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
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“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
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“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
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“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
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“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
