Нанотехнологии (НТ) должны стать мощным импульсом для развития научно-технического прогресса во всем мире. Уже сейчас ученые создают прорывные технологии, а промышленники приступают к производству материалов с недоступными до сих пор свойствами. Предприятиям стройиндустрии удалось добиться серьезных успехов в изготовлении новых строительных материалов на основе портландцемента: бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей.
Основные понятия нанотехнологий были представлены в статье «Близкое нанобудущее» (см. журнал «Руководитель строительной организации», 2011, N 1). Напомним, что началом интенсивного развития НТ считают 1984 г., когда был открыт фуллерен — новая форма существования углерода, самая знаменитая до настоящего времени наночастица (НЧ). Открывшие ее ученые были удостоены Нобелевской премии. Возможно, в скором времени первое место по известности займет другая НЧ, точнее наноструктура, — графен, за открытие которого в 2010 г. тоже была присуждена Нобелевская премия.
Удобный город. Нанотехнологии в строительстве
В 1991 г. был открыт еще один вид углеродных НЧ — нанотрубки, совокупность выдающихся свойств которых превзошла таковую для фуллерена. В эти же годы стал известен вид углеродных НЧ, получивших название «наноалмазы детонационного синтеза». В настоящее время основным видом НЧ, используемых для наномодифицирования изделий из портландцемента, являются их углеродные представители (кроме наноалмазов).
В индивидуальном виде и фуллерен, и нанотрубки — очень дорогие вещества, строителям они не по карману. Однако благодаря усилиям российских ученых удалось получить так называемые фуллероиды — НЧ значительно более дешевые, но почти столь же эффективные, как фуллерен. Их использование позволяет получать цементные изделия с лучшими показателями при меньшей стоимости.
При изготовлении современных наноматериалов на основе портландцемента (бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей) введение в исходные цементные смеси очень небольшого количества наночастиц различных веществ способно заметно улучшить показатели свойств изделий. Такие НЧ получили название наномодификаторов (НМ), а их использование — наномодифицирования.
Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО) с 2008 г. ежегодно организует международные форумы, посвященные НТ, а в их рамках — выставки конкретных достижений в этой сфере. В ноябре 2010 г. был проведен уже третий такой форум. Ниже будут описаны наиболее яркие отечественные экспонаты, разработанные для строительной отрасли.
Нанобетон с наноармированием
Первых успехов наномодифицирования бетонов добился исследователь из Санкт-Петербурга А.Н. Пономарев с сотрудниками. Им был создан водорастворимый аналог фуллерена «Астрален-С», специально предназначаемый для цементных материалов. Он представляет собой порошок с насыпной плотностью 600 — 900 кг/куб. м. Каждая его крупинка является кластером, построенным из наночастиц. Средний размер кластеров 300 нм.
Нанотехнологии в строительстве
Введение «Астралена-С» в цементные смеси в количестве 0,15% от массы цемента позволяет повысить их подвижность от П1 до П5, заметно увеличив прочность.
На основе «Астралена-С» был разработан «Астрофлекс-РК» — наноструктурированный неорганический ремонтный композит на водной основе. Его предназначение — быстрый ремонт взлетных полос аэродромов, железнодорожных железобетонных шпал, путей метрополитена, а также других подобных объектов.
Через два часа после использования прочность «Астрофлекса-РК» достигает 20 +/-2МПа, через 12 часов — 30 +/-5МПа, через 36 часов — 40 +/-5МПа.
Петербургские разработчики создали также «Астрофлекс ГП-1» — материал, проявляющий свойства гиперпластификатора. Производится он в виде порошка и 30%-ного водного раствора. Вводить его надо в количестве 0,15% от массы цемента. Подвижность смеси при этом повышается от П1 до П5. Увеличивается также прочность, снижается водопроницаемость изделий, изготовленных из смесей с этой добавкой. «Астрофлекс ГП-1» предназначен для использования в гидротехнических, дорожных и самоуплотняющихся бетонах, в том числе в железобетоне заводского изготовления и цементно-песчаных смесях.
Очень интересной разработкой А.Н. Пономарева является модифицированная астраленами базальтовая микрофибра (МФ), предназначенная для дисперсного армирования бетонов вместо прутковой стальной арматуры или дисперсного армирования стальной фиброй.
Введение МФ позволяет получить двойной эффект. Во-первых, МФ становится дисперсной арматурой для бетона, а дисперсное армирование эффективнее традиционного — прутковой арматуры. Во-вторых, с помощью МФ легче равномерно распределять в бетонной смеси НЧ астраленов.
С использованием такой микрофибры уже уложены сотни кубометров бетонных смесей различного назначения, в частности при строительстве моста через Волгу в г. Кимры Тверской области. Бетон там использован легкий (плотность 1,6 т/куб. м, но прочность его была высокой: на сжатие до 60, на растяжение до 6 МПа). Морозостойкость также высокая (F300). Великолепны и водопроницаемость (W16 — 20), и водопоглощение (менее 1%).
Возможной областью строительства, где применение модифицированной базальтовой МФ и водорастворимых астраленов окажется эффективным и масштабно востребованным, станет производство наноструктурированных пено- и газобетонов. Эксперименты с такими материалами показали, что при изготовлении из них блоков стандартного размера будут достигнуты следующие результаты:
- заметное увеличение выхода годных блоков вследствие повышения трещиностойкости и прочности на сжатие;
- сокращение производственного цикла;
- снижение плотности на 8 — 10% при одновременном повышении технико-экономических показателей.
