Краевые углы смачивания порошков кварца и каустического доломита после механомагнитной обработки

Определение свободной поверхностной энергии (СПЭ) порошков производится в настоящее время инструментальными методами, одним из которых является метод «сидячей капли». В работе определена свободная поверхностная энергия порошков кварца и каустического доломита до и после механомагнитной активации в аппарате вихревого слоя. Свободная поверхностная энергия определялась по известным моделям, предложенным Оунсом–Вендтом–Рабель–Кьельбле (ОВРК) и Ван Оссом–Чодери–Гудом (ВОЧГ). Определение СПЭ исследуемых порошков по представленным моделям дает хорошую сходимость: отклонение в результатах расчета составляет 14–16% с учетом экспериментальных допущений. Выявлено, что механомагнитная обработка способствует повышению работы адгезии для кварцевого порошка на 86% (с 73 до 136 Дж/м²), а для каустического доломита – на 217% (с 884 до 2800 Дж/м²). Механомагнитная обработка исследуемых материалов позволяет значительно улучшить взаимодействие жидкости с твердым телом: величина изменения удельной межфазной поверхностной энергии твердого тела на границе с паром, отнесенная к изменению удельной поверхности порошка – характеризующая интенсивность взаимодействия жидкости с твердым телом, – кратно больше изменения косинуса краевого угла смачивания отнесенная к изменению удельной поверхности порошка, являющейся интегральной характеристикой взаимодействия на границе трех фаз. Такие изменения как геометрических характеристик, так и поверхностных свойств безусловно являются действенными факторами управления структурообразования строительных материалов, в частности гидратационного твердения.

Р.А. ИБРАГИМОВ¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
Е.В. КОРОЛЕВ², д-р техн. наук;
Ю.В. БИКАЕВА¹, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
И.С. ЛАРИОНОВ³, инженер

¹ Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
² Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)
³ Казанский федеральный университет (420111, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, корп. 1)

1. Сивальнева М.Н., Строкова В.В., Нелюбова В.В., Огурцова Ю.Н., Орехова Т.Н., Боцман Л.Н., Нецвет Д.Д. Методы оценки механоактивированного минерального сырья для композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2023. № 9. С. 8–22. DOI: 10.34031/2071-7318-2023-8-9-8-22
1. Sivalneva M.N., Strokova V.V., Nelubova V.V., Ogurtsova Yu.N., Orekhova T.N., Botsman L.N., Netsvet D.D. Methods for assessing mechanically activated mineral raw materials for composite binders. Vestnik of the BSTU named after V.G. Shukhov. 2023. No. 9, pp. 8–22. DOI: 10.34031/2071-7318-2023-8-9-8-22 (In Russian).
2. Ибрагимов Р.А., Королев Е.В. Прочность композитов на основе модифицированного портландцемента, активированного в аппарате вихревого слоя // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 1. С. 35–41. DOI: 10.33622/0869-7019.2021.01.35-41
2. Ibragimov R.A., Korolev E.V. Strength of composites on portland cement modified with carbon nano-tubes and processed in a vortex layer apparatus. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel’stvo. 2021. No. 1, pp. 35–41. (In Russian). DOI: 10.33622/0869-7019.2021.01.35-41
3. Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых тел // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 5. С. 769–803.
3. Golovin Yu.I. Magnetoplasticity of solids. Fizika tverdogo tela. 2004. Vol. 46, No. 5, pp. 769–803. (In Russian).
4. Ibragimov R.A., Korolev E.V. Influence of electromagnetic field on characteristics of crushed materials. Magazine of Civil Engineering. 2022. No. 6 (114). 11408. DOI: 10.34910/MCE.114.8
5. Королев Е.В. Перспективы развития строительного материаловедения // Academia. Архитекту-ра и строительство. 2020. № 3. С. 143–159. DOI: 10.22337/2077-9038-2020-3-143-159.
