Упрочнение льда аэрогелями из нано/микрофибриллярной целлюлозы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье предложен новый подход для повышения прочности льда, заключающийся в формировании ледяных нанокомпозитов простым замораживанием аэрогелей из нано/микрофибриллярной целлюлозы, предварительно наполненных водой. Предложенное решение позволяет устранить основной недостаток льда – хрупкость, ограничивающую его использование в качестве строительного материала, основы дорог и переправ в зимнее время в труднодоступных северных регионах с продолжительной зимой. В настоящее время укрепление достигается за счет введения различных добавок – опилок, полимеров, бумаги, кремнезема, базальтовых волокон. Однако формирование таких ледяных композитов является трудоемким процессом, так как часто проводится последовательным намораживанием ряда слоев, в которых макродисперсии оседают, плохо смачиваются, что приводит к формированию механически менее прочных гетерогенных структур. Предложенный подход отличается простотой, так как заключается в одностадийном заполнении пор водой в легко смачиваемой гидрофильной аэрогельной матрице, образованной из однородной трехмерной сетки многочисленных нано/микрофибрилл. целлюлозы. Аэрогели характеризуются небольшим удельным весом (0.1–0.001 г см–3) и большим объемом (до 99 об. %) взаимосвязанных пор. Установлено, что механические свойства нанокомпозитов на участке упругой деформации определяются льдом. Упрочнение льда аэрогелями обусловлено изменением механизма разрушения от хрупкого к пластичному. В отличие от льда, раскалывание которого на части происходит через хрупкое растрескивание по сформировавшимся макротрещинам, в ледяных нанокомпозитах образуются микротрещины, развитию которых препятствует трехмерная сетчатая структура из нано/микрофибриллярной целлюлозы. Постепенно нарастающее их число приводит к локальным растрескиваниям, а после достижения критического уровня к разрушению материала.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. М. Бузник

Тамбовский госуниверситет им. Г. Р. Державина

Email: YAS@ich.dvo.ru

Академик РАН, НОЦ “Наноматериалы и нанотехнологии”

Россия, 392036 Тамбов

И. В. Постнова

Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук

Email: YAS@ich.dvo.ru
Россия, 690022 Владивосток

О. Н. Хлебников

Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук

Email: YAS@ich.dvo.ru
Россия, 690022 Владивосток

А. А. Самодуров

Тамбовский госуниверситет им. Г. Р. Державина

Email: YAS@ich.dvo.ru

НОЦ “Наноматериалы и нанотехнологии”

Россия, 392036 Тамбов

В. В. Родаев

Тамбовский госуниверситет им. Г. Р. Державина

Email: YAS@ich.dvo.ru

НОЦ “Наноматериалы и нанотехнологии”