Заметных успехов в наномодифицировании бетонов добилась и другая группа исследователей из Санкт-Петербурга под руководством профессора Ю.В. Пухаренко. Ею разработан эффективный наномодификатор, позволяющий при расходе 1,4 кг на 1 куб. м бетонной смеси увеличить подвижность последней на 20 — 25%, повысить морозостойкость и водонепроницаемость бетонов до полутора раз и снизить стоимость бетона на 200 руб. за 1 куб. м.
Модификатор «Таунит»
Еще одним экспонатом выставки был наномодификатор «Таунит» (Тамбовский университет), разработанный и запущенный в промышленное производство совместными усилиями сотрудников Тамбовского государственного технического университета, ООО «Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения», ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова». Производителем «Таунита» в настоящее время является ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов.
Получают «Таунит» каталитическим пиролизом углеводородов, при этом образуются твердые углеродные наномасштабные нитевидные образования преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом. Установлено, что добавление сверхмалых (0,001 — 0,0001%) доз «Таунита» в цементные смеси позволяет в полтора раза повышать прочность бетонов. Эффективен «Таунит» и как модификатор полиэтилена, полипропилена, полиуретана, фторопласта (в 1,5 — 3 раза повышает прочность этих полимеров), клеев, лакокрасочных материалов (увеличивает адгезионную прочность, теплостойкость), гальванических, хромовых, цинковых покрытий (повышает твердость, износостойкость, снижает пористость).
Ныне всем известно о негативном влиянии на человека электромагнитных излучений. Введение «Таунита» в материалы, предназначаемые для поглощения этих излучений, позволяет усилить экранирующую способность.
«Таунит» понравился даже японцам, которые являются лидерами в нанотехнологической гонке. Одна из японских фирм закупила у тамбовчан реактор синтеза «Таунита». Еще один такой реактор закупила Украина, а в России второй реактор смонтирован в г. Владимире.
Простое повышение прочности
Необычные НЧ создали инженеры из Научно-образовательного центра химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН, Ижевского государственного технического университета и ОАО «Завод «Купол». Эти частицы представляют собой металлы (железо, кобальт, медь, никель), включенные в оболочку углерода. Такие НЧ оказались особенно эффективными для нанобетонов: повышают в два раза их прочность и трещиностойкость, снижают усадку. А вводить их надо в количестве 0,001 — 0,01% по отношению к цементу.
НПО «Стеклопластик» из Московской области разработало бетон, получаемый из портландцемента, традиционных заполнителей и наномодификатора (его суть — ноу-хау), добавляемого в количестве 0,01 — 0,02% к массе цемента, и воды, но не обычной, а структурированной ультразвуковой обработкой.
Такой бетон уже в семисуточном возрасте приобретает прочность 47 — 50 МПа. Окончательная его прочность — около 100 МПа против 50 — 60 МПа для бетона того же состава, но приготовленного без наномодификатора и на обычной воде.
В Военно-инженерном институте (г. Санкт-Петербург) с использованием там же изобретенных наномодификаторов удалось создать ремонтный бетонный состав, набирающий необходимую прочность уже через 8 — 10 часов.
Примечание. Быстрый набор прочности цементными смесями особенно важен при необходимости аварийно-восстановительных работ на местах, взлетно-посадочных полосах аэродромов, развязках на автомобильных дорогах. Чем быстрее здесь будут проведены работы и чем раньше на восстановленные покрытия можно будет дать эксплуатационную нагрузку, тем меньшими будут экономические потери, величина которых не сопоставима со стоимостью затрачиваемых материалов.
Серьезной проблемой для России в настоящее время является разрушение мраморных скульптур, изваяний под воздействием кислотных дождей, отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Особенно остро эта проблема стоит для Санкт-Петербурга, где мраморных скульптур великое множество. Видимо, поэтому наиболее совершенный на сегодня способ защиты мраморных изделий от разрушения под воздействием атмосферных факторов разработали петербургские ученые. Он заключается в том, что на предварительно очищенную от загрязнений поверхность наносят суспензию фуллероидов в воде, а затем — кремнийорганический гидрофобизатор. Подложка из фуллероидов ингибирует разрушение гидрофобизирующей пленки, происходящее под воздействием солнца, и срок ее службы возрастает в несколько раз.
Теплоизоляционные бетоны
В рамках Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова создан НИИ «Наносистемы в строительном металловедении», который уже выдал «на-гора» немало новинок в сфере наноматериалов строительного предназначения.
Одной из наиболее интересных среди них является гранулированный наноструктурирующий заполнитель, предназначаемый для производства конструкционных бетонов, обладающих повышенными теплоизоляционными свойствами.
Использование таких заполнителей позволяет получать легкие бетоны с плотностью 1100 — 1400 кг/куб. м общей пористостью до 85%, причем 75 — 80% пор являются закрытыми, то есть не поглощающими воду. Поэтому, несмотря на существенное уменьшение плотности, водопоглощение бетона снизится в два раза по сравнению с бетонами на основе традиционных легких заполнителей.
