Нанотехнологии что это в строительстве

Нанотехнологии до сих пор воспринимаются большинством по поговорке: «Слышал звон, да не знаю – откуда он». Приставка «нано» становится модной. И зачастую её начинают применять ко всему, что имеет особо тонкий помол и помогает в чём-то укрепить тот или иной материал.

В данной публикации мы решили разобраться – что же в реальности необходимо иметь в виду, применяя термин «нано» в строительной отрасли, и по каким направлениям идёт развитие темы.

«Речь идёт не о том, чтобы предвидеть будущее, а о том, чтобы творить его»

Дени де РУЖМОН,
швейцарский писатель,
философ

«Будущее нельзя предвидеть, но можно изобрести»

Денис ГАБОР,
лауреат Нобелевской премии
по физике

Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья, и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.

Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своём ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных материалов. Тем не менее достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.

Нанотехнологиии и их применение

Уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные наноплёнки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стёкла.

Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например:

– основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов;

– несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряжённо-деформированного состояния;

– ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца;

– покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей;

– фотокаталитические и другие функциональные покрытия.

Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля ещё достаточно мала – менее 1% в общем объёме материалов строительного сектора.

Строительную отрасль отличает очень низкий уровень инвестиций в научно-исследовательские работы. Она, скорее, пытается использовать разработки и изобретения, созданные в других отраслях науки и промышленности, чем создавать их внутри себя. Поэтому основными предпосылками развития строительного материаловедения являются результаты исследований в смежных областях.

Несмотря на эти объективные трудности, перечень основных научно-исследовательских работ в области строительных наноматериалов и нанотехнологий, выполняемых в настоящее время в России и за рубежом, достаточно широк.

Что такое нанотехнологии?

Исследования ведутся в области наноструктурной модификации традиционных и новых строительных материалов: стали и других металлов, керамики и стекла, полимеров, цементов и бетонов, а также композитных материалов. Модификация материалов проводится через управление самим производственным процессом изготовления или посредством использования различных наночастиц, углеродных нанотрубок, нанопорошков и других нанодобавок.

Также в арсенале исследователей: функциональные тонкие плёнки и нанопокрытия, многократно повышающие качества материалов – оптические и тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, препятствующие нанесению надписей на стенах и т. д. Стоит упомянуть и изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы, датчики, устройства и быстродействующие приборы, обеспечивающие улучшенный контроль состояния конструкций и условий окружающей среды, новые топливные ячейки, энергоэффективное освещение, специальная изоляция и застекление, самоочистка, самовосстановление и т. д.

Наука о нанотехнологиях весьма молода, хотя сами агрегаты и объекты, имеющие наноразмеры, существовали на Земле столько же, сколько существует на планете жизнь. Так, было доказано, что исключительные механические свойства таких биоматериалов, как кости или раковины моллюсков, объясняются присутствием нанокристаллов соединений кальция.

Например, нанокомпозитный по своей сути материал раковин моллюсков, называемых морскими ушками, состоит из наноразмерных частиц карбоната кальция, связанных между собой клеящим составом на основе смеси белков. Этот тип наноструктур обеспечивает чрезвычайно высокую прочность и ударную вязкость, которой отличаются раковины моллюсков благодаря взаимосвязанным наноблокам карбоната кальция, обеспечивающим блокирование трещин и рассеивание энергии.

Сегодня самые прогрессивные достижения – это синтез новых форм углерода: фуллерен (С60) и углеродные нанотрубки. Изменения свойств за счёт применения наномодификаторов делают возможным успешное развитие улучшенной каталитической способности, регулируемой чувствительности к определённой длине волны, разработку улучшенных пигментов и красок со свойствами самоочищения и самовосстановления. Наночастицы используют для улучшения механических свойств пластиков и резин, они помогают достичь повышения прочности режущих инструментов и повышения гибкости керамических материалов.

Например, была зафиксирована гибкость нанофазовой керамики – титановой и алюминиевой, полученной путем консолидации керамических наночастиц.

Новые наноматериалы на основе металлов и оксидов кремния и германия демонстрируют суперплас-тичность, выдерживая растяжение от 100 до 1000% до разрыва. Наночастицы диоксида кремния (нанокремнезем) можно использовать как добавку для высокопрочного и самоуплотняющегося бетона, значительно улучшая его удобоукладываемость и прочность.

