Кашкина Л.В., Кулагин В.А., Стебелева О.П.

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск, Россия

В работе сообщается о создании нового кавитационно-активированного углеродосодержащего материала (КАУМ) на основе продукта термолиза древесины (древесной сажи). КАУМ ‑ вторичный осадок водной сажевой взвеси ‑ композиция, которая может содержать полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6‑10^-5 м, углеродные кластеры (сажевые частицы) с повышенной дефектностью и размерами 10^-10‑10^-8 м и фрактальные образования, ассоциаты с размерами 10^-8‑10^-5м. Его получают с помощью эффектов суперкавитации путем обработки в миксере со скоростями от 5 000 до 15 000 об/мин. Концентрации сажевого порошка в воде от 10^-3 до 1 % по массе. Время обработки не более 5 минут. Осадки высушивают на воздухе в чашках Петри при нормальных условиях. Исследования методами РФА, ЭПР, оптической микроскопии показали, что КАУМ содержит сажевые частицы с размерами от 10 нм до десятых долей микрона, полимерные углеродные трубчатые образования с размерами 10^-6‑10^-5 м.

Обнаружено, что затворение цемента активированной водой с добавками КАУМ до 1 % и менее оказывает влияние на ход и результат кристаллохимической реакции твердения цементного камня, что в целом приводит к повышению его прочности на 50‑70%, появлению фибриллярной структуры. Подобные эффекты наблюдаются при использовании астраленов (фуллероидов луковичного типа) в производстве бетонов. Трибологические эксперименты с КАУМ показали, что его свойства не хуже, чем у известных наномодификаторов трения, таких как С₆₀, фуллереносодержащая сажа, ультрадисперсные порошки наноалмазов, некоторые виды ультрадисперсного технического углерода. Однако концентрации порошка КАУМ, вводимого в смазки, на порядок меньше.

В работе рассмотрена эвристическая модель механизма образования КАУМ, основанная на многофакторности процесса гидродинамической кавитации. Кавитация приводит к изменению физико-химических свойств не только воды, но и технологических компонентов, находящихся в ней. Физические условия возникающие при кавитации: сверхвысокие давления и температуры подобные условиям в горячей плазме (T_mах ~ 1000‑15000 К,
Р_mах ~ 1000 МПа), приводящие к механотермолизу воды, диспергация твердой фазы, активное микроперемешивание водной взвеси ‑ основа создания КАУМ. В результате получаются сажевые частицы с развитой дефектной поверхностью. Механотермолиз воды, наряду с существованием вокруг сажевых частиц обширных областей плазменного состояния, приводит не только к гидратации поверхности, но и образованию через многочисленные разорванные π-связи, Н-связи замкнутых частиц углерода, подобных шунгитовым глобулам, которые обладают высокой химической активностью. По последним данным, минерал шунгит в природе образован из замкнутых углеродных частиц наноразмерных сажевых глобул, связанных между собой углеродными «мостиками». Полученный материал имеет перспективы использования в качестве наномодификатора и в других технологических процессах в энергетике, машиностроении и др.