himicheskie svojstva vodnyh dispersij mela i mramora [Colloid-

http://nanobuild.ru

101

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

10.

11.

12.

13.

14.

15.

chemical features of aqueous dispersions of chalk and marbel]. Fundamental'nye issledovanija [Fundamental research]. 2014, № 9 (part 6), pp. 1205–1209. (In Russian). Poluektova V.A., Stolyarova Z.V., Lomachenko S.M., Chernikov R.O. Adsorption of domestic wastes-based modifier of resorcinol on the surface of mineral particles. International Scientific Journal. 2015, № 4, pp. 45–46. Poluektova V.A., Shapovalov N.A., Kosukhin M.M., Slusar A.A. Plasticizing Additives For Water Mineral Dispersions On The Basis Of Oxyphenol Oligomers. Advances in Natural and Applied Sciences. 2014, Vol. 8, № 5, pp. 373–379. Slusar A.A., Shapovalov N.A., Poluektova V.А. Regulirovanie reologicheskih svojstv cementnyh smesej i betonov dobavkami na osnove oksifenolfurfurol'nyh oligomerov [Rheological characteristics control of cement mixtures and concrete by additives based on oxyphenolfurfural oligomers]. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2008, № 7, pp. 42–43. (In Russian). Slyusar А.А., Poluektova V.А., Mukhacheva V.D. Kolloidno-himicheskie aspekty plastifikacii mineral'nyh suspenzij oksifenolfurfurol'nymi oligomerami [Colloidal and chemical aspects of plasticization of mineral suspensions by oxyphenol and furfurol oligomer]. Vestnik BGTU. 2008, № 2, pp. 66–69. (In Russian). Poluektova V.A., Shapovalov N.A. and Gorodov A.I. Modifiers on the base of oxyphenol Chemical Production Waste For The Industrial Mineral Suspensions. International journal of applied engineering research. 2015, Vol. 10, № 21, pp. 42654– 42657. Poluektova V.А., Slyusar А.А., Shapovalov N.А. Superplastifikator na osnove florogljucinfurfurol'nyh oligomerov dlja vodnyh mineral'nyh suspenzi [Supersoftener on the basis of floor glucine and furfurol oligomer for water mineral suspensions]. Monograph. Belgorod: BSTU publishment. 2012, 108 p. (In Russian). Slusar A.A., Poluektova V.А., Mukhacheva V.D. Beton na osnove vjazhushhego nizkoj vodopotrebnosti i modifikatora SB-FF [Concrete based on binding gent of low water demand and modificator SB-FF]. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2009, № 9, pp. 65–66. (In Russian).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Shapovalov N.A., Poluektova V.A. Features of nanomodifiers synthesis based on trifunctional oxyphenyls for mineral suspensions. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 100–115. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115. (In Russian).

http://nanobuild.ru

102

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 54.057 Автор: Шаповалов Николай Афанасьевич, профессор, д-р техн. наук, первый проректор ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; . ул. Костюкова 46, Белгород, Россия, 308012, val.po@bk.ru; Автор: Полуэктова Валентина Анатольевна, канд. техн. наук, доц, доцент кафедры теоретической и прикладной химии, ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова 46, Белгород, Россия, 308012, . v.a.poluektova@gmail.com

ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА НАНОМОДИФИКАТОРОВ НА ОСНОВЕ ТРИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОКСИФЕНОЛОВ ДЛЯ МИНЕРАЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): Целенаправленно влиять на реологические свойства высококонцентрированных минеральных суспензий, применяемых в строительной индустрии, позволяет направленный синтез макромолекул наноразмеров и определенного строения, обладающих высокой адсорбционной способностью на поверхности минеральных частиц и способных модифицировать структуру граничного слоя. Адсорбционная способность органических соединений зависит, в первую очередь, от длины углеводородной цепи и молекулярной массы соединения. В результате конденсационного взаимодействия фенола и его производных с альдегидами получаются олигомеры и полимеры, строение которых зависит от функциональности фенола, вида альдегида, мольного соотношения реагентов, рН среды реакции. Так, меняя тип или функциональность исходных мономеров, либо условия синтеза, можно синтезировать линейные термопластичные олигомеры (новолаки), либо сильно разветвленные термореактивные олигомеры (резолы). Установлено, что получение резолов идет при более мягких условиях в щелочной среде, при этом отсутствует необходимость нейтрализации продуктов реакции, как в случае с получением новолаков, синтез которых, как правило, протекает в кислой среде. Синтезирован ряд термореактивных олигомеров на основе трифункциональных многоатомных фенолов. Изучены теоретические и практические особенности синтеза резольных олигомеров, определены оптимальные условия синтеза, установлен состав и строение макромолекул методами ИК-,

http://nanobuild.ru

103

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ПМР-спектроскопии, жидкостной хроматографии и кондуктометрии, рассчитана длина развернутой олигомерной молекулы. Полученные соединения были отнесены к наноразмерным модификаторам минеральных дисперсий. Ключевые слова: наномодификатор, трифункциональные фенолы, синтез макромолекул, пластифицирующая способность.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Лицензия Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Произведение «Особенности синтеза наномодификаторов на основе трифункциональных оксифенолов для минеральных суспензий » созданное автором по имени <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 100–115. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115." property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Шаповалов Н.А., Полуэктова В.А. </a>, публикуется на условиях <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http:// nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc="http://creativecommons. org/ns#" href="val.po@bk.ru" rel="cc:morePermissions">val.po@bk.ru</a>.

течественные и импортные модификаторы суперпластифицирующего действия для минеральных суспензий, применяемых в строительной индустрии, в большинстве своем представляют синтетические водорастворимые продукты поликонденсации соединений бензольного, нафталинового и полиядерного рядов с альдегидами. Чаще всего продукты конденсации представляют собой смесь олигомеров и полимеров, содержащих молекулы различной степени полимеризации. Теория адсорбции полимеров на поверхности минеральных частиц разной природы изучена достаточно и наиболее полно представлена в монографии Ю. С. Липатова и Л.М. Сергеевой [1], а также в работах [2–3]. Известно, что адсорбционная способность органических соединений зависит, в первую очередь, от длины углеводородной цепи и молекулярной массы соединения [4–6]. Наиболее активно на гидрофильных поверхностях адсорбируются полимеры с большей молекулярной массой за счет кооперативного эффекта. Адсорбция молекул добавок http://nanobuild.ru

104

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

пластифицирующего действия на поверхности твердого тела определяет особенности структуры граничного слоя, это позволяет целенаправленно влиять на реологические свойства высококонцентрированных суспензий, размер агрегатов частиц дисперсной фазы и т.д. Таким образом, направленный синтез макромолекул наноразмеров и определенного строения, обладающих высокой адсорбционной способностью на поверхности минеральных частиц и способных модифицировать поверхности раздела фаз дисперсных систем для целенаправленного регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости суспензий, является актуальной междисциплинарной задачей. Известно, что в результате конденсационного взаимодействия фенола и его производных с альдегидами получаются олигомеры и полимеры, строение которых зависит от функциональности фенола, вида альдегида, мольного соотношения реагентов, рН среды реакции. Так, меняя тип или функциональность исходных мономеров, либо условия синтеза, можно синтезировать линейные (возможны слабо разветвленные) термопластичные олигомеры (новолаки), либо сильно разветвленные термореактивные олигомеры (резолы). В фенолах реакционноспособными являются атомы водорода, находящиеся в орто- и параположениях к гидроксильной группе. Поэтому одноатомный фенол, двухатомный фенол – резорцин и трехатомный фенол – флороглюцин относятся к трифункциональным оксифенолам. К бифункциональным относятся оксифенолы с гидроксогруппами в орто- или параположениях – пирокатехин и гидрохинон. К монофункциональным следует отнести 1,2,3-тригидроксобензол (пирогаллол). Реакция поликонденсации моно- и бифункциональных соединений фенола приводит к образованию линейных полимеров, которые растворимы и не отверждаются при нагревании. Моно- и бифункциональные фенолы образуют только термопластичные олигомеры. Реакцией конденсации с трифункциональными фенолами (фенол, м-крезол и 3,5-ксиленол, резорцин, флороглюцин) можно получить пространственные – сначала образуются плавкие и растворимые термореактивные олигомеры, которые при нагревании способны переходить в нерастворимые неплавкие полимерные молекулы с пространственным строением. Из альдегидов лишь формальдегид и фурфурол способны образовывать термореактивные олигомеры при поликонденсации с трифункциhttp://nanobuild.ru

105

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ональными фенолами. Другие альдегиды (уксусный, масляный и т. д.) вследствие пониженной химической активности и пространственных затруднений не образуют термореактивных олигомеров. В БГТУ им. В.Г. Шухова за последние двадцать лет получены добавки на основе: 1) фенолформальдегидных олигомеров: СБ-Ф – на основе чистого фенола; СБ-А, СБ-2А – на основе отходов производства фенола, отличающихся строением олигомеров вследствие различной последовательности стадий сульфирования и поликонденсации [7]; 2) резорцинформальдегидных олигомеров: СБ-Р и СБ-3 – на основе чистого резорцина и отходов его производства соответственно, в качестве конденсирующего агента использовали формалин [7–10]; 3) резорцинфурфурольных олигомеров: СБ-РФ и СБ-5 – на основе чистого резорцина и отходов его производства соответственно, в качестве конденсирующего агента использовали фурфурол [11, 12]. 4) флороглюцинфурфурольных олигомеров: СБ-ФФ – на основе чистого флороглюцина, в качестве конденсирующего агента использовали фурфурол [13–15]. Исследования показали, что при поликонденсации оксифенолов с формальдегидом могут быть синтезированы как термопластичные, так и термореактивные олигомеры. Термопластичные (новолачные) олигомеры образуются в следующих случаях: • при соотношение фенол : формальдегид 1:0,78–0,86 (избыток фенола) в кислой среде; • при соотношение фенол : формальдегид 1:2–2,5 (большой избыток формальдегида в присутствии кислотных катализаторов (сильнокислая среда). Термореактивные (резольные) олигомеры образуются в следующих случаях: • при поликонденсации трифункционального фенола, взятого в избытке, с формальдегидом в щелочной среде (основные катализаторы). При этом следует отметить, что резольные олигомеры получаются даже при многократном избытке фенола, который остается в продуктах реакции в растворенном виде; • при количестве формальдегида, взятого в небольшом избытке как в кислой, так и в щелочной средах. http://nanobuild.ru

106

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Таким образом, получение термопластичных олигомеров, как правило, возможно в присутствии кислотных катализаторов, что вызывает необходимость нейтрализации продуктов реакции, для использования их в качестве суперпластифицирующих добавок. Синтез термореактивных олигомеров протекает при более мягких условиях в присутствии основных катализаторов. В ходе данной работы был синтезирован ряд термореактивных олигомеров (резолов) на основе трифункциональных фенолов. В качестве мономеров для синтеза использовали многоатомные фенолы: резорцин или флороглюцин, обладающие большой реакционной способностью по сравнению с фенолом вследствие суммарного влияния двух (трёх) гидроксильных групп. В качестве конденсирующего агента использовали как широко применяемый для синтеза пластифицирующих добавок формальдегид, так и фурфурол. Для получения термореактивных олигомеров синтез вели в присутствии щелочных катализаторов.

Получение резорцинформальдегидного наномодификатора Схема поликонденсации резорцина с формальдегидом в щелочной среде может быть представлена следующим образом:

(1)

В результате реакции получали термореактивные олигомеры различной средней молекулярной массы, состав и строение которых определялся соотношением исходных реагентов, их концентрациями и температурой. Изменение температуры значительно влияло на скорость реакции. Анализ результатов показал, что оптимальным отношением реагентов для получения резорцинформальдегидных резолов с наибольшей пластифицирующей способностью является мольное соотношение компонентов формальдегид/резорцин 0,82. Кинетику получения олигомеров исследовали с помощью жидкостной хроматографии на хроматографе ХЖ-1305. В качестве адсорбента http://nanobuild.ru

107

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

использовали «ДАУЭКС-Н» фракции 100–150 мкм. Длина колонки 15 см, диаметр 0,1 см, элюент – бидистиллированная вода, скорость потока – 0,125 см3/час; анализ проводили на длине волны 275 нм, соответствующей максимуму поглощения соединений. Время выхода для жидкостной колоночной хроматографии определялось наличием тех или других функциональных групп. Смесь метилольных производных и олигомеров, имеющих разную молекулярную массу, но одинаковые функциональные группы, выходили одним пиком. В соответствии с этим на хроматограмме наблюдалось два пика, первый из которых соответствует сумме метилольных производных и олигомерных продуктов, второй – резорцину. Изучение зависимости концентрации резорцина и продуктов конденсации от времени синтеза при оптимальном мольном соотношении реагентов показало, что концентрация резорцина резко уменьшается и через 5–7 мин достигает практически постоянной величины, составляющей не более 5–8% от исходной величины. Это объясняется тем, что резорцин расходуется в быстрой реакции образования метилольных производных, в то время как лимитирующей стадией процесса является реакция взаимодействия метилольных соединений друг с другом с образованием молекул олигомеров. Лимитирующая роль реакции образования олигомеров подтверждается также зависимостью молекулярной массы продуктов поликонденсации от времени синтеза. В то время как весовая концентрация продуктов реакции после 5 минут синтеза остается постоянной, молекулярная масса продолжает увеличиваться, и только через 40–50 минут ее рост замедляется. Одновременное определение пластифицирующей способности продуктов реакции показало, что вначале молекулярная масса и пластифицирующая способность увеличиваются симбатно, но, начиная с молекулярной массы 750–800, дальнейшее ее возрастание не приводит к росту пластифицирующей способности. Это свидетельствует о том, что увеличение длины цепи олигомерных молекул оказывает влияние на пластифицирующую способность только до определенного предела. При мольном соотношении реагентов около 0,98 образуется высокомолекулярный полимер, нерастворимый в воде. Таким образом, оптимальными условиями синтеза являются: мольное соотношение формальдегид/резорцин 0,82, температура 70оС, время синтеза 40 мин, загрузка катализатора – 5% от массы резорцина. http://nanobuild.ru

108

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

При изучении состава и строения модификатора на основе резорцинформальдегидных резолов использовали образец со среднечисловой молекулярной массой 750±10. Сравнение УФ-спектров резорцинформальдегидных резолов и резорцина показало, что характер спектра изменился. Сдвиг полосы поглощения в области 28000–36000 см–1 свидетельствует о том, что степень сопряжения в ароматических кольцах олигомерных молекул увеличилась. Сравнительный анализ ИК-спектров резорцинформальдегидных резолов и резорцина показал, что характерными в обоих случаях являются следующие полосы поглощения: 1608 см–1, 1500 (валентные колебания С=С кольца), 1370 (валентные колебания С–О фенола), 1295 (колебания ароматического цикла), 1165 (плоскостные деформационные колебания фенольных ОН-групп). Для резорцина наблюдались также полосы поглощения, характерные для 1,3 – замещения: в области 1900–2000 см–1, а также 850, 773, 680 см–1. В случае олигомеров эти полосы поглощения исчезают и появляются новые: 1450 (деформационные колебания С–Н в СН2-группе), 1227 (деформационные колебания ОН в первичных спиртах), 1085 (валентные колебания С–О в первичных спиртах), 900 (внеплоскостные деформационные колебания С–Н в 1,2,4 и 1,2,4,5-замещенных бензола), 840 (внеплоскостные деформационные колебания СН в 1,2,4-замещенных бензола). Сравнение ПМР-спектров резорцинформальдегидных олигомеров и резорцина показало, что в спектрах олигомеров наблюдается снижение мультиплетности и уменьшение интенсивности сигнала в области 6–7 м.д., обусловленное уменьшением количества протонов в ароматическом кольце. В спектре резольных олигомеров появляется сигнал в области 3,6 м.д., соответствующий СН2-протонам, связанным с ароматическим кольцом. Изменяется также интенсивность сигнала в области 8 м.д., обусловленного протонами ОН-групп. В молекуле резорцинформальдегидного модификатора кондуктометрическим методом обратного титрования определили количество фенольных гидроксильных групп. Расчет проводили по формуле

http://nanobuild.ru

(2) 109

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

где nфен – количество фенольных ОН-групп в молекуле олигомера; V1 – объем HCl, пошедший на титрование избытка щелочи; V2 – суммарный объем НС1, пошедший на титрование щелочного раствора олигомера; N – нормальность НС1; М – молекулярная масса олигомера; Сол – концентрация олигомеров, кг/м3; Vол – объем раствора олигомера. Расчет показал, что количество ОН-групп на одну молекулу составляет 10,07, при этом в повторяющемся структурном звене молекулы резола остаются неизменными по сравнению с резорцином. Это является прямым доказательством того, что фенольные ОН-группы не участвуют в реакции поликонденсации. Таким образом, строение молекул резорцинформальдегидного модификатора можно представить в виде следующей модели (рис. 1).

Рис. 1. Модель строения молекул резорцинформальдегидного модификатора

Используя значения атомных радиусов либо длин связи, получаемых суммированием атомных радиусов, была рассчитана длина предполагаемой развернутой молекулы резорцинформальдегидного модификатора. Известно, что все связи С–С в бензольном кольце равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Исходя из этого, размер молекулы бензола принято считать около 0,5 нм. Длина связи С–О равна 0,126 нм. Атомные радиусы углерода и кислорода равны соответственно 0,077 и 0,066 нм: L = (0,5+0,126+0,066)∙5+0,154∙2∙4 = 4,7 нм.