Россия, 392036 Тамбов

Ю. А. Щипунов

Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: YAS@ich.dvo.ru

член-корреспондент РАН 

Россия, 690022 Владивосток

Список литературы

  1. Rowley G. // Polar Record. 1938. V. 16. P. 109–116.
  2. Vasiliev N., Gladkov M.G. Ice composites: Mechanical properties and methods of creation. Proc. of the 17th Int. Conf. Port Ocean Engin. Arctic Conditions (POAC) (2003, June 16–19, Trondheim, Norway), 2003. P. 119–127.
  3. Barrette P.D. Overview of ice roads in Canada: Design, usage and climate change adaptation. Report OCRE-TR-2015-011. National Research Council Canada. Ottawa. 2015. https://doi.org/10.4224/40000400
  4. Barrette P. Reinforcement of ice covers for transportation: Beam and preliminary plate testing. Report NRS-OCRE-2019-TR-034. Ottawa. National Research Council Canada, 2020. 61 p.
  5. Thompson Towell K.L., Matthews E.M., Montmayeur O.M., Burch W.T., Elliott T.J., Melendy T.D., Reilly-Collette M.I., Murdza A., O'Connor D.T., Asenath-Smith E. // Cold Regions Sci. Technol. 2022. V. 198. e103508. https://doi.org/10.1016/j.coldregions. 2022.103508
  6. Goncharova G.Yu., Borzov S.S., Borschev G.V. // Food Systems. 2023. V. 6. № 2. P. 245–253. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2023-6-2-245-254
  7. Pronk A., Wu Y., Luo P., Li Q., Liu X., Brands S., Block R., Dong Y. Design and construct of the 30.5 meter Flamenko Ice Tower. In: Proc. Of the IASS Simposium 2018 Creativity in structural design”. Mueller C., Adriaenssens S. (eds.) (2018, July 16–20, MIT, Boston, USA). 2018. P. 1–8.
  8. Pronk A.D.C., Verberne T.H.P., Kern J., Belis J. The calculation and construction of the highest ice dome-the Sagrada Familia in ice. Proc. Int. Soc. Flexible Formwork Symp. (2015, August 16–17, Amsterdam, The Netherlands), 2015. P.1–13.
  9. Pronk A., Luo P., Li Q., Sanders F.C., Overtoom M., Coar L., Fakhrzarei M., Ashrafi A. // Int. J. Space Struct. 2017. V. 36. № 1. P. 4–12. https://doi.org/10.1177/0956059921990996
  10. Kokawa T. // Int. J. Space Struct. 2021. V. 36. № 1. P. 26–36. https://doi.org/10.1177/0956059920981867
  11. Pronk A., Mergny E., Li Q. // Structures. 2022. V. 40. P. 725–747. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.03.079
  12. Ice and Construction. State-of-the-Art report prepared by RILEM Technical Committee TC-118, Ice and Construction. Makkonen L. (ed.) London: E & FN Spon, 1994.
  13. Vasiliev N.K., Pronk A.D.C., Shatalina I.N., Janssen F.H.M.E., Houben R.W.G. // Cold Regions Sci. Technol. 2015. V. 115. P. 56–63. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.03.006
  14. Petrenko V.F., Whitworth R.W. Physics of ice. New York: Oxford University Press, 2002. 386 p.
  15. Schulson E.M., Duval P. Creep and fructure of ice. Cambridge University Press: Cambridge, 2009. https://doi.org/10.1017/CBO9780511581397
  16. Jordaan I. Mechanics of ice failure. An engineering analysis. Cambridge University Press: Cambridge, 2023. https://doi.org/10.1017/9781108674454
  17. Perutz M.F. // J. Glaciology. 1948. V. 3. P. 95–104. https://doi.org/10.3189/S0022143000007796
  18. Coble R.L., Kingery W.D. Ice reinforcement. In: Ice and snow: Properties, processes, and applications. Kingery W.D. (ed.) MIT Press. Cambridge, Mass. 1963. P. 130–148.
  19. Fransson L., Elfgren L. Field investigation of load-curvature characteristics of reinforced ice. Proc. of POLARTECH 86 Conference, VTT (1986, Helsinki, Finland). V. 1. 1986. P. 175–196.
  20. Nixon W.A., Smith R.A. // Cold Regions Sci. Technol. 1987. V. 14. № 2. P. 139–145. https://doi.org/10.1016/0165-232X(87)90029-2
  21. Nuzhnyi G.A., Cherepanin R.N., Buznik V.M., Grinevich D.V., Landik D.N. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2020. V. 11. № 1. P. 103–108. https://doi.org/10.1134/S207511332001027X
