Ice reinforced with aerogels from nano/microfibrillated cellulose

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The fragility of ice limits its use as construction material, the road and crossings base in winter period in hard-to-reach northern regions. To strengthen it, various dispersed additives are introduced. However, the approaches proposed to date are labor-intensive, dispersions settle and can be poorly wetted. Here we suggest to strength ice using nano/microfibrillar cellulose aerogels. Their advantages over currently used materials include low specific gravity (0.1–0.001 g cm–3), large volume (up to 99 vol. %) of interconnected pores, hydrophilicity and biodegradability. The ice nanocomposites were formed in one step by simple impregnation of aerogels with water and subsequent freezing. The volume of the ice matrix included a homogeneous three-dimensional network of intertwined nano/microfibrils. The enhancement of the mechanical strength of ice by aerogels was due to a change in the mechanism of failure from brittle to plastic. Unlike ice, the composites did not undergo a breakdown into pieces after reaching yield stress. The three-dimensional network of nano/microfibrils of cellulose prevented the formation and development of macrocracks, which are associated with the rapid breaking of ice. Destruction occurred through a gradually increasing number of microcracks.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

V. Buznik

G.R. Derzhavin Tambov State University

Email: YAS@ich.dvo.ru

Academician of the RAS, Institute “Nanotechnology and Nanomaterials”

Rússia, 392000 Tambov

I. Postnova

Institute of Chemistry, Far-East Department, Russian Academy of Sciences

Email: YAS@ich.dvo.ru
Rússia, 690022 Vladivostok

O. Khlebnikov

Institute of Chemistry, Far-East Department, Russian Academy of Sciences

Email: YAS@ich.dvo.ru
Rússia, 690022 Vladivostok

A. Samodurov

G.R. Derzhavin Tambov State University

Email: YAS@ich.dvo.ru

Institute “Nanotechnology and Nanomaterials”

Rússia, 392000 Tambov

V. Rodaev

G.R. Derzhavin Tambov State University

Email: YAS@ich.dvo.ru

Institute “Nanotechnology and Nanomaterials”

Rússia, 392000 Tambov

Yu. Shchipunov

Institute of Chemistry, Far-East Department, Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: YAS@ich.dvo.ru

Corresponding Member of the RAS

Rússia, 690022 Vladivostok

Bibliografia

  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.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. SEM images of NMFC aerogel obtained at different magnifications. The circles and arrows indicate the pores formed in place of ice microcrystals.

Baixar (412KB)
Metadados
3. Fig. 2. Dependence of compressive stress on aerogel deformation. The curves of the first compression (1), load removal (2) and second compression (3) are shown. 4 – tangent to the initial section of curve 1; 5 – the arrow shows the beginning of the second compression after contact of the plate with the sample.

Baixar (116KB)
Metadados
4. Fig. 3. Compressive stress versus strain: ice (a); aerogel-reinforced ice nanocomposites made of non-crosslinked (b) and crosslinked (c) NMFC. Curves 1 and 2 in the graph (c) show the results of different measurements. All measurements were performed with at least five samples of each type.

Baixar (254KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».