Наряду с этим заполнитель, почему он и называется наноструктурирующим, активно воздействует на цементную матрицу, увеличивая долю наночастиц в продуктах гидратации цемента.
Разнообразные свойства микрокремнезема
Наряду с углеродными НЧ в последние годы при производстве материалов на основе портландцемента во всевозрастающих объемах стали использовать НЧ диоксида кремния. Эти НЧ несколько менее активны, чем углеродные, зато они несравненно дешевле. Более того, одна из разновидностей данных НЧ — микрокремнезем (МК) — образуется как побочный продукт при производстве элементного (металлического) кремния и ферросилиция. Хотя в основном этот продукт состоит из частиц, размеры которых лежат в коллоидном диапазоне, в нем немало и частиц наноразмерного диапазона.
За рубежом МК используют уже около 30 лет, прежде всего при сооружении высотных зданий. В России с недавнего времени после обстоятельных исследований, проведенных в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (г. Москва), МК также начали применять в заметных объемах. Его рекомендовано использовать по следующим наиболее рациональным направлениям:
- при изготовлении несущих и ограждающих конструкций для транспортного, промышленного и гражданского строительства, в том числе подземных и гидротехнических сооружений;
- при возведении монолитных железобетонных массивов с модулем поверхности менее трех, к которым предъявляются требования по обеспечению пониженной кинетики тепловыделения;
- при строительстве конструкций из бетонов низкой проницаемости (марок по водонепроницаемости W16 — W20), повышенной коррозионной стойкости (без вторичной защиты) и морозостойкости при одновременном обеспечении высокой прочности;
- при изготовлении конструкций из бетонов высокой (классы В45 — В60) и сверхвысокой (классы выше В60) прочности, изделий из пластичных бетонных смесей;
- при необходимости обеспечения высокой ранней прочности (на уровне 25 — 30 МПа в возрасте 1 — 2 суток), достаточной для распалубки конструкций и их нагружения;
- при возведении специальных конструкций с использованием высокопластичных нерасслаивающихся бетонных смесей;
- при возведении преднапряженных железобетонных конструкций с учетом возможностей ранней передачи напряжений с арматуры на бетон;
- при устройстве высокоплотных и прочных защитных покрытий способом пневмобетонирования («мокрого» торкретирования) и при ремонтно-восстановительных работах на ответственных сооружениях;
- при возведении уникальных конструкций и сооружений из высокопрочного и сверхвысокопрочного дисперсно-армированного бетона (фибробетона);
- при устройстве сооружений из бетона сверхнизкой проницаемости для консервации и захоронения отходов, в том числе радиоактивных.
Отметим, что использование этого наноматериала позволяет получить бетон с расходом цемента 200 — 450 кг/куб. м и следующими характеристиками: марочная прочность М300 — М1000, водонепроницаемость W12 — W16, морозостойкость F200 — F600 и даже F1000, коррозионная стойкость не ниже чем у сульфатостойкого цемента.
При использовании МК появляется возможность экономить до 25% цемента в бетонах без потери их технологических свойств.
Средство против трещин
Еще более эффективным, чем МК, наномодификатором бетонов на основе портландцемента является кремнезоль (КЗ). Он представляет собой водный коллоидный раствор диоксида кремния. Другими словами, это взвесь в воде частиц диоксида кремния.
Исследованиями, проведенными в Университете путей сообщений (г. Санкт-Петербург), установлено, что введение КЗ в количестве 1% от массы цемента позволяет повысить прочность при сжатии и изгибе до 50%, а также долговечность изделий.
Установлено, что КЗ оказывает на цемент тройное воздействие — усиливает гидратацию, блокирует поры, то есть снижает водопроницаемость, увеличивает клеящую способность.
Исследования по ГОСТ 5802-86 показали, что водопоглощение при возрастании в бетоне количества КЗ от 0 до 0,45% снижается с 23 до 2,5%. При этом, как установлено с помощью прибора «ВидеоТест», уменьшается размер пор.
Физико-химическими методами исследования определено, что в присутствии КЗ повышается глубина гидратации цемента, а с помощью дифференциально-термического анализа установлено, что в присутствии указанной добавки количество химически связанной воды увеличивается на 26%. Этот вывод подтверждают данные калориметрических исследований, показавшие, что общее количество теплоты, выделяющееся за 72 часа, с КЗ на 17% выше.
Исследование трещиностойкости производилось по косвенной оценке — отношению прочности при изгибе к прочности при сжатии. Установлено, что для всех видов цемента в присутствии 0,3% КЗ происходит повышение прочности и при сжатии, и при изгибе.
В Санкт-Петербурге КЗ, производимый ООО «НПП Голдтар» под названием «Укрепляющая пропитка «Голдтар», уже давно используют для укрепления поверхностного слоя пористых каменных материалов (бетона, кирпича, штукатурки, шифера). Установлено, что одновременно повышается стойкость поверхности изделий к кислотам, абразивному износу, газовой коррозии. Используют КЗ и для устройства бетонных промышленных полов, взлетных полос аэродромов, причалов, тоннелей.
Предварительное пропитывание кремнезолем поверхности старого бетона перед нанесением свежего способствует повышению адгезионной прочности, а обработка им поверхности свежего бетона предотвращает образование микротрещин в процессе твердения. Обработка же зрелого бетона позволяет устранить уже образовавшиеся трещины.
