Наномодификация строительных материалов не может по теоретическим научным и экономическим соображениям состоять в получении строительных материалов из наночастиц. [8, 10].Как показывает еще не большая практика, не целесообразно в большинстве случаев и введение в состав строительных материалов готовых наночастистиц, полученных предварительно по уже известным технологиям. Это связано как с дороговизной такого метода, так и с трудностями сохранения наночастиц в исходном состоянии в связи с их высокой агрегативной неустойчивостью – автогрануляция, комкование. К тому же многие виды наночастиц ядовиты. Выходом из положения может быть разработка таких рецептур и технологий, которые позволили бы осуществить самосборку наноструктур в ходе технологических воздействий на сырьевую смесь при производстве материалов и изделий в объеме формирующегося материала (изделия). Реальность такой возможности показана в ряде наших разработок.
Ранее нами было показано, что коллоидный раствор олигопептидов (КРОП), применяемый в качестве, пенообразователя для получения пенобетона существенно увеличивает агрегативную устойчивость портландцементов различных составов [2].
Было высказано предположение, что КРОП образует с минералами портландцемента наноструктуру, обеспечивающую капсулирование некоторого количества воды, что предотвращает гидратацию минералов, и, следовательно, сохранность цемента в течение длительного времени.
Было установлено также, что КРОП, введенный в керамическую массу, позволяет существенно увеличить формуемость керамических масс, повысить прочность керамического черепка и его морозостойкость при снижении плотности [3].
Возможность образования наноструктур между органическими и неорганическими соединениями принципиально достаточно хорошо известна [6, 7].
Однако, как уже сказано выше, есть существенная разница между применением органо-неорганических нанообразований для целей электроники, информационных, в том числе цифровых технологий, квантовой оптики и т.п. и применением аналогичных нанообразований в области строительных материалов и конструкций. Поэтому в случае необходимости получения изделий большой массы и объема наиболее целесообразно применять технологию самосборки наноструктур.
По технологическим соображениям самосборка должна осуществляться в ходе формирования структуры материала. Примером такого процесса может служить формирование структуры ситалла в стекле под влиянием активаторов кристаллизации (часто называемых катализаторами, что не совсем правильно). [11]. Однако это высокотемпературный процесс и его невозможно использовать для наномодификации большей части реально используемых в строительстве веществ. Поэтому необходим поиск таких процессов, которые позволяли бы инициировать самосборку наноструктур при относительно невысоких температурах. В этом смысле наиболее доступно для технологии строительных материалов применение самосборки органо-неорганических наноструктур.
Мерой энергетической устойчивости силикатных структур принято считать степень связности кремнекислородного каркаса fsi
где fSi – степень связности кремнекислородного каркаса силикатного минерала;
mRxOy – молярное содержание соответствующего оксида в минерале.
Наименьшая связность присуща островным силикатам, наибольшая – каркасным. Кроме кремния, большинство обычных в структуре силикатов элементов – щелочные, щелочеземельные и некоторые другие –
являются модификаторами. Однако ряд элементов – бор, свинец, фосфор и другие – могут быть и каркасообразователями.
Судя по имеющимся в литературе сведениям, наиболее склонны к образованию органо-силикатных наноструктур слоистые силикаты. Это слюды, гидрослюды, глинистые минералы, в частности – монтмориллонит. [9]. Для наших экспериментов были выбраны вещества, названия которых приведены в табл. 1а, б.
В нашем случае использование степени связности кремнекислородного каркаса не совсем корректно, так как выбранные нами веществе не все состоят из одного минерала. В то же время можно считать, что формула в нашем случае отражает отношение количества кремния к количеству кислорода в системе – FSi. Известно [4], что это отношение определяет силу адгезии жидкостей и пыли к поверхности силиката. Можно предположить, что способность силиката к образованию гипотетических органо-силикатных наноструктур также должна зависеть от этого соотношения.