(3)

Таким образом, на основе резорцинформальдегидных олигомеров был получен модификатор, молекулы которого имеют наноразмеры.

http://nanobuild.ru

110

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Получение флороглюцинфурфурольного наномодификатора Схему протекания поликонденсации флороглюцина с фурфуролом в щелочной среде можно представить следующим образом:

(4)

Синтез флороглюцинфурфурольных резолов исследовали с помощью ПМР-спектрометра «TESLA BS-476A» с термозондом с рабочей частотой 60 МГц и жидкостного хроматографа с DIFFERENTAL REFRACTOMETER RIDK 101. В качестве адсорбента использовали «SEPARON SC-X C-18», элюентом служила бидистиллированная вода. Была изучена зависимость концентрации флороглюцина и фурфурола от времени синтеза при оптимальном мольном соотношении реагентов. На дифференциальном ПМР-спектре механической смеси фурфурола с флороглюцином в области 9–10 м.д. имеется пик, образованный в результате резонанса альдегидных протонов фурфурола (рис. 2). а

, м.д.

Рис. 2. ПМР-спектры: а – смеси флороглюцина и фурфурола; б – флороглюцинфурфурольного резола в дейтероацетоне: 1 – протоны альдегидной группы фурфурола; 2 – протоны фуранового кольца; 3– протоны ОН– групп флороглюцина; 4 – ароматические протоны флороглюцина http://nanobuild.ru

111

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

В ходе реакции поликонденсации путем снятия интегральных кривых определяли зависимость площади этого пика от времени реакции. Изменение площади соответствует изменению относительной концентрации альдегидного протона в реакционной смеси. В результате реакции этот пик постепенно исчезал, но появлялся новый пик в области 3 м.д., что свидетельствует о возможном образовании – СН-групп (рис. 2). Уширение сигналов ароматических протонов свидетельствовало о связи молекул в олигомеры и снижении степени подвижности данных протонов. В области 8 м.д. сохранялся сигнал, соответствующий протонам ОН-групп флороглюцина, т.е. фенольные группы не участвуют в синтезе, однако наблюдалось расщепление данного сигнала, что соответствует изменению влияния соседних протонов в результате появления дополнительных заместителей в ароматических кольцах флороглюцина. Строение флороглюцинфурфурольных резолов определяли с помощью ИК-спектроскопии на ИК-Фурье-спектрометре Vertex 70, ПМРспектроскопии и жидкостной хроматографии. Из соотнесения полос поглощения на ИК-спектре сделан вывод, что в спектре СБ-ФФ сохраняются полосы в области 1610±5 см–1, 1500±10 см–1 (валентные колебания С=С ароматического кольца), 1370±10 см–1 (валентные колебания С–О фенольные), 1165±10 см–1 (плоскостные деформационные колебания фенольных ОН-групп), 1075±10 см–1 (валентные колебания С–О–С фуранового кольца), а полосы в области 1680±5 см–1 (валентные колебания С=О-карбонильные) исчезают. Появляется интенсивный пик в области 3450±10 см–1 (валентные колебания атомов водорода групп С–Н). Данные, полученные с помощью хроматографического анализа, показали, что в начале реакции совместной конденсации флороглюцина с фурфуролом образуются их монопроизводные соединения. Вследствие своей высокой растворимости на хроматограмме они выходят раньше других компонентов реакционной смеси. С течением времени наблюдается снижение интенсивности пика флороглюцина и практически полное исчезновение пика фурфурола. Через 40–50 мин происходит дальнейшее изменение структуры молекул, о чем свидетельствует уменьшение пика монопроизводных и пика оставшегося флороглюцина и появление пика олигомеров. Результаты, полученные на ПМРспектрометре и жидкостном хроматографе, достаточно хорошо соответствуют друг другу. http://nanobuild.ru

112

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Таким образом, на основании данных ИК-спектороскопии, ПМРспектроскопии, жидкостной хроматографии, кондуктометрического титрования (расчет показал, что, в среднем, в одной молекуле содержится 18±0,5 фенольных ОН–групп), величины средней молекулярной массы при оптимальных условиях синтеза, равной 950±10, строение молекул флороглюцинфурфурольного модификатора можно представить в виде следующей модели, представленной на рис. 3.

Рис. 3. Модель строения молекул флороглюцинфурфурольного модификатора

Используя значения атомных радиусов и длин связи, была рассчитана длина предполагаемой развернутой молекулы флороглюцинфурфурольного модификатора : L = (0,5+0,126∙2+0,066∙2)∙6+0,154∙2∙5 = 6,8 нм.

(5)

Исходя из полученного значения, модификатор на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров также можно отнести к наномодификаторам. При этом необходимо отметить, что флороглюцинфурфурольные резолы обладают большей пластифицирующей способностью в минеральных суспензиях по сравнению с резорцинформальдегидными олигомерами, что, по нашему мнению, обусловлено большим количеством оксигрупп в молекулах, которые участвуют в адсорбционных процессах. Таким образом, в ходе данной работы установлено, что получение термореактивных олигомеров идет при более мягких условиях в щелочной среде, при этом отсутствует необходимость нейтрализации продуктов реакции, как в случае с получением термопластичных олигомеров, синтез которых, как правило, протекает в кислой среде. http://nanobuild.ru

113

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Изучение теоретических и практических особенностей синтеза резольных олигомеров, определение оптимальных условий синтеза, установление состава и строения термореактивных олигомеров на основе трифункциональных многоатомных фенолов методами ИК-, ПМР-спектроскопии, хроматографии, кондуктометрии и др., расчет максимальной длины развернутой олигомерной молекулы позволили получить соединения, которые можно отнести к наномодификаторам минеральных дисперсий. Работа выполнена в рамках научного проекта № 14-41-08015 р_офи_м при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Белгородской области.

Уважаемые коллеги!

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

Шаповалов Н.А., Полуэктова В.А. Особенности синтеза наномодификаторов на основе трифункциональных оксифенолов для минеральных суспензий // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 100–115. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115.

Dear colleagues!

T he reference to this paper has the following citation format: Shapovalov N.A., Poluektova V.A. Features of nanomodifiers synthesis based on trifunctional oxyphenyls for mineral suspensions. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 100–115. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-100-115. (In Russian).

http://nanobuild.ru

114

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Библиографический список: 1. 2. 3.

6. 7.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Липатов Ю.С., Сергеева Л.М. Адсорбция полимеров. – Киев: Наукова думка, 1972. – 196 с. Липатов Ю.С. Современные теории адсорбции полимеров на твердых поверхностях // Успехи химии. – 1981. – Том 50, № 2. – С. 355–379. Харитонова Т.В., Иванова Н.И., Сушм Б.Д. Адсорбция катионного и неионогенного ПАВ на поверхности SiO2 из водных растворов // Коллоидный журнал. – 2005. – Т. 67, № 2. – C. 274–280. Полуэктова В.А., Шаповалов Н.А., Балятинская Л.Н. Адсорбция оксифенолфурфурольных олигомеров на дисперсных материалах // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11. Ч. 6. – С. 1470–1474. Вовк А.И. Анализ взаимосвязи строения ПАВ с их адсорбционными характеристиками в системе цементный минерал – вода // Коллоидный журнал. – 1997. – Т. 59, № 6. – С. 743–746. Долинный А.И. Адсорбция из смеси полимеров. Эффект молекулярной массы // Коллоидный журнал. – 2006. – Т. 68, № 1. – С. 37–45. Шаповалов Н.А. Регулирование агрегативной устойчивости минеральных суспензий олигомерными ароматическими электролитами: автореферат … д-ра техн. наук. – Белгород, 1999. – 32 с. Полуэктова В.А., Ломаченко В.А., Столярова З.В., Ломаченко С.М., Малиновкер В.М. Коллоидно-химические свойства водных дисперсий мела и мрамора // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9. Ч. 6. – С. 1205–1209. Poluektova V.A., Stolyarova Z.V., Lomachenko S.M., Chernikov R.O. Adsorption of domestic wastes-based modifier of resorcinol on the surface of mineral particles // Міжнародний науковий журнал. – 2015. – № 4. – С. 45–46. Poluektova V.A., Shapovalov N.A., Kosukhin M.M., Slusar A.A. Plasticizing Additives For Water Mineral Dispersions On The Basis Of Oxyphenol Oligomers // Advances in Natural and Applied Sciences. – 2014. – Vol. 8, № 5. – С. 373–379. Слюсарь А.А., Шаповалов Н.А., Полуэктова В.А. Регулирование реологических свойств цементных смесей и бетонов добавками на основе оксифенолфурфурольных олигомеров // Строительные материалы. – 2008. – № 7. – С. 42–43. Слюсарь А.А., Полуэктова В.А., Мухачева В.Д. Коллоидно-химические аспекты пластификации минеральных суспензий оксифенолфурфурольными олигомерами // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2008. – № 2. – С. 66–69. Poluektova V.A., Shapovalov N.A., Gorodov A.I. Modifiers On The Base Of Oxyphenol Chemical Production Waste For The Industrial Mineral Suspensions // International journal of applied engineering research. – 2015. – Vol. 10, № 21. – С. 42654–42657. Полуэктова В.А., Слюсарь А.А., Шаповалов Н.А. Суперпластификатор на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров для водных минеральных суспензий: монография. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 108 с. Слюсарь А.А., Полуэктова В.А., Мухачева В.Д. Бетон на основе вяжущего низкой водопотребности и модификатора СБ-ФФ // Строительные материалы. – 2009. – № 9. – С. 65–66.

http://nanobuild.ru

115

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

UDC 666.9.035 Author: PАNINА Tatyana Ivanovna, Master, Postgraduate Student of the Department «Technique . and technology of nanoproducts manufacture», Tambov State Technical University (Russia), . Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, tanchora68@yandex.ru; Author: TOLCHKOV Jurij Nikolaevich, Master, Postgraduate of the Department «Technique and technology of nanoproducts manufacture», Tambov State Technical University (Russia), . Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, tolschkow@mail.ru; Author: TKACHEV Aleksej Grigorevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Engineering nanotechnology», Tambov State Technical University (Russia), . Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, postmaster@kma.tstu.ru; Author: MIKHАLEVА Zoya Аlekseevna, Ph.D. in Engineering, Associate Professor of the Department «Engineering nanotechnology», Tambov State Technical University (Russia), Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, zoyamih3@gmail.com; Author: GALUNIN Evgenij Valerevich, Ph.D. in Engineering, Senior Researcher of the Department «Technique and technology of nanoproducts manufacture», Tambov State Technical University (Russia), Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, evgeny.galunin@gmail.com; Author: MEMETOV Nariman Rustemovich, Ph.D. in Engineering, Associate Professor of the Department «Engineering nanotechnology», Tambov State Technical University (Russia), . Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, nanotam@yandex.ru; Author: POPOV Andrei Ivanovich, Ph.D. in Pedagogics, Associate Professor of the Department «Technique and technology of nanoproducts manufacture», Tambov State Technical University (Russia), Sovetskaya str., 106, Tambov, Russia, 392000, olimp_popov@mail.ru

EFFICIENCY OF APPLICATION OF COMPLEX NANOMODIFYING ADDITIVES BASED ON ZEOLITES IN BUILDING MATERIALS

Extended Abstract: The paper considers the possibility of using integrated multifunctional additives based on carbon nanotubes and zeolites (natural and synthetic) in construction materials. The nanotubes were produced by catalytic chemical vapor deposition. The streamlined modification of the zeolite structure was performed by impregnating initial materials with a nanotubes-supported catalyst. The present experimental research focused on studying the effect of the synthesized nanomodifying additive on the physicomechanical properties of a composite construction material. Based on the obtained data, it was assumed that when entering the concrete structure, zeolite acts not only as mineral additive but also as nanotubes carrier under the chosen nanomodification conditions for the construction ma-

http://nanobuild.ru

116

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

terial, thereby allowing for uniform distribution of carbon nanoparticles in the composite matrix; on the other hand, the adsorption properties of zeolite can be reinforced by the presence of carbon in the structure. Structures of nanomodifying zeolites and obtained building composite were evaluated by scanning electron microscopy (SEM). Electron micrographs of the objects makes it possible to explain the processes of formation of the concrete structure, nanomodified complex multifunctional additive based on synthetic and natural zeolites and carbon nanomaterial. Keywords: fine-grained concrete, nanomodifying, synthetic zeolite, natural zeolite, carbon nanotubes, synthesis.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-116-132

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Efficiency of application of complex nanomodifying additives based on zeolites in building materials by <a xmlns:cc="http://creativecommons. org/ns#" href="Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 116–132. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-116-132" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Pаninа T.I., Tolchkov J. N., Tkachev A.G., Mikhаlevа Z.А., Galunin E. V., Memetov N.R., Popov A.I. </a> is licensed under a <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/en_EN/ nanobuild-5-2016" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="olimp_popov@mail.ru" rel="cc:morePermissions">olimp_popov@mail.ru</a>.

References: 1.

Korolev A.S., Hakimova E'.Sh. Melkozernistye betony s nanodobavkami sinteticheskogo ceolita [Fine-grained concretes with synthetic zeolite nanoadditives]. Beton i zhelezobeton Concrete and Reinforced Concrete. 2008, pp. 13–15. (In Russian). Burakov A.E., Romancova I.V., Burakova E.A., Tkachev A.G., Tugolukov E.N. Povyshenie kachestvennyh harakteristik adsorbentov pri formirovanii poverhnostnoj struktury uglerodnyh nanotrubok kataliticheskim pirolizom uglevodorodov [Production of qualitative characteristics of adsorbents in formation of surface structure of carbon nanotubes by means of hydrocarbn catalytic pyrolysis]. Sorbcionnye i hromatograficheskie processy [Sorption and chromatographic processes]. 2013, pp. 334–342. (In Russian).

http://nanobuild.ru

117

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

3. 4.

6. 7. 8.

9. 10.

11.

12.

13. 14.

15.

16. 17.

Brek D. Ceolitovye molekulyarnye sita [Zeolite molecular screens]. Moscow, Mir, 1976, pp. 781. (In Russian). Tkachev A.G., Blinov S.V., Memetov N.R. Carbon nanomaterials on the of catalytic hydrocarbon pyrolysis: development and perspective use. NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. 2007, pp. 515–519. Banerjee R., Phan A., Knobler C., Keeffe M., Omar M., Yaghi M. (2008) High – throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture: Science. 2008, pp. 939–943. Patent for invention № 2 348 588. Suhaya stroitel'naya smes' [Dry construction mixture]. Frigione G., Zenone F. The effect of chemical composition on Portland cement clinker grindability: Cement and Concrete Research. 1983, pp. 483–492. Ovcharenko G.I., Sviridov V.L, Francen V.B. (1997) The use of natural zeolites in Russia during the cements concretes production: 13 Internationale Baustofftagung. Weimar (BRG). 1997, pp. 366–373. Scott M. Auerbach, Prabir K. Dutta. Zeolite science and technology. Marcel Dekker, Inc. 2003, p. 1204. Pozhidaev D.A., Kozin A.V. Chuguevskie ceolity, kak mineral'naya dobavka v stroitel'nye materialy [Chuguevskie zeolites as the mineral additive for building materials]. Sovremennye tehnologii v stroitel'stve, dizajne, arhitekture [Modern technologies in construction, design, architecture]. 2013, pp. 71–74. (In Russian). Vlasov V.A. The review of patents in the area of nanotechnologies and nanomaterials. Part 1. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, no. 2, pp. 101–114. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-72-101-114. Goryushkin V.V. Bentonitovye gliny yugo-vostoka Voronezhskoj anteklizy [Bentonite clay of Voronezh south-east anteclise] Thesis abstract. Voronezh State University. 2006. (In Russian). Ovcharenko G.I. Ceolit v stroitel'nyh materialah [Zeolite in building materials]. Publishing House AltGTU, 1995. 102 p. (In Russian). Chernyshov E.M. The nanotechnology studies of construction composites: general considerations, main directions and results. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2009. V.1, no. 1, pp. 45–60. (In Russian). Hakimova E'.Sh. Cementnye betony s nanodobavkami sinteticheskogo ceolita [Cement concretes with nanoadditives of synthetic zeolite]. Vestnik YuzhnoUral'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura. 2008. № 25 (125), pp. 16–21. (In Russian). Zhdanov S.P. Sinteticheskie ceolity [Synthetic zeolites]. Moscow, Himiya [Chemistry]. 1981, 264 p. Smirnov V.A., Korolev E.V., Al'bakasov A.I. Razmernye e'ffekty i topologicheskie osobennosti nanomodificirovannyh kompozitov [Size effects and topological char-

http://nanobuild.ru

118

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

acteristics of nanomodified composites]. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2011, V. 3, no. 4, pp. 17–28. (In Russian). Kudryavtsev P.G., Figovsky O.L. Nanocomposite organomineral hybrid materials. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 1, pp. 16–56. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-1-16-56. Kudryavtsev P.G., Figovsky O.L. Nanocomposite organomineral hybrid materials. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 2, pp. 20–51. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-20-51. Kudryavtsev P.G., Figovsky O.L. Nanocomposite organomineral hybrid materials. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 3, pp. 16–49. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-3-16-49. Chumak A.G., Derevyanko V.N., Petrunin S.YU., Popov M.YU., Vaganov V.E. Structure and properties of composite material based on gypsum binder and carbon nanotubes. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2013, V. 5, no. 2, pp. 27–37. (In Russian). Korolev E.V. Osnovnye principy prakticheskoj nanotehnologii v stroitel'nom materialovedenii: Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2009. Vol. 1, no. 1, pp. 66–79. (In Russian). Staroverov V.D. Struktura i svojstva nanomodifshchirovannogo cementnogo kamnya [Structure and prperties of nanomodified cement stone]. Abstract of Ph.D.Thesis. SPBGASU. 2009. (In Russian). Lushnikova A.A., Sokovikova M.A., Pudov I.A., Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Kor zhenko A. Formirovanie struktury i svojstv betonov, modificirovannyh dispersnymi dobavkami [Formation of structure and properties of concretes modified with disperse additives]. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura. 2011. № 16 (233), pp. 30–33. (In Russian). Korolev E.V. Princip realizacii nanotehnologii v stroitel'nom materialovedenii [The principle of nanotechnologies implementation in construction material science] Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2013, № 6, pp. 60–64. (In Russian).