  22. Buznik V.M., Goncharova G.Yu., Nuzhnyi G.A., Razomasov N.D., Cherepanin R.N. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2019. V. 10. № 4. P. 786–793. https://doi.org/10.1134/S2075113319040087
  23. Сыромятникова А.С., Федорова Л.К. // Арктика: экология и экономика. 2022. Т. 12. № 2. С. 281–287. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2022-2-281-287
  24. Lou X., Wu Y. // Cold Regions Sci. Technol. 2021. V. 192. 103381. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103381
  25. Golovin Yu.I., Rodaev V.V., Samodurov A.A., Tyurin A.I., Golovin D.Yu., Vasyukov V.M., Razlivalova S.S., Buznik V.M. // Nanobiotechnol. Rep. 2023. V. 18. № 3. P. 371–383. https://doi.org/10.1134/S2635167623700258
  26. Bosnjak E., Coko N.B., Jurcevic M., Klarin B., Nizetic S. // Arch. Thermodyn. 2023. V. 44. № 3. P. 269–300. https://doi.org/10.24425/ather.2023.147547
  27. Yasui M., Arakawa M. Mechanical strength and flow properties of ice-silicate mixture depending on the silicate contents and the silicate particle sizes. In: Proc. of the 11th International conference on the physics and chemistry of ice. Kuhs W.F. (ed.). (2006, July 23–28, Bremenhafen, Germany). RSC Publishing, Cambridge, 2007. P. 649–657.
  28. Miedaner M.M., Huthwelker T., Enzmann F., Kersten M., Stampanoni M., Ammann M. X-Ray tomographic characterization of impurities in polycrystalline ice. In: Proc. of the 11th International conference on the physics and chemistry of ice. Kuhs W.F. (ed.). (2006, July 23–28, Bremenhafen, Germany). RSC Publishing, Cambridge, 2007. P. 399–407.
  29. Buznik V.M., Goncharova G.Yu., Grinevich D.V., Nuzhny G.A., Razomasov N.D., Turalin D.O. // Cold Regions Sci. Technol. 2022. V. 196. e103490. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103490
  30. Vasiliev N.K. // Cold Regions Sci. Technol. 1993. V. 21. № 2. P. 195–199. https://doi.org/10.1016/0165-232X(93)90007-U
  31. Karpushko M.O., Bartolomei I.L., Karpushko E.N., Zhidelev A.V., Trapeznikov A.A. // Materi. Sci. Forum. 2020. V. 992. № 2. 118–123. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.992.118
  32. Tahmoorian F., Nemati S., Soleimani A. // Eng. Solid Mechanics. 2020. V. 8. № 1. P. 49–62. https://doi.org/10.5267/j.esm.2019.8.005
  33. Li J.H., Wei Z., Wu C. // Mater. Design. 2015. V. 67. № 1. P. 464–468. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.10.040
  34. Cruz P.J.S., Belis J. Compressive strength of ice and cellulose-ice composite. In: Structures and architecture: Beyond their limits. Crus P.J.S. (ed.) Taylor & Francis, London, 2016. P. 348–355.
  35. Abhishek A.A.B., Yogesh G., Zope M.T. // J. Emerging Technol. Innovative Res. 2019. V. 6. № 2. P. 53–56. http://www.jetir.org/papers/JETIRAE06011.pdf
  36. Pronk A., Mistur M., Li Q., Liu X., Blok R., Liu R., Wu Y., Luo P., Dong Y. // Structures. 2019. V. 18. P. 117–127. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.01.020
  37. Mayer D. Surfaces, interfaces, and colloids: Principles and applications. 2nd edn. New York: Wiley-VCH, 1999. 528 p.
  38. Klemm D., Cranston E.D., Fischer D., Gama M., Kedzior S.A., Kralisch D., Kramer F., Kondo T., Lindström T., Nietzsche S., Petzold-Welcke K., Rauchfuss F. // Mater. Today. 2018. V. 21. № 7. P. 720–748. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.02.001
  39. Thomas B., Raj M.C., Athira K.B., Rubiyah M.H., Joy J., Moores A., Drisko G.L., Sanchez C. // Chem. Rev. 2018. V. 118. № 24. P. 11575–11625. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00627
  40. Jarvis M.С. // Cellulose. 2023. V. 30. № 2. P. 667–687. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04954-3