В ближайшие годы можно ожидать развития новых нанотехнологий и нанопродуктов, относящихся к технологии бетонов:

– Катализ для синтеза и ускорения гидратации обычных цементов.

– Добавки для супертонкого помола и механохимической активации цементов.

– Вяжущие с наночастицами, наностержнями, нанотрубками (включая одностенные нанотрубки), наноамортизаторами, наносистемами или нанопружинами.

– Вяжущие с улучшенными наномоделированными внутренними связями между продуктами гидратации.

– Вяжущие, модифицированные наночастицами полимеров, их эмульсиями или полимерными наноплёнками.

– Биоматериалы (включая имитирующие структуру и свойства раковин моллюсков).

– Композиты на основе цемента, армированные новыми волокнами с нанотрубками, а также волокнами с нанооболочками (для улучшения связей, коррозионной стойкости, придания новых свойств материалу, таких как электропроводности и т. п.).

– Новое поколение суперпластификаторов для «абсолютного контроля подвижности» и резкого снижения расхода воды.

– Материалы на основе цемента с чрезвычайно высокой прочностью, тягучестью и твёрдостью.

– Вяжущие с контролируемой степенью увлажнения и контролируемым процессом образования мик-ротрещин.

– Материалы на основе цемента с модифицированной нано- и микроструктурой, демонстрирующие чрезвычайно высокую долговечность.

– Экологические вяжущие, модифицированные наночастицами и произведённые при значительном сокращении объёма портландцементной компоненты (до 10–15%) или вяжущие на основе альтернативных систем (MgO, фосфаты, геополимеры, гипс).

– Материалы, способные самовосстанавливаться, и технологии ремонта с применением нанотрубок и химических добавок.

– Материалы с контролируемой электропроводностью, свойствами деформации, безусадочные материалы и материалы с низким температурным расширением.

– Высокотехнологичные материалы, такие как материалы с сенсорикой и заданными реакциями на температурные воздействия, влажность, напряжение.

Нанотехнологии в строительстве: в вопросах и ответах

По материалам двух Международных научно-практических online-конференций (Организаторы: интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве», интернет-портал NanoNewsNet).

Есть информация о чудо-краске, обладающей сверхтермоизолирующими свойствами и к тому же ещё и шумопоглощением, а также разгромная критика данного строительного материала. Реально ли достижение значительных градиентов падения температуры в таких тонких слоях? Действительно ли они существуют и работают?

Действительно, такие материалы были разработаны в рамках космической программы NASA. Они представляют собой продукты на основе сложной смеси стеклянных (натриево-боросиликатных) или керамических огнеупорных микросфер, наполненных инертным газом или вакуумированных в процессе производства. Микросферы с толщиной стенки 1/10 их диаметра, которые выглядят, как тончайшая мука или тальк (их размер сравним с толщиной человеческого волоса – 50–100 мкм), негорючи, имеют исключительную химическую устойчивость, прочность на сжатие около 30 МПа и температуру размягчения около 1800°С.

Фактически микросферы представляют собой высокоэффективный «мини-термос». Отсюда их основные области применения: термоизоляция, повышение огнестойкости и коррозионной стойкости в сильноагрессивных средах. Чаще всего используют композитную керамическую краску, с помощью которой можно термоизолировать ёмкости и терминалы с нефтепродуктами, обеспечить тепло- и влагоизоляцию теплопроводов, трубопроводов, теплопунктов, технологического оборудования.

Покрытия применяются также для отделки фасадов и стен внутри помещений. После нанесения материала поверхность при толщине покрытия 0,3 мм имеет высокий коэффициент отражения в низкотемпературной инфракрасной области и в области видимого излучения.

Сегодня на базе микросфер многие компании производят продукцию общегражданского назначения: готовые к применению термокраски, мелкоштучные изделия для облицовки и футеровки, добавки для ряда строительных материалов. По их данным, термокраски можно использовать в строительстве для окраски фасадов, интерьеров и крыш, термоизоляции внутри и снаружи зданий, при этом сокращение расходов на отопление и кондиционирование зданий составляет около 30%.

В своё время много говорилось о самоочищающихся покрытиях для текстиля, стекла, камня и т. п. Действительно ли они оправдывают заявленные характеристики?