5. Korolev E.V. Prospects for the development of construction materials of science. Academia. Arkhitektura i stroitel’stvo. 2020. No. 3, pp. 143–159. (In Russian). DOI: 10.22337/2077-9038-2020-3-143-159
6. Нелюбова В.В., Строкова В.В., Данилов В.Е., Айзенштадт А.М. Комплексная оценка активности кремнеземсодержащего сырья как показателя эффективности механоактивации // Обогащение руд. 2022. № 2. С. 17–25. DOI: 10.17580/or.2022.02.03
6. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Danilov V.E., Ayzenshtadt A.M. Comprehensive activity analysis of silica-containing raw materials for use in mechanical activation efficiency evaluations. Obogashcheniye rud. 2022. No. 2, pp. 17–25. (In Russian). DOI: 10.17580/or.2022.02.03
7. Королев Е.В., Гришина А.Н., Пустовгар А.П. Поверхностное натяжение в структурообразовании материалов. Значение, расчет и применение // Строительные материалы. 2017. № 1–2. С. 104–108.
7. Korolev E.V., Grishina A.N., Pustovgar A.P. Surface tension in structure formation of materials. Significance, calculation and application. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 1–2, pp. 104–108. (In Russian).
8. Старостина И.А., Стоянов О.В., Краус Э. Развитие методов смачивания для оценки состояния поверхности. Казань: Издательство КНИТУ, 2019. 140 с.
8. Starostina I.A., Stoyanov O.V., Kraus E. Razvitie metodov smachivaniya dlya otsenki sostoyaniya poverkhnosti [Evolution of wetting methods for surface assessment]. Kazan: KNRTU-KAI. 2019. 140 p.
9. Данилов В.Е., Королев Е.В., Айзенштадт А.М. Измерение краевых углов смачивания порошков методом «sessile drop» // Физика и химия обработки материалов. 2020. № 6. С. 75–82. DOI: 10.30791/0015-3214-2020-6-75-82
9. Danilov V.E., Korolev E.V., Ayzenshtadt A.M. Measurement of wetting angles for powders by sessile drop method. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2020. No. 6, pp. 75–82. (In Russian). DOI: 10.30791/0015-3214-2020-6-75-82
10. Айзенштадт А.М., Королев Е.В., Дроздюк Т.А., Данилов В.Е., Фролова М.А. Возможный подход к оценке дисперсионного взаимодействия в порошковых системах // Физика и химия обработки материалов. 2021. № 3. С. 40–48. DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-40-48
10. Ayzenshtadt A.M., Korolev E.V., Drozdyuk T.A., Danilov V.E., Frolova M.A. Possible approach to estimating the dispersion interaction in powder systems. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2021. No. 3, pp. 40–48. (In Russian). DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-40-48
11. Волков В.А. Коллоидная химия. Поверхностная энергия и дисперсные системы. СПб.: Лань, 2015. 627 с.
11. Volkov V.A. Kolloidnaya khimiya. Poverkhnostnaya energiya i dispersnye sistemy [Colloid chemistry. Surface energy and disperse system]. Saint Petersburg: Lan’. 2015. 627 p.
12. Данилов В.Е.,Королев Е.В., Айзенштадт А.М., Строкова В.В. Особенности расчета свободной энергии поверхности на основе модели межфазного взаимодействия Оунса–Вендта–Рабеля–Кьельбле // Строительные материалы. 2019. № 11. С. 66–72. DOI: 10.31659/0585-430X-2019-776-11-66-72
12. Danilov V.E., Korolev E.V., Ayzenshtadt A.M., Strokova V.V. Features of the calculation of free energy of the surface based on the model for interfacial interaction of Owens–Wendt–Rabel–Kaelble. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 11, pp. 66–72. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-66-72
13. Li Y., Ma X., Chen Y., Kang X., Yang B. Superhydrophobicity mechanism and nanoscale profiling of PDMS-Modified kaolinite nanolayers via Ab Initio-MD simulation and atomic force microscopy study. Langmuir. 2023. Vol. 39 (24), pp. 8548–8558. DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00915
14. Kang X., Li Y., Ma X., Sun H. Fabrication and characterization of high performance superhydrophobic organosilane-coated fly ash composites with novel micro-nano-hierarchy roughness. Journal of Materials Science. 2022. Vol. 57 (29), pp. 13914–13927. DOI: 10.1007/s10853-022-07473-5
15. Zongcheng Yang, Jiangfan Chang, Xiaoyan He, Xiuqin Bai, Chengqing Yuan. Construction of robust slippery lubricant-infused epoxy-nanocomposite coatings for marine antifouling application. Progress in Organic Coatings. 2023. Vol. 177, pp. 107458. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2023.107458
16. Morgan J. Malm, Ganesan Narsimhan, Jozef L. Kokini. Effect of contact surface, plasticized and crosslinked zein films are cast on, on the distribution of dispersive and polar surface energy using the Van Oss method of deconvolution. Journal of Food Engineering. 2019. Vol. 263, pp. 262–271. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2019.07.001
17. Liling Jing, Pengfei Yang, Mark G. Moloney, Zhiliang Zhang, Yongqing Wang, Junying Li, Feng Ma, Jian Li. Synthesis and carbene-insertion preparation of hydrophobic natural polymer materials for rapid and efficient oil/water separation. Applied Surface Science. 2022 Vol. 581. 152394. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.152394