Связность кремния с кислородом FSi в исследованных системах такова:
цемент – 0,164;
терриконик – 0,259;
иллит – 0,265;
диабаз – 312;
монтмориллонит – 0,333;
фарфор – 0,367;
микрокремнезем – 0,456;
В качестве второго компонента использовали коллоидный раствор олигопептидов, соответствующий по способу получения и составу пенообразователю БГ-20, описанному в патенте [5].
Хроматографический анализ показал, что в состав этого раствора входят олигопептиды аланин CH3–NH2–CHCOOH, глицин NH2–CH2–COOH и метионин
CH3–S–CH2CH2CH (NH2) COOH, составляющие в сумме около 50 масс. % коллоидной части. Кроме того, в состав раствора входят октадиценовая, пальметиновая и олеиновая кислоты, их метиловые эфиры, этиленоксид, гуанидин и карбаминово-метиловый эфир. Воды в растворе 70 масс. %.
Было исследовано влияние КРОП на агрегативную устойчивость алюмосиликатно-водных дисперсных систем, в которых дисперсной фазой служили тонкоизмельченные материалы, приведенные в табл. 1 а, б.
Таблица 1 а
Химический состав сырьевых материалов А – масс. %
Материал |
Химический состав, масс, % |
||||||||||
CaO |
MgО |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
Na2O |
K2O |
H2O |
MnO |
TiO2 |
P2O5 |
|
Диабаз |
10,9 |
0,15 |
55,4 |
26,8 |
1,6 |
3,96 |
0,36 |
0,51 |
– |
– |
|
Портландцемент |
65,2 |
3,1 |
22,3 |
6,4 |
4,4 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
Фарфор |
2,7 |
2,06 |
70,0 |
25,0 |
– |
0,15 |
0,09 |
– |
– |
– |
|
Терриконик |
0,38 |
0,11 |
50,8 |
17,1 |
5,31 |
0,33 |
2,35 |
– |
1,27 |
0,09 |
|
Микрокремнезем |
0,71 |
0,97 |
90,1 |
1,93 |
– |
0,87 |
1,16 |
2,25 |
0,20 |
0,01 |
1,18 |
Иллит |
5,57 |
1,84 |
63,4 |
12,8 |
4,76 |
1,75 |
2,02 |
6,75 |
– |
0,74 |
– |
Монтмориллонит |
0,81 |
0,37 |
56,5 |
37,0 |
0,89 |
0,51 |
2,12 |
8,60 |
– |
1,14 |
– |
Таблица 1б
Моли
Материал |
Химический состав, моли |
||||||||||
CaO |
MgO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
Na2O |
K2O |
H2O |
MnO |
TiO2 |
P2O5 |
|
Диабаз |
1.94 |
0,04 |
9,23 |
2,62 |
0,10 |
0,64 |
0,04 |
0,28 |
|||
Портландцемент |
11,63 |
0,77 |
3,75 |
0,63 |
0,28 |
||||||
Фарфор |
0,48 |
0,52 |
11,60 |
2,45 |
0,02 |
0,01 |
|||||
Терриконик |
0,07 |
0,03 |
8,46 |
1,68 |
3,33 |
0,05 |
0,24 |
0,16 |
0,01 |
||
Микрокремнезем |
0,13 |
0,24 |
15,02 |
0,19 |
0,14 |
0,12 |
1,25 |
0,03 |
8 |
||
Иллит |
0,99 |
0,46 |
10,57 |
1,26 |
0,30 |
0,28 |
0,21 |
3,75 |
0,09 |
||
Монтмориллонит |
0,14 |
0,09 |
9,42 |
3,63 |
0,06 |
0,08 |
0,23 |
4,78 |
0,15 |
Чтобы получить суспензии, материалы измельчали в лабораторной фарфоровой мельнице, а затем растирали в фарфоровой ступке до полного прохождения пробы через сито 0,14. Порошки смешивали с водой в соотношении 1:1 по массе. Каждую суспензию делили на две части. Одну оставляли без добавок, а во вторую вводили КРОП в количестве 5 % по массе от массы суспензии. Одновременно из суспензий приготавливали микропрепараты по методу О.М. Астреевой [1]. Микропрепараты исследовали с помощью поляризационного микроскопа МИН-8 и фотографировали с помощью цифровой фотокамеры Olympus FE-100. В микропрепаратах подсчитывали количество наблюдаемых частиц на единицу площади препарата и размеры частиц. Для подсчетов использовали окулярную сетку и окулярную линейку. Предварительно определили цену деления линейки и размер стороны ячейки сетки. Кроме того, подсчитывали число пересечений частиц с линиями окулярной сеткой. По этим данным рассчитывали удельную поверхность S дисперсной фазы.
