Modes of action of Carbon Nanotubes in cement-based matrices
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde systematisch eine Vielzahl verschiedener CNT-Typen synthetisiert und hinsichtlich ihrer massenbezogenen Ausbeute, ihrer geometrischen Beschaffenheit und ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei konnte Folgendes festgestellt werden: Optimale Synthesetemperatur hinsichtlich maximaler Ausbeute ist bei Verwendung von Ferrocen als Katalysatorpräkursor für alle eingesetzten Kohlenwasserstoffe, unabhängig von ihrem Zersetzungsmechanismus, 850°C. - Die absoluten Ausbeuten an MWCNTs sind jedoch von den Kohlenwasserstoffen und ihrem Zersetzungsverhalten abhängig. Cyclohexan zeigt die höchsten Wachstumsraten, Benzen die geringsten. - Die Längen individueller MWCNTs (nach Dispergierung) stehen in keiner Relation zu den ursprünglichen MWCNT-Carpet-Längen. - Das Bruchverhalten aller MWCNT-Typen zeigt einen ähnlichen Verlauf, nach 30min Ultraschallbehandlung stellt sich eine stabile „kritische“ Länge ein, die bei weiterer Behandlung sich nicht verändert (5-12µm). - Undotierte MWCNTs besitzen tubulare Strukturen, stickstoff-dotierte Cup-stacked; diese Morphologien bestimmen die mechanischen Eigenschaften und damit auch das Kürzungsverhalten bei Ultraschallbehandlung. - Cup-stacked MWCNT brechen verstärkt unter Ultraschallbelastung mit höherer Amplitude. - Cup-stacked MWCNTs weisen geringere mechanische Zugfestigkeiten als tubulare MWCNTs auf. Weiterführend wurden die unterschiedlichen synthetisierten CNT-Typen bzgl. ihrer Dispergierbarkeit in wässrigen Medien sowie hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen zur Zementsteinmatrix untersucht. Die wesentlichen Erkenntnisse sind folgende: Zementtypische Polycarboxylat-Fließmittel können CNTs gut in Wasser dispergieren. - Für Fließmittel auf Basis von Polycarboxylaten wird die Wirksamkeit der Dispergierung durch die chemischen Konstitution der Makromoleküle bestimmt. - Fließmittel mit langer Hauptkette und hoher Seitenkettendichte dispergieren besser als Fließmittel mit kurzer Hauptkette und geringer Seitenkettendichte. - Die Qualität der CNT-Dispersion wird wesentlich von der Temperatur und pH-Wert des wässrigen Mediums beeinflusst. - Geringere Temperaturen und höhere (alkalische) pH-Werte verbessern die dispergierende Wirkung der Fließmittel. - CNTs können im Zementstein eine Erhöhung der Festigkeit bewirken. - Die Steigerung der Zugfestigkeit ist bei dynamischer Belastung deutlich ausgeprägter als bei quasi-statischer Beanspruchung. - Die unterschiedlichen CNT-Oberflächeneigenschaften zeigen keinen signifikanten Einfluss auf die gemessenen mechanischen Kennwerte der CNT-Zementkomposite. - Die vorhandenen CNT-Aspektverhältnisse sind nicht ausreichend, um eine starke Verbesserung der mechanischen Kompositeigenschaften zu erzielen. Trotz der Vielzahl an neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen bleiben diverse Fragen unbeantwortet, sowohl hinsichtlich CNT-Synthese als auch der Wirkung der CNTs im Zementkomposit. Beispielhaft können hier folgende Fragestellungen aufgegriffen werden: Wie können die Längen individueller CNTs im CVD-Prozess erhöht werden? - Wo genau lokalisieren sich die CNTs im Zementstein und inwieweit ist dies von den Oberflächeneigenschaften beeinflusst? - Können andere CNT-verwandte Materialien (z.B. Graphen, Graphenoxid, CNT-Garne) die Festigkeit im Zementstein erhöhen? - Wie sind die Dispergiermechanismen dieser Kohlenstoff-Polymorphe in Zement-typischen wässrigen Lösungen? Die Nutzung von CNTs im Zementstein bzw. Betonbau benötigt folglich weitere Untersuchungen und neue Charakterisierungsmethoden, um sowohl den CNT- Wachstumsmechanismus als auch deren Wechselwirkungen zum Zementstein weiter aufzuschlüsseln.
Publications
- “Fragmentation characteristics of undoped and nitrogen- doped multiwalled carbon nanotubes in aqueous dispersion in dependence on the ultrasonic parameters“, Diamond & Related Materials, 2016, 66, 126-134
R. Fuge, M. Liebscher, Ch. Schröfl, St. Oswald, A. Leonhardt, B. Büchner, V. Mechtcherine
(See online at https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.03.026) - “Impact of the molecular architecture of polycarboxylate superplasticizers on the dispersion of multi-walled carbon nanotubes in aqueous phase”, Journal of Materials Science, 2017, 52 (4), 2296-230
M. Liebscher, A. Lange, C. Schröfl, R. Fuge, V. Mechtcherine, J. Plank, A. Leonhardt
(See online at https://doi.org/10.1007/s10853-016-0522-3) - “Incorporation of carbon-based nanomaterials into cementitious matrices – Potentials, challenges and possible solutions”, Proceedings of the International Workshop on Nano-Engineered Meta-Materials for Civil Infrastructures, Jinan, China, May 2017
V. Mechtcherine, M. Liebscher, Ch. Schröfl
- “Temperature- and pH-Dependent Dispersion of Highly Purified Multi-Walled Carbon Nanotubes Using Polycarboxylate-Based Surfactants in Aqueous Suspension”, The Journal of Physical Chemistry C, 2017
M. Liebscher, R. Fuge, C. Schröfl, A. Lange, A. Caspari, C. Bellmann, V. Mechtcherine, J. Plank, A. Leonhardt
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b05534)