На текущий момент наиболее распространённым материалом для изготовления самоочищающихся покрытий является оксид титана. Механизм самоочищения базируется на двух явлениях:

1. Высокой фотокаталитической активности оксида титана, приводящей к окислению органических соединений и монооксида азота, адсорбированных на поверхности оксида титана.

2. Высоких гидрофильных свойствах оксида титана, наблюдающихся при его облучении. В результате вода с минеральными примесями не задерживается на поверхности стекла и удаляется (скатывается), что также приводит к наблюдаемому эффекту самоочищения.

В настоящий момент активно развиваются две технологии нанесения оксида титана:

Нанесение плёнки оксида титана в процессе изготовления стекла. Достоинством данного метода является высокая прочность покрытия – срок его службы совпадает со сроком службы стекла. Кроме того, метод позволяет защищать активный слой оксида титана от возможного отравления катионами щелочных металлов путём нанесения промежуточного слоя оксида кремния.

Следует отметить, что слой оксида кремния сам по себе может производить позитивный эффект. Кроме того, преимуществом данного способа является возможность нанесения других слоёв, позволяющих улучшить свойства стекла, например, уменьшить теплопроводность. Себестоимость стекла при использовании этого метода увеличивается приблизительно на 30%.

Нанесение слоя оксида титана с помощью реагентов (жидких), содержащих диспергированные наночастицы оксида титана. Преимуществом этого метода является возможность наносить покрытие не только на поверхность стекла, но также и на другие твёрдые поверхности. В настоящее время выпускают составы, предназначенные для нанесения на фасады домов, тротуары, изделия из пластмассы и т. д. Основными требованиями являются устойчивость покрытия к механическим и химическим воздействиям и время эффективной эксплуатации покрытия.

Следует отметить, что рассматривать описанные выше технологии как конкурирующие представляется нецелесообразным.

Сейчас широко рекламируется использование нанотехнологий в дорожном строительстве. В частности, когда в производстве используется мелкодисперсные порошки резины, можно ли отнести такие балк-технологии к нанотехнологиям?

Все без исключения продукты отнести к нанотехнологиям нельзя. Но некоторые ими всё же являются. Например, основной компонент модификатора «Унирем», разработанного при поддержке ГК «РОСНАНО» – активный порошок дискретно девулканизированной резины – получают путём переработки изношенных автопокрышек и/или отходов резинотехнических изделий методом высокотемпературного сдвигового измельчения (ВСИ) в специализированных установках – роторных диспергаторах. При этом материал полностью разрушается и превращается в высокодисперсный порошок, характеризующийся высокой химической активностью, развитой поверхностью частиц и их мелкоблочной структурой.

Выполненные коллективом учёных ИХФ РАН исследования позволили установить, что процесс сдвигового измельчения полимерных материалов, в том числе грубогетерогенных смесей (полимер-полимерные смеси, смеси термопластов с каучуками и т. д.) сопровождается смешением компонентов смеси на микро- и наноуровне. В результате образуются порошковые композиты с очень высокой однородностью.

Было установлено, что в полученных квазигомогенных смесях (полиэтилен – полипропилен, сэвилен – бутадиеновый каучук и т. д.) размер неоднородностей (агрегатов дисперсной фазы) не превышает 20–35 нм1,2. Всё это выгодно сказывается на характеристиках модификатора «Унирем». В 2005–2008 гг. его использовали на асфальтобетонных заводах для модификации асфальтобетонов (тип А и ЩМА) «сухим способом» (т. е. на этапе смешения битума с минеральными компонентами асфальтобетонной смеси, минуя стадию растворения модификатора в битуме). При этом необходимости применения других модификаторов, используемых обычно при производстве ЩМА, не возникало.

Асфальтобетон резко меняет свойства при воздействии температуры. В летний период интенсивность движения транспорта выше средней за год, а температура воздуха достигает наибольшего значения. При этом за счёт поглощения тепла поверхность дорожного покрытия прогревается до 60-70 о С. Поэтому свободный, неструктурированный битум начинает плавиться и покрытие размягчается.

Ставший пластичным асфальтобетон деформируется от воздействия колес автомобилей. Размеры и вид деформаций зависят от температуры, времени воздействия деформирующих нагрузок, их интенсивности и величины.

