Нанотехнологии не только позволяют получать новые продукты с уникальными свойствами, но и повышают эффективность материалов, проверенных веками. Их применение трансформирует строительную отрасль, позволяет улучшить качество жизни и приносит экономическую выгоду. Plus-one.ru рассказывает о том, какую роль играют нанотехнологии в строительстве.
В конструкции церкви «Щедрый в милосердии» в Риме использованы наноматериалы, отталкивающие пыль и грязь
Зачем нужны наноматериалы в строительстве
Более 20% строительных компаний в развитых странах используют нанотехнологии в производстве строительных материалов. С помощью наночастиц можно создавать покрытия, способные имитировать разные фактуры, отталкивать загрязнения, уничтожать бактерии и предотвращать коррозию, делая здания и сооружения более долговечными.
Применение наноматериалов также важно с точки зрения энергосбережения. Исследователи выяснили, что в США около 41% всей произведенной энергии уходит на отопление, кондиционирование и освещение зданий. Нанотехнологии позволяют аккумулировать солнечную энергию, защищать сооружения от потери тепла, а также повышать эффективность электрооборудования.
Нанотехнологии в электронике
Структура и свойства наноматериалов
Основы нанотехнологий — изделия, покрытия и прочие материалы, в структуре которых есть зерна (области с определенным расположением атомов) размером до 100 нанометров (10 −7 м). Благодаря изменению промежутков между атомами материалы получают новые оптические, механические, магнитные и электрические свойства.
Высокая способность к деформации
Сверхпластичные стройматериалы могут растягиваться в десятки раз при низких температурах. Сверхпластичность позволяет уменьшить количество деталей при строительстве и конструировании, упростить процесс сборки, повысить качество изделий.
Магнитные свойства
Новый вид магнитомягких наноматериалов был разработан инженерами японской компании Hitachi Metals. Материал с повышенными магнитными свойствами был запатентован в 1986 году и уже через несколько лет стал использоваться для разработки реакторов и трансформаторов различного назначения.
Повышение огнестойкости
Наноразмерный порошок силикатной глины, включенный в состав пластмасс, повышает их огнестойкость. Он замедляет процесс горения вплоть до самозатухания пламени, препятствует выделению сажи, монооксида углерода и других вредных веществ. В отличие от остальных наполнителей, повышающих огнестойкость, нанодобавки практически не снижают прочность и не ухудшают другие физические характеристики полимеров.
Способность к самоочищению
Цементосодержащие наноматериалы, на которых не задерживаются пыль и грязь, были впервые применены в 1996 году при строительстве церкви Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии») в Риме. Застройщику удалось возвести уникальную конструкцию в виде трех белых лепестков из железобетона и стекла. Используемый материал не только отличается высокой прочностью, но и отталкивает загрязнения. Такой эффект был достигнут путем добавления в цемент наночастиц диоксида титана.
Что такое нанотехнологии?
Когда солнечные лучи падают на стены церкви, диоксид титана запускает химическую реакцию, в ходе которой бактерии и грибки разлагаются на воду и соли. Поверхность наноцемента является гидрофильной: вода равномерно растекается по ней и смывает частицы грязи, а не собирается в виде капель.
Классификация строительных наноматериалов
Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве делятся на четыре категории. В первую входят изделия с малым числом структурных элементов (нанопорошки, нановолокна, нанотрубки, нанопленка и др.). Во вторую — малоразмерные изделия от 1 микрометра (10 −6 м) до 1 мм (нанофольга, нанопроволока, наноленты). Третья категория — это массивные стройматериалы.
Они делятся на два класса: однофазные (например, стекло) и многофазные (сложные металлические сплавы). Четвертая категория — это композиты, в состав которых входят компоненты наноматериалов из двух первых категорий.
К основным видам современных наноматериалов относят:
Нанобетон. Это разновидность бетона с добавлением наноинициаторов — добавок, повышающих его прочность вдвое. Согласно расчетам, нанобетон может прослужить до 500 лет. Этот материал применяется при возведении мостов, атомных электростанций и небоскребов.
Наносталь. Не имеет аналогов по прочности, оптимально подходит для строительства гидротехнических сооружений и дорожных объектов. А чтобы защитить стальные конструкции от коррозии и многократно увеличить срок их службы, используются нанопокрытия из полимеров и композитов.
Наностекла. Они могут уничтожать 99,9% бактерий, соприкоснувшихся с поверхностью. Эффект достигается благодаря ионам серебра, нарушающим метаболизм микроорганизмов. В Европе выпускают флоат-стекла — они изготовлены путем термического формования расплавленного металла и напыления из наночастиц. Благодаря такому покрытию вода свободно стекает по поверхности стекла, смывая загрязнения.
Нанопленка. Цветная пленка, нанесенная на оконный профиль, визуально придает раме 3D-объем. Такой эффект достигается благодаря бриллиантовым краскам в ее составе, создающим на поверхности микропоры. Также изготавливают нанопленку, отражающую до 80% инфракрасных лучей. Она защищает помещение от перегрева, снижая затраты энергии на кондиционирование.