Dear colleagues!

T he reference to this paper has the following citation format: Pаninа T.I., Tolchkov J. N., Tkachev A.G., Mikhаlevа Z.А., Galunin E. V., Memetov N.R., Popov A.I. Efficiency of application of complex nanomodifying additives based on zeolites in building materials. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 116–132. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-116-132. (In Russian).

http://nanobuild.ru

119

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 666.9.035 Автор: ПАНИНА Татьяна Ивановна, магистр, аспирант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), ул. Советская, 106, Тамбов, Россия, 392000, tanchora68@yandex.ru; Автор: ТОЛЧКОВ Юрий Николаевич, магистр, соискатель кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), ул. Советская, 106, Тамбов, Россия, 392000, tolschkow@mail.ru; Автор: ТКАЧЕВ Алексей Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), postmaster@kma.tstu.ru; Автор: МИХАЛЕВА Зоя Алексеевна, к-т техн. наук, доцент, доцент кафедры «Инжиниринг нанотехнологий», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), ул. Советская, 106, Тамбов, Россия, 392000, zoyamih3@gmail.com; Автор: ГАЛУНИН Евгений Валерьевич, к-т техн.наук, старший научный сотрудник кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), ул. Советская, 106, Тамбов, Россия, 392000, . evgeny.galunin@gmail.com; Автор: МЕМЕТОВ Нариман Рустемович, к-т техн. наук, доцент, доцент кафедры «Инжиниринг нанотехнологий», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), ул. Советская, 106, Тамбов, Россия, 392000, nanotam@yandex.ru; Автор: ПОПОВ Андрей Иванович, к-т пед. наук, доцент, доцент кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Россия), ул. Советская, 106, Тамбов, Россия, 392000, olimp_popov@mail.ru

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ НАНОМОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ ЦЕОЛИТОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): В данной статье описывается возможность использования комплексных полифункциональных добавок строительного назначения на основе углеродных нанотрубок и цеолитов (синтетических и природных). Синтез УНТ проводили методом каталитического пиролиза CVD. Направленный синтез в структуре цеолита осуществлялся за счет пропитки исходных веществ раствором прекурсоров на основе катализатора синтеза УНТ. Экспериментальные исследования были направлены на изучение влияния наномодифицирующей добавки на физико-механические характеристики строительного композита. Полученные данные позволили выдвинуть предположение, что при выбран-

http://nanobuild.ru

120

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ных условиях модифицирования строительного материала, цеолит, попадая в структуру бетона, будет выполнять роль не только минеральной добавки, но и материала-носителя УНТ, что позволит равномерно распределить углеродные наночастицы в матрице строительного композита, с другой стороны адсорбционные свойства цеолита будут усилены за счет наличия в структуре углеродных элементов. Структуры наномодифицирующих цеолитов и полученного строительного композита оценивались методом электронной сканирующей микроскопии (СЭМ). Электронные микрофотографии исследуемых объектов позволили объяснить процессы формирования структуры бетона, наномодифицированного комплексной полифункциональной добавкой на основе синтетического и природного цеолита и углеродного наноматериала. Ключевые слова: мелкозернистый бетон, наномодифицирование, синтетический цеолит, природный цеолит, углеродные нанотрубки, синтез.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-116-132

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Лицензия Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Произведение «Эффективность применения комплексной наномодифицирующей добавки на основе цеолитов в строительных материалах» созданное автором по имени <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 116–132. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-85452016-8-5-116-132." property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Панина Т.И., Толчков Ю.Н., Ткачев А.Г., Михалева З.А., Галунин Е.В., Меметов Н.Р., Попов А.И. </a>, публикуется на условиях <a rel="license" href="http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/">лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</ a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/ru_RU/ nanobuild-5-2016/" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="olimp_ popov@mail.ru" rel="cc:morePermissions">olimp_popov@mail.ru</a>.

Введение Развитие строительного материаловедения требует тесного взаимодействия с различными отраслями научной и производственной деятельности. Результатом этого взаимодействия является использование прикладных разработок, которое позволит получать композитные материалы с заданными характеристиками и высокими эксплуатационными свойствами [11, 14, 18–20, 22, 25]. Коммерческой реализацией http://nanobuild.ru

121

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

представленного взаимодействия должен быть продукт, отличающийся простотой использования и экономически оправданной стоимостью. Один из самых важных на сегодняшний день операционных переходов в технологии цементных композитов – это направленное использование процессов модифицирования цементного камня с помощью введения нанодобавок [1–7]. Потенциальным фактором решения проблемы модифицирования может быть применение нанотехнологий, перспективность которых заключается в использовании, в том числе, углеродных наноматериалов (УНМ), в качестве дополнительных компонентов системы, способствующих формированию структуры материала с заданными характеристиками. Анализ текущей ситуации на рынке добавок строительных материалов показал перспективность использования наномодификаторов на основе УНМ [4]. Интерес к данным объектам вызван благодаря их высоким эксплуатационным свойствам, таким как исключительная прочность на растяжение, высокий модуль упругости и ряд других важных показателей. Специфика использования наномодифицирующих добавок заключается в сложности равномерного распределения наноматериала в матрице строительного композита [17]. Успешное решение поставленной задачи откроет новые возможности для создания наноструктурированных строительных композитов с улучшенными функциональными характеристиками. Благодаря своим ионообменным, адсорбционным и каталитическим свойствам цеолиты находят всё большую сферу применения и являются относительно доступным сырьём по сравнению с другими добавками в строительные композиты. Общим для всех этих минералов является наличие в их структуре трёхмерного алюмокремнекислородного каркаса, образующего систему полостей и каналов. Именно эта специфическая структура обеспечивает уникальность свойств цеолитов. Выбор цеолита в качестве добавки в строительные композиты обусловлен рядом факторов: высокая поверхностная энергия, химическая активность. С одной стороны, в цеолитсодержащей породе повышено содержание щелочных оксидов, которые ускоряют процессы гидратации комплексного вяжущего, с другой стороны, активный глинозем цеолита связывает сульфат-ионы и выделяющуюся при гидратации клинкерных минералов известь в гидросульфоалюминаты кальция. Причем http://nanobuild.ru

122

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

формирование их происходит не на зернах цементного клинкера, а на частицах цеолита или в поровом пространстве. Высвобождение кремнезема из разлагающейся решетки цеолита облегчается, как за счет связывания глинозема из чередующегося алюмокремнекислородного каркаса, так и за счет атаки связей Si–O–Si ионами Са2+ не только с поверхности образовавшейся «кремнекислородной губки», но и через пористую систему цеолитовых каналов [5, 6, 10]. Структура цеолита представляет системы каркасов тетраэдров, внутреннее пространство материала содержит полости и каналы, в которых присутствуют молекулы воды и положительные ионы, главным образом Ca, Na, K. Размеры каналов у некоторых цеолитов достаточно велики, чтобы в них проникали небольшие органические молекулы и катионы. Лишенный воды цеолит представляет собой микропористую кристаллическую «губку», объем пор в которой составляет до 50% объема каркаса цеолита [3, 6, 13, 15–16]. Модифицированный цеолит преемственно будет обладать исходными свойствами изначального материала, но присутствие в структуре цеолита углеродного материала будет способствовать более интенсивному взаимодействию с продуктами гидратации цемента, обеспечивая агрегативную устойчивость и прочность межпоровых перегородок композита. Этот факт обусловлен наличием в структуре цеолита свободных молекул и широких пор, в структуру которых возможно включение дополнительных элементов (УНТ) за счет химического взаимодействия. При правильно выбранных условиях модифицирования в строительном композите формируется структура с заданными параметрами. Кроме того, цеолит, попадая в структуру бетона, будет выполнять роль не только минеральной добавки, но и материала-носителя УНТ, что позволит равномерно распределить углеродные наночастицы в матрице строительного композита, с другой стороны адсорбционные свойства цеолита будут усилены за счет наличия в структуре углеродных элементов. В представленной работе предложен вариант применения синтетических и природных цеолитов в качестве модификатора строительного назначения, в структуре которого синтезированы углеродные нанотрубки.

http://nanobuild.ru

123

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Экспериментальные исследования Модифицирование строительных материалов природным и синтетическим цеолитами с синтезированными УНТ проводилось на образцах мелкозернистого бетона. Объектом экспериментальных исследований является добавка на основе синтетического и природного цеолита. Синтетический цеолит представляет собой гранулированные цилиндрические формы длиной 5–8 мм и диаметром 2,9±0,3 мм, цвет гранул – серый (рис. 1) [8, 9]. Синтетический цеолит соответствовал формуле CaХ, поставляемый ИПГ «Аква-Венчур», г. Санкт-Петербург. Синтетические цеолиты имеют каркасное строение с размером пор 8 ангстрем, что определяет их уникальные свойства [8, 9]. Природные цеолиты представляют собой бентонитовые глины темно-серого цвета, добываемые на юге-востоке Воронежской антеклизы, по физико-механическим, химико-минералогическим показателям, гранулометрическому составу соответствующие ГОСТ 28177-89 [12]. По дисперсности цеолиты близки к дисперсности цемента (100–120 мкм) (рис. 2).

Рис. 1. Синтетический цеолит

Рис. 2. Природный цеолит

В основе технологии получения наномодифицированных цеолитов лежит метод каталитического пиролиза углеводородов. Процесс синтеза проходит по известной схеме получения углеродных наноматериалов методом газофазного химического осаждения [2, 4]. http://nanobuild.ru

124

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Процесс синтеза углеродных нанотрубок в поровом пространстве цеолита можно разделить на следующие стадии: • приготовление и активация исходного раствора гетерогенной металлоксидной каталитической системы (основные компоненты: Ni, Co, Y, Mo, Mg, Al); • предварительная обработка цеолита (механическая, химическая и т.д.); • пропитка цеолита исходным раствором веществ-прекурсоров катализатора синтеза УНТ; • термическая обработка пропитанного образца на воздухе при температуре 160…220оС; • процесс газофазного химического осаждения УНТ на подготовленном образце в промышленном реакторе (tпр = 650оС); • финишная обработка полученного материала (механическое и химическое удаление примесей и агломератов УНТ, незафиксированных в структуре цеолита). В результате синтеза под воздействием высокой температуры наномодифицированные синтетические и природные цеолиты спекаются, образуя агломераты размером 10–15 мм. В целях обеспечения равномерного распределения добавки в составе смеси компонентов микрозернистого бетона агломераты цеолитов предварительно измельчали в аппарате вихревого слоя АВС в течение 1 минуты, в результате чего получали мелкодисперсную фракцию (до 50 мкм).

Результаты и обсуждение Структура синтетического цеолита, в поровом пространстве которого синтезированы углеродные нанотрубки, представлена на рис. 3. На СЭМ-изображениях наномодифицированных цеолитов видно, что сформированная структура УНТ равномерно покрывает гранулы материала-носителя. Диаметр УНТ составляет 15–25 нм, определяются единичные кристаллы катализатора. Слой углеродного наноматериала не содержит аморфного углерода [2]. Помимо наномодифицирующей добавки в бетонное тесто вводили стандартные синтетические и природные цеолиты. Результаты экспериментов показаны на рис. 4, 5. http://nanobuild.ru

125

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 3. Электронная микроскопия синтетического цеолита с синтезированными УНТ

Рис. 4. Влияние наномодифицированного и немодифицированного природного цеолита на прочностные характеристики бетона

http://nanobuild.ru

126

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 5. Влияние наномодифицированного и немодифицированного синтетического цеолита на прочностные характеристики бетона

Анализ экспериментальных исследований (результаты приведены в табл.) показал, что наибольший эффект наблюдается при использовании в мелкозернистых бетонах комплексной добавки в виде наномодифицированного синтетического цеолита. При концентрации наномодифицирующей комплексной добавки 5% и 10% от массы цемента прочность на сжатие повышается на 30%. Структура наномодифицированного цементного бетона отличается наличием новообразований с измененной морфологией кристаллогидратов (рис. 6). Нанотрубки, покрытые гидросиликатами кальция, образуют оболочку, которая плотно соединяет поверхности частиц цемента и наполнителя, делая структуру бетона более прочной. Кроме того, в структуре вышеупомянутого бетона присутствуют низкоосновные гидросиликаты кальция и цеолитоподобные новообразования – анальцим (рис. 6). Введение цеолитовой добавки в структуру бетона дает возможность поглощать свободные щелочи и анионы, формируя на их основе неорhttp://nanobuild.ru

127

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Таблица Прочностные характеристики композитов, модифицированных цеолитами Наименование Содержание добавки в % от массы цемента

Эффективность % Прочность на сжатие, МПа относительно контрольного состава 0,01

0,01

Синтетический цеолит 30,8

31,7

28,5

28,2

34,2

16,2

Синтетический цеолит 28,3 с УНТ

28,3

36,2

30,2

36,08 34,47

Природный цеолит

26,3

23,5

17,1

14,4

16,3

18,4

15,5

Природный цеолит с УНТ

26,2

28,3

26,1

24,7

22,7

18,4

27,2

17,2

ганические комплексы. Углеродные нанотрубки, попадая в матрицу бетона, служат центрами кристаллизации и ускоряют процесс роста кристаллов низкоосновных гидросиликатов кальция. Образованные игловидные кристаллы распространяются по всему объему цементного камня равномерно распределенной сеткой, которая плотно соединяет поверхности частиц цемента и наполнителя. В результате поровая

Рис. 6. Электронная микроскопия наномодифицированного мелкозернистого бетона

http://nanobuild.ru

128

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

структура наномодифицированного камня претерпевает изменения: увеличивается объем микропор с одновременным уменьшением макропор, что способствует образованию более плотной однородной структуры цементного камня [21, 23–24]. Применение наномодифицирующей комплексной добавки позволит существенно снизить расход связующего и наполнителя без снижения марки бетона.

Заключение Разработана наномодифицирующая добавка в строительные композиты на основе синтетического и природного цеолита с синтезированными углеродными нанотрубками. Отличительной особенностью полученной добавки является использование цеолита в качестве материала-носителя углеродного наноматериала, обеспечивающей равномерное распределение УНТ в матрице композита. Анализ результатов по прочностным характеристикам мелкозернистого бетона показал: оптимальное содержание синтетического цеолита с синтезированными УНТ составляет 5% от массы цемента; оптимальное содержание природного цеолита с синтезированными УНТ составляет 1% от массы цемента. Установлено, что выявленные концентрации повышают физико-механические характеристики строительного композита на 30%. Введение полученной добавки в структуру строительного композита способствует изменению порового пространства: увеличивается объем микропор с одновременным уменьшением макропор, что способствует образованию более плотной однородной структуры цементного камня. Строительные материалы, наномодифицированные добавкой на основе цеолитов с синтезированными УНТ, отличаются более высокими эксплуатационными характеристиками.

Работа выполнена в рамках поддержки кооперации российских высших учебных заведений, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 (договор 02.G25.31.0123 от 14 августа 2014 года). http://nanobuild.ru

129

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Уважаемые коллеги!

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

Панина Т.И., Толчков Ю.Н., Ткачев А.Г., Михалева З.А., Галунин Е.В., Меметов Н.Р., Попов А.И. Эффективность применения комплексной наномодифицирующей добавки на основе цеолитов в строительных материалах // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 116–132. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-116-132.

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Pаninа T.I., Tolchkov J. N., Tkachev A.G., Mikhаlevа Z.А., Galunin E. V., Memetov N.R., Popov A.I. Efficiency of application of complex nanomodifying additives based on zeolites in building materials. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 116–132. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-116-132. (In Russian).

Библиографический список: Королев А.С., Хакимова Э.Ш. Мелкозернистые бетоны с нанодобавками синтетического цеолита: Бетон и железобетон. – 2008. – С. 13–15. 2. Бураков А.Е., Романцова И.В., Буракова Е.А., Ткачев А.Г., Туголуков Е.Н. Повышение качественных характеристик адсорбентов при формировании поверхностной структуры углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом углеводородов: Сорбционные и хроматографические процессы. – 2013. – С. 334–342. 3. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. – М.: Мир, 1976. – C. 781. 4. Tkachev A.G., Blinov S.V., Memetov N.R. Carbon nanomaterials on the of catalytic hydrocarbon pyrolysis: development and perspective use. NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. 2007. P. 515–519. 5. Banerjee R., Phan A., Knobler C., Keeffe M., Omar M., Yaghi M. High – throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture: Science. 2008. P. 939–943. 6. Патент РФ № 2 348 588. Сухая строительная смесь.

http://nanobuild.ru

130

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

7. 8.

9. 10.

11.

12.

13. 14.

15.

16. 17.

18.

19.

20.