А так как асфальтобетон способен накапливать деформации, то в результате длительных временных воздействий нагрузок при соответствующих температурных условиях на покрытиях появляются продольные колеи и поперечные волны. При отрицательной температуре асфальтобетон становится упругим и даже хрупким. При быстрых переходах от положительной температуры к отрицательной в нём возникают растягивающие напряжения, и если скорость перепада превосходит скорость релаксации напряжений, то возникают поперечные трещины, число которых со временем увеличивается. Эти трещины располагаются поперёк проезжей части через 6–8 м по длине дороги.

В 2005 г. модификатор асфальтобетона «Унирем» был использован при ремонте дорожного покрытия на автомагистрали М-10 «Россия» (Москва – С.-Петербург). В течение 2006–2008 гг. проводили исследования состояния покрытия на этих участках и на расположенных рядом контрольных участках, где при укладке асфальтобетона модификатор «Унирем» не использовали.

В результате обследования в 2008 г. было установлено, что на участках, изготовленных с использованием модификатора «Унирем», после 3 лет эксплуатации трассы разрушения покрытия в виде продольных трещин, сеток трещин, просадок, проломов, выбоин, волн, сдвигов, шелушения и выкрашивания, а также образования колеи выявлено не было, в то время как на всех контрольных участках дороги, отремонтированных в 2005–2006 г. без применения модификатора «Унирем», выявлены существенные дефекты покрытия, в т. ч. наличие колеи глубиной до 8–9 см.

Стоимость единицы площади дорожного покрытия увеличивается, но не критично. Это увеличение многократно компенсируется более длительным сроком эксплуатации.

А банальное добавление резиновой крошки к битуму к не имеет никакого отношения «нано» и может привести к негативным последствиям.

На сегодняшний день проблема борьбы с разного вида вирусами и бактериями приобрела глобальный характер. Существуют ли специальные нанокраски и нанопокрытия с антибактериальным эффектом?

Наиболее часто применяют материалы с антибактериальным действием на основе фотокаталитического диоксида титана. После открытия в 1972 году фотосенсибилизирующего эффекта TiO2 в процессах электролиза воды с образованием H2 и O2 фотокатализ TiO2-наночастицами изучают с точки зрения превращения солнечной энергии в химическую. Одна из главных целей использования этого эффекта – уничтожение вредных веществ и микроорганизмов в воде и атмосфере. В этом смысле наночастицы TiO2 из-за своей химической стабильности, нетоксичности, высокой реакционной способности представляют собой практически идеальные высокоэффективные фотокатализаторы. Фотообразованные электроны и «дырки» в присутствии О2 и Н2О генерируют активные кислородсодержащие частицы – О2- и ОН-радикалы соответственно.

TiO2-фотокатализаторы обладают значительным потенциалом в окислении широкого ряда органических материалов, включая хлорированные органические соединения, в том числе диоксины, причём в процессах образуются безвредные соединения, такие как СО2 и Н2О. При поглощении солнечной энергии или УФ-излучения такие системы эффективны даже при разбавленных концентрациях токсичных реактантов в атмосфере и воде, в том числе по отношению к микроорганизмам. К настоящему времени достигнут большой прогресс при разработке строительных материалов, содержащих добавки TiO2-наночастиц, таких как краски, специальные цементы, строительные растворы, самоочищающиеся керамические плитки, материалы и конструкции, дорожные покрытия, воздухо-очищающие материалы и конструкции, антибактериальные материалы и конструкции, составы и отделочные материалы для наружных и внутренних работ и т. д.

В качестве ещё одного примера можно привести применение наночастиц серебра, обладающих уникальными бактерицидными свойствами. Наночастицы серебра имеют размеры от 10 до 30 нм. Как показали исследования, в течение 30 мин. они убивают до 150 видов бактерий и других микроорганизмов.

Специалисты НПО «Фалько» и Института электрохимии им.
А. П. Фрумкина РАН проводили работы по применению нанокомпозитов в производстве лакокрасочных материалов. Установлено, что добавление композиционных материалов с наночастицами серебра в водоэмульсионную краску повышает ее биоактивность. На поверхностях, окрашенных такой краской, быстро снижается (до полной гибели в течение не более четырех часов) концентрация бактерий кишечной палочки и легионеллы.

Что можно сказать о применении наномодификаторов в бетонных композициях, керамических и силикатных материалах?

В подавляющем большинстве керамические материалы, как безвод-ные, сформированные при высоких температурах, так и бетоны, синтезируемые в гидротермальных условиях, имеют гетерогенную структуру с дисперсностью фаз, характеризующуюся размерами от десятков до тысяч нанометров.