За степень агрегации А приняли величину dτ/d0, где d0 – средневзвешенный размер частиц в момент приготовления суспензии; dτ – то же в момент времени τ.
Замеры производили в препаратах с добавкой КРОП и без нее параллельно в один прием с разницей не более 1 часа.
Исследования препаратов производили сразу после изготовления, через 3, 7, 14, 21 и 28 суток.
Для определения структуры агрегированных и неагрегированных частиц использовали электронную микроскопию.
Предполагали, что с увеличением степени связности должна уменьшаться самопроизвольная агрегация частиц материала. При этом взаимодействие с КРОП должно зависеть не только от кремнекислородного отношения, но также от температуры системы.
Результаты экспериментов приведены на диаграммах (рис. 1, 2).
Исходные данные для построения диаграмм приведены в табл. 2.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
При температуре до 100 °С взаимодействие КРОП с силикатами происходит, если FSi силиката (алюмосиликата) не превышает величины 0,333. Взаимодействие выражается в диспергировании агрегированных систем, что установлено по уменьшению средневзвешенного диаметра частиц дисперсной фазы, и в увеличении ее удельной поверхности. При этом, чем ниже значение FSi, тем более отчетливо выражена достигнутая агрегативная устойчивость дисперсной системы.
Силикаты и алюмосиликаты с FSi более, чем 0,333 при той же температуре с КРОП практически не взаимодействуют.
Таблица 2
Исходные данные по результатам экспериментов
№ п/п |
Вид дисперсной фазы |
d1 |
d2 |
S1 |
S2 |
FSi |
1 |
цемент |
3 |
75 |
330 |
790 |
0,164 |
2 |
терриконик |
10 |
120 |
310 |
650 |
0,259 |
3 |
иллит |
12 |
130 |
410 |
520 |
0,265 |
4 |
диабаз |
15 |
130 |
300 |
430 |
0,312 |
5 |
монтмориллонит |
17 |
90 |
300 |
390 |
0,333 |
Примечания:
d1 – средневзвешенный диаметр дисперсной фазы без КРОП, мкм;
d2 – то же в присутствии КРОП;
S1 – удельная поверхность дисперсной фазы без КРОП, м2/кг;
S2 – то же в присутствии КРОП;
FSi – связность кислорода с кремнием для этой фазы.
Рис. 1. Зависимость средневзвешенного диаметра d от значения FSi дисперсной фазы:
верхний ряд – без КРОП: нижний ряд – в присутствии КРОП
Рис. 2. Зависимость удельной поверхности S от значения FSi дисперсной фазы:
верхний ряд – в присутствии КРОП; нижний ряд – без КРОП
Результаты экспериментов могут быть использованы для повышения агрегативной устойчивости порошков силикатного состава, например, портландцементов и глин. Планируется эксперимент для выявления особенностей поведения системы при более высоких температурах, от 200 до 1100 оС
Рецензенты:
Онорин С.А., д.х.н., профессор, профессор кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь;
Пономарев А.Б., д.х.н., профессор, профессор кафедры строительного производства и геотехники Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 27.09.2012.
Библиографическая ссылка
Баталин Б.С., Южаков К.Н.,, Нечаева А.Е., Хорошавина А.И. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА ОЛИГОПЕПТИДОВ НА АГРЕГАТИВНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ СУСПЕНЗИЙ АЛЮМОСИЛИКАТОВ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11-2. – С. 362-366;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30538 (дата обращения: 17.08.2024).