  41. Li T., Zhao Y., Zhong Q., Wu T. // Biomacromolecules. 2019. V. 20. № 4. P. 1667–1674. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.9b00027
  42. Li T., Zhong Q., Zhao B., Lenaghan S., Wang S.,Wu T. // Carbohyd. Polym. 2020. V. 234. e115863. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.115863
  43. Golovin Yu.I., Samodurov A.A., Tyurin A.I., Rodaev V.V., Golovin D.Yu., Vasyukov V.M., Razlivalova S.S., Buznik V.M. // J. Composite Sci. 2023. V. 7. e304. https://doi.org/10.3390/jcs7080304
  44. Balalakshmi C., Yoganathan P. R. S., Tharini K., Anand A.V., Murugaesan A., Jaabir M., Sivakamavalli J. Nanocelluloses toxicological and environmental impacts. In: Handbook of nanocelluloses. Classification, properties, fabrication, and emerging applications. Barhoum A. (ed.). Springer, Cham, 2022. P. 35–49. https://doi.org/10.1007/978-3-030-89621-8_6
  45. Ventura C., Marques C., Cadete J., Vilar M., Pedrosa J.F.S., Pinto F., Fernandes S.N., da Rosa R.R., Godinho M.H., Ferreira P.J.T., Louro H., Silva M.J. // J. Xenobiotics. 2022. V. 12. № 2. P. 91–108. https://doi.org/10.3390/jox12020009
  46. Nechyporchuk O., Belgacem M.N., Bras J. // Ind. Crops Products. 2016. V. 93. № 1. P. 2–25. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.016
  47. Tang Y.M., Yang H.,Vignolini S. // Adv. Sustainable Syst. 2022. V. 6. e2100100. https://doi.org/10.1002/adsu.202100100
  48. Khlebnikov O.N., Silantev V.E., Shchipunov Yu.A. // Mendeleev Commun. 2018. V. 28. № 2. P. 214–215. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2018.03.036
  49. Postnova I., Khlebnikov O., Silant'ev V., Shchipunov Yu. // Pure Appl. Chem. 2018. V. 90. № 11. P. 1755–1771. https://doi.org/10.1515/pac-2018-0706
  50. Verdolotti L., Stanzione M., Khlebnikov O., Silant'ev V., Postnova I., Lavorgna M., Shchipunov Y. // Macromol. Chem. Phys. 2019. V. 220. e1800372. https://doi.org/10.1002/macp.201800372
  51. Хлебников O.Н., Постнова И.В., Chen L.J., Щипунов Ю.A. // Коллоид. журн. 2020. Т. 82. № 4. С. 488–500. https://doi.org/10.31857/S0023291220040047
  52. Kistler S.S. // J. Phys. Chem. 1931. V. 36. № 1. P. 52–64. https://doi.org/10.1021/j150331a003
  53. Zhang W., Zhang Y., Lu C., Deng Y. // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. № 23. P. 11642–11650. https://doi.org/10.1039/C2JM30688C
  54. Kim C.H., Youn H.J., Lee H.L. // Cellulose. 2015. V. 22. № 6. P. 3715–3724. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0745-5
  55. Sun Y., Chu Y.L., Wu W.B., Xiao H.N. // Carbohyd. Polym. 2021. V. 255. e117489. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117489
  56. Klemm D., Philipp B., Heinze T., Heinze U., Wagenknecht W. Comprehensive cellulose chemistry. Fundamentals and analytical methods. Weinheim: Wiley-VCH, 1998.
  57. Nimz H.H., Schmitt U., Schwab E., Wittmann O., Wolf F. Wood. In: Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. Wiley-VCH: Heidelberg, 2012. P. 453–505.
  58. Patt R., Kordsachia O., Suttinger R., Ohtani Y., Hoesch J.F., Ehrler P., Eichinger R., Holik H., Hamm U., Rohmann M. E., Mummenhoff P., Petermann E., Miller R.F., Frank D., Wilken R., Baumgarten H.L., Rentrop G.-H. Paper and pulp. In: Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology. Wiley-VCH: Heidelberg, 2007. P. 1–157.
  59. Скатова A.В., Сарин С.A., Щипунов Ю.A. // Коллоид. журн. 2020. Т. 82. № 3. С. 377–385. https://doi.org/10.31857/S002329122003012X
  60. Shchipunov Yu.A., Supolova Y.I. Procedure for biopolymer hydrogel production. Patent RU 2743941. 2020.
  61. Postnova I., Sarin S., Zinchenko A., Shchipunov Yu. // ACS Appl. Polym. Mater. 2022. V. 4. № 1. P. 663–671. https://doi.org/10.1021/acsapm.1c01585