Поэтому при наличии фантазии и материаловедческой грамотности возможно, получив любое изделие, отнести его к нанотехнологиям.

Является ли такая технология действительно инновационной, прорывной, ключевой в своей области – вопрос открытый. Только понимание направленного синтеза материала с комплексом заданных свойств на всех этапах и уровнях синтеза – от сырья и до готового изделия и от атома до конечного продукта – действительно позволяет достичь инновационного или нанотехнологического уровня.

Если рассматривать вопросы синтеза силикатных материалов с точки зрения материаловедения, то в последнее время найден ряд решений, позволяющий управлять процессами структурообразования гетерогенных систем на уровне сотен, десятков и даже единиц нанометров.

В этом смысле действительно можно говорить о наномодификаторах, обладающих способностью управлять процессами фазообразования на наноуровне, которые при небольших добавках на определённых стадиях синтеза способствуют получению материалов с уникальным комплексом свойств.

При таком подходе разработаны материалы и соответствующие им технологии, позволяющие, например, добиться прочности бетонов на 1,5–2 порядка выше, чем при обычной технологии.

В течение ближайших 5 лет может быть достигнута прочность порядка 300 МПа. Это почти в 10 раз превышает среднюю прочность конструкционных бетонов. По долговечности можно предположить показатели по морозостойкости более 3000 циклов замораживания и оттаивания. Такие бетоны с минимальной пористостью даже в морской воде могут прослужить более 100 лет.

В прошлом году был представлен проект по производству теплоизоляции на основе вспененного стекла, о котором г-н А. ЧУБАЙС упоминал как о прорывном в области строительных материалов. Но ведь технология пеностекла известна давно. В чем нанотехнологическая составляющая проекта и вообще зачем снова «открывать» известный материал?

Действительно, пеностекло как материал известно ещё с 30-х годов двадцатого века. Новая технология принципиально отличается от известной классической прежде всего тем, что на поверхность частиц стекла наносится плёнка реагентов толщиной в десятки (примерно до 100 – 120 нм) нанометров. Эта плёнка приводит к схватыванию, отверж-дению массы порошка – аналогично цементной массе.

В полученной монолитной массе плёнка между частицами стекла не только удерживает их, как в жёстком каркасе, но и при нагревании выделяет газообразные компоненты, формируя пеностекло. Таким образом, плёнка, имеющая наноразмерную величину, придаёт материалу два новых свойства – способность к схватыванию и газовыделение при повышенных температурах. Это позволило осуществить действительно качественный прорыв в технологии пеностекла – существенно улучшить экономические показатели технологии, разработать целый ряд новых продуктов и применять в качестве сырья обычный несортовой стеклобой.

Источник: www.ids55.ru

Нанотехнологии что это в строительстве

Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство, что понятно. Например, высокие темпы экономического роста Испании в 2007 году, не говоря уже о Москве, во многом обусловлены бурным расцветом строительной индустрии.

Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.

Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства.

Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза.

Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полиме-ризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.

Другой аналогичный пример приводит «Росбалт» от 16.01.08 в публикации «ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии», где указывается следующее: «Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, — это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент».

Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001—0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона (марки D 250—300). Также обеспечивается повышение прочности и трещиностоикости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6—2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.

Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности.

Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он Используется в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.

В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.

Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы.

Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном DuravitAG.

На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт — покрытие для плитки Sekcid, разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid S. A. — одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом СкаНесдля душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.

В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска Kieselit- Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года.

Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию (класс 1 согласно EN 13300).

Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктур-ной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски — грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м 2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемо-сти краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.

Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.

Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночасти-цами серебра подтверждено при натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафта-левых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра по сравнению с аналогичной продукцией с добавками производных полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.

Один из примеров использования нанотехнологии — разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.

Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur.

Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта «грязных» частиц, в результате чего эти частицы меньше «прилипают» к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.

Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты.

Кроме того, окрашенная поверхность при дожде смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. В то время как гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту — общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобиза-ции (рис. 3).

Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов.

Формирование наноструктур на поверхностях может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:

? лазерным лучом или плазменным травлением;

? путем анодного окисления (алюминий) с последующим покрытием, например, гексадецилтриметоксиланом;

? приданием формы и созданием микрорельефа гравировкой;

? покрытием поверхности слоем металлических класте ров, комплексов «поверхностно-активное вещество — полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;

? покрытием дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.