Frigione G., Zenone F. The effect of chemical composition on Portland cement clinker grindability: Cement and Concrete Research. 1983. P. 483–492. Ovcharenko G.I., Sviridov V.L, Francen V.B. The use of natural zeolites in Russia during the cements concretes production: 13 Internationale Baustofftagung. Weimar (BRG). 1997. P. 366–373. Scott M. Auerbach, Prabir K. Dutta. Zeolite science and technology. Marcel Dekker, Inc. 2003. P. 1204. Пожидаев Д.А., Козин А.В. Чугуевские цеолиты, как минеральная добавка в строительные материалы // Современные технологии в строительстве, дизайне, архитектуре. – 2013. – С. 71–74. Власов В.А. Обзор изобретений в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 2. – С. 101– 114. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-2-101-114. Горюшкин В.В. Бентонитовые глины юго-востока Воронежской антеклизы: автореф. дис. канд. геолог-мин. наук. – Воронежский гос. университет. – 2006. – С. 24. Овчаренко Г.И. Цеолит в строительных материалах. – Изд-во: АлтГТУ, 1995. – 102 с. Чернышов Е.М. Нанотехнологические исследования строительных композитов: общие суждения, основные направления и результаты // Нанотехнологии в строительстве. 2009. – Т. 1, № 1. – С. 45–60. Хакимова Э.Ш. Цементные бетоны с нанодобавками синтетического цеолита // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2008. – № 25 (125). – С. 16–21. Жданов С.П. Синтетические цеолиты. – М.: Химия, 1981. – С. 264. Смирнов В.А., Королев Е.В., Альбакасов А.И. Размерные эффекты и топологические особенности наномодифицированных композитов // Нанотехнологии в строительстве. – 2011. – Т. 3, № 4. – С. 17–28. Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы.Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 1. – С. 16–56. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-1-16-56. Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы. Часть 2 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 2. – С. 20–51. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-20-51. Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы. Часть 3 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 3. – С. 16–49. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-3-16-49.

http://nanobuild.ru

131

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

21. Чумак А.Г., Деревянко В.Н., Петрунин С.Ю., Попов М.Ю., Ваганов В.Е. Структура и свойства композиционного материала на основе гипсового вяжущего и углеродных нанотрубок // Нанотехнологии в строительстве. – 2013. – Т. 5, № 2. – С. 27–37. 22. Королев Е.В. Основные принципы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Нанотехнологии в строительстве. – 2009. – Т. 1, № 1. – С. 66–79. 23. Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифицированного цементного камня: автореф. дис. канд. техн. наук. – СПБГАСУ, 2009. – С. 19. 24. Лушникова А.А., Соковикова М.А., Пудов И.А., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Корженко А. Формирование структуры и свойств бетонов, модифицированных дисперсными добавками // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2011. – № 16 (233). – С. 30–33. 25. Королев Е.В. Принцип реализации нанотехнологии в строительном материаловедении // Строительные материалы. – 2013. – № 6. – С. 60–64.

http://nanobuild.ru

132

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE REVIEW OF PATENTS FOR INVENTIONS, UTILITY MODELS, INDUSTRIAL MODELS

Patents for inventions UDC 608; 69.001.5 Author: IVANOV Leonid Alexeevich, Ph.D. in Engineering, Vice President of the International Academy . of Engineering. Member of the International Journalist Federation; Gazetny per., block 9, bld.4, Moscow, . Russian Federation, 125009, e-mail: L.a.ivanov@mail.ru Author: MUMINOVA Svetlana Rashidovna, Ph.D. in Engineering, Assistant Professor of Chair of Service Engineering, Russian State University of Tourism and Service; 99, Glavnaya ulitsa, Cherkizovo, Pushkino district,. Moscow region, 141221, e-mail: muminovasr@rguts.ru

New technical solutions in nanotechnology. Part 4

Extended Abstract: The new technical solutions including inventions in the area of nano technology and nanomaterials are efficiently applied in communal and housing services as well as in construction and other joint fields. The invention «The method to produce binder based on phenolformaldehyde resol resin for stratified material, binder and stratified material based on binder and reinforcing fiber base (RU 2594014)» refers to polymer composite materials that can be used in manufacture of products designed for aircraft, construction, automobile and household industries. This method is based on component mixing. Resin and fospoliol are taken in dissolvent that is a mix of ethyl alcohol and dimethylformamide. This is the ratio of the components (mass.%): resin – 23,7, dissolvent – 75,3, fospoliol – 1,0. Nanomodifier – mechanically activated diamond - is dispersed into the obtained mixture. The mechanically activated diamond is produced in ball crusher when ration of ball mass and initial detonation nanodiamond is 20:1 respectively

http://nanobuild.ru

137

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE REVIEW OF PATENTS FOR INVENTIONS, UTILITY MODELS, INDUSTRIAL MODELS

and the speed of ball rotation is 900 rotations per minute for 5 minutes. Stratified material based on binder and reinforcing paper fiber is based on aromatic polyamide and possesses finishing layer which composition contents polyamide, ethyl alcohol and water. The binder is applied evenly on the surface of finishing layer, its quantity is equal to the mass of fibers. The technical result is the binder on the basis of phenolformaldehyde resin without volatile flammable liquid and high-toxic substances, 3 times increased shift voltage for compressed products made of stratified materials and 1,3 time decreased inflammability of them. The specialists may be also interested in the following nanotechnological inventions: the method to produce carbon nanostructures modified by metal (RU 2593875); the method of deep purification of monosilane (RU 2593634); the method to produce conductive reticular micro- and nanostructures and the structure to perform it (RU 2593463); the method to produce ferrofluid (RU 2593392); the method to produce nanostructures titanium dioxide (RU 2593303); the method to produce nanocomposite FeNi3/C in large scale (RU 2593145); the method to produce nanomaterials by means of surface modification of metal-containing frame compound (RU 2593021) et al. Key words: nanotechnologies in construction, nanomodifier, nanocomposite, nanostructured titanium dioxide, nanomaterial.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-137-156

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/»><img alt=»Creative Commons License» style=»borderwidth:0» src=»https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png» /></a> New technical solutions in nanotechnology. Part 4 by <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 137–156. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5137-156» property=»cc:attributionName» rel=»cc:attributionURL»>Ivanov L.A., Muminova S.R. </a> is licensed under a <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/»>Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct=»http://purl.org/dc/terms/» href=»http://nanobuild.ru/en_EN/ nanobuild-5-2016» rel=»dct:source»>http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»L.a.ivanov@mail.ru» rel=»cc:moreP ermissions»>L.a.ivanov@mail.ru</a>.

http://nanobuild.ru

138

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE REVIEW OF PATENTS FOR INVENTIONS, UTILITY MODELS, INDUSTRIAL MODELS

References: 1. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597447.html (date of access: 11.08.16). 2. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597445.html (date of access: 11.08.16). 3. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597419.html (date of access: 11.08.16). 4. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597372.html (date of access: 11.08.16). 5. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597295.html (date of access: 11.08.16). 6. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597204.html (date of access: 11.08.16). 7. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2596830.html (date of access: 11.08.16). 8. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2596751.html (date of access: 11.08.16). 9. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2596041.html (date of access: 11.08.16). 10. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595911.html (date of access: 11.08.16). 11. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595682.html (date of access: 11.08.16). 12. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595306.html (date of access: 11.08.16). 13. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595080.html (date of access: 11.08.16). 14. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2594183.html (date of access: 11.08.16). 15. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2594014.html (date of access: 11.08.16). 16. Ivanov L.A., Muminova S.R. New technical solutions in nanotechnology. Part 3. Nano tehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 4, pp. 93– 110. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-4-93-110. 17. Vlasov V.A. Nanotechnological inventions and nanomaterials produce a profound effect in different areas of economy. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, no. 1, pp. 82–104. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-71-82-104.

http://nanobuild.ru

139

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE REVIEW OF PATENTS FOR INVENTIONS, UTILITY MODELS, INDUSTRIAL MODELS

18. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593875.html (date of access: 11.08.16). 19. Ivanov L.A., Muminova S.R. New technical solutions in nanotechnology. Part 2. Nano tehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 3, pp. 74– 91. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-3-74-91. (In Russian). 20. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593634.html (date of access: 11.08.16). 21. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593463.html (date of access: 11.08.16). 22. Ivanov L.A., Muminova S.R. New technical solutions in nanotechnology. Part 1. Nano tehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 2, pp. 52– 70. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-52-70. (In Russian). 23. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593392.html (date of access: 11.08.16). 24. Vlasov V.A. The inventions in the area of nanotechnologies and nanomaterials. Part 1. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 1, pp. 81–99. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-1-81-99. (In Russian). 25. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593303.html (date of access: 11.08.16). 26. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593145.html (date of access: 11.08.16). 27. Vlasov V.A. The review of patents in the area of nanotechnologies and nanomaterials. Part 1. // Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, no. 2, pp. 89–114. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-2-89-114. 28. Patents and inventions registered in RF and USSR [Electronic source]. – Access mode: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593021.html (date of access: 11.08.16).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Ivanov L.A., Muminova S.R. New technical solutions in nanotechnology. Part 4. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 137–156. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-137-156. (In Russian).

http://nanobuild.ru

140

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

ПАТЕНТЫ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ УДК 608; 69.001.5 Автор: ИВАНОВ Леонид Алексеевич, канд. техн. наук, вице-президент Международной инженерной академии, член Международной федерации журналистов; Газетный пер., д. 9, стр. 4, г. Москва, . Российская Федерация, 125009, e-mail: L.a.ivanov@mail.ru Автор: МУМИНОВА Светлана Рашидовна, канд. техн. наук, доцент кафедры сервисного инжиниринга, Российский государственный университет туризма и сервиса; 141221, Московская обл., Пушкинский район, дп Черкизово, ул. Главная, 99, e-mail: muminovasr@rguts.ru

Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 4 Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): Новые технические решения, в т.ч. и изобретения, в области нанотехнологий и наноматериалов позволяют в строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, смежных отраслях экономики добиться значительного эффекта. Изобретение «Способ получения связующего на основе фенолформальдегидной смолы резольного типа для слоистого материала, связующее и слоистый материал на основе связующего и армирующей волокнистой основы (RU 2594014)» относится к полимерным композиционным материалам, которые могут быть использованы для изготовления изделий конструкционного назначения в авиационной, строительной, автомобильной, бытовой и других областях. Способ получения связующего на основе фенолформальдегидной смолы резольного типа для слоистого материала заключается в смешении компонентов. Смолу и фосполиол берут в растворителе, представляющем собой смесь этилового спирта и диметилформамида. При этом смолу, фосполиол и растворитель берут при соотношении компонентов, мас.%: смола – 23,7, растворитель – 75,3, фосполиол – 1,0. В полученную смесь компонентов диспергируют наномодификатор, в каче-

http://nanobuild.ru

141

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

стве которого берут механоактивированный наноалмаз, полученный в шаровой мельнице при соотношении масс шаров и исходного детонационного наноалмаза 20:1, соответственно, при скорости вращения шаров мельницы 900 об/мин в течение 5 минут. Слоистый материал на основе связующего и армирующей волокнистой основы из бумаги на основе ароматического полиамида имеет аппретирующий слой из состава, содержащего полиамид, этиловый спирт и воду. Указанное связующее нанесено равномерно на поверхность аппретирующего слоя в количестве, равном массе волокнистой основы. Техническим результатом является получение связующего на основе фенолформальдегидной смолы без использования легковоспламеняющейся жидкости и высокотоксичных веществ, повышение значения напряжения сдвига при сжатии изделий из слоистого материала в 3 раза и понижение их горючести в 1,3 раза. Также представляют интерес для специалистов следующие изобретения в области нанотехнологий: способ получения углеродных наноструктур, модифицированных металлом (RU 2593875); способ глубокой очистки моносилана (RU 2593634), способ получения проводящих сетчатых микро- и наноструктур и структура для его реализации (RU 2593463), способ получения ферромагнитной жидкости (RU 2593392), способ получения наноструктурного диоксида титана (RU 2593303), способ получения нанокомпозита FeNi3/C в промышленных масштабах (RU 2593145), способ получения наноматериалов модификацией поверхности металлсодержащего каркасного соединения (RU 2593021) и др. Ключевые слова: нанотехнологии в строительстве, наномодификатор, нанокомпозит, наноструктурный диоксид титана, наноматериал. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-137-156

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/»><img alt=»Лицензия Creative Commons» style=»border-width:0» src=»https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png» /></a> Произведение «Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 4» созданное автором по имени <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. –С. 137–156. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-137-156.» property=»cc:attributionName» rel=»cc:attributionURL»>Иванов Л.А., Муминова С.Р. </a>, публикуется на условиях <a rel=»license» href=»http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/»>лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct=»http://purl.org/dc/terms/» href=»http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/» rel=»dct:source»>http:// nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc=»http://creativecommons.org/ns#» href=»L.a.ivanov@mail.ru» rel=»cc:morePermissions» >L.a.ivanov@mail.ru</a>.

http://nanobuild.ru

142

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

Лазерный способ получения функциональных покрытий (RU 2597447) Изобретение относится к способу получения функциональных покрытий (варианты) и может быть использовано в машиностроении, в химической и электронной промышленности, в атомной энергетике. Способ включает осаждение на обрабатываемую поверхность продуктов лазерной абляции частиц пылевого потока, которое осуществляют в герметичной камере. Камеру заполняют газом в виде инертного газа или химически активного газа или смесью указанных газов. Абляцию пылевых частиц осуществляют до полного или частичного их испарения при интенсивности лазерного облучения величиной 104–105 Вт/см2 и ниже порога зажигания оптического разряда при поддержании рабочего давления в камере от 0,1 Тор до величины атмосферного давления. Осаждение паров происходит на обрабатываемую поверхность, расположенную в непосредственной близости от фокальной зоны. По второму варианту способа осуществляют осаждение пылевых частиц в плазме тлеющего разряда, зажигаемого между обрабатываемой поверхностью и вспомогательным электродом - катодом. В соответствии с третьим вариантом наряду с осаждением паровой фазы транспортируют к обрабатываемой поверхности продукты неполной абляции пылевых частиц с помощью электрического поля, создаваемого между обрабатываемой поверхностью и вспомогательным электродом. Использование изобретения позволяет получать широкий спектр функциональных покрытий с применением относительно маломощных твердотельных, волоконных и CO2-лазеров в квазинепрерывном или непрерывном режиме [1].

Способ получения нанопорошка меди из отходов (RU 2597445) Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения нанопорошка меди из отходов электротехнической медной проволоки, содержащих не менее 99,5% меди, включает их электроэрозионное диспергирование в дистиллированной воде при частоте следования http://nanobuild.ru

143

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

импульсов 100–120 Гц, напряжении на электродах 200–220 В и емкости разрядных конденсаторов 25,5–35,5 мкФ, с последующим центрифугированием раствора для отделения наноразмерных частиц от крупноразмерных. Обеспечивается получение сферического нанопорошка меди с незначительным количеством примесей [2].

Способ производства продукции из стекла (RU 2597419) Изобретение относится к производству стеклянных изделий. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности стеклоизделий. Способ производства продукции из стекла включает подготовку сырья, составление шихты, варку стекломассы, формование изделий и их последующее охлаждение. После этапа формования на поверхность изделия наносят состав, содержащий оловоорганические или титаноорганические соединения с одностенными углеродными нанотрубками (ОНТ), причем содержание ОНТ в составе составляет от 0,005 до 0,2% от его общей массы. На этапе охлаждения при достижении поверхностью стеклоизделий температуры 80°С на нее наносят состав, содержащий коллоидную полимерную основу с одностенными углеродными нанотрубками. При этом содержание ОНТ в составе также составляет от 0,005 до 0,2% от его общей массы [3].

Листовой слоистый полимерный износостойкий композиционный материал (RU 2597372) Изобретение относится к области машиностроения, а именно к листовым слоистым полимерным износостойким композиционным материалам, и может быть использовано в опорах скольжения различного назначения. Материал содержит, мас. ч.: волокнистый наполнитель – 32–64; порошковый наполнитель 0,01–9,95; полимерное связующее – остальное до 100 мас. ч. Хлопчатобумажное волокно конструкционных слоев используют в виде нити, рубленой нити, ткани, а также рубленой ткани саржевого, полотняного или репсового переплетения, при этом длина рубленой нити хлопчатобумажного волокна выбрана от 2 до 42 мм, а площадь кусочков рубленой ткани из хлопчатобумажного http://nanobuild.ru

144

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

волокна выбрана от 0,4 до 18 см2. В качестве полимерного связующего материала может быть использована эпоксидная смола, в качестве волокнистого наполнителя используют метаарамидное волокно или смесь метаарамидного волокна и хлопчатобумажного волокна при содержании метаарамидного волокна в его смеси с хлопчатобумажным волокном от 20 до 80 мас. ч., при этом метаарамидное волокно конструкционных слоев используют в виде нити, рубленой нити, ткани, а также рубленой ткани саржевого, полотняного или репсового переплетения, при этом длина рубленой нити хлопчатобумажного волокна выбрана от 2 до 42 мм, а площадь кусочков рубленой ткани из хлопчатобумажного волокна выбрана от 0,4 до 18 см2. В качестве порошкового наполнителя материал содержит коллоидный графит и/или дисульфид молибдена с размерами частиц от 3 до 10 000 нм при содержании дисульфида молибдена в его смеси с коллоидным графитом от 20 до 80 мас. ч., или полифениленсульфид с размерами частиц от 3 до 10 000 нм в количестве от 0,01 до 9,95 мас. ч., а материал имеет толщину листа от 0,4 до 120 мм. Технический результат – создание износостойкого композиционного материала со сниженным коэффициентом трения в процессе эксплуатации при одновременном сохранении стабильности коэффициента трения и сохранении эксплуатационных характеристик износа композиционного материала при трении по высокопрочной стали. Техническим результатом является сохранение срока службы различных деталей трибологического назначения за счет низкого линейного износа при повышении стойкости изготовленных из него деталей при трении в агрессивных и абразивных условиях эксплуатации [4].