Самоочищающиеся бетонные поверхности
К сожалению, наша страна, несмотря на вышеописанные примеры достижений в области нанобетонов, несколько отстала в этой сфере от зарубежья. Так, в Европе 1 декабря 2007 г. был дан старт амбициозному исследовательскому проекту «UNACON» стоимостью 1,1 млрд евро, целью которого является разработка многофункциональных нанодобавок для бетонов.
С этой целью сформирован синдикат научных и производственных предприятий. Координацию работ осуществляет «SF-Kooperation» из города Бремена. Партнерами синдиката являются два НИИ из Германии, университет из Австрии. Производственные предприятия представлены Европейским союзом малых и средних предприятий.
Одним из необычных направлений в исследованиях этого синдиката является создание бетонов с самоочищающимися поверхностями, чего предполагается достичь с помощью наноразмерного диоксида титана рутильной модификации, который является фотокатализатором, способным окислять до углекислого газа и воды на своей поверхности при освещении солнечным светом частицы органических веществ, составляющих загрязнения, обычно оседающие на фасадах зданий.
Фотокатализатор способен окислять и молекулы таких веществ, как пары бензина, оксид углерода, альдегиды, — то, что выбрасывает в воздух автомобильный двигатель, и разрушать тела микроорганизмов. Таким образом, бетонная стена, содержащая наночастицы фотокатализатора, будет не только самоочищаться, но и оздоравливать воздух в населенном пункте.
На ряде европейских заводов производство бетонных изделий с фотокатализатором уже начато. Отметим, что в России с использованием таких фотокатализаторов налажено производство бытовых очистителей и обеззараживателей воздуха.
Источник: nizstroy.ru
Проблемы нанотехнологии в строительстве
1. Кричевский Г.Е. Опасности и риски нанотехнологий и принципы контроля за нанотехнологиями и наноматериалами. [Электронный ресурс]. –М., 2012. URL:
3. VIII Международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии – производству» [Электронный ресурс]. – М., 2012. URL: http://www.nanotech.ru/fr-2011/ (дата обращения: 01.12.2012).
4. II Международная научно-практическая online-конференция «Применение нанотехнологий в строительстве» [Электронный ресурс]. – М., 2011. URL: http://www.nanonewsnet.ru/nanobuild-2011 (дата обращения: 06.12.2012).
5. Компания: Research.Techart Маркетинговое исследование рынка нанопорошков (вер. 5) [Электронный ресурс]. – М. 2005–2010. – URL: http://www.rusnanonet.ru/goods/68306/ (дата обращения: 06.12.2012).
Строительство – одна из отраслей промышленности, где разработкам инноваций отведено значительное место. Особое внимание уделяется созданию наночастиц и нанопорошков, которые являются одним из наиболее развитых сегментов в наноиндустрии. Строительство, как отрасль, со всем своим многообразием материалов, имеет высокий потенциал для использования нанопорошков. Они позволяют значительно улучшить характеристики бетона, стали, стекла, дерева и изоляционных материалов, или придать строительным материалам совершенно новые, уникальные свойства.
К примеру, при применении для наружных поверхностей, наночастицы диоксида титана разрушают органические загрязнители, летучие органические соединения и мембраны бактерий через мощные фотокаталитические реакции.
Наночастицы оксида цинка увеличивают полупроводниковые и пьезоэлектрические свойства материалов.
Наночастицы диоксида кремния значительно повышают прочность бетона на сжатие. Наносеребро тормозит размножение бактерий и грибков. А для создания электрохромных, или «умных» стёкол уже многие годы используются наночастицы диоксида вольфрама.
В ЕС, США и Японии, уже более двадцати процентов компаний застройщиков активно используют нанотехнологии. На российском рынке, материалы, в основу разработки которых легли нанотехнологии, применяются в строительстве достаточно ограничено. Они используются только единицами из числа самых прогрессивных компаний, несмотря на то, что исследования в этой области продолжают расти.
Участники VIII Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии – производству 2012» отмечают, что существует разрыв инновационного процесса между стадией разработки и стадией использования, пагубный для реализации задачи модернизации отечественной экономики.
Это обусловлено многими причинами: отстаёт создание общенациональной системы стандартов и технических регламентов в области нанотехнологий, что препятствует сертификации нанопродукции и нанотехнологических процессов; высокие затраты разработки и производства; недостаток знаний о подходящих наноматериалах для строительства и точное проявление их свойств при применении. Кроме того, пока что было проведено мало исследований в отношении безопасности наноматериалов для здоровья человека и окружающей среды. Все это свидетельствует об отсутствии надлежащего контроля в наносфере.
В России давно поднят вопрос о нормативных и программных документах, регламентирующих использование нанотехнологий, где просматривалась бы системная позиция государства или отрасли в области строительных нанотехнологий.
В настоящее время не существует государственных нормативных документов в этой области. Технические комитеты CEN/BTWG 166 «Нанотехнологии», ISO/TC 229 «Стандарты в области нанотехнологий», Комитета ASTM Е 56, Технические комитеты Американского национального института стандартов уже активно работают в этом направлении.
