Получение графенсодержащих суспензий сдвиговой эксфолиацией графита для модифицирования строительных материалов

Цель исследования - разработка технологических основ и режимов получения графенсодержащих суспензий методом сдвиговой эксфолиации графита, являющихся компонентами строительных материалов - бетона и эпоксидной смолы - с улучшенными физико-механическими характеристиками. Предложен и экспериментально обоснован новый механизм расслаивания кристаллического графита до малослойного графена, в котором сдвиговые напряжения между слоями создаются при одновременном контакте частицы графита с неподвижной и движущейся твердыми поверхностями. Установлено, что наиболее интенсивно расслаивание графита сдвигом осуществляется при скольжении клинообразного тела по неподвижной цилиндрической поверхности. На основе теории цепей Маркова разработана математическая модель процесса жидкофазной сдвиговой эксфолиации графита, позволяющая рассчитать время обработки, необходимое для достижения заданных характеристик готового продукта. Разработаны научно-технологические основы модифицирования эпоксидной смолы ЭД-20 графеном, отличающиеся от известных тем, что графен получают непосредственно в отвердителе сдвиговой эксфолиацией графита. Установлен синергетический эффект повышения прочности восстановленных балок при одновременном использовании модифицированных графеном бетона и эпоксидной смолы. Разработаны экологически чистый способ получения графенсодержащей суспензии и устройство для его реализации, определены режимные параметры, позволяющие получить суспензию с гарантированной концентрацией малослойного графена не менее 1,7 мг/мл, при сокращении энергозатрат в 7 - 10 раз. Разработана методика модифицирования бетона графеном, и установлено, что при концентрации графена 0,05 - 0,06 масc.% по отношению к цементу, прочность на сжатие повышается в 1,7 - 2,5 раза, на изгиб в 1,2 - 1,5 раза, а водопоглощение снижается в 2 - 3 раза, в зависимости от марки бетона. Разработана методика модифицирования эпоксидной смолы графеном, обеспечивающая при концентрации графена 0,05 масc.% увеличение ударной вязкости по Шарпи на 25 - 30%. Результаты работы были использованы при проектировании роторного аппарата для жидкофазной сдвиговой эксфолиации графита, который в настоящее время изготовлен в АО «ЗАВКОМ» (г. Тамбов) и проходит промышленные испытания в ООО «НаноТехЦентр (г. Тамбов)».