Рис. 4. Капля жидкости на наноповерхности эмали 145

Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Подходящими материалами для формирования таких наночастиц являются полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.

Источник: studbooks.net

Нанотехнологии в мировом строительстве.

Мировое строительство и нанотехнологии.

В настоящее время нанотехнологии являются причиной сильнейшего прорыва во многих сферах науки. В нашей жизни масса продуктов, в изготовлении которых применяют нанотехнологии. Мы сталкиваемся с ними ежедневно: телекоммуникации, бытовая техника, медицина и пр. Не удивительно, что сегодня нанотехнологии применяют в производстве строительных материалов . В Японии, США, Китае и странах Европы, порядка 20% строительных компаний используют материалы, в производстве которых применяли нанотехнологии. Посмотрим, что же могут нам представить западные производители, можно ли эти материалы использовать в строительстве в нашей стране и какие успехи у Российских ученых в изучении и внедрении нано.

Материалы будущего прямо сейчас

Применяемые нанотехнологии меняют стандартные свойства стройматериалов , улучшая их качество и структуру.

Для изготовления высокопрочного и долговечного бетона применяют ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Исследования и разработка в данной области является наиболее актуальной в наши дни. Крупнейшие фирмы-производители работают над этим материалом: «Майти» (Япония), BASF (Германия), «Зика» (Швейцария), «Элкем» (Норвегия).

Срок службы бетона с наночастицами предположительно составляет 500 лет. Такой материал используют для строительства атомных реакторов, защитных оболочек, большепролетных мостов , небоскребов и прочих массивных и капитальных сооружений.

Ученые создали высокопрочную сталь, такой прорыв в наномодификации сделал значительный шаг вперед, ведь на сегодняшний день нет более прочного материала, с подобными показателями вязкости. Высокопрочная сталь идеальна для сооружения гидротехнических и дорожных объектов. Увеличивают службу таких конструкций полимерные и композитные нанопокрытия. Они повышают коррозийную стойкость покрываемых материалов, и увеличиваю их срок службы, независимо от окружающей среды.

«Самой главной задачей для удовлетворения потребителей и строителей – создание новых материалов и конструкций для строительной области. Материалы, созданные с использованием нанотехнологии, выходят на первый план, строительные компании и мастера все чаще прибегают к использованию именно этих материалов. Лаки, краски , смеси для отделки помещений , теплоизоляционные материалы и прочее – это небольшой перечень «наноматериалов».

Конструкционные композиты заслуживаю особого внимания. Это конструкционные материалы с металлической, керамической или полимерной матрицей, широкого класса. Углепластик – это типичный пример таких материалов, который изготовлен с полимерной матрицей и углепластиком», — поделился С. Калюжный, директор Департамента научно-технической экспертизы ГК «Роснано», на конференции «Применение нанотехнологий».

Вильгельм Бартлотт, немецкий ботаник, в 1990 году открыл всему миру «эффект лотоса». В цветке лотоса есть железы, которые вырабатывают воскообразно вещество, которым покрыты лепестки цветка. Цветок, покрытый таким веществом, неуязвим для влаги и воды. Ученые Китая взялись за разработки подобного нанопокрытия.

После долгих годов совершенствования они добились успеха в изучении «эффекта лотоса» и начали производить этот материал. В Пекине, при строительстве большого национального театра, было использовано это вещество. Яйцеобразный купол, что возвышается над театром, изготовлен из стекла и титана. Его покрыли наноматериалом. Благодаря чему он не подвержен воздействию воды, влаги и не загрязняется.

Водонепроницаемые, фасадные краски – это материалы, которые в ближайшее время будут иметь колоссальный спрос в строительной отрасли, считают эксперты в области нанотехнологий.

Заместитель начальника производственно-технического отдела СК «КварталСтрой», Владимир Николаенко, сказал: «Перед введением нового наноматериала на производственную ленту ученые проводят ряд испытаний и экспериментов. Проверяют их эксплуатационные показатели, прочность, износостойкость и безопасность для человека.

Многие продукты, которые изготавливают в лабораториях не проходят проверки для использования в реальной жизни. Важным остается работа ученых в команде со строителями , которые могут делиться опытом и поведением материала. В области строительства ученые сделали огромный шаг вперед. Новые дома, в строительстве которых применяют нанотехнологии, будут служить порядка 400 лет».