Перспективы развития наноиндустрии выявляют достаточно тревожные вопросы, связанные с небезопасностью наноматериалов. Нанопорошковые материалы вследствие своих малых размеров легко проникают в биологические ткани, являясь тем самым одной из самых потенциально опасных технологий.
Работа многих исследователей, студентов, аспирантов занятых в различных направлениях по созданию и изучению наноматериалов ведётся без каких-либо надлежащих мер. Все они могут быть объектами вредного воздействия наночастиц
Функцию выявления и оценки возможных рисков в России взял на себя Роспотребнадзор. Токсикологические исследования, разработку концепций и методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов и наночастиц выполняют научные центры гигиены им. Эрисмана, прикладной микробиологии и биотехнологии, вирусологии и биотехнологии «Вектор», а также профильные институты РАМН. В Европе решением проблемы небезопасности наноматериалов занимается Европейский Консорциум.
Многие международные и национальные экологические и профсоюзные организации, взволнованные различными аспектами воздействия нанотехнологий на здоровье человека, выработали и представили восемь основополагающих принципов, направленных на эффективный контроль над нанотехнологиями и наноматериалами, а также их адекватную оценку . Основные позиции связанные с безопасностью указаны в « Декларации-принципы контроля за нанотехнологиями и наноматериалами».
Использование нанопорошков в строительстве имеет огромный потенциал и обещает значительные технологические прорывы и экономические выгоды. Эта технология, при правильном подходе, способна решить множество проблем в строительной сфере и улучшить качество жизни населения. Но стоит сфокусировать внимание на проблеме безопасного использования подобных материалов, чтобы исключить в будущем серьёзные социальные и экономические проблемы.
Источник: top-technologies.ru
Нанотехнологии в строительстве
Основные направления исследований в строительном материаловедении. Использование нанотехнологического сырья в строительной индустрии. Описания электропроводящих нанокрасок, самоочищающихся покрытий, наногелей, наногвоздей. Состав и достоинства нанобетона.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.06.2015 |
| Размер файла | 21,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»
КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ И РОБОТОТЕХНИКИ
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
по дисциплине: МИКРО И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Руководитель Д.А.Волков
Санкт-Петербург 2015
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ
3. НАНОКРАСКИ
4. САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ
5. НАНОГЕЛИ
6. НАНОГВОЗДИ
7. НАНОБЕТОН
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Главным и перспективным направлением в развитии строительной индустрии являются разработки и внедрение достижений нанотехнологий. Ученые-теоретики и специалисты-практики утверждают, что нанотехнологии в ближайшее время могут значительно изменить современные технологии индустрии строительных материалов.
Промышленность строительных материалов и строительство, несмотря на их определенно консервативный характер, вынуждены все чаще сталкиваться с нанотехнологиями, которые называют «индустриальной революцией XXI века». Новые закономерности, новые методы испытаний и исследований создают значительный потенциал для создания высокотехнологичных продуктов и процессов, отличающихся гарантированными показателями надежности, развивают принципы получения современных «суперматериалов» — наноматериалов [1, 2].
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
Понимание явлений в наношкале. Без четкого понимания структуры и свойств новых материалов на наноуровне, а также влияния наноструктуры на макросвойства (например, в гидратации, усадке, старении, пластичности и т.д.) невозможно создавать инновационные строительные материалы с заданными и прогнозируемыми свойствами.
Создание высокотехнологичных конструкционных материалов. Исследования ведутся в области наноструктурной модификация 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.
Разработка нанопокрытий различного функционального назначения. В арсенале исследователей: функциональные тонкие пленки и нанопокрытия, многократно повышающие качества материалов — оптические и тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, препятствующие нанесению надписей на стенах и т.д.
Новые многофункциональные материалы и компоненты
Изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы.
Системы диагностики. Новые датчики, устройства и быстродействующие приборы, обеспечивающие улучшенный контроль состояния конструкций и условий окружающей среды.
Сегодня особое значение приобрели вопросы сейсмостойкости, способность выдерживать различные природные катаклизмы. Важное направление работ — мониторинг зданий и конструкций на предмет их стойкости и долговечности.
Экология, безопасность, энергосбережение и комфорт
Направления исследований: новые топливные ячейки, энергоэффективное освещение, специальная изоляция и застекление, самоочистка, и самовосстановление [3].
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ
Наука о нанотехнологиях молода, однако, 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. С давних времен человечество пользовалось наноматериалами при производстве стекла.
Самые прогрессивные последние достижения — это синтез новых форм углерода: фуллерен (С60) и углеродные нанотрубки. Изменения свойств за счет применения наномодификаторов делают возможным успешное развитие улучшенной каталитической способности, регулируемой чувствительности к определенной 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 суперпластичность, 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. Одна из первых коммерческих нанодобавок для бетона — Гаиа (Gaia), была разработана компанией «СиТехКогносибль» (SciTechCognoscible) с целью заменить микрокремнезем. Этот продукт поступает на рынок в жидком виде, что помогает обеспечить однородное распределение наночастиц SiO2 в бетоне. Его применение при дозировке 1,3% (по массе в сухом состоянии) обеспечивает повышение прочности бетона на сжатие в возрасте от 7 до 28 суток примерно в два раза.
3. НАНОКРАСКИ
В рамках космической программы Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) в Научно-исследовательском центре им. Эймса разработаны электропроводящие нанокраски. 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 емкости 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.
4. САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ
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:
1) Нанесение плёнки оксида титана в процессе изготовления стекла. Достоинством данного метода является высокая прочность покрытия — срок его службы совпадает со сроком службы стекла. Метод позволяет защищать активный слой оксида титана от возможного отравления катионами щелочных металлов путём нанесения промежуточного слоя оксида кремния. Также 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%.
2) 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. Основные требования — это устойчивость покрытия к механическим и химическим воздействиям и время эффективной эксплуатации покрытия.
Представленные технологии нацелены на разные секторы рынка — первый метод перспективен только для производства стекла, второй — для защиты других материалов.
5. НАНОГЕЛИ
Появление наногеля совершило настоящую революцию в строительном мире. Хотя он изобретён давно, в 1931 году Самелем Кистлером, именно он представил материал — наногель. Материал на 97% состоящий из газа и имеющий вес 75 г/ литр обладает довольно высокой твёрдостью (2 грамма геля способны выдержать груз весом до 2 кг).
Наногель, или аэрогель, представляет собой наноструктуированную пенку на основе силикона. Разрабатывется как теплоизоляция, обладающая высокой светопроводностью. Например, в стеклопакете с наногелем, потери тепла ниже в десять раз, чем в стеклопакете с воздухом или наполненном газом., и дневной свет рассеивается равномерно в глубь помещения, аэрогель при этом не нагревается, что повышает энергоэффективность конструкции. Такая теплоизоляционная характеристика, стеклопакетов, наполненных наногелем, позволяет им стоять в одном ряду с такими материалами как кирпич и бетон, при этом помогая снизить потребление электроэнергии для освещения помещения, за счёт прозрачности. Однако, технология производства стеклопакетов с наногелем пока не самоокупаемая.
6. НАНОГВОЗДИ
Наногвозди внешне похожи на ультрамикроскопические кремниевые структуры, которые по форме напоминают обычные гвозди, отсюда и возникло такое название данного материала. Наногвозди могут менять свои гидрофильные и гидрофобные (отталкивающие) свойства под действием электрического тока. По мнению разработчиков, наногвозди могут быть применены для создания самоочищающихся поверхностей и поверхностей, устойчивых к загрязнению. Применение нового материала может также способствовать уменьшению сопротивления при движении различных жидкостей в трубопроводах.
7. НАНОБЕТОН
нанотехнологический строительный материаловедение сырье
Недавно появившийся на рынке новый материал нанобетон мало чем отличается от обычных бетонных смесей. В его составе есть минеральное вяжущее, заполнитель и вода. Только в качестве пластификаторов применяются наноинициаторы, представляющие собой микроскопические полые трубки в несколько атомарных слоев углеродных полимеров.
Диаметр этих нанотрубок — всего несколько единиц микрон, но их прочность больше ста гигапаскалей. Их достоинством является невосприимчивость к щелочам и кислотам. Когда наноинициаторы взаимодействуют с цементом, они кристаллизуются, армируя бетон и на молекулярном уровне изменяя его структуру.
Нанобетон устойчив к высоким температурам, свои характеристики он сохраняет при температуре до 800 °С. Использование в бетоне наноинициаторов улучшает физико-механические характеристики материала, повышая прочность на 150%, а морозоустойчивость — на 50%. Нанотрубки, находящиеся в структуре облицовочных плиток из нанобетона, выделяют под воздействием кислорода атомарный кислород, имеющий бактерицидные свойства.
Так как изменение физической структуры нанобетона резко снижает потребность вяжущего составляющего в воде, это позволяет в шесть раз уменьшить вес бетонных конструкций и вероятность появления трещин. Внутреннее молекулярное армирование снижает потребность в армировании бетонной конструкции.
Наноинициаторы повышают сцепление бетона с металлом, при этом они на молекулярном уровне взаимодействуют даже со слоями, подвергшимися коррозии.
Рекомендуется использовать нанобетон при строительстве железобетонных конструкций от 74 м и при возведении объектов с повышенными требованиями к пожаробезопасности и сейсмоустойчивости. Благодаря плотной легкой однородной структуре, нанобетон не нуждается в гидроизоляции, а высокая прочность материала позволяет уменьшить объемы укладки нанобетона на 30%.
Так как готовые сооружения из нанобетона имеют меньший вес, чем конструкции из обычного бетона, для них не требуется мощный фундамент, а это позволят сократить стоимость строительства и трудозатраты.
Нанобетон со своими высокими физико-механическими характеристиками открывает новые возможности для проектирования и строительства. Этот строительный материал, изготовленный на основе прогрессивных нанотехнологий, отличающийся прочностью, легкостью, стойкостью к термическим перепадам, позволяет удешевить строительство новых объектов и облегчить реставрацию старых конструкций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как показывает практика, существует целый ряд проблем:
1) отсутствие опыта применения конструкционных материалов с нанокомпонентами в проектных организациях;
2) слабая информированность застройщиков о наличии различных технологий с использованием нанокомпонентов для строительной отрасли;
3) недостаточная степень мотивации к применению современных конструкционных материалов со стороны государственных заказчиков;
4) низкий технологический уровень производств конструкционных материалов, существующих в России;
5) низкий уровень технологической дисциплины на стройплощадках.