Набор для наномасштабного моделирования кристаллических структур с получением моделей открытого типа (RU 2597295) Изобретение относится к учебным наглядным пособиям, а также к научным приборам, предназначенным для визуализации пространственного строения кристаллических веществ. Набор в любом из трех вариантов содержит основание, одно или более предназначенное для установки на нем стоек, комплект предназначенных для расположения на стойках плоских прозрачных пластин, имитирующих кристаллографические плоскости, разделительные шайбы для размещения на http://nanobuild.ru

145

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

стойках между пластинами и множество элементов для имитирования атомов или ионов. Элемент содержит пару одинаковых по размеру шаровых сегментов, по меньшей мере, один из которых содержит магнит, а другой – тоже магнит или магнитно-мягкий материал. Набор по первому варианту содержит также шаблоны с разметкой, переносимой с помощью фломастера на пластины для последующей установки сегментов элементов, по второму варианту – прозрачные трафареты с отверстиями для установки сегментов элементов после наложения трафаретов на пластины, по третьему варианту – прозрачные транспаранты с разметкой, аналогичной разметке шаблонов, накладываемых на пластины перед установкой сегментов элементов. Особенностью набора является то, что все пластины одинаковы и не имеют отверстий, кроме отверстий для стоек, а также наличие шаблонов, трафаретов и транспарантов и указанное выполнение элементов. Достигаемый технический результат – обеспечение простоты и удобства пользования набором и легкой трансформируемости моделей, а также расширение совокупности кристаллических структур, модели которых могут быть получены при использовании набора, без увеличения количества и видов прозрачных пластин [5].

Нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения (RU 2597204) Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к нанокомпозитному материалу на основе меди (Cu) для производства силовых разрывных электрических контактов в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах и способу его получения. Нанокомпозиционный электроконтактный материал на основе меди состоит из частично разу порядоченной матрицы на основе меди, в которой распределены кластеры тугоплавких частиц размером менее 5 нм, при этом содержание тугоплавких частиц составляет от 20 до 80 мас.%. В качестве тугоплавких частиц могут быть использованы частицы хрома или вольфрама или молибдена. Способ получения нанокомпозиционного электроконтактного материала включает механическую обработку смесей металлов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с послеhttp://nanobuild.ru

146

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

дующим твердофазным спеканием полученной активированной смеси. Высокоэнергетическую обработку проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и исходных порошков 20:1–40:1, при скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694–900 об/мин и продолжительности обработки не более 90 минут. Спекание полученных нанокомпозионных частиц с размером тугоплавкого металла менее 5 нм осуществляют методом искрового плазменного спекания, при этом в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000–5000 A под нагрузкой до 50 МПа. Температура спекания образцов не превышает 1000оC при продолжительности процесса не более 15 минут. Повышение твердости, снижение пористости и удельного электросопротивления образцов является техническим результатом изобретения [6].

Способ гидроочистки дизельных фракций (RU 2596830) Изобретение относится к способу гидроочистки нефтяных фракций с содержанием серы в сырье 1,18–2,08 мас.%, который может быть использован в нефтеперерабатывающей промышленности. Способ заключается в контактировании сырья с массивным сульфидным катализатором в виде нанопорошка, полученного из товарных сульфида молибдена и кобальта или никеля методом механохимической активации при соотношении компонентов, мас.%: 7–10:1, при температуре 330оС, соотношении водорода к сырью 300–350:1 и давлении 2,5–3,0 МПа. Способ позволяет достичь глубокую очистку нефтяных фракций при исключении образования огромного количества сточных вод, содержащих окислы азота, анионы хлора, катионы тяжелых металлов и кислотных реагентов [7].

Вещество для очистки почвы и твердых поверхностей от масел, в том числе от нефти и нефтепродуктов, и способ его использования (RU 2596751) Группа изобретений относится к области органической химии и может быть использована для очистки почвы от масел, в том числе от нефти, мазута, топлива, углеводородов, жидкого топлива, а также для http://nanobuild.ru

147

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

обработки и сбора нефти, масел, мазута, топлива, углеводородов и других нефтепродуктов с твердых поверхностей, например с внутренних поверхностей цистерн для хранения нефти или нефтепродуктов, оборудования, применяемого при добыче, переработке, транспортировке нефти, оборудования, применяемого для получения нефтепродуктов, бурового шлама, гравия, песка в хранилищах или с других твердых поверхностей. Вещество для очистки почвы и твердых поверхностей от масел представляет собой водный раствор природного полисахарида и поверхностно-активного вещества. В качестве природного полисахарида используют микрогели полисахаридов молекулярной массой от 20 000 до 200 000 дальтон и размером частиц от 50 до 600 нм. Общая концентрация микрогелей полисахаридов и поверхностно-активного вещества в водном растворе составляет не менее 0,2 г/л, а соотношение микрогелей полисахаридов к поверхностно-активному веществу находится в диапазоне от 10:1 до 1:10. Группа изобретений позволяет обеспечить повышение эффективности очистки твердых поверхностей или почвы от масел, а также уменьшение удельного расхода реагентов с одновременным повышением экологической безопасности процесса очистки твердых поверхностей или почвы от масел и обеспечение возможности повторного использования удаленных из почвы и с твердых поверхностей масел, а также поверхностно-активных веществ [8].

Полимерная нанокомпозиция для эффективной защиты от уф-излучения (RU 2596041) Изобретение относится к полимерным нанокомпозициям, предназначенным для получения пленочных материалов, защищающих от УФ-излучения и фотохимического старения. Композиция содержит полиолефин или сополимер олефина и УФ-абсорбер. УФ-абсорбер представляет собой наноразмерный карбид кремния, который является однофазным поликристаллическим и состоящим из синтетического карборунда (SiC) со структурой муассанита политип 6Н со средним размером частиц 34±3 нм в количестве 0,1–1,5 мас. %. Полимерная нанокомпозиция позволяет получать пленочные материалы с широким спектральным диапазоном поглощения средневолнового УФ-излучения (200–420 нм). При этом опасный диапазон УФ-излучения (200–290 нм) поглощается на 100–90% [9]. http://nanobuild.ru

148

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

Термоэлектрический тепловой насос с нанопленочными полупроводниковыми ветвями (RU 2595911) Изобретение относится к системам теплообмена. Технический результат – повышение эффективности термоэлектрического теплового насоса за счет уменьшения выделения паразитного тепла Джоуля в полупроводниковых ветвях и создание условий для возникновения дополнительного термоэффекта между горячими и холодными спаями, изготовленными из разных металлов. Это достигается тем, что полупроводниковые ветви p- и n-типа изготавливаются в виде нанопленок с практически нулевым сопротивлением протекающему току за счет большого соотношения поперечного сечения и высоты ветви. Изготовление горячего и холодного спаев из двух металлов с различными термоэлектрическими характеристиками позволяет трансформировать паразитные термоэлектрические эффекты между металлическими спаями и полупроводниками в дополнительное охлаждение. Использование представленного устройства позволит создать тепловые насосы большей эффективности при малых габаритах, причем перспективным направлением является создание многослойных тепловых насосов, состоящих из нескольких каскадов [10].

Способ получения волластонита (RU 2595682) Изобретение относится к технологии переработки кальций- и кремнийсодержащих техногенных отходов борного производства (борогипса) и может быть использовано при производстве игольчатого волластонита для применения в цветной металлургии, в шинной, асбоцементной и лакокрасочной промышленности, в производстве керамики. Волластонит получают путем гидротермального воздействия на кальцийи кремнеземсодержащее техногенное сырье гидроксидом щелочного металла с последующим отделением, сушкой и термической обработкой образовавшегося осадка гидромоносиликата кальция, при этом в качестве кальций- и кремнеземсодержащего сырья используют борогипс, гидроксид щелочного металла вводят в стехиометрическом количестве по уравнению реакции образования гидромоносиликата кальция http://nanobuild.ru

149

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

в концентрации, обеспечивающей соотношение твердой и жидкой фаз Т:Ж = 1:(7–10), при этом реакцию проводят в автоклаве при температуре 210–225оС и давлении 20–23 атм, выделенный гидромоносиликат кальция промывают водой при 60–70оС и сушат при 80–90оС в течение 4 часов, термическую обработку проводят при 850–1000оС в течение 1–2 часов. Технический результат – упрощение и повышение экологической безопасности способа при одновременном снижении себестоимости готовой продукции за счет минимизации трудозатрат и расходов на подготовку исходных компонентов [11].

Датчик теплового излучения и способ его изготовления (RU 2595306) Сущность изобретения заключается в том, что прибор для теплового детектирования инфракрасного излучения включает в себя пиксель на полупроводниковой подложке, пиксель включает в себя первую секцию и вторую секцию, первая секция находится на поверхности полупроводниковой положки и включает в себя электрические цепи, вторая секция отделена от первой секции и находится непосредственно над ней, вторая секция является планарной и включает в себя ножки, микромембрану и расположенный на ней температурный детектор, вторая секция поддерживается колоннами, одна из ножек имеет один конец, интегрально соединенный с микромембраной, и другой конец, интегрально соединенный с одной из колонн, другая из ножек имеет один конец, интегрально соединенный с микромембраной, и другой конец, интегрально соединенный с другой из колонн, ножки обеспечивают электрическое соединение температурного детектора с электрическими цепями через соответствующие колонны и термоизоляцию температурного детектора и микромембраны от полупроводниковой подложки, одна из ножек включает в себя первую часть первого диэлектрического слоя, первую часть второго диэлектрического слоя, часть электропроводящего слоя, данная часть электропроводящего слоя обеспечивает вышеупомянутое электрическое соединение, первая часть первого диэлектрического слоя граничит с первой поверхностью электропроводящего слоя, и первая часть второго диэлектрического слоя граничит со второй поверхностью электропроводящего слоя, первая и вторая поверхности электропроводящего слоя являются противолежащими поверхностями http://nanobuild.ru

150

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

части электропроводящего слоя, часть электропроводящего слоя является источником механических напряжений, вызывающим напряжения растяжения в первой части первого диэлектрического слоя и напряжения растяжения в первой части второго диэлектрического слоя. Технический результат: обеспечение возможности снижения теплопроводности диэлектрических слоев [12].

Дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе алюминиевой матрицы и способ его получения (RU 2595080) Группа изобретений относится к получению дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной наночастицами оксидной керамики. Способ включает обработку шихты в шаровой мельнице, одноосное холодное прессование и спекание. Предварительно наночастицы оксидной керамики диспергируют ультразвуком в этаноле с получением суспензии, к порошку алюминия добавляют микропорошок меди и диспергируют ультразвуком смесь порошков алюминия и меди в этаноле, затем в полученную суспензию с порошками алюминия и меди вводят при постоянном перемешивании и воздействии ультразвука полученную суспензию наночастиц оксидной керамики в количестве, обеспечивающем получение композиционного материала с содержанием армирующих наночастиц оксидной керамики 0,01÷0,15 об.%, и сушат полученную суспензию на воздухе с получением шихты. Спекание проводят в форвакууме с обеспечением образования включений в алюминиевой матрице в виде интерметаллидных фаз CuAl2 в количестве 1÷3 об.%. Обеспечивается равномерное распределение наночастиц оксидной керамики в алюминиевой матрице и улучшение физико-механических свойств композиционного материала [13].

Способ получения композитного мультиферроика на основе ферромагнитного пористого стекла (RU 2594183) Изобретение относится к технологии мультиферроиков. Технический результат – получение нанокомпозитов со свойствами мультиферроиков. Способ получения композитного мультиферроика включает http://nanobuild.ru

151

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

термообработку железосодержащего щелочноборосиликатного стекла, выдержку двухфазного стекла в 3 М растворе минеральных кислот (HCl, HNO3) при температуре 50÷100оС без либо с дополнительной выдержкой в 0,5 М растворе КОН при 20оС в течение 0,5–6 часов, многостадийную промывку в дистиллированной воде и комбинированную сушку в воздушной атмосфере при температуре 20÷120оС. В поровое пространство матриц, содержащих Fe3O4 (магнетит) с размерами кристаллитов 5÷20 нм, внедряют сегнетоэлектрик из насыщенного при температуре 20оС водного солевого раствора. Осуществляют пропитку образцов при температуре 80оС с окончательной сушкой при температуре 120÷150оС. Затем проводят тепловую обработку композитов в режиме «нагрев-охлаждение» в интервале температур 20÷200оС для формирования сегнетоэлектрической фазы за счет фазовых переходов в режиме нагрева и в режиме охлаждения [14].

Способ получения связующего на основе фенолформальдегидной смолы резольного типа для слоистого материала, связующее и слоистый материал на основе связующего и армирующей волокнистой основы (RU 2594014) Изобретение относится к полимерным композиционным материалам, которые могут быть использованы для изготовления изделий конструкционного назначения в авиационной, строительной, автомобильной, бытовой и других областях. Способ получения связующего на основе фенолформальдегидной смолы резольного типа для слоистого материала заключается в смешении компонентов. Смолу и фосполиол берут в растворителе, представляющем собой смесь этилового спирта и диметилформамида, при соотношении компонентов, мас.%: этиловый спирт – 98, диметилформамид – 2. При этом смолу, фосполиол и растворитель берут при соотношении компонентов, мас.%: смола – 23,7, растворитель – 75,3, фосполиол – 1,0. В полученную смесь компонентов диспергируют наномодификатор, в качестве которого берут механоактивированный наноалмаз, полученный в шаровой мельнице при соотношении масс шаров и исходного детонационного наноалмаза 20:1, соответственно, при скорости вращения шаров мельницы 900 об/мин в течение 5 минут. Полученное связующее содержит смолу с фосполиоhttp://nanobuild.ru

152

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

лом в растворителе и наномодификатор при следующем соотношении, мас.%: смола с фосполиолом в растворителе – 99,9985–99,7, наномодификатор – 0,0015–0,3. Слоистый материал на основе связующего и армирующей волокнистой основы из бумаги на основе ароматического полиамида имеет аппретирующий слой из состава, содержащего полиамид, этиловый спирт и воду. Указанное связующее нанесено равномерно на поверхность аппретирующего слоя в количестве, равном массе волокнистой основы. Техническим результатом является получение связующего на основе фенолформальдегидной смолы без использования легковоспламеняющейся жидкости и высокотоксичных веществ, повышение значения напряжения сдвига при сжатии изделий из слоистого материала в 3 раза и понижение их горючести в 1,3 раза [15]. Также представляют интерес для специалистов следующие изобретения в области нанотехнологий:   

      

Способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей (RU 2586979) [16]. Способ получения нанопорошков металлов с повышенной запасенной энергией (RU 2535109) [17]. Способ получения углеродных наноструктур, модифицированных металлом, лигатура для композиционных материалов на основе алюминия или алюминиевого сплава и способ ее получения (RU 2593875) [18]. Способ получения пористого углеродного материала на основе высокорасщепленного графита (RU 2581382) [19]. Способ глубокой очистки моносилана (RU 2593634) [20]. Способ получения проводящих сетчатых микро- и наноструктур и структура для его реализации (RU 2593463) [21]. Способ получения наноструктурированного покрытия и устройство для его реализации (RU 2575667) [22]. Способ получения ферромагнитной жидкости (RU 2593392) [23]. Способ получения массивов углеродных нанотрубок с управляемой поверхностной плотностью (RU 2569548) [24]. Способ получения наноструктурного диоксида титана (RU 2593303) [25].

http://nanobuild.ru

153

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

 



Способ получения нанокомпозита FeNi3/C в промышленных масштабах (RU 2593145) [26]. Автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами полимерного волокнистого материала (RU 2542303) [27]. Способ получения наноматериалов модификацией поверхности металлсодержащего каркасного соединения (RU 2593021) [28].

Уважаемые коллеги!

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

Иванов Л.А., Муминова С.Р. Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 4 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 137–156. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-137-156.

Dear colleagues!