Экономия с наноматериалами.

Энергосбережение – еще одно направление в развитии и применении нанотехнологии. В Шанхайском центре науки и технологии был разработан весьма интересный продукт. Полупрозрачное покрытие, которое накапливает солнечную энергию. Такую пленку наносят на стенды зданий, окна и двери, одновременно украшая поверхность зданий, покрытие выполняет работу накопительной батареи (солнечной), и помогает экономить электроэнергию.

В тихоокеанском колледже, в Стоктоне (штат Калифорния), американский ученый Сэмюэль Кистлер, в начале ХХ века сделал невероятное открытие – прозрачный наногель (аэрогель). Свойства этих материалов удивляют и сейчас, их активно используют в энергосберегающих кровельных системах. Наногель и аэрогель обладает высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками .

Инновационное покрытие Cool-Colors создано для защиты цветных окон из ПВХ от инфракрасных (тепловых) излучений. Такая пленка обладает особым пигментом и она способна «отбивать» порядка 80% инфракрасных лучей, тем самым не дает конструкции перегреться.

«В ясный день, при температуре +25°С, цветное окно может нагреться до 50°С. К деформации и разгерметизации оконной системы может привести такой перегрев светопрозрачных конструкций под солнечными лучами» — сказал Л. Минуллин, директор по развитию компании PROPLEX (первый и крупнейший российский разработчик и производитель оконных систем ПВХ по австрийским технологиям).

Такая пленка защитит любое помещение от перегрева, а сами окна от воздействия солнечных лучей. Срок службы окна значительно увеличивается, и снизятся затраты на кондиционирование помещений .

Компания PROPLEX активно занимается разработкой оттенков этой пленки и ее реализацией. На данный момент компания может предоставить модельный ряд из шести оттенков ПВХ-профиля: махагони, болотный дуб и золотой. Для изготовления профиля «серебристый металик» используют инновационную пленку. Визуальный 3-D эффект придается оконной системе после ламинации пленки на профиле.

Бриллиантовые краски, которые входят в состав пленки, придают такой эффект. Такие краски имеют уникальные свойства, под разным углом освещения меняется цвет и колер краски чистый и насыщенный. Инновационная пленка воссоздает шлифованную поверхность металлического цвета, имитируя серебро, а сама оконная рама имеет трехмерный вид.

Поверхность окна на ощупь напоминает шагрень за счет используемых бриллиантовых красок. На поверхности пленки образуются микропоры. В ходе ламинации ПВХ-профиля пленка полностью покрывает конструкцию, повторяя сложные геометрические формы продукта.

Нанотехнологии в России.

В России пока немного достижении в области нанотехнологий, несмотря на большую популярность этой темы во всем мире. Основные разработки в прикладном строительстве и нанотехнологий, за рубежом, базируются на исследованиях крупнейших научных центров. Строительные компании РФ не в состоянии профинансировать исследования самостоятельно. Государственную корпорацию «Роснано» создали для финансирования научных разработок, прикладных проектов, изучения нанотехнологий.

Нанокомпозитные трубы – проект, который разработан в России. Успешный проект, продукт которого можно использовать в системах отопления , газоснабжения и водоснабжения . Совместно с учеными МГТУ имени Баумана, компания «Экструзионные машины» занимается разработкой нанокомпозитных труб. Такие трубы в десятки раз выше по техническим и эксплуатационным характеристикам, чем их аналоги. Новые трубы также отличаются своей невысокой стоимостью.

Направление, которое также стоит отметить – разработка и производство стеклопластиковой композитной арматуры. Такой продукт может стать альтернативой традиционному для многих стальному аналогу. Компания «Компарм» является лидеров по производству стеклопластиковой композитной арматуры.

Инновационный материал прошел ряд тестов, ученые выявили ряд уникальных свойств данного материала. Небольшой вес (в 5 раз мене чем сталь), химическая стойкость и высокая прочность. Новый металл является диэлектриком, имеет низкую теплопроводность и не подвергается коррозии. В любом виде строительства можно использовать новый нано-продукт.

Результаты изучения и разработки в области нанотехнологий удивляют своим многообразием. Новые виды труб, бетона, стали, инновационные самоочищающиеся покрытия, нано-пленки для прозрачных конструкций – это все успешно используют в современном строительстве.