Решение этих проблем напрямую влияет на скорость внедрения новых нанотехнологий в строительстве.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1] Гусев Б.В. Проблемы создания наноматериалов и развития на- нотехнологий в строительстве // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2009. №2. С. 5-10.
URL: http // www.nanobuild.ru (дата обращения: 15.01.2010).
[2]. Ивасышин Г.С. Научные открытия в микро и нанотрибологии. Феноменологические основы квантовой теории трения // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010. № 4. С. 70-86. Гос. регистр. № 0421000108.
URL: http://www.nanobuild.ru (дата обращения: 22.10.2010).
[3]. Фаликман В.Р., действительный член РИА, профессор МГСУ// http://www.rusnanonet.ru
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Различные направления нанотехнологии. Проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин. Манипулирование материалами в атомном и молекулярном масштабах. Самоорганизующееся производство структур, объектов, материалов. Нанотехнологии Б-типа.
презентация [558,9 K], добавлен 24.05.2014
Греческий философ Демокрит как отец нанотехнологии. Финансирование наноисследований и наноразработок в мире. Программа «Военная наноэлектроника Вооружённых Сил РФ на период до 2010 года». Применение разработок в медицине, строительстве и машиностроении.
презентация [2,6 M], добавлен 23.11.2014
Широкое применение сварки в строительстве и на предприятиях строительной индустрии. Ее технико-экономические преимущества по сравнению с другими способами соединения металлических заготовок и деталей. Физическая сущность и основные способы сварки.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 07.11.2010
Цели и задачи материаловедения наносистем. Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии, ее особенности. Сканирующая туннельная микроскопия, наилучшее пространственное разрешение приборов. Виды и свойства, применение наноматериалов, технологии.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 05.05.2009
Состав гальванического покрытия и его использование для защиты деталей от коррозии и придания им красивого внешнего вида. Особенности применения и отличительные свойства анодных и катодных металлических покрытий. Сферы использования химических покрытий.
контрольная работа [930,4 K], добавлен 18.09.2009
Разработка метода нанесения покрытия на стеклянную, керамическую и металлическую подложку. Ознакомление с процессом выбора составов для адгезионного покрытия без токсического действия. Определение и анализ электропроводящих свойств у данных покрытий.
курсовая работа [458,0 K], добавлен 02.06.2017
Основные свойства наноматериалов, определяющиеся природой исходных молекул, размером наночастиц (степенью диспергирования) и средой диспергирования. Использование нанодобавок и нанопримесей. Анализ применения в дорожно-строительной индустрии Таурита.
Источник: otherreferats.allbest.ru
Проблемы и перспективы нанотехнологии в строительстве Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»
В работе представлен анализ проблем применения нанотехнологии в строительном материаловедении , сформулированы задачи, решение которых обеспечивает реализацию нанотехнологии в строительстве.
Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Королев Е. В.
К вопросу о развитии нанотехнологий производства строительных композитов в условиях рынка Дальневосточного региона России
Текст научной работы на тему «Проблемы и перспективы нанотехнологии в строительстве»
Королев Е.В. — доктор технических наук, профессор
Московский государственный строительный университет ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ АННОТАЦИЯ
В работе представлен анализ проблем применения нанотехнологии в строительном материаловедении, сформулированы задачи, решение которых обеспечивает реализацию нанотехнологии в строительстве.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нанотехнология, строительное материаловедение.
Korolev E.V. — doctor of technical sciences, professor
Moscow State University of Civil Engineering CHALLENGES AND PROSPECTS OF THE NANOTECHNOLOGY IN CIVIL ENGINEERING ABSTRACT
The review of the problems arising during practical application of the nanotechnology in material science is presented. The main goals are formulated, which have to be solved for successful application of nanotechnology in civil engineering.
KEYWORDS: nanotechnology, material science.
Проблемы и перспективы нанотехнологии в строительстве обсуждаются весьма широко. Результаты экспериментальных исследований и некоторый практический опыт призваны убедить общественность в перспективах и достижениях, которые ожидаются от применения структурообразования на атомно-молекулярном уровне. Попытки ряда исследователей [1, 2] сформулировать постановочные вопросы о перспективах и областях применения нанотехнологии в настоящее время не находят должного внимания в силу отсутствия надлежащего понимания сущности этой новой технологии.
Для нанотехнологии свойственны мифы и заблуждения [3, 4]. В нанотехнологии строительных материалов также имеются заимствованные и собственные заблуждения, которые порождают проблемы её понимания и применения.
Заблуждение № 1. Нанотехнология или нанотехнологии?
Существует мнение, что нанотехнологий много. Это первое и безобидное заблуждение, но которое также должно быть раскрыто. Разберемся в дефинициях.
Технология (от греч. techne -искусство, мастерство, умение и . логия), совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и другие закономерности, действующие в технологических процессах. Технологией называют также сами операции добычи, обработки, транспортировки, хранения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса [5].