Библиографический список: 1. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597447.html (дата обращения: 11.08.16). 2. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597445.html (дата обращения: 11.08.16). 3. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597419.html (дата обращения: 11.08.16). http://nanobuild.ru

154

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

4. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597372.html (дата обращения: 11.08.16). 5. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597295.html (дата обращения: 11.08.16). 6. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2597204.html (дата обращения: 11.08.16). 7. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2596830.html (дата обращения: 11.08.16). 8. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2596751.html (дата обращения: 11.08.16). 9. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2596041.html (дата обращения: 11.08.16). 10. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595911.html (дата обращения: 11.08.16). 11. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595682.html. html (дата обращения: 11.08.16). 12. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595306.html (дата обращения: 11.08.16). 13. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2595080.html (дата обращения: 11.08.16). 14. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2594183.html (дата обращения: 11.08.16). 15. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2594014.html (дата обращения: 11.08.16). 16. Иванов Л.А., Муминова С.Р. Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 3 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 4. – С. 93–110. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-4-93-110. 17. Власов В.А. Изобретения в области нанотехнологий и наноматериалов позволяют добиться значительного эффекта в различных отраслях экономики // На-

http://nanobuild.ru

155

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 Обзор патентов на изобретения, полезные модели, промышленные образцы

нотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 1. – С. 82–104. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-82-104. 18. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593875.html (дата обращения: 11.08.16). 19. Иванов Л.А., Муминова С.Р. Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 2 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 3. – С. 74–91. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-3-74-91. 20. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593634.html (дата обращения: 11.08.16). 21. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593463.html (дата обращения: 11.08.16). 22. Иванов Л.А., Муминова С.Р. Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 2. – С. 52–70. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-52-70. 23. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593392.html (дата обращения: 11.08.16). 24. Власов В.А. Изобретения в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 1. – С. 81–99. –DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-1-81-99. 25. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593303.html (дата обращения: 11.08.16). 26. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593145.html (дата обращения: 11.08.16). 27. Власов В.А. Обзор изобретений в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 2. – С. 89–114. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-2-89-114. 28. Патенты и изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/ 259/2593021.html (дата обращения: 11.08.16).

http://nanobuild.ru

156

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

UDC 623-4 Author: PAVLENKO Vyacheslav Ivanovich, Doctor of Engineering, Professor, Honored Inventor . of the Russian Federation, Director of Institute of Chemical Technology, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, Kostyukova str., 46, Belgorod, Russia, 308012, . e-mail: belpavlenko@mail.ru; Author: CHERKASHINA Natalia Igorevna, PhD in Engineering, Associate Professor, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, Kostyukova str., 46, Belgorod, Russia, 308012, e-mail: natalipv13@mail.ru; Author: PAVLENKO Zoya Vladimirovna, PhD in Engineering, Associate Professor, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, Kostyukova str., 46, Belgorod, Russia, 308012, e-mail: natalipv13@mail.ru

SYNTHESIS OF NANODISPERSED FILLER FOR POLYMER COMPOSITE MATERIALS OF THERMOSTATIC PURPOSE

Extended Abstract: The paper presents data on the synthesis of nanosized filler for nonpolar polymer matrix. Aqueous solution of sodium methylsiliconate with empirical formula CH3–Si(OH)2ONa was used as the base component for the synthesis of nanosized filler. The production process of filler consists of several stages, these are the main ones: synthesizing of gel that was obtained in gel formation from sol colloidal solution – transformation of free-dispersed system (sol) into connected-dispersed one; gel precipitation by centrifugation and washing from ion Na+; gel drying at temperature of 100оC to obtain a powder filler; dispersion in the mill to the particle size of 0,1–1 microns. To destroy globules and diminish particle size to nanoscale level the obtained material was exposed to dispersion in planetary mill with further sonication (22 Hz). To study the obtained filler X-ray, differential thermal and microscopic methods have been used. For quantification of colloidal component (nanoparticles) in the suspension the centrifugation method was used at high speeds. It has been determined that the content of nanoparticles (up to 200 nm) in the obtained substance is about 10%. Damping edge angle of the obtained material is 110– 120о, that shows high hydrophobic properties of the synthesized powder.

http://nanobuild.ru

158

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

The obtained material possesses high dispersiveness, hydrophobicity and silicone frame resistant to the temperature range up to 531оC (there are no significant chemical transformations except dealkylation and dehydration reactions). Thermal degradation of the synthesized filler distinctly observed at the temperature more than 531оC. Key words: nanodispersed filler, a nonpolar matrix, hydrophobicity.

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174

Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Creative Commons License" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Synthesis of nanodispersed filler for polymer composite materials of thermostatic purpose by <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no.5, pp. 158–174.DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Pavlenko Z.V.</a> is licensed under a <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</a>. Based on a work at <a xmlns:dct="http:// purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/en_EN/nanobuild-5-2016" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/ en_EN/nanobuild-5-2016</a>. Permissions beyond the scope of this license may be available at <a xmlns:cc="http:// creativecommons.org/ns#" href="natalipv13@mail.ru" rel="cc:morePermissions">natalipv13@mail.ru</a>.

References: 1.

Gusev B.V., Falikman V.R., Leistner S. et al. Industrial technological research «Development of Russian market of nanotechnological products in construction until 2020». Part 1. Analysis of the world market. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2013, Vol. 5, no. 1, pp. 6–17. Gusev B.V., Falikman V.R., Leistner S. et al. Industrial technological research «Development of Russian market of nanotechnological products in construction until 2020». Part 2. Analysis of the world market. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2013, Vol. 5, no. 2, pp. 6–20. Gusev B.V., Falikman V.R., Leistner S. et al. Industrial technological research «Development of Russian market of nanotechnological products in construction until 2020». Part 3. Analysis of the russian market. Analysis of the world market. 2013, Vol. 5, no. 3, pp. 6–19.

http://nanobuild.ru

159

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

Shevchuk S.A., Smaylovskaya M.S. Mineral-polimernyj kompozit dlja stankostroenija [The mineral-polymer composite for the machine tool]. Glavnyj mehanik [Chief Mechanic]. 2012, No 8. pp. 47–49. (In Russian). 5. Mikhailova A.M., Kolokolova E.V., Lapshov R.V., Toporov D.V., Hoffman V.G. Polimernyj kompozit na osnove geteropolikislot dlja vodorodnoj jenergetiki [The polymer composite based on heteropolyacids for hydrogen energy]. Mezhdunarodnyj nauchnyj zhurnal Al'ternativnaja jenergetika i jekologija [International Journal of Alternative Energy and Ecology]. 2006. No 6. pp. 60–61. (In Russian). 6. Burunkova J.E., Denisyuk I.Y., Aref'eva N.N., Litvin A.P., Minozhenko O.A. Polimernyj jelektroopticheskij kompozit na baze dispersnogo krasnogo i ego proizvodnyh dlja primenenija v fotonike [Polymer-based composite electro disperse red and its derivatives for use in the photonics]. Opticheskij zhurnal [Journal of Optics]. 2010, Vol. 77. No 10. pp. 65–71. (In Russian). 7. Alexandrov A.I., Alexandrov I.A., Zezin S.B., Degtyarev E.N., Dubinsky A.A., Abramchuk S.S., Prokofiev A.I. Radiochastotnoe sverhizluchenie pri reologicheskom vzryve polimernogo kompozita, soderzhashhego paramagnitnye kompleksy kobal'ta [The wireless super-radiance at rheological explosion polymer composite containing paramagnetic cobalt complexes]. Himicheskaja fizika [Chemical Physics]. 2016, Vol. 35. No 2. pp. 78–85. (In Russian). 8. Vlasov A.M. Modelirovanie termostimulirovannoj poteri massy polimernogo kompozita v vakuume [Modeling of thermally losing weight polymer composite in a vacuum]. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovanij [International Journal of Applied and Basic Research]. 2016. No 7-2. pp. 169– 174. (In Russian). 9. Ogrel L.Y., Strokova V.V., Yaho Lee, Baodi Zang. Nasledovanie polimernymi kompozitami struktur nanorazmernyh neorganicheskih napolnitelej [Inheritance polymer composite structures of nanoscale inorganic fillers]. Stroitel'nye materialy [Building materials]. 2009. No 9. pp. 75–77. (In Russian). 10. Koshcheev A.P., Gorokhov P.V., Perov A.A., Hatipov S.A. Termodestrukcija polimernogo kompozita na osnove politetraftorjetilena i detonacionnyh nanoalmazov [Thermal degradation of the polymer composite based on polytetrafluoroethylene and detonation nanodiamonds]. Fiziko-himicheskie aspekty izuchenija klasterov, nanostruktur i nanomaterialov [Physico-chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials]. 2014. No 6. pp. 202–207. (In Russian). 11. Smirnov A.V. Vlijanie srednego razmera chastic i soderzhanija napolnitelja na akusticheskie svojstva metall-polimernogo kompozita [Effect of average particle 4.

http://nanobuild.ru

160

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

12.

13.

14.

15.

16. 17.

18.

19.

20.

size and filler content on the acoustic properties of the metal-polymer composite]. Put' nauki [The way of science]. 2015. No11 (21). pp. 60–62. (In Russian). Avdeychik S.V., Struk V.A., Sorokin V.G., Antonov A.S. Osobennosti realizacii nanorazmernosti v kompozitah na osnove polimernoj matricy [Features of the nanodimension in composites based on polymer matrix]. Nanomaterialy i nanostruktury – XXI vek [Nanomaterials and Nanostructures – XXI century]. 2016. Vol. 7. No 2. pp. 37–45. (In Russian). Glazkov S.S. Model' termodinamicheskoj sovmestimosti napolnitelja i polimernoj matricy v kompozite [Model of thermodynamic compatibility of the filler and polymer matrix composite]. Zhurnal prikladnoj himii [Journal of Applied Chemistry]. 2007. Vol. 80. No 9. pp. 1562–1567. (In Russian). Issoupov V., Startsev O.V., Paillous A. et al. Proc. of the 8th Int. Symp. On Materials in a Space Envronment / 5th Int. Conf. on Protection of Materials and Structures From the LEO Space Environment. Arcachon, France , 2000. P. 1–9. (In Russian). Jemanujel' N.M., Buchachenko A.L. Himicheskaja fizika starenija polimerov [Chemical physics of polymers of aging]. Moscow, Science, 1984. 342 p. (In Russian). Zaikov G.E. Destrukcija i stabilizacija polimerov [Degradation and stabilization of polymers]. Moscow, MITHT im. M.V. Lomonosova, 1993. 248 p. (In Russian). Ivanov V.A., Golov K.S., Misovec Ju.V. Obosnovanie radiacionno-zashhitnyh napolnitelej kompozicionnyh materialov na osnove fosfogipsovogo vjazhushhego [Justification radiation-protective filler composite materials based binder Phosphogypsum]. Eastern European advanced technology magazine. 2012. No 5 (60), Vol. 6. P. 55–59. (In Russian). Zubova N.G. Regulirovanie svojstv polimernyh kompozicionnyh materialov na osnove uglerodnyh volokon [Regulation of properties of polymeric composite materials based on carbon fibers]. Young scientist. 2015. No 24.1. pp. 29–30. (In Russian). Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Yastrebinskaya A.V., Matyukhin P.V., Kuprieva O.V. Using the high-dispersity [alpha]-Al2O3 as a filler for polymer matrices, resistant against the atomic oxygen. World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 25. No 12. pp. 1740–1746. Cherkashina N.I., Karnauhov A.A., Burkov A.V., Suhoroslova V.V. Sintez vysokodispersnogo gidrofobnogo napolnitelja dlja polimernyh matric [Synthesis of highly hydrophobic filler for polymeric matrices]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2013. No 6. P. 156–159. (In Russian).

http://nanobuild.ru

161

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 THE RESULTS OF THE SPECIALISTS’ AND SCIENTISTS’ RESEARCHES

21. Sigaev A.P. Primenenie zol'-gel'-tehnologii dlja sozdanija poluprovodnikovoj struktury fotojelektricheskogo preobrazovatelja jenergii [The use of sol-gel technology to create a semiconductor structure of the photoelectric energy converter]. Young scientist. 2014. No 21. P. 231–234. (In Russian). 22. Ivanov L.A., Muminova S.R. New technical solutions in the field of nanotechnologies. Part 1. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 2, pp. 52–70. 23. Falikman V., Weiner A. New high performance nanoadditives for photocatalytic concrete: synthesis and research. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2015, Vol. 7, no. 1, pp. 18–28. 24. Falikman V., Weiner A. The photocatalytic cement composites containing meso-porous nanoparticles of dioxide of a titanium Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2014, Vol. 6, no. 1, pp. 14–26. 25. Pivinskij E.Ju., Suzdal'cev E.I. Kvarcevaja keramika i ogneupory. Tom I Teoreticheskie osnovy i tehnologicheskie process [Quartz ceramics and refractories. Volume I The theoretical basis and technological processes]. Moscow. Heating energy, 2008. 326 p. (In Russian).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Pavlenko Z.V. Synthesis of nanodispersed filler for polymer composite materials of thermostatic purpose. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no.5, pp. 158–174. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174. (In Russian).

Contact information

http://nanobuild.ru

e-mail: natalipv13@mail.ru Ph.: (4722) 55-16-62

162

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

УДК 623-4 Автор: ПАВЛЕНКО Вячеслав Иванович, доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ, директор Химико-технологического института, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова, 46, г. Белгород, Россия, 308012, e-mail: belpavlenko@mail.ru; Автор: ЧЕРКАШИНА Наталья Игоревна, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова, 46, г. Белгород, Россия, 308012, e-mail: natalipv13@mail.ru; Автор: ПАВЛЕНКО Зоя Владимировна, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»; ул. Костюкова, 46, г. Белгород, Россия, 308012, e-mail: natalipv13@mail.ru

СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): В работе представлены данные по синтезу нанодисперсного наполнителя для неполярных полимерных матриц. В качестве исходного компонента для синтеза нанодисперсного наполнителя в работе использовали водный раствор метилсиликоната натрия, эмпирическая формула CH3–Si(OH)2ONa. Процесс получения наполнителя состоял из нескольких стадий, основными из которых являются: синтезирование геля, получаемого в результате гелеобразования из золей коллоидного раствора – образование геля – превращение свободнодисперсной системы (золя) в связнодисперсную; осаждение геля методом центрифугирования и промывка от ионов Na+; высушивание геля при температуре 100оС с целью получения порошкообразного наполнителя; диспергирование в мельнице до размера частиц 0,1–1 мкм. Для разрушения глобул и уменьшения размера частиц до наноуровня полученное вещество подвергали диспергированию в планетарной мельнице и дальнейшему ультразвуковому воздействию (22 Гц). При исследовании полученного наполнителя использованы рентгенографический, дифференциально-термический и микроскопический методы ис-

http://nanobuild.ru

163

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

следования. Для количественного определения коллоидного компонента (наночастиц) в исследуемой суспензии использовали метод центрифугирования на больших оборотах. Определено, что содержание наноразмерных частиц (до 200 нм) в полученном веществе – около 10%. Краевой угол смачивания полученного материала составляет 110–120о, что свидетельствует о высоких гидрофобных свойствах синтезированного порошка. Полученный материал обладает высокой дисперсностью, гидрофобностью и устойчивостью кремнийорганического каркаса в температурном интервале до 531оС (отсутствие значимых химических превращений, за исключением реакции дегидрирования и деалкилирования). Термодеструкция синтезированного наполнителя заметно проявляется при температуре более 531оС. Ключевые слова: нанодисперсный, наполнитель, неполярная матрица, гидрофобность. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174

Машиночитаемая информация о CC-лицензии в метаданных статьи (HTML-код): <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><img alt="Лицензия Creative Commons" style="borderwidth:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png" /></a> Произведение «Синтез нанодисперсного наполнителя для полимерных композиционных материалов терморегулирующего назначения » созданное автором по имени <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 158–174. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174" property="cc:attributionName" rel="c c:attributionURL">Павленко В.И., Черкашина Н.И., Павленко З.В. </a>, публикуется на условиях <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная</a>. Основано на произведении с <a xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://nanobuild.ru/ ru_RU/nanobuild-5-2016/" rel="dct:source">http://nanobuild.ru/ru_RU/nanobuild-5-2016/</a>. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, могут быть доступны на странице <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="natalipv13@mail.ru" rel="cc:morePermissions">natalipv13@mail.ru</a>.

овременная промышленность постоянно ставит перед собой все новые более сложные задачи, для решения которых необходимо использование новых материалов, в том числе и нанотехнологических продуктов в строительной отрасли [1–3]. Полимерные материалы не исключение, поэтому в настоящее время активно ведутся разработки материалов из полимеров и их композитов для использования в строительстве, атомной и космической промышленности [4–8]. Разработанные в последние десятилетия полимерные композиты обладают улучшенным http://nanobuild.ru

164

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

комплексом свойств, позволяющим им заменять такие дорогостоящие конструкционные материалы, как сталь, алюминий, титан и др. [9–13]. Полимерные композиты, используемые для космической промышленности, должны обладать повышенной пластичностью, тепловой и удельной конструкционной прочностью, коррозионной стойкостью, а также уменьшенной массой по сравнению с традиционно применяемыми металлическими материалами [14]. Данные свойства должны обеспечить эксплуатацию материала в тех условиях, которые часто сопутствуют радиации, таких как вакуум, агрессивные среды, разные температуры. Однако полимеры при эксплуатации в режиме повышенного радиационного излучения подвержены значительной деструкции [15–16]. Эти структурные изменения могут быть предотвращены путем армирования полимера наноразмерными радиационно-поглощающими наполнителями [17]. Многообразие полимерных и упрочняющих материалов позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур, радиационно-защитные и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и микро- и наноструктуры композита [18]. В данной работе представлены данные по синтезу нанодисперсного наполнителя для полимерных композиционных материалов терморегулирующего назначения, которые могут найти свое применение в авиационно-космическом материаловедении. Используемые в настоящее время полимеры для данных целей не обладают высокой стойкостью к солнечному излучению в космосе и малоустойчивы к воздействию набегающего потока атомарного кислорода на низких орбитах [19]. По этому необходимо использовать наполнители, обладающие высокой УФ-стойкостью и способные противостоять набегающему потоку кислорода в космосе. Такие наполнители могут быть получены на основе материалов, содержащих кремнийорганические соединения [20]. Синтез наполнителя для полимерных матриц осуществлялся по золь-гель технологии. Эта технология обладает важными отличительными особенностями: возможностью создания структур с ультрадисперсной фазой, что повышает площадь взаимодействия с полимерной матрицей, однородным распределением компонентов по всему объёму, способностью контролировать поверхность на стадии её получения, а также простотой в реализации [21]. Применение данноhttp://nanobuild.ru

165

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

го метода позволяет получать вещества, размер которых находится в нанодиапазоне, а по своим свойства они значительно превосходят традиционно-используемые материалы по многим параметрам. Применение нанотехнологических приемов в строительном материаловедении позволяет значительно улучшать свойства материалов, что расширяет диапазон использования [22–24]. В качестве исходного компонента для синтеза нанодисперсного наполнителя в работе использовали водный раствор метилсиликоната натрия, эмпирическая формула CH3–Si(OH)2ONa. Технические характеристики метилсиликоната натрия представлены в табл. 1. Таблица 1 Технические характеристики метилсиликоната натрия № п/п

Показатель

Значение

Внешний вид

Жидкость от бесцветного до темно-коричневого цвета, допускается наличие мелкодисперсного осадка и механических примесей

