Graphene oxide as a cement reinforcing additive. Preliminary study

This work aims to the synthesis of graphene oxide and to investigate its effect on the mechanical resistance of the cement base composites. Starting from graphite powder we performed a chemical oxidation using sulfuric acid (H2SO4), sodium nitrate (NaNO3) and potassium permanganate (KMnO4) following the Hummer’s method. The graphene oxide sludge has been washed several times and then sonicated to ensure the complete exfoliation of the platelets. The GO has been dried in the oven for 24 hours at 70 C obtaining black films used for the characterization and for the synthesis of the chemically modified graphene oxide with Jeffamine M600. The GO has been also subjected to different thermal treatment to observe its thermal stability with increasing temperature. The functionalization of the GO with the Jeffamine M600 (polyetheramine), has been performed using dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent, dimethylaminopyridine (DMAP) as catalyst and maintaining the solution under stirring and nitrogen. After the purification stage the GO-Jeffamine M600 has been dried in over for 24 hours at 70 C. The GO and the GO-Jeffamine M600 samples were characterized with several techniques: - Infrared and Raman spectroscopy: vibrational spectroscopy that provides information at molecular level of the functional groups that are present in the samples; - Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry and Elemental Analyses: determines the concentration of element present in the analyzed samples; - X-Ray Diffraction Analyses: gives information about the crystallographic structure of the specimens;- Thermogravimetric Analyses: changes of physical and chemical properties of the materials are measured as function of the increasing temperature; - Transmission Electron Microscopy: an image of the samples is formed due to the interaction of the electrons transmitted through the specimens; - Selected Area Electron Diffraction: provides information about the crystallographic structure. The preparations of the mortar composites specimens was carried out in a controlled environment, with constant relative humidity and temperature (20 2 C). The specimens was prepared by mixing cement, standard sand, water, superplasticizer (PCs) and different amount of GO. The mortars samples were tested for the compression and flexural resistance and characterized using: - Scanning Electron Microscopy: gives information about the morphology of the hydrated crystals; - Energy Dispersive Spectroscopy: provides the distribution of elements present in the samples.

Lo scopo di questo lavoro di tesi `e la sintesi di grafene ossido e l’osservazione della sua efficacia come additivo rinforzante in materiali cementizi. Il grafene ossido `e stato sintetizzato attraverso ossidazione chimica di grafite in polvere in presenza di acido solforico (H2SO4), nitrato di sodio (NaNO3) e permanganato di potassio (KMnO4) seguendo la procedura messa a punto da Hummer. Il grafene ossido (GO), cos`ı sintetizzato, `e stato lavato diverse volte e trattato con ultrasuoni per assicurarne la completa esfoliazione. Parte della soluzione acquosa contenente il GO `e stata essiccata in forno per 24 ore a 70 C, ottenendo dei film di colore nero utilizzati successivamente per la caratterizzazione del GO stesso e per la sintesi dell’ossido di grafene chimicamente modificato con una polieterammina (Jeffammine M600). Abbiamo sottoposto il GO a diversi trattamenti termici per determinare la sua stabilit`a termica e quella dei gruppi funzionali formatisi dopo l’ossidazione. Il grafene ossido chimicamente modificato `e stato ottenuto attraverso una reazione di funzionalizzazione tra il GO e la Jeffammine M600 in presenza di dimetil solfossido (DMSO) come solvente e di dimetil amminopiridina (DMAP) come catalizzatore. La soluzione `e stata mantenuta in agitazione e in atmosfera di azoto per tutto la durata della reazione. Il prodotto ottenuto, GO-Jeffamine M600, `e stato sottoposto ad una fase di purificazione per poi essere essiccato in forno a 70 C per 24 ore. Il GO ed il GO-Jeffammine M600 sono stati caratterizzati utilizzando diverse tecniche: - Spettroscopia Infrarossa e Raman: spettroscopie vibrazionali che forniscono informazioni a livello molecolare dei gruppi funzionali presenti;- Spettrometria ad Emissione Ottica e Analisi Elementare: utilizzata per determinare la quantit`a relativa degli elementi presenti nei campioni; - Diffrattometria a raggi-X: usata al fine di ottenere informazioni sulla struttura cristallografica del materiale; - Analisi Termogravimetriche: forniscono le variazioni delle propriet`a fisiche e chimiche dei campioni in funzione della temperatura; - Microscopia Elettronica a Trasmissione: permette di ottenere immagini dei provini grazie all’interazione tra gli elettroni e il campione; - Diffrazione Elettronica: fornisce informazioni sulla struttura cristallografica dei materiali. La preparazione dei campioni di malta additivata con il GO `e stata effettuata in ambiente controllato, con umidit`a relativa e temperatura costante (20 2 C). I provini sono stati confezionati miscelando il cemento con sabbia, acqua, super fluidificante (PCs) e diverse quantit`a di GO per poi essere testati in compressione, in flessione ed analizzati utilizzando: - Microscopia Elettronica a Scansione: al fine di ottenere informazioni sulla morfologia dei cristalli di cemento; - Spettroscopia a Dispersione di Energia: per rilevare informazioni sulla distribuzione degli elementi presenti nei campioni.