RU2818332C1 - Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы, упрочненной частицами целлюлозы - Google Patents
Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы, упрочненной частицами целлюлозы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818332C1 RU2818332C1 RU2023130460A RU2023130460A RU2818332C1 RU 2818332 C1 RU2818332 C1 RU 2818332C1 RU 2023130460 A RU2023130460 A RU 2023130460A RU 2023130460 A RU2023130460 A RU 2023130460A RU 2818332 C1 RU2818332 C1 RU 2818332C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- cellulose
- cellulose particles
- grinding
- microcrystalline cellulose
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 title claims abstract description 31
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 claims abstract description 30
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 24
- 229920000168 Microcrystalline cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 15
- 235000019813 microcrystalline cellulose Nutrition 0.000 claims abstract description 15
- 239000008108 microcrystalline cellulose Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229940016286 microcrystalline cellulose Drugs 0.000 claims abstract description 15
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000001238 wet grinding Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 10
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 101000671620 Homo sapiens Usher syndrome type-1C protein-binding protein 1 Proteins 0.000 description 4
- 102100040093 Usher syndrome type-1C protein-binding protein 1 Human genes 0.000 description 4
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 4
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 239000012758 reinforcing additive Substances 0.000 description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001464837 Viridiplantae Species 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 238000002296 dynamic light scattering Methods 0.000 description 1
- 239000012765 fibrous filler Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012763 reinforcing filler Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе ледяной матрицы и частиц целлюлозы. Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы, упрочненной частицами целлюлозы включает получение частиц целлюлозы из микрокристаллической целлюлозы путем измельчения в планетарной мельнице методом мокрого помола, последующее ультразвуковое диспергирование в дистиллированной воде и замораживания ледяных блоков при температуре -10°С. Для получения частиц целлюлозы используют микрокристаллическую целлюлозу с медианным размером частиц 20 мкм, соотношение исходной микрокристаллической целлюлозы и мелющих тел равно 1:30, а длительность помола микрокристаллической целлюлозы составляет 30 мин. Повышается прочность композиционного материала при одноосном сжатии. 2 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе ледяной матрицы и частиц целлюлозы, выступающих в качестве армирующего наполнителя и влияющих на физико-механические характеристики льда. Изобретение может быть использовано для повышения прочностных характеристик льда при строительстве ледяных сооружений.
Низкая прочность и высокая хрупкость льда ограничивают широкое применение ледовых материалов в качестве строительных в зонах с холодным климатом на Земле (в Арктике, Антарктике, высокогорных районах на всех континентах). В этой связи весьма актуальным является поиск возможных путей увеличения прочности льда, в частности, за счет введения в его структуру упрочняющих добавок, т.е. создания ледовых композиционных материалов.
Повышение прочности льда может быть достигнуто макроскопическим и микроскопическим армированием.
Макроскопическое армирование проводится с использованием стволов деревьев, древесных опилок, стальных тросов (RU 2132898 C1, E01D 15/14, опубл. 10.07.1999 г.; RU 2599522 C1, E02D 3/115, опубл. 10.10.2016). Главными недостатками такого армирования является необходимость внесения армирующих добавок в больших концентрациях (от 5 до 45 масс. %), неравномерность их распределения в ледовой массе и в большинстве случаев необходимость послойной заливки, что усложняет процесс получения ледовых композиционных материалов.
Микроскопический способ заключается в армировании ледяной матрицы различными типами волокнистых наполнителей (CN 107990612 А, F25C 1/22, опубл. 4.05.2018 г.; RU 2799567 C1, E01D 15/00, В32 В 19/00, F25C 1/12, опубл. 06.07.2023 г.; RU 2679726 C1, В23 В 23/00, опубл. 12.09.2019; RU2790294C1, F25C 1/12, F25C 1/16, Е02 В 17/00, опубл. 16.02.2023 г.; А.С.Сыромятникова, Л.К. Федорова. Перспективы применения ледяных композиционных материалов для строительства ледовых переправ. Арктика: экология и экономика. 2022, т.12, №2, с. 281-287) и химических модификаторов (CN 115572448 А, C08L 29/04, C08J 3/00, опубл. 06.01.2023 г.; RU 2310142 C1, F25C 3/02, С09К 3/24, опубл. 10.11.2007 г.; RU 2364807 C1, F25C 3/02, С09К 3/24, опубл. 20.08.2009 г.; В.М. Бузник и др. Физико-механические свойства композиционных материалов на основе ледяной матрицы. Журнал "Материаловедение". 2017, №2, с. 34-39). Указанные способы армирования имеют один общий недостаток - необходимость внесения армирующих добавок в больших концентрациях (от 1 до 45 масс. %). Кроме того, химические модификаторы зачастую несут дополнительную экологическую нагрузку.