Массовая доля сухого остатка, %, не менее

Плотность при температуре 20оС, г/см3

Массовая щелочи (в пересчете на %)

10–25

Массовая доля кремний, %, не менее

Гидрофобизирующая способность, ч, не менее

Размер мономерных и димерных молекул, нм

10–20

1,15–1,40

Процесс получения наполнителя состоит из нескольких стадий, основными из которых являются: 1) Синтезирование геля, получаемого в результате гелеобразования из золей коллоидного раствора. Образование геля – превращение свободнодисперсной системы (золя) в связнодисперсную. Образованию геля предшествует повышение вязкости системы. Продукты гидролиза (вода, гидроксид натрия (NaOH) остаются в трехмерной пространственной структуре геля). http://nanobuild.ru

166

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Для получения геля к раствору метилсиликоната натрия добавляют соляную кислоту в стехиометрическом соотношении 1:3. Предполагается, что синтез идет по следующей схеме:

Кинетика перехода коллоидного раствора в гель и, соответственно, характеристики получаемых полупродуктов и порошков зависят от ряда факторов: значение рН, концентраций реагентов, продолжительности синтеза геля, температуры. По полученным данным оптимальным значением рН коллоидного раствора выбрано 4. 2) Осаждение геля методом центрифугирования и промывка от ионов Na+. Осажденный силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) отделяют от раствора с использованием центрифуги ОПН-3.02 с частотой вращения до 3000 мин–1. В центрифугу одновременно загружают 10 пробиркодержателей для ускорения процесса. Затем полученную твердую фазу декантируют дистиллированной водой от щелочи и повторяют данный процесс центрифугирования с дальнейшей декантацией до тех пор, пока значение pH не будет около 6,9–7,1 (нейтральная среда). Для количественного определения коллоидного компонента (наночастиц) в исследуемой суспензии использовали метод центрифугирования на больших оборотах. Согласно [25] для отделения частиц кремнезема размером менее 30 нм от остальной части твердой фазы суспензий требуется ультрацентрифугирование с частотой вращения ротора не менее 10000 об./мин. В работе для выделения коллоидного компонента использовалась ультрацентрифуга с частотой вращения ротора 18 000 об./мин при продолжительности 15 мин (исследования проводились в МГУ им. М.В. Ломоносова). Отделяемую центрифугированием http://nanobuild.ru

167

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Содержание частиц, %

проб дисперсионную среду геля подвергали сушке в тиглях при 100– 110оС до постоянной массы и таким образом определяли содержание твердого (коллоидного) компонента в фугате. Определено, что содержание наноразмерных частиц (до 200 нм) в полученном веществе – около 10%. Гистограмма распределения наночастиц в исследуемой суспензии представлена на рис. 1. Таким образом, можно утверждать, что полученный наполнитель имеет нанодисперсный размер.

D, нм

Рис. 1. Гистограмма распределения наночастиц в исследуемой суспензии

3) Высушивание геля при температуре 100оС с целью получения порошкообразного наполнителя – ксерогеля метилполисилоксана (МПС). Высушивание геля осуществляли в вакууме (р = 0,1 атм.) при 100оС в течение не менее 3 часов. Микроскопическое исследование полученного порошка свидетельствует о глобулярной структуре полученного вещества, размеры глобул составляют 1–3 мкм, что говорит о высокодисперсности полученного вещества. Для разрушения глобул и уменьшения размера частиц до нано уровня полученное вещество подвергали диспергированию в планетарной мельнице и дальнейшему ультразвуковому воздействию (22 Гц). 4) Диспергирование в мельнице до размера частиц 0,1–1 мкм. Ультразвуковая обработка при частоте 22 Гц. http://nanobuild.ru

168

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Для хорошей совместимости наполнителя с неполярной полимерной матрицей необходима гидрофобная поверхность наполнителя. Поэтому представлялся научный интерес по изучению гидрофобности свойств полученного вещества. Основной характеристикой гидрофильности (гидрофобности) поверхности любого наполнителя является краевой угол смачивания α или θ – cos α. Он определяется как угол между касательной, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела, при этом α всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз: твердой фазы (исследуемого модифицированного наполнителя), жидкости (дистиллированная вода) и газа (воздух). При α > 90о поверхность материала обладает гидрофобными свойствами. Краевой угол смачивания полученного МПС составляет 110–120о, что свидетельствует о высоких гидрофобных свойствах синтезированного порошка. При исследовании полученного высокодисперсного гидрофобного наполнителя использованы рентгенографический, дифференциальнотермический и микроскопический методы исследования.

Рис. 2. Рентгенограмма синтезированного вещества

http://nanobuild.ru

169

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 3. Результаты термогравиметрического анализа МПС: а – изменение температуры (кривая Т); б – изменение массы (кривая TG); в – изменение энтальпии (кривая DTA); г – скорость изменения массы (кривая DTG) http://nanobuild.ru

170

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рентгенограмму записывали в широком интервале углов дифракции 2θ от 4о до 64о с шагом 0,05о. Рентгеноструктурный анализ порошка указывает на аморфно-кристаллический характер вещества со средней величиной аморфного гало около 9 Ǻ (рис. 2). Результаты термогравиметрического анализа представлены на рис. 3 (а–г). МПС нагревали до 750оС в течение 75 мин. Кривая потери массы от температуры (кривая ТG, рис. 3 б) имеет наклонный характер до 33 мин, затем наблюдается горизонтальный участок до 54 мин, а затем наблюдается резкое снижение. Потеря массы МПС до 281оС связана с удалением примесей и термическим уносом газообразных органических веществ, таких как метан, формальдегид, метиловый спирт, образующихся в результате внутренних фазовых превращений алкильных групп (СН3–, С2Н5–). Пик на кривой DTG и DTA при 531оС определяет истинную температуру химического превращения МПС. Это говорит об устойчивости кремнийорганического каркаса в температурном интервале до 531оС и отсутствии значимых химических превращений (за исключением реакции дегидрирования и деалкилирования). Термодеструкция синтезированного МПС заметно проявляется при температуре более 531оС. После этой температуры идет нарастание массы (рис. 3 в) образца в результате окисления продуктов деструкции материала. Нарастание массы объясняется образованием кристаллического оксида кремния (α–SiO2), образованного в результате термодеструкции силоксановой цепи, а также силикатных и карбонатных структур.

Заключение Таким образом, установлена возможность получения нанодисперсного наполнителя для полимерных неполярных матриц на основе метилсиликоната натрия. Определено, что содержание наноразмерных частиц (до 200 нм) в полученном веществе – около 10%. Полученный материал обладает высокой дисперсностью, гидрофобностью (краевой угол смачивания до 120о) и устойчивостью кремнийорганического каркаса в температурном интервале до 531оС. Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K. http://nanobuild.ru

171

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Уважаемые коллеги!

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

Павленко В.И., Черкашина Н.И., Павленко З.В. Синтез нанодисперсного наполнителя для полимерных композиционных материалов терморегулирующего назначения // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 5. – С. 158–174. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174.

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format: Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Pavlenko Z.V. Synthesis of nanodispersed filler for polymer composite materials of thermostatic purpose. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2016, Vol. 8, no. 5, pp. 158– 174. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-158-174. (In Russian).

Библиографический список: 1.

4. 5.

Гусев Б.В., Фаликман В.Р., Лайстнер Ш. и др. Отраслевое технологическое исследование «Развитие российского рынка нанотехнологических продуктов в строительной отрасли до 2020 года» // Нанотехнологии в строительстве. – 2013. – Том 5, № 1. – C. 6–17. Гусев Б.В., Фаликман В.Р., Лайстнер Ш. и др. Отраслевое технологическое исследование «Развитие российского рынка нанотехнологических продуктов в строительной отрасли до 2020 года». Часть 2. Анализ мирового рынка // Нанотехнологии в строительстве. – 2013. – Том 5, № 2. – C. 6–20. Гусев Б.В., Фаликман В.Р., Лайстнер Ш. и др. Отраслевое технологическое исследование «Развитие российского рынка нанотехнологических продуктов в строительной отрасли до 2020 года». Часть 3. Анализ российского рынка // Нанотехнологии в строительстве. – 2013. – Том 5, № 3. – C. 6–19. Шевчук С.А., Смайловская М.С. Минерал-полимерный композит для станкостроения // Главный механик. – 2012. – № 8. – С. 47–49. Михайлова А.М., Колоколова Е.В., Лапшов Р.В., Топоров Д.В., Гоффман В.Г. Полимерный композит на основе гетерополикислот для водородной энергети-

http://nanobuild.ru

172

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

10.

11.

12.

13.

14.

15. 16.

ки // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – 2006. – № 6. – С. 60–61. Бурункова Ю.Э., Денисюк И.Ю., Арефьева Н.Н., Литвин А.П., Миноженко О.А. Полимерный электрооптический композит на базе дисперсного красного и его производных для применения в фотонике // Оптический журнал. – 2010. – Т. 77, № 10. – С. 65–71. Александров А.И., Александров И.А., Зезин С.Б., Дегтярев Е.Н., Дубинский А.А., Абрамчук С.С., Прокофьев А.И. Радиочастотное сверхизлучение при реологическом взрыве полимерного композита, содержащего парамагнитные комплексы кобальта // Химическая физика. – 2016. – Т. 35, № 2. –. С. 78–85. Власова А.М. Моделирование термостимулированной потери массы полимерного композита в вакууме // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 7–2. – С. 169–174. Огрель Л.Ю., Строкова В.В., Яхо Ли, Баоде Занг. Наследование полимерными композитами структур наноразмерных неорганических наполнителей // Строительные материалы. – 2009. – № 9. – С. 75–77. Кощеев А.П., Горохов П.В., Перов А.А., Хатипов С.А. Термодеструкция полимерного композита на основе политетрафторэтилена и детонационных наноалмазов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2014. – № 6. – С. 202–207. Смирнов А.В. Влияние среднего размера частиц и содержания наполнителя на акустические свойства металл-полимерного композита // Путь науки. – 2015. – № 11 (21). – С. 60–62. Авдейчик С.В., Струк В.А., Сорокин В.Г., Антонов А.С. Особенности реализации наноразмерности в композитах на основе полимерной матрицы // Наноматериалы и наноструктуры – XXI век. – 2016. – Т. 7, № 2. – С. 37–45. Глазков С.С. Модель термодинамической совместимости наполнителя и полимерной матрицы в композите // Журнал прикладной химии. – 2007. – Т. 80, № 9. – С. 1562–1567. Issoupov V., Startsev O.V., Paillous A. et al. // Proc. of the 8th Int. Symp. On Materials in a Space Envronment / 5th Int. Conf. on Protection of Materials and Structures From the LEO Space Environment. Arcachon, France , 2000. P. 1–9. Эмануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Химическая физика старения полимеров. – М.: Наука, 1984. – 342 с. Заиков Г.Е. Деструкция и стабилизация полимеров. – М.: Изд. МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1993. – 248 с.

http://nanobuild.ru

173

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

17. Иванов В.А., Голов К.С., Мисовец Ю.В. Обоснование радиационно-защитных наполнителей композиционных материалов на основе фосфогипсового вяжущего//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – Вып. № 5 (60), Т. 6. – С. 55–59. 18. Зубова Н.Г. Регулирование свойств полимерных композиционных материалов на основе углеродных волокон // Молодой ученый. – 2015. – № 24.1. – С. 29–30. 19. Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Yastrebinskaya A.V., Matyukhin P.V., Kuprieva O.V. Using the high-dispersity [alpha]-Al2O3 as a filler for polymer matrices, resistant against the atomic oxygen // World Applied Sciences Journal. – 2013. – Т. 25. № 12. – С. 1740-1746. 20. Черкашина Н.И., Карнаухов А.А., Бурков А.В., Сухорослова В.В. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 156–159. 21. Сигаев А.П. Применение золь-гель-технологии для создания полупроводниковой структуры фотоэлектрического преобразователя энергии // Молодой ученый. – 2014. – № 21. – С. 231–234. 22. Иванов Л.А., Муминова С.Р. Новые технические решения в области нанотехнологий. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. – 2016. – Том 8, № 2. – С. 52–70. – DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-52-70. (In Russian). 23. Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Новые высокоэффективные нанодобавки для фотокаталитических бетонов: синтез и исследование // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Том 7, № 1. – С. 18–28. – DOI: dx.doi.org/10.15828/20758545-2016-7-1-18-28. (In Russian). 24. Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Фотокаталитические цементные композиты, содержащие мезо-пористые наночастицы диоксида титана // Нанотехнологии в строительстве. – 2014. – Том 6, № 1. – C. 14–26. – DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-6-1-14-26. (In Russian). 25. Пивинский Е.Ю., Суздальцев Е.И. Кварцевая керамика и огнеупоры. Том I. Теоретические основы и технологические процессы. – М.: Теплоэнергетик, 2008. – 326 с.

Контакты

http://nanobuild.ru

e-mail: natalipv13@mail.ru Тел.: (4722) 55-16-62

174

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

ON THE OBSERVANCE OF PUBLISHING ETHICS BY THE EDITORS OF ELECTRONIC EDITION «NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION: A SCIENTIFIC INTERNET-JOURNAL» AND THE STATEMENT OF PREVARICATION ABSENCE. ON THE USE OF THE CONTENT IN ACCORDANCE WITH CREATIVE COMMONS CC-BY «ATTRIBUTION». DECLARATION OF THE OPEN ACCESS JOURNAL. General statements These are the principle ethical regulations which are observed by the editors of electronic edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal»: 1. The paper publication in the journal is free of charge. 2. No plagiarism is allowed. That concerns the case when the author submits published or unpublished paper by other authors under his name as well as the case when the author misappropriates one’s ideas. If the author uses the fragments borrowed from other sources in his paper, he should make a reference to these sources. The examples of the references are given in the section «For the authors». 3. The editors publish the papers of the authors from all countries and of all nationalities who deal with the problem determined by the editorial policy. 4. The editors don’t cooperate with the authors who have ever been caught in plagiarism in his papers submitted to the electronic edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» or other editions if this fact will be revealed. 5. The editors use software to reveal plagiarism related to the papers available in Internet. 6. The editors will be grateful to the readers for any information concerning revealed elements of plagiarism and breaking of ethical rules by the authors. This information will be published in the edition. 7. The editors undertake obligations not to publish papers appealing for terrorism and containing xenophobia and offences of other authors or citizenry. http://nanobuild.ru

175

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

8. Blind peer review procedure is applied to all manuscripts. At least three outer experts review each paper. 9. Among the requirements to be met by the reviewers there is plagiarism elements disclosure. The reviewers’ duties are given in the section «For the reviewers». 10. Unreviewed papers or editorial materials are marked by proper references. 11. The journal allows authors to keep author’s rights and their rights on publication without restrictions. 12. The authors of the materials published in the journal permit using their content according to the license Creative Commons CC-BY «Attribution». This kind of license allows other people to distribute, edit, correct and base on the work of the authors, even with commercial purpose, while the authors mention them as co-authors. The license is recommended to distribute widely and use licensed materials. More details about the license Creative Commons CC-BY are available here http://creativecommons.ru/. 13. Declaration of the Open Access journal. The editors follow the politics of «open access» for the published materials. According to the Budapest Open Access Initiative (BOAI) the editors consider free access to the published materials in Internet and the right of each user to read, download, copy, distribute, print, search or link to the full text papers, search with indexer robot, enter them as data in software or use them for other legal purpose without financial, law or technical obstacles excluding those that regulate access to the Internet itself. The only restriction for reproduction and distribution and the only condition of copyright in this area must be the author’s right to control the entity of his work and obligatory links to his name when his work is used and cited. More information about the Budapest Open Access Initiative is available here http://www.budapestopenaccessinitiative.org/boai-10-translations/russian. The full texts (parts or metadata) of the papers published in the journal «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» are free accessed in Internet at the official website of the edition (www.nanobuild. ru), Scientific electronic library eLIBRARY.RU, citation systems (data bases): ISSN, Russian Index of Scientific Citation, Ulrich’s Periodicals Directory, DOAJ, Chemical Abstracts, Compendex, Scopus, Web of Science, EBSCO Publishing, ResearchBib, CrossRef, Global Impact Factor et al. Every paper must contain the following information: place of work (university (institute), enterprise and other types of organizations, city, http://nanobuild.ru

176

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

and country), position, academic degree, academic title, full postal address and email that allows scientists and specialists from different countries to contact authors. Each paper is assigned UDC, DOI and metadata of the paper contains machine-readable information on CC-licenses (HTML-code), other identifiers of the materials. 14. The detailed information about publication ethics, the material reviewing procedure, license principles, declaration of Open Access journal, observance of author and joint rights to follow is presented in international standards, laws of the Russian Federation, professional codes, and guidelines. One of them is International standards of the Committe on Publication Ethics (COPE), licenses Creative Commons, Budapest Open Access Initiative, the guidelines for Elsevier’s reviewers, Civil Code of Russian Federation (item IV), the law of RF «On mass media», the law of RF «On the advertisement», Code of the journalist professional ethics, Code of scientific publication ethics etc.

