Способ получения углеродных нанотрубок на частицах цемента в процессе производства цемента

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА ЧАСТИЦАХ ЦЕМЕНТА В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Бородуля Валентин Алексеевич Рабинович Оскар Соломонович Василевич Сергей Владимирович Невар Роман Михайлович Гребеньков Анатолий Жоресович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения углеродных нанотрубок на частицах цемента в процессе производства цемента, при котором цементный клинкер в течение 5-15 мин продувают пропанбутаном при температуре 750-850 С и атмосферном давлении. 18547 1 2014.08.30 Изобретение относится к цементам, в частности к способам получения строительных растворов, и может найти применение в производстве строительных материалов при изготовлении блочного и монолитного бетона. Известно, что в последнее время композиты, включающие углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна, представляют значительный интерес при изготовлении монолитного бетона, которому придают высокие эксплуатационные свойства, такие как высокая прочность на растяжение, высокий модуль упругости, электрическая и тепловая проводимость 1. Известна композиция для получения строительных материалов 2, при изготовлении которой к цементному раствору добавляют углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции (мас. ) минеральное вяжущее (цемент) 33-77 углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2 вода - остальное. При этом песок в количестве 60 мас.увлажняют небольшим количеством воды. В него добавляют углеродный наноматериал - сажу, содержащую 7 нанотрубок. Получившийся состав перемешивают до получения однородной массы. Далее добавляют портландцемент марки ПЦ 400 Д 0 в количестве 25 мас.и воду в количестве 14, 62, 14,5, 14, 13 и 15 мас. . Композиция готовится при содержании в ней углеродного наноматериала в количестве 0,38, 0,5, 1, 2 и соответственно при отсутствии в ней углеродного наноматериала в контрольном образце. Недостатком является сложность технологического процесса получения такой композиции. Известен нанокомпозитный материал на основе минеральных вяжущих 3, который содержит минеральное вяжущее, минеральный наполнитель и фракцию наночастиц,включающую многослойные углеродные частицы тороподобной формы размером от 15 до 150 нм. Соотношение внешнего диаметра к толщине тора находится в пределах (10-3)1. Нанокомпозитный материал получают следующим образом. Многослойные углеродные нанотрубки тороподобной формы в количестве 0,003 кг смешивают с 10 кг воды, затем подвергают гомогенизации в ультразвуковом гомогенизаторе. В приготовленную растворсуспензию добавляют 10 кг кварцевого песка, тщательно перемешивают, затем выпаривают воду и полученный концентрат высушивают до постоянного веса. Приготовленный концентрат вводят в сухую смесь из 30 кг портландцемента ПЦ 500 Д 0, 40 кг кварцевого песка и 8 кг модификатора бетона МБ 10-01. Смесь тщательно перемешивают в течение 20 мин для достижения максимальной однородности. Затем при постоянном перемешивании добавляют 12 кг воды и продолжают перемешивать в течение 5 мин. Полученный раствор строительной смеси заливают в формы и выдерживают в течение 28 суток при нормальных условиях. Недостатком приготовления вышеуказанной композиции является сложность технологического процесса в первую очередь из-за необходимости тщательного перемешивания наночастиц в растворе, длительности процесса, а также необходимость использования готовых наночастиц. Известна композиция для получения строительных материалов 4, в описании которой приведен способ получения указанной композиции путем синтеза углеродных нанотрубок и нановолокон на частицах цемента (прототип). Композиция включает минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду. Композиция дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более. Для синтеза углеродных нанотрубок выбирают цемент, являющийся наиболее важным строительным материалом. Цемент представляет собой частицы размером от 1 до 20 мкм, которые содержат оксид железа. Таким образом, цемент используют как в качестве катализатора, так и как подложку для синтеза углеродных нанотрубок. В данном случае используют сульфатоустойчивый вид портландцемента с содержанием 3,4 мас.23. Состав цемента,2 18547 1 2014.08.30 используемого для синтеза углеродных нанотрубок 63,120,22 33 423 2,223 20,312 0,482. В состав цемента входят 23, 2,и 23, которые являются носителями катализатора для роста углеродных нанотрубок. Синтез углеродных нанотрубок осуществляют методом химического газофазного осаждения (пиролиза углеродсодержащего газа) при атмосферном давлении. В качестве источника углерода (углеродсодержащего газа) выбирают ацетилен и метан. Частицы цемента используют без какой-либо дополнительной предварительной обработки. Для этого керамическую емкость с частицами цемента помещают в реактор, представляющий собой кварцевую трубку (внутренний диаметр 12 мм). Нагревают емкость с частицами цемента до температуры 550-750 С в атмосфере аргона. Расход аргона 280 см 3/мин. Для восстановления оксида железа в реактор вводят водород в течение 5 мин при его расходе 280 см 3/мин. Далее водород замещают ацетиленом или метаном с расходом 28 см 3/мин. Время синтеза составляет 20 мин. После этого реактор охлаждают до комнатной температуры в атмосфере аргона. Однако необходимость использования готового холодного цемента и нагрева его до необходимой температуры, а также недостаточно высокая температура нагрева не обеспечивают высокую производительность процесса. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности способа производства композитного цементного материала, содержащего углеродные нанотрубки,позволяющее производить его в промышленных масштабах. Задача решается следующим образом. Известный способ получения углеродных нанотрубок на частицах цемента в процессе производства цемента включает синтез углеродных нанотрубок на частицах цемента путем химического газофазного осаждения при атмосферном давлении с продуванием углеродосодержащего газа и последующее охлаждение полученного материала. Согласно изобретению, синтез углеродных нанотрубок на частицах цемента осуществляют в процессе производства цемента, при котором цементный клинкер в течение 5-15 мин продувают пропан-бутаном при температуре 750-850 С и атмосферном давлении. Применение пропан-бутана позволяет повысить чистоту получаемых углеродных нанотрубок (снизить выход сажи). Высокая температура, выше 750 С, позволяет уменьшить время продувки цемента углеродсодержащим газом, а значит, увеличить производительность процесса. Таким образом, предлагаемый способ получения углеродных нанотрубок на частицах цемента в процессе производства цемента позволяет значительно упростить и повысить эффективность производства композитного цементного материала, осуществлять его в больших масштабах благодаря введению предлагаемого способа в известный технологический процесс получения цемента. На фиг. 1 представлена схема способа получения углеродных нанотрубок на частицах цемента в процессе производства цемента. На фиг. 2 показан график зависимости массовой концентрации углеродных нанотрубок в композитном цементном материале от температуры. На фиг. 3 показаны электронные фотографии частиц цемента, обработанного в течение 15 мин углеродсодержащим газом (пропан-бутан) при температурах 750 С (а) и 850 С (б). Способ осуществляется по широко известной схеме производства цемента следующим образом. Известняк и глину предварительно дробят в дробилке, затем высушивают в сушильном барабане до влажности примерно 1 и измельчают в мельнице для получения сырьевой муки. Для получения сырьевой муки определенного химического состава ее направляют в смесительные силосы, куда дополнительно подают сырьевую муку с заведомо низким или 3 18547 1 2014.08.30 высоким содержанием 3. В силосах муку перемешивают сжатым воздухом. Подготовленная мука поступает в систему теплообменников, где она предварительно нагревается движущимися ей навстречу дымовыми газами, выходящими из печи. Время пребывания муки в циклонных теплообменниках не превышает 25-30 с. Несмотря на это сырьевая мука не только успевает нагреться до температуры 700-800 С, но и полностью дегидратируется и частично (на 20-25 ) декарбонизируется, что приводит к частичному образованию промежуточного продукта в виде цементного клинкера. Из теплообменников материал поступает в печь, где происходят дальнейшая реакция образования цементного клинкера с разогревом его до температуры 1100 С. Из печи цементный клинкер поступает в дополнительно введенную камеру синтеза, в которой происходит остывание цементного клинкера до температуры 750-850 С и осуществляется продувка его пропан-бутаном при атмосферном давлении в течение 5-15 мин (в зависимости от требуемой концентрации углеродных нанотрубок). При этом на частицах цементного клинкера происходит рост нанотрубок за счет химического газофазного осаждения. Полученные углеродные нанотрубки достаточно равномерно распределены на поверхности частиц цементного клинкера, что исключает необходимость дополнительного перемешивания смеси. Затем полученный композитный цементный материал пересыпают в холодильник и после охлаждения и смешивания с гипсом в мельнице направляют на склад. Исследования показали (фиг. 3), что при температурах выше 750 С наблюдается резкое увеличение выхода нанотрубок. С помощью графика зависимости массовой концентрации углеродных нанотрубок в композитном цементном материале от температуры(фиг. 2) для получения необходимого состава композита цементного материала можно задавать необходимый тепловой режим. Например, если необходимо получить композитный цементный материал с массовой концентрацией углеродных нанотрубок 1 , для этого достаточно охладить цементный клинкер в камере синтеза углеродных нанотрубок до температуры 725 С. Таким образом, предлагаемый способ получения углеродных нанотрубок на частицах цемента позволяет получать равномерную смесь цемента и углеродных нанотрубок, производить композитные цементные материалы в промышленных масштабах без применения катализаторов при синтезе углеродных нанотрубок, что значительно удешевляет и упрощает технологический процесс. Источники информации 1..,., . , ,//. - 2007. - . 19. - . 23. - . 4198-4201. 2.2233254, МПК 04 28/02, 2004. 3.2436749, МПК 04 28/00, 2006. 4. Насибулина Л.И., Мудимела П.Р., Насибулин А.Г., Кольцова Т.С., Толочко О.В.,Кауппинен Э.И. Синтез углеродных нанотрубок и нановолокон на частицах кремнезема и цемента // Вопросы материаловедения. - 2010. - Т. 61. -1. - С. 121-126. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5

МПК / Метки

МПК: B82Y 40/00, C04B 7/48

Метки: способ, процессе, производства, нанотрубок, цемента, углеродных, получения, частицах

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/5-18547-sposob-polucheniya-uglerodnyh-nanotrubok-na-chasticah-cementa-v-processe-proizvodstva-cementa.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ получения углеродных нанотрубок на частицах цемента в процессе производства цемента</a>

Похожие патенты