Целлюлоза является структурным компонентом стенки первичных клеток зеленых растений и наиболее распространенным органическим соединением на Земле, благодаря чему является одной из наиболее перспективных и доступных армирующих добавок, не несущей экологической нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа является способ получения композитного материала на основе ледовой матрицы с использованием частиц целлюлозы (Golovin, Y.I. et al. Ice Composites Strengthened by Organic and Inorganic Nanoparticles. J. Compos. Sci. 2023, 7, 304), включающий получение частиц целлюлозы из микрокристаллической целлюлозы (далее МКЦ-1) (Mingtai Chemical, Тайвань) с заявленным производителем медианным размером частиц 70 мкм, которую измельчали в режиме мокрого помола в течение 2 ч в планетарной мельнице с использованием бисера диаметром 0,6 мм из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Массовое соотношение МКЦ-1, дистиллированной воды и мелющих тел в размольном стакане мельницы составляло 1:10:100. Продукт помола содержал частицы целлюлозы, для которых максимум распределения по размеру приходился на частицы диаметром 60-120 нм (фиг.1а). Доля частиц целлюлозы диаметром до 120 нм составляла 72,6%. Из продукта помола готовили водные суспензии, содержащие 0,01; 0,1 и 1 масс. % частиц целлюлозы, которые далее использовали для получения образцов ледовых композитов размером 10×10×20 мм3. Процесс заморозки суспензий осуществляли в течение 48 ч при -10°С в морозильной камере. Прочность на сжатие ледовых композитов определяли методом одноосного сжатия с постоянной скоростью деформирования при -10°С в климатической камере испытательной машины. Образцы ледовых композитов сжимали вдоль грани длиной 20 мм со скоростью относительной деформации 4⋅10-3 с-1.
Недостатками известного способа являются длительный помол и большое массовое соотношение исходной микрокристаллической целлюлозы и мелющих тел, которые увеличивают тепловую нагрузку на систему, возникающую из-за трения мелкого бисера, что, в свою очередь, увеличивает вероятность слипания частиц продукта помола. Кроме этого, большое массовое соотношение исходной микрокристаллической целлюлозы и мелющих тел снижает кинетическую энергию бисера, а следовательно и эффективность его ударного воздействия на измельчаемый материал, из-за уменьшения длины свободного пробега шариков.
Техническая задача заявленного изобретения состоит в создании способа получения композиционного материала на основе ледяной матрицы, обладающего прочностью при одноосном сжатии, превышающей прочность чистого льда за счет использования частиц целлюлозы, лишенного указанных недостатков прототипа.
Технический результат достигается тем, что согласно способу получения композиционный материал содержит 0,01-1 масс. % измельченных до наноразмерного состояния микрочастиц целлюлозы природного происхождения. При этом максимум распределения частиц по размеру в продукте помола приходится на частицы диаметром 60-120 нм, дистиллированная вода - остальное. Изобретение обеспечивает повышение прочности при одноосном сжатии, по сравнению с чистым льдом в 1,3-2,1 раза ив 1,1-1,07 по сравнению с прототипом при уменьшенном до 30 мин времени помола микрокристаллической целлюлозы.
В качестве исходного сырья для получения частиц целлюлозы брали микрокристаллическую целлюлозу (далее МКЦ-2) (Aldrich, США) с декларируемым производителем медианным размером частиц 20 мкм (фиг.2). Для измельчения МКЦ-2 использовали лабораторную планетарную мельницу PULVERISETTE 7 premium line (Fritsch, Германия). В качестве мелющих тел использовали керамический бисер диаметром 0,6 мм из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Навеску микрочастиц целлюлозы массой 1 г помещали в размольный стакан мельницы с предварительно загруженным в него бисером и добавляли дистиллированную воду в объеме 10 мл. Соотношение по массе микрокристаллической целлюлозы и мелющих тел составляло 1:30. Длительность помола была 30 мин.