For the editor-in-chief Decision on Paper Publication. The editor-in-chief of electronic edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» is responsible for making a decision which of submitted papers are to be published in the journal. This decision always must be based on the examination of paper reliability and its importance for scientists and readers. The editor-in-chief may be guided by methodical recommendation elaborated by the editorial council and the editorial board of the journal. He also may take into account legal requirements, such as exclusion of libel, infringement of copyright and plagiarism. When making decision on the publication, the editor-in-chief may consult with the members of editorial council, editorial board or reviewers. Justice. The editor-in-chief evaluates submitted papers by the intellectual content, regardless of the race, sex, sexual preference, religion, ethnic origins, citizenship and political views of the author. Confidentiality. The editor-in-chief, editorial staff, members of the editorial council must not disclose information on the submitted manuscript to the third person except for the author, reviewers, potential reviewers, the editorial council’s consultants, and the publisher. http://nanobuild.ru

177

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Disclosure and Conflict of Interests. The information contained in the submitted paper cannot be used in the paper of the editor-in-chief, members of the editorial council or editorial board without author’s written permission. Confidential information or ideas obtained during review must be kept in secret and must not be used for self-profit. The editor-in-chief should not review the paper if there is a conflict of the interests evolving from competition, cooperation or other relations with someone from the authors, companies and organizations which are related to the paper. The editor-in-chief should ask all authors to present information on the certain competitive interests and publish corrections if the conflict of the interests has been revealed after the publication. If necessary another appropriate action such as publication of disproof or expression of a concern can be performed. Examination of complaints of ethnic character. The editor-in-chief should take reasoned and prompt measures if he gets complaints of ethnic character in respect to the submitted manuscript or issued paper, contacting with the editors and publisher.

For the reviewers Review of the paper assists the editor-in-chief to take decisions on the publication of it, and the reviewers’ criticism can help the author to improve his paper. The editors of electronic edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» appoint reviewers from the members of the editorial council, editorial board or engage outside experts. Review is aimed at evaluation of scientific importance and novelty of the submitted manuscript. The authors of the submitted manuscripts recognize expediency and necessity of the review. Having agreed to do review, the future reviewer undertakes the following obligations. Promptness. The persons addressed by the members of the editorial staff through the editor-in-chief in respect to the review of scientific papers, have ethical obligations concerning the efficiency of review. If it is http://nanobuild.ru

178

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

not possible to present the review within the given period, one must inform the editor-in-chief about that and new reviewer is appointed. Confidentiality. Each manuscript submitted to the review is to be reviewed as a confidential document. It is not to be examined and discussed with the third persons, except for those appointed by the editor-in-chief. Neutrality. The reviews must be done impartially. No personal accusations for the author are allowed. The reviewer should express his point of view in a clear and reasoned way. The reference evaluation. The fact that there are no references in the manuscript should be marked and considered by the reviewer. If the manuscript partially of completely coincides with the publications known by the reviewer and the references to these publications are absent, that must be pointed out by the reviewer. The examples of the bibliographic references are given in the section «For the authors». Plagiarism disclosure. In the case of suspicion of paper duplication or plagiarism the reviewer should point out this fact in his review. Ethical rules. Confidential information and ideas of reviewed paper must not be disclosed. Materials of the reviewed paper must not be used for reviewer’s self-profit. The reviewer follows the rule according to which he doesn’t use ideas and statements obtained from the reviewed paper in his own work and publications without written permission of the author. The reviewer should not review the paper if there is a conflict of the interests evolving from competition, cooperation or other relations with someone from the authors, companies and organizations which are related to the paper.

For the authors 1. The authors submit to the editors:  electronic manuscript (by email info@nanobuild.ru) performed according to the paper format guidelines for text and graphical materials given in Appendix 1. The topics of published materials must correspond to the topics stated by the editors of the electronic edition http://nanobuild.ru

179

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

«Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» in Appendix 2. The format of submitted papers must be done according to the structure given in Appendix 3.  accompanying letter (the editors send the sample of the letter to the authors on demand). The authors of the materials published in the journal permit using their content according to the license Creative Commons CC-BY «Attribution»; agree that each paper is assigned UDC, DOI and that metadata of the paper contains machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) and another identifiers of the materials; agree to publish full texts (parts or metadata) of the paper in free access in Internet at the official website of the edition (www.nanobuild.ru), Scientific electronic library eLIBRARY. RU, citation systems (data bases): ISSN, Russian Index of Scientific Citation, Ulrich’s Periodicals Directory, DOAJ, Chemical Abstracts, Compendex, Scopus, Web of Science, EBSCO Publishing, ResearchBib, CrossRef, Global Impact Factor et al. All that authors indicate in the cover letter. More details about the license Creative Commons CC-BY are available here http://creativecommons.ru/. 2. The paper should reflect the results of original research and its relation to the previous research performed by the author himself or other scientists. The relation to other research can be presented directly in the body of the paper as well as in the form of the references to the previous sources. If the author uses the material from other publications, the paper must contain the references to these materials. The references follow the body of the paper. The examples of the references are given in Appendix 4. When writing a paper, one should follow the principles of professional ethics, be competent, objective and answerable. 3. The editors, the editorial council or the editorial board may ask the authors to present all firstprimary sources and materials relating to the submitted paper. Materials must be kept for 1 year after the paper has been published. 4. Every paper published in the journal is peer-reviewed to confirm its originality and correspondence to paper format guidelines. The use http://nanobuild.ru

180

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

of other scientists’ results and thoughts must be done in a proper form. No plagiarism is allowed. The authors must confirm the fact that the paper is published for the first time or they ask to publish it for the second time. 5. The information obtained in informal way, for example, in private discussion or correspondence, cannot be presented in the paper without written permission of the source of information. The information which source is a private activity, in particularly, reviewing of manuscripts or grant applications, cannot be used in the paper without written permission of the authors. 6. Republication of the paper on the editorial council’s (or editorial council’s) own initiative is made in agreement with the authors, editors and holder of the intellectual property right on the paper. In the case of the paper republication the publisher is to make a statement on that. To submit a paper with co-authors is possible if all persons indicated as co-authors made their contribution to development of the concept, design, performance or interpretation of the described research. If the contribution of a person who cooperated on the research described in the paper is not enough significant to regard him as a co-author, he should be acknowledged in the paper. The paper publication for post-graduates is free of charge. 7. The contact author must provide reading and approval of the final version of the paper by all co-authors, as well as their approval to the publication. 8. In the case of conflict of interests including potential one the author or co-authors must inform the editors as soon as possible. When a principle mistake or inaccuracies have been revealed in the issued paper by the author himself, he must urgently inform the executive editor and render editor-in-chief efficient assistance to publish disproof or correction. If the editor-in-chief gets the information on the serious mistake contained in the paper from the third person, the author must present urgent disproof of that at the same time producing proofs of his rightfulness to the executive editor (or to the editor-in-chief) and provide necessary changes. http://nanobuild.ru

181

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

9. The authors should be aware of the fact that the editors, the editorial council and the editorial board of the electronic edition «Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal» take the responsibility for the assistance to scientific community to observe all aspects of publishing ethics, particularly in the cases of paper duplication or plagiarism. 10. The authors of the published materials are responsible for the reliability of the given information and the use of the data which are not to be issued in public. The editors have the right to make corrections. The editors’ opinion can be different from the authors’ opinion; the materials are published to discuss the problems of current importance. The editors are not responsible for any information contained in advertisement. 11. Having reviewed the submitted materials, the editors notify the authors of their decision by email. If the paper has been rejected, the editors send reasoned refusal to the author. 12. Any full of partial reprinting of the materials is allowed only by the written permission of the editors.

Dear authors, we kindly ask you to adhere strictly to format guidelines when formatting your paper.

http://nanobuild.ru

182

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Appendix 1

The paper format guidelines

The papers are submitted by email (info@nanobuild.ru) and formatted in the following way. 1. The body of the paper •

The number of pages in the paper – more than 3 but less than 10 pages in А4 format.

•

Margins: left and right – 2 сm, bottom and upper – 2,5 сm.

•

The body of the paper is performed in Word.

•

The font of the body – Times New Roman.

•

The font size of the text is 14 pt, the factor of line-to-line spacing – 1,15.

•

To keep the style uniform, don’t use font effects (italics, underlined etc).

•

Indention – 1 cm.

•

Complex formulas are performed by the means of MS Equation 3.0. contained in WinWord.

•

Formulas are placed in the center of the column (page) without indention, their numbers are given in round brackets and are placed in the column (page) with right justification. If there is only one formula in the paper, it is not numbered. Above and at the bottom of the text formulas are not separated by additional space.

•

To make the reference to the formula in the text use round brackets (1), to make reference to the bibliographical source use square brackets [1].

•

The size of the references is 12 pt.

http://nanobuild.ru

183

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

2. Graphical design of the paper •

Illustrations are stored in vector format in Corel Draw 11.0 or in any other design applications of MS Office 97, 98 or 2000.

•

After the first mentioning of the diagrams, pictures and photos in the text, they are inserted in the form which is suitable for the authors.

•

The legends (12 pt, normal) are placed under the figures in the center after reduced word Fig. and number (12 pt, bold) of the figure. If there is only one figure, it is not numbered.

•

Between the legend and the following text – one line-to-line spacing.

•

All pictures and photos must be contrast and the resolution of the pictures and photos must be no less than 300 dpi. Illustartions are desirable to be coloured.

•

The lines of the diagrams must not be thin (the line width – no less than 0,2 mm).

•

Copies and figures scanned from the books and journals of a low quality and resolution are not accepted.

•

The word Table and the number of the table are placed with right justification. The heading of table is on the next line (center adjustment without indention). Between table and the text - one line-to-line spacing. If there is only one table, it is not numbered.

3. The format of the modules •

Modules must be contrast and the resolution of the modules must be no less than 300 dpi (format .jpg).

•

The size of the modules, mm:

1/1 – 170 (width) х 230 (height);

1/2 – 170 (width) х 115 (height).

http://nanobuild.ru

184

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Appendix 2

The Topics of Published Materials

• • • • • • • • • • • • • • • • • •

Nanostructured systems strength and penetrability formation theory development. Mathematical quantum and other types of models for nanomaterials characteristic research. The problems of nanomaterials and nanotechnologies implementation in construction and building materials. Technological principles of nanostructures creation (liquid melts, sol and gel synthesis). Creation of new functional materials in construction. Development of transition principles «disorder-order» when creating composites with the use of synergetic and other approaches. Study of different technological principles when creating nanosystems in industrial production. Diagnostics of building systems nanostructures and nanomaterials. The problems of obtaining of high-density and high-durability building materials (concretes, ceramics etc.). Technologies of mineral particles grinding to nanodimensional levels. Technology of blending mixtures with nanodispersed particles and methods to activate them. Hydrodynamic methods and other methods of aqueous suspensions and solutions activation. Modification of aqueous solution of different nanodimensional additives used in construction. Research in the area of powder nanomaterials toxicity. Metal reinforcement modified by nanodimensional materials in production process. Carbonic, basalt and aramid fibers and other types of fibers of small diameters with nanodimensional structural characteristics. Cement and other binders with mineral and organic additives. Concretes and solutions modified by nanodimensional additives.

http://nanobuild.ru

185

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

•

• • • • • •

• •

Mineral particles suspensions used for laques, paints as well as for modifiers for concretes and solutions; properties, fabrication method and durability. Organic materials dispersions used in laques and paints production as well as to manufacture additives for concretes and solutions; activation methods and durability of these dispersions. Usе of nanopowder of different nature to modify building materials properties. New characteristics of building materials based on nanosystems. Modification of building materials with nanofibers. Disperse composite materials with nanocoating. Formation of nanostructure coatings by means of laser sputtering. Development of the methods aimed at studying materials nanostructure on the basis of disperse systems, including studying of vacuum nanoobjects in porous systems. Technologies aimed at studying nanomaterial properties. The systems of teaching the fundamentals of nanotechnologies.

The topics can be different, directly or indirectly related to the areas mentioned above.

http://nanobuild.ru

186

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Appendix 3

The structure of the paper

UDC Author(s): Place of employment for each author (university (institute), enterprise or other companies, city, country), position, academic degree, academic status (In Russian) postal address and email of each author (In Russian) Author(s): Place of employment for each author (university (institute), enterprise or other companies, city, country), position, academic degree, academic status (In English) postal address and email of each author (In English) Title (In Russian) Title (In English) Extended Abstract – the source of information, which is independent on the paper and which allows Russian and foreign specialists to make conclusion about the quality of the content of the paper (extended abstracts must be informative, original, contain main results of research, structured, compact – 200–250 words) (In Russian) Extended Abstract – the source of information, which is independent on the paper and which allows Russian and foreign specialists to make conclusion about the quality of the content of the paper (extended abstracts must be informative, original, contain main results of research, structured, compact – 200–250 words) (In English)

http://nanobuild.ru

187

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Key words (In Russian) Key words (In English) DOI Machine-readable information on CC-licenses (HTML-code) in metadata of the paper Text of the paper (In Russian) Text of the paper (In English) – for foreign authors

References according to GOST R 7.0.5–2008 and GOST R 7.0.7–2009 (In Russian) References according to Template of VINITI RAN (the combination of English and translated parts of the Russian links)

http://nanobuild.ru

188

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Appendix 4

Reference Formats (according to guidelines of VINITI RAN)

References are given after the text of the paper. The references in the list must be numbered. Description of a Paper from Electronic Journal: Falikman V.R., Vainer А.Y. Photocatalytic Cementitious Composites Сontaining Mesoporous Titanium Dioxide Nanoparticles. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2014, Vol. 6, no. 1, pp. 14–26. Available at: http://nanobuild.ru/en_EN/ (Accessed __ _______ ____). (In Russian). Note: Volume 1 – 2009; Volume 2 – 2010; Volume 3 – 2011; Volume 4 – 2012; Volume 5 – 2013; Volume 6 – 2014; Volume 7 – 2015; Volume 8 – 2016 etc. Description of a Paper from Journal: Zagurenko A.G., Korotovskikh V.A., Kolesnikov A.A., Timonov A.V., Kardymon D.V. Technical and economic optimization of hydrofracturing design. Neftyanoe khozyaistvo – Oil Industry, 2008, no. 11, pp. 54–57. (In Russian). Description of a Paper from Ongoing Edition (Proceedings): Astakhov M.V., Tagantsev T.V. Eksperimental’noe issledovanie prochnosti soedinenii «stal’-kompozit» [Experimental study of the strength of joints «steel-composite»]. Trudy MGTU «Matematicheskoe modelirovanie slozhnykh tekhnicheskikh sistem» [Proc. of the Bauman MSTU «Mathematical Modeling of Complex Technical Systems»], 2006, no. 593, pp. 125–130.

http://nanobuild.ru

189

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Description of a Paper with DOI: Korolev E.V., Smirnov V.A., Evstigneev A.V. Nanostructure of matrices for sulfur constructional composites: methodolody, methods and research tools. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2014, Vol. 6, no. 6, pp. 106–148. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-85452014-6-6-106-148. Description of Conference Proceedings: Usmanov T.S., Gusmanov A.A., Mullagalin I.Z., Muhametshina R.Ju., Chervyakova A.N., Sveshnikov A.V. Features of the design of field development with the use of hydraulic fracturing. Trudy 6 Mezhdunarodnogo Simpoziuma «Novye resursosberegayushchie tekhnologii nedropol’zovaniya i povysheniya neftegazootdachi» [Proc. 6th Int. Symp. «New energy saving subsoil technologies and the increasing of the oil and gas impact»]. Moscow, 2007, pp. 267–272. (In Russian). Description of Book (Monograph, Collection): Lindorf L.S., Mamikoniants L.G., eds. Ekspluatatsiia turbogeneratorov s neposredstvennym okhlazhdeniem [Operation of turbine generators with direct cooling]. Moscow, Energiia Publ., 1972, 352 p. (In Russian). Kanevskaya R.D. Matematicheskoe modelirovanie gidrodinamicheskikh protsessov razrabotki mestorozhdenii uglevodorodov [Mathematical modeling of hydrodynamic processes of hydrocarbon deposit development]. Izhevsk, 2002. 140 p. Description of Translated Book: Timoshenko S.P., Young D.H., Weaver W. Vibration problems in engineering. 4th ed. New York, Wiley, 1974. 521 p. (Russ. ed.: Timoshenko S.P., Iang D.Kh., Uiver U. Kolebaniia v inzhenernom dele. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985. 472 p.). Brooking A., Jones P., Cox F. Expert systems. Principles and case studies. Chapman and Hall, 1984. 231 p. (Russ. ed.: Bruking A., Dzhons P., Koks F. Ekspertnye sistemy. Printsipyraboty i primery. Moscow, Radio i sviaz’ Publ., 1987. 224 p.).

http://nanobuild.ru

190

2016 • Vol. 8 • no. 5 / 2016 • Том 8 • № 5

Description of Internet Source: APA Style (2011). Available at: http://www.apastyle.org/apastyle-help.aspx (accessed 5 February 2013). Pravila Tsitirovaniya Istochnikov (Rules for the Citing of Sources) Available at: http://www.scribd.com/doc/1034528/ (accessed 7 February 2013). Description of Thesis or Abstract of Thesis: Semenov V.I. Matematicheskoe modelirovanie plazmy v sisteme kompaktnyi tor. Dokt, Diss. [Mathematical modeling of the plasma in the compact torus. Doct. Diss.]. Moscow, 2003. 272 p. Description of State Standard (GOST): State Standard 8.586.5–2005. Method of measurement. Measurement of flow rate and volume of liquids and gases by means of orifice devices. Moscow, Standartinform Publ., 2007. 10 p. (In Russian). Description of Patent: Palkin M.V. Sposob orientirovaniia po krenu letatel’nogo apparata s opticheskoi golovkoi samonavedeniia [The way to orient on the roll of aircraft with optical homing head]. Patent RF, no. 2280590, 2006. Description of Unpublished Document: Pressure generator GD-2M. Technical description and user manual. Zagorsk, Res. Inst. of Appl. Chem. Publ., 1975. 15 p. (In Russian, unpublished).

http://nanobuild.ru

191