Россия, страна, которая не отстает от зарубежных коллег в области внедрения нанотехнологий в строительство. Ученые РФ предлагают новые разработки, власти стали уделять больше внимания сегменту научных разработок и развитию прикладных нанотехнологий, инвестируя проекты.

Аспирант Воронежского государственного университета, Александр Герасимов считает: «Для грамотного развития и внедрения нанотехнологий с строительстве необходимы квалифицированные специалисты . Для их подготовки необходимо изменить процесс образования.

Очень динамично стали развиваться нанотехнологии и стали нести междисциплинарный характер. Нашей стране необходимо бесперебойное обучение специалистов в этой области. Вариантом решения такой проблемы может стать создание открытой сети дистанционного обучения.»

Чтобы Россия преодолела отставание в области развития и применения нано, необходимо максимально быстро принять нововведения.

Источник: ligamasterov.com

Применение нанотехнологий в строительстве

Под нанотехнологиями подразумевается изучение и использование сил и свойств различных материалов, проявляющихся на атомном и молекулярном уровне, а также на более низких ступенях нанодиапазона. К этой сфере относятся процессы, направленные на создание и модификацию объектов размерами до 100 нм (наночастицы), вследствие чего материалы приобретают качественные изменения, связанные с увеличением прочности, надежности и долговечности.

В настоящее время до 20% строительных материалов, применяемых в основном за рубежом, так или иначе, имеют в своем составе нанокомпоненты. Благодаря этому, теоретический срок эксплуатации некоторых современных строительных конструкций исчисляется сотнями лет

Самые распространенные материалы, в производстве которых применяются нанотехнологии следующие:

• бетон;
• покрытия и пленки;
• изделия из композитов.

Высокопрочный бетон

Нанобетон состав может иметь различный, в зависимости от конкретных требований и условий. Внедрение модифицированных наночастиц производится только в заводских условиях, что, в совокупности с высокой стоимостью, ограничивает область его применения. Но, учитывая уникальные свойства, использование высокопрочного бетона в строительстве постепенно расширяется. Основными его преимуществами являются:

• малый удельный вес, не сопоставимый с обычным бетоном. Некоторые виды материала обладают плавучестью в воде;
• высокая прочность и адгезия к изделиям из металла и железобетонных конструкций (благодаря этому популярностью пользуются высокопрочные смеси для ремонта бетона);
• водооттаклкивание, сопротивление воздействию агрессивных сред, а также наличие других полезных свойств могут регулироваться на этапе создания материала;
• срок службы ответственных конструкций, подвергающихся интенсивному воздействию природных и техногенных факторов (ветровые, снеговые нагрузки, работа в условиях экстремальных температур и другие) достигает 500 лет.

Специальные покрытия

Покрытия, увеличивающие срок службы зданий и сооружений, возведенных из любых строительных материалов (камень, бетон, сталь, стекло, дерево), могут использоваться как на вновь возводимых объектах, так и при реконструкции существующих, в том числе — памятников архитектуры. Различные виды пленок служат для защиты материалов от воздействия влаги, ультрафиолетового и инфракрасного видов излучения, оберегают конструкции от перегрева и возгорания. Нанопокрытие гидрофобные свойства способно придать материалам, в обычном состоянии фильтрующим влагу (например – пористый бетон), благодаря чему область их применения значительно расширяется.

Композитные материалы

Хорошим примером использования нанотехнологий в строительстве, как за рубежом, так и в отечественной практике, являются композиты. Сегодня уже не возникает споров о том, что лучше стеклопластиковая арматура или металлическая. В сравнении со стальным аналогом композитные материалы обладают следующими преимуществами:

• малый удельный вес (в среднем, в 5 раз ниже чем у металла);
• прочность, сопоставимая с изделиями из стали;
• стойкость к воздействию влаги и химически активных веществ;
• отсутствие коррозии;
• срок службы, заявляемый производителями – до 150 лет.

В соответствии с прогнозами аналитиков, в ближайшие 10 лет объем применения нанотехнологий в строительной отрасли увеличится на 35-50%. В первую очередь это коснется специальных красок, самоочищающихся поверхностей, фасадных систем и напольных покрытий. Особые перспективы имеют энергосберегающие материалы, способные накапливать солнечное тепло и свет, что позволяет достичь существенной экономии на регулировании внутренних условий жилых и производственных помещений

Источник: dwgformat.ru