Нанокомпозиты. Нанокомпозитные трубы используются для систем газоснабжения, отопления и водоснабжения. Композитная арматура из стеклопластика весит в четыре раза меньше арматуры из стали. Кроме того, она отличается повышенной прочностью, устойчивостью к коррозии и низкой теплопроводностью.
Наноматериалы добавляют в сталь, полимеры, сплавы и смеси для повышения прочности и придания им новых свойств
Материалы будущего: углеродные нанотрубки и фуллерены
Фуллерены — это молекулы размером 0,7 нанометра (миллиардной доли метра) в виде замкнутого многогранника из атомов углерода. В зависимости от числа атомов они напоминают мяч для футбола или регби. Фуллерены добавляют в сталь, полимеры, чугун и керамику для придания им новых свойств или улучшения характеристик.
Нанотрубки — это сверхпрочные полые стержни и нити диаметром около нанометра. Их поверхность образована атомами углерода, расположенными в вершинах правильных шестиугольников. Из углеродных нанотрубок изготавливают крепкие и легкие композитные материалы для строений и мостов, детали летательных аппаратов и т. д. А если их добавить в полипропилен или алюминий, эти материалы станут вдвое прочнее.
Фуллерены и углеродные нанотрубки производят в промышленных масштабах, на мировой рынок их поставляют Германия, Швейцария, Япония и США. Широкому применению этих наноматериалов в строительстве мешают их высокая себестоимость и ограниченность размеров. Например, максимальная длина углеродных трубок — 1 см.
Почему нанотехнологии называют победой над болезнями и загрязнением природы
Как их используют для решения экологических проблем
Примеры применения нанотехнологий в строительстве
Несмотря на то, что современные нанотехнологии и наноматериалы активно внедряются в строительную отрасль, пока их доля не превышает 1%. Но на них возлагаются большие надежды, ведь наноматериалы способны не только улучшить качество объектов, но и сократить потребление ресурсов.
К примеру, в Китае было создано нанопористое покрытие для стен, сохраняющее тепло зимой и охлаждающее помещение летом. Такой пленкой с «эффектом термоса» покрыты стены Шанхайского музея науки и технологий. Специалисты прогнозируют, что в будущем этот материал начнут применять и при строительстве жилых районов, с целью сбережения ресурсов и уменьшения загрязнения природы.
Ученый Сэмюэл Кистлер из штата Калифорния разработал прозрачный наногель (аэрогель) — самое легкое твердое вещество в мире, его прозвали «застывший дым». Брусок аэрогеля на 99,8% состоит из воздуха, поэтому его вес практически не ощутим. Одним граммом аэрогеля можно покрыть футбольное поле.
Аэрогель чаще всего применяется для теплоизоляции зданий, так как воздух, которым он насыщен, плохо проводит тепло. Например, аэрогелем покрыты трубы газопровода в Европе. Сейчас ученые совершенствуют этот материал, ищут способы удешевления его производства.
Задачи и перспективы нанотехнологий в строительстве
Одним из перспективных направлений считается создание защитной нанопленки для дороги. Она представляет собой эмульсию из битума, минералов, воды и измельченного щебня. Застывая, смесь образует довольно прочное покрытие. Главное преимущество нанопленки в том, что движение по дороге может быть восстановлено уже через несколько часов после ремонта.
Еще один плюс — возможность нанесения смеси на влажные поверхности. Но у нанопленки есть и недостатки. Например, она не подходит для ремонта поверхностей с большими разрушениями, ее нельзя применять при температуре воздуха ниже 17 °C.
В России развитием наноиндустрии занимается государственная группа компаний «Роснано». Сейчас усилия ее специалистов направлены на создание технологий, позволяющих повысить скорость и качество строительства. При этом все используемые материалы должны быть экологичными и безопасными для здоровья. Компания работает над усовершенствованием нанодобавок, позволяющих создать прочные и легкие металлоконструкции, улучшить свойства бетона и асфальта. В планах Роснано — создание уникальных композитных материалов с углеродными нанотрубками.
Кроме того, ученые работают над созданием фундамента с контролем усадки грунта, ограждений, выполняющих функции солнечных батарей, и даже покрытий, способных определять физическое и психическое состояние людей.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.
Источник: plus-one.ru
Преимущества применения наноматериалов в строительстве
Коновалов, Е. С. Преимущества применения наноматериалов в строительстве / Е. С. Коновалов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 25 (367). — С. 118-120. — URL: https://moluch.ru/archive/367/82601/ (дата обращения: 07.10.2022).
Рассматриваются вопросы применения наноматериалов в строительстве.
Ключевые слова: наноматериал, нанотехнологии, строительство.
Современное развитие строительных материалов тесно связано с внедрением различных наноматериалов — созданием новых и развитием существующих, способов их переработки, созданием изделий с новыми свойствами.