Продукт помола отделяли от бисера при помощи калибровочного сита, а затем диспергировали его в 90 мл дистиллированной воде при помощи ультразвукового гомогенизатора Vibra-Cell VCX 750 (Sonics & Materials, США) до получения однородной суспензии. Частота ультразвукового воздействия составляла 20 кГц, а его мощность не превышала 100 Вт.В результате была получена суспензия, содержащая 1 масс. % частиц целлюлозы. Из приготовленной суспензии путем отбора проб и их разбавления дистиллированной водой были получены суспензии с 0,01 и 0,1 масс. % частиц целлюлозы.
Анализ размера частиц целлюлозы в продукте помола проводили методом динамического рассеяния света при помощи прибора Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments, Великобритания). Для этой цели брали приготовленную суспензию, содержащую 0,01 масс. % частиц целлюлозы. Из фиг. 16 следует, что продукт помола содержит частицы целлюлозы, для которых максимум распределения по размеру приходится на частицы диаметром 60-120 нм. Доля частиц целлюлозы диаметром до 120 нм составляет 87,3%.
Для получения ледовых композитов дистиллированную воду и приготовленные суспензии заливали в изолированные друг от друга ячейки фторопластовой кюветы с тонким дном толщиной около 1 мм. Ячейки кюветы имели размер 10×10×20 мм3. Кювету размещали внутри морозильного ларя на массивной металлической пластине. После заливки образцов кювету теплоизолировали сверху и с боков от атмосферы морозильного ларя толстостенным пенопластовым коробом. Образцы замораживали в течение 48 ч при -10°С.
Прочность ледовых композитов тестировали методом одноосного сжатия с постоянной скоростью деформирования на сервогидравлической испытательной машине MTS 870 Landmark (MTS, США), снабженной климатической камерой, внутри которой во время испытаний поддерживали температуру -10°С. Образцы сжимали вдоль грани длиной 20 мм со скоростью относительной деформации 4-10-3 с-1.
В таблице 1 приведены значения прочности при одноосном сжатии образцов ледовых композитов с различным содержанием частиц целлюлозы, полученных из МКЦ-2 в сравнении со значениями данной характеристики для чистого льда и выбранного прототипа.
Важно отметить, что при содержании частиц целлюлозы более 1 масс. % в ледовых композитах прочность при одноосном сжатии последних перестает увеличиваться в пределах погрешности измерений, так что с практической и экономической точек зрения дальнейшее увеличение массовой доли частиц целлюлозы не имеет смысла.
Заявляемый способ получения ледовых композитов, упрочненных частицами целлюлозы, отличается от прототипа тем, что сокращено время помола, а также использовано меньшее массовое соотношение исходной микрокристаллической целлюлозы и мелющих тел при тех же размерах и материале последних, что позволило уменьшить тепловую нагрузку на систему, возникающую из-за трения мелкого бисера, что, в свою очередь, уменьшило вероятность слипания частиц продукта помола и позволило увеличить кинетическую энергию бисера, а следовательно, и эффективность его ударного воздействия на измельчаемый материал, из-за увеличения длины свободного пробега шариков. В итоге, в продукте помола увеличилось содержание наночастиц целлюлозы с диаметром до 120 нм, что, в конечном счете, привело к увеличению прочности получаемых ледовых композитов (см. таблицу 1).
На фиг. 1. представлены распределения частиц по размеру в продукте помола МКЦ-1 (а) и МКЦ-2 (б).
На фиг. 2. представлено изображение в сканирующем электронном микроскопе исходных микрочастиц целлюлозы МКЦ-2.