  62. Щипунов Ю.A., Силантьев В.E., Постнова И.В. // Коллоид. журн. 2012. Т. 74. № 5. С. 654–662. https://doi.org/10.1134/S1061933X12050092
  63. De France K.J., Hoare T., Cranston E.D. // Chem. Mater. 2017. V. 29. № 11. P. 4609–4631. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00531
  64. Chen Y.M., Zhang L., Yang Y., Pang B., Xu W.H., Duan G.G., Jiang S.H., Zhang K. // Adv. Mater. 2021. V. 33. e2005569. https://doi.org/10.1002/adma.202005569
  65. Zhang H. Ice templating and freeze-drying for porous materials and their applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2018. 376 p.
  66. Baetens R., Jelle B.P., Gustavsen A. // Energy Buildings. 2011. V. 43. № 4. P. 761–769. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.12.012
  67. Maleki H., Durães L., Portugal A. // J. Non-Cryst. Solids. 2014. V. 385. P. 55–74. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.10.017
  68. Schulson E.M. // Acta Metall. Mater. 1990. V. 38. № 10. P. 1963–1976. https://doi.org/10.1016/0956-7151(90)90308-4
  69. Callister W.D. Materials science and engineering: An Introduction. Wiley: York, PA, 2007.
  70. Chen W.S., Yu H.P., Li Q., Liu Y.X., Li J. // Soft Matter. 2011. V. 7. № 21. P. 10360–10368. https://doi.org/10.1039/c1sm06179h
  71. Ratke L. Monoliths and fibrous cellulose aerogels. In: Aerogels handbook. Aegerter M.A., Leventis N., Koebel M.M. (eds.) New York, Springer, 2011. P. 173–190. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-7589-8_9
  72. Habibi Y. // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. № 5. P. 1519–1542. https://doi.org/10.1039/c3cs60204d
  73. Rol F., Belgacem M.N., Gandini A., Bras J. // Prog. Polym. Sci. 2019. V. 88. № 241–264. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2018.09.002
  74. Patil T.V., Patel D.K., Dutta S.D., Ganguly K., Santra T.S., Lim K.-T. // Bioactive Mater. 2022. V. 9. № 1. P. 566–589. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.07.006
  75. Heinze T., Liebert T. // Prog. Polym. Sci. 2001. V. 26. № 11. P. 1689–1762. https://doi.org/10.1016/S0079-6700(01)00022-3
  76. Gericke M., Trygg J., Fardim P. // Chem. Rev. 2013. V. 113. № 7. P. 4812–4836. https://doi.org/10.1021/cr300242j
  77. Yang Y., Lu Y.-T., Zeng K., Heinze T., Groth T., Zhang K. // Adv. Mater. 2020. V. 33. № 28. e2000717. https://doi.org/10.1002/adma.202000717
  78. Boury B., Plumejeau S. // Green Chem. 2015. V. 17. № 1. P. 72–88. https://doi.org/10.1039/c4gc00957f
  79. Shchipunov Yu., Postnova I. // Adv. Func. Mater. 2018. V. 28. № 27. e1705042. https://doi.org/10.1002/adfm.201705042
  80. Xue Y., Mou Z., Xiao H. // Nanoscale. 2017. V. 9. № 39. P. 14758–14781. https://doi.org/10.1039/c7nr04994c
  81. Heldt H.-W., Piechulla B. Plant Biochemistry. London: Academic Press, 2011.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображения аэрогеля из НМФЦ, полученные при разном увеличении. Кружками и стрелками показаны поры, образовавшиеся на месте микрокристалликов льда.

Скачать (412KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость сжимающего напряжения от деформации аэрогеля. Показаны кривые первого сжатия (1), снятия нагрузки (2) и второго сжатия (3). 4 – касательная к начальному участку кривой 1; 5 – стрелкой показано начало второго сжатия после контакта пластины с образцом.

Скачать (116KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость сжимающего напряжения от деформации: лед (а); ледяные нанокомпозиты, усиленные аэрогелем, из несшитой (б) и сшитой (в) НМФЦ. Кривыми 1 и 2 на графике (в) показаны результаты разных измерений. Все измерения проводились как минимум с пятью образцами каждого типа.

Скачать (254KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025