Используемые материалы, изготовленные на основе нанотехнологий:
Наномодифицированный бетон делится на следующие типы: легкий наномодифицированный пенобетон, наноулучшенный бетонный растров нормальной консистенции, а также наномодифицированные бетоны высокой прочности. Легкие пенобетоны используются в качестве жилищного строительства и возведения межкомнатных стен. Для возведения мостов, дорог и подобных сооружений требуется высокий запас прочности, поэтому в данном случае применяют наномодифицированные бетоны средней плотности. При возведении больших сооружений, например небоскребов, используют нанобетон высокой и очень высокой прочности [1].
Наномодифицированная сталь отличается очень высокой прочностью и вязкостью. На данный момент она не имеет аналогов по данным параметрам. Применение наностали для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов, является самым идеальным вариантом из существующих. В наше время нанотехнологии в строительстве дают возможность создавать полимерные и композитные нанопокрытия для стальных конструкций, что позволяет повысить стойкость к коррозии и, в общем, увеличить срок службы металла в агрессивных средах в десятки раз.
В настоящее время в строительстве применяются новые теплоизоляционные материалы, что достигнуто благодаря выдающимся свойствам наноматериалов, красок, эмалей, лаков, эпоксидных смол и многого другого. Самым главным открытием в сфере нанопокрытий стала «имитация эффекта лепестков лотоса», которые в свою очередь неуязвимы для воды.
После данного достижения в Китае построили здание в виде яйцеобразного купола, который создан из стекла и титана, а также обработан нанопокрытием. Оно устойчиво к загрязнениям и абсолютно гидрофобно. Также одним из актуальных направлений применения наноматериалов является энергосбережение.
Очень актуальным направлением является применение наномодифицированных покрытий в сфере энергосбережения. К примеру, полупрозрачные нанопокрытия имеют свойство накапливать солнечную энергию. Эти пленки применяют на окнах и стенах зданий, что придает фасадам помимо стильного вида энергоэффективность. В данном случае нанопокрытия работают как солнечные батареи, которые в значительной мере снижают расходы на электрическую энергию [2].
Существуют такие наноматериалы, как аэрогели (прозрачные наногели). Они обладают такими характеристиками, как звуко- и теплоизоляция. Их применяют в кровле в домах со вторым светом.
Большим спросом среди нанопокрытий пользуются самоочищающиеся покрытия и краски для стен, которые очень устойчивы к агрессивным климатическим перепадам. Она способна восстанавливать нанесенные повреждения, что делает ее практически вечной.
Есть такие конструкционные материалы, которые имеют полимерную, металлическую или керамическую матрицу. Известный пример таких композитов — это углепластики, которые являются композитами, имеющими углеволокна с полимерной матрицей.
Отдельно хочется обратить внимание на наномодифицированное стекло, которое способно убивать попадающие на него микробы и грибки. Происходит это из-за того, что в слои стекла, которые находятся на поверхности, внедрены ионы серебра. Контактируя с ними, у микроорганизмов разрушается обмен веществ и они погибают.
По статистике данное стекло убивает более 99 % бактерий, которые устойчивы к антибиотикам. Главное преимущество стекла, что со временем свойства стекла не исчезают. Данный наноматериал актуален для использования в больницах, ванных комнатах и домах, которые расположены вблизи заводов или оживленной дороги.
При напылении специального состава с наночастицами TiO2 на не остывшее флоат-стекло, то после того, как оно остынет, покрытие будет обеспечивать гидрофилизацию. Стекло не будет загрязняться. Эти наностекла применяют в Европе, хотя их стоимость очень высока.
Анализируя структуру наноматериалов и их связь с токсичностью, создается проблема экологии. Отсюда следует, что очень необходимо принимать во внимание то, как повлияют на наноматериалы в течение жизненного цикла химические, физические, а также различные биологические факторы. Надо понимать, как это может влиять в плане хронического воздействия на организмы. Весьма важно изучать наноматериалы и их стабильность в различных условиях, проверить влияние окружающей среды на токсичность. К примеру, наночастицы, которые входят в состав различных строительных материалов, не должны вымываться и впоследствии распыляться в воздух после дождя или от влаги.
Будущее строительной индустрии очень связано с развитием нанотехнологических подходов, то есть от внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на структурообразование, начиная с наноразмерного уровня. Результатом данного подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, которые отвечают современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения [3].
Таким образом, отсюда можно сделать вывод, что огромную роль играет применение наноматериалов в строительстве не только из-за улучшения свойств, но и с точки зрения экологии и энергосбережения. В развитых странах большое количество энергии потребляется промышленными зданиями и жилыми домами, а наноматериалы в свою очередь способны повысить их энергоэффективность. Наноматериалы упрощают жизнь и могут применяться для улучшения термических свойств, повышения эффективности передачи энергии, освещенности. К энергосбережению косвенным путем приведет и увеличение срока службы материалов за счет улучшения их прочностных характеристик.
- Источник: jurnalstroyka.ru/nanobeton
- Источник: scienceforum.ru/2019/article/2018013897
- Источник: scienceforum.ru/2016/article/2016024354
Основные термины (генерируются автоматически): наноматериал, высокая прочность, материал, наномодифицированная сталь, наномодифицированный бетон, строительство.
Источник: moluch.ru