Claims (1)
- Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы, упрочненной частицами целлюлозы, включающий получение частиц целлюлозы из микрокристаллической целлюлозы путем измельчения в планетарной мельнице методом мокрого помола, последующего ультразвукового диспергирования в дистиллированной воде и замораживания ледяных блоков при температуре -10°С, отличающийся тем, что для получения частиц целлюлозы используется микрокристаллическая целлюлоза с медианным размером частиц 20 мкм, соотношение исходной микрокристаллической целлюлозы и мелющих тел равно 1:30, а длительность помола микрокристаллической целлюлозы составляет 30 мин.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818332C1 true RU2818332C1 (ru) | 2024-05-02 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5843347A (en) * | 1993-03-23 | 1998-12-01 | Laboratoire L. Lafon | Extrusion and freeze-drying method for preparing particles containing an active ingredient |
| RU2310142C1 (ru) * | 2006-11-09 | 2007-11-10 | Борис Алексеевич Кузнецов | Способ получения искусственного льда |
| RU2364807C1 (ru) * | 2008-07-10 | 2009-08-20 | Галина Юрьевна Гончарова | Способ получения многослойного ледового покрытия для хоккея |
| CN107990612A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种高性能竹纤维复合冰材料及其制备方法 |
| RU2679726C1 (ru) * | 2018-03-14 | 2019-02-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы |
| RU2790294C1 (ru) * | 2021-12-21 | 2023-02-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н. Э. Баумана) | Способ армирования ледовых блоков котонином с применением вакуумной обработки |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5843347A (en) * | 1993-03-23 | 1998-12-01 | Laboratoire L. Lafon | Extrusion and freeze-drying method for preparing particles containing an active ingredient |
| RU2310142C1 (ru) * | 2006-11-09 | 2007-11-10 | Борис Алексеевич Кузнецов | Способ получения искусственного льда |
| RU2364807C1 (ru) * | 2008-07-10 | 2009-08-20 | Галина Юрьевна Гончарова | Способ получения многослойного ледового покрытия для хоккея |
| CN107990612A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种高性能竹纤维复合冰材料及其制备方法 |
| RU2679726C1 (ru) * | 2018-03-14 | 2019-02-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы |
| RU2790294C1 (ru) * | 2021-12-21 | 2023-02-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н. Э. Баумана) | Способ армирования ледовых блоков котонином с применением вакуумной обработки |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Golovin Y.I. et al. Ice Composites Strengthened by Organic and Inorganic Nanoparticles. Journal of Composites Science 7(8):304, July 2023. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Członka et al. | Nutmeg filler as a natural compound for the production of polyurethane composite foams with antibacterial and anti-aging properties | |
| Kong et al. | Effects of freeze-thaw cycles on the erodibility and microstructure of soda-saline loessal soil in Northeastern China | |
| Moretti et al. | Pore size distribution of mortars produced with agroindustrial waste | |
| Kong et al. | Effect of drying environment on engineering properties of an expansive soil and its microstructure | |
| Haque et al. | A comparative investigation on the effects of nanocellulose from bacteria and plant-based sources for cementitious composites | |
| Yakovlev et al. | Modification of cement matrix using carbon nanotube dispersions and nanosilica | |
| Savchenko et al. | Deformation and fracture of porous brittle materials under different loading schemes | |
| Zhao et al. | Porosity measurement of granular rock samples by modified bulk density analyses with particle envelopment | |
| RU2818332C1 (ru) | Способ получения композиционного материала на основе ледяной матрицы, упрочненной частицами целлюлозы | |
| Zhdanok et al. | Influence of the nanostructured-carbon-based plasticizing admixture in a self-compacting concrete mix on its technological properties | |
| Zhou et al. | The relationship between pore structure and strength of aeolian sand concrete under low temperature | |
| Fan et al. | Spatially distributed damage in sandstone under stress-freeze-thaw coupling conditions | |
| Sadovskaya et al. | Tensile strength of nanofibrous concrete | |
| Bagheri et al. | Graphene oxide-incorporated cementitious composites: a thorough investigation | |
| Le et al. | Mechanical behaviour of a weakly structured soil at low confining stress | |
| Bahafid | A multi-technique investigation of the effect of hydration temperature on the microstructure and mechanical properties of cement paste | |
| Rusin et al. | Effect of microstructure on frost durability of rock in the context of diagnostic needs | |
| Long et al. | Dynamic increase factor of high strength concrete with silica fume at high strain rate loading | |
| Udvardi et al. | Examination of the utilization of aluminum dross in road construction | |
| Zhang et al. | The multi-fractal nature of soil particle size distribution | |
| Ibagon et al. | OEDOMETRIC BEHAVIOR OF SOIL-DIATOM MIXTURES BEFORE FRUSTULE CRACKING | |
| Altuhafi et al. | On the particle size distribution of a basaltic till | |
| Margherita et al. | Collapsibility of metastable sand by non-conventional oedometer tests | |
| Ohijeagbon et al. | Impact of production methods on some engineering properties of interlocking tiles | |
| Lagouin et al. | Potential of X-ray tomography for the exploration of vegetal concretes’ porous structure |