18. Fowkes F.M Attractive forces at interfaces. Industrial and Engineering Chemistry. 1964. Vol. 56, pp. 40–52.
19. Ибрагимов Р.А., Потапова Л.И., Королев Е.В. Исследование структурообразования активированного наномодифицированного цементного камня методом ИКспектроскопии // Известия КГАСУ. 2021. № 3 (57). С. 41–49. DOI: 10.52409/20731523_2021_3_41
19. Ibragimov R.A., Potapova L.I., Korolev E.V. Investigation of structure formation of activated nanomodified cement stone by IR spectroscopy. Izvestiya KSUAC. 2021. No. 3 (57), pp. 41–49. DOI: 10.52409/20731523_2021_3_41
20. Leon Meredith, Aaron Elbourne, Tamar L. Greaves, Gary Bryant, Saffron J. Bryant. Physico-chemical characterisation of glycerol- and ethylene glycol-based deep eutectic solvents. Journal of Molecular Liquids. 2024. Vol. 394. 123777. DOI: 10.1016/j.molliq.2023.123777
21. Шаманина А.В., Айзенштадт А.М. Особенности определения удельной поверхности порошковых кварцсодержащих систем // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 1. С. 42–49. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1. 42-49
21. Shamanina A.V., Ayzenshtadt A.M. Features of determining the specific surface area of powdered quartz-containing systems. Vestnik of the MSUCE. 2022. Vol. 17. Iss. 1, pp. 42–49. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1. 42-49
22. Кононова В.М., Шаманина А.В., Данилов В.Е. Механоактивация порошков кварцевого песка. Лучшая студенческая работа 2022: Сборник статей II Международного научно-исследовательского конкурса. 2022. С. 10–15.
22. Kononova V.M., Shamanina A.V., Danilov V.E. Mechanical activation of quartz sand powders. Best student work 2022: collection of articles of the II International Research Competition. 2022, pp. 10–15. (In Russian).
23. Alipour Tabrizy V., Denoyel R., Hamouda A.A. Characterization of wettability alteration of calcite, quartz and kaolinite: Surface energy analysis. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2011. Vol. 384, pp. 98–108. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2011.03.021
24. Айлер Р. Химия кремнезема / Пер. с англ. Ч. 1. М.: Мир, 1982. 416 с.
24. Ailer R. Khimiya kremnezema [Chemistry of silicic: translated from English]. Moscow: Mir. 1982. Part. 1. 416 p.
25. Юзевич В.Н., Коман Б.П. Особенности температурных зависимостей энергетических параметров межфазного взаимодействия в системах кристаллический кварц–Pb и (NaCl, KCl)–Pb // Физика твердого тела. 2014. Т. 56. № 3. С. 583–588.
25. Juzevych V.N., Coman B.P. Specific features of temperature dependences of energy parameters of interfacial interactions in crystalline quartz–Pb and (NaCl, KCl)–Pb systems. Fizika tverdogo tela. 2014. Vol. 56. No. 3, pp. 583–588. (In Russian).
26. Jörg Weissmüller. Surface free energy density, surface tension and surface stress of solid–fluid interfaces. In book: Encyclopedia of Solid-Liquid Interfaces. 2024, pp. 300–307. DOI: 10.1016/B978-0-323-85669-0.00127-6
27. Changsuk Yun, Thanh Duc Dinh, Seongpil Hwang. Chemical electrification at solid/liquid/air interface by surface dipole of self-assembled monolayer and harvesting energy of moving water. Journal of Colloid and Interface Science. 2022. Vol. 615, pp. 59–68. DOI: 10.1016/j.jcis.2022.01.114.