Приставка «нано» -первая составная часть наименований единиц физических величин, служащая для образования наименований дольных единиц, равных миллиардной доле исходных единиц [6]. Отсюда можно заключить, что нанотехнология — это совокупность методов получения продукции (изделий) посредством организации вещества на наноуровне, который занимает особое положение на метрической шкале: между атомами (1. 3 А; 1 А = 10-10 м) и макромолекулами полимеров (10-5 м). Такие ансамбли атомов и молекул (в иностранной литературе используется термин «macromolecules») обладают свойствами, которые существенно отличаются как от свойств отдельных атомов (молекул), так и от свойств макротел. Кроме того, они обладают избыточной энергией, что позволяет существенно снизить затраты на проведение химических и
других процессов. Поэтому объект технологии, посредством которого организуется получение продукции, единственный — нанообъект, а приложений нанотехнологии может быть множество: в химии, металлургии, электронике, строительстве, энергетике и т.д. Таким образом, существует только нанотехнология со множеством приложений.
Заблуждение № 2. Нанотехнология начинается с размеров объектов меньше 100 нм
Классически нанотехнология имеет границы от 1 до 100 нм в одном из направлений. Этот условный размерный диапазон широк и требует уточнения размеров нанообъектов, при которых проявляется размерный эффект. Важно также понимать физическую причину возникновения размерного эффекта. Она заключается в следующем.
Все законы химии и молекулярной физики являются статистическими, т. е. проявляющимися точно только на большом количестве атомов или молекул. При этом не все атомы и молекулы обладают требуемыми характеристиками для выполнения рассматриваемого закона (например, ориентации дипольных молекул в магнитном поле). Число таких атомов или молекул пропорционально
(где N — общее количество атомов или молекул), а относительная доля с увеличением N уменьшается:
Это означает, что для больших групп атомов или молекул законы выполняются полностью и их отклонение незначительно или неопределимо, а для небольших групп (нанообъектов) отклонение от закона существенно и его величина возрастает с уменьшением объекта (рис. 1 а). Причем направленность отклонения не регулируется.
Средний размер, нм
Рис. 1. Определение верхней границы размера нанообъектов
Существует два подхода к определению верхней границы размеров нанотехнологии: феноменологический и структурный. Они предполагают определение относительного количества атомов на поверхности объекта (феноменологический подход) или количества ненасыщенных связей периферийных атомов (структурный подход). Проведем расчет соотношения количества атомов, располагающихся на поверхности нанообъекта, и в его объеме. Количество атомов на поверхности равно:
где Ь — линейный размер нанообъекта; а0 — эффективный размер атома; аъ — геометрический фактор нанообъекта.
Количество атомов в объеме нанообъекта равно:
Сопоставимые количества атомов на поверхности и в объеме достигаются при Ыао= или при N=1000. Аналогичные результаты получаются при структурном подходе (рис. 1 б) [7, 8].
Таким образом, существенные размерные эффекты можно наблюдать только при размерах нанообъектов менее 10 нм. Однако частицы такого размера сохраняют активность микро- и миллисекунды, а обеспечение их агрегативной устойчивости требует проведения специальных мероприятий (охлаждение до низких температур 50-100 К и/или применение специальных веществ и т.д.) [8]. Отсюда очевидно, что синтез материалов на основе таких нанообъектов в настоящее время может быть реализован только на весьма ограниченном перечне веществ (например, углероде [7]) и их применение ограничено специальными приложениями.
Заблуждение № 3. Утверждается, что применение нанотехнологии позволит получить лёгкие и прочные строительные материалы
Считается, что применение нанотехнологии позволит создать материалы, которые будут обладать высокой прочностью и малой средней плотностью. Эти два свойства связаны в показателе удельной прочности (единица измерения — [Дж/кг]) или в коэффициенте конструктивного качества К (единица измерения — [Па]). Прочность изотропного материала определяется количеством связей в единице объема N [9]:
где у — константа; /с — прочность единичного контакта.
Используя линейную аппроксимацию между координационным числом и плотностью упаковки, Я = / N) представим
27,25 / Р Рт -13,95
(здесь р — плотность материала; р/, рт — плотность структурного элемента и дисперсионной среды), из которого следует, что с увеличением плотности материала его прочность возрастает (рис. 2 а).
Рис. 2. Зависимость прочности материала от его плотности (а) и структура древесины (б)
Реализация сформулированного заблуждения возможна при организации направленных сотовых структур, аналогичных строению древесины (рис. 2 б). Элементами таких структур могут быть синтезированные наноуглеродные, алюмосиликатные и другие полые структуры (трубки). При этом длина таких трубок должна быть сопоставима с геометрическими размерами изделия.
Кроме того, материал с такой структурой будет обладать выраженной анизотропией, так как прочность трубок будет существенно превосходить прочность контакта между ними. Обеспечение разнонаправленного расположения структурных элементов на несколько порядков усложнит технологический процесс изготовления материала.
Безусловно, существуют и другие заблуждения, которые порождают трудности в изучении и продвижении нанотехнологии в строительстве. Однако возможность реализации и перспективность нанотехнологии в строительных материалах определяется идентичностью процессов, протекающих при получении материала, с процессами синтеза нанообъектов.
Внедрение нанотехнологии в строительство требует решения нескольких приоритетных задач, а именно:
1) Провести технико-экономическое обоснование внедрения нанотехнологии.
2) Установить влияние нанообъектов на здоровье человека.
3) Определить рациональную траекторию наноструктурирования строительных материалов.
Очевидно, что развитие нанотехнологии будет формулировать перед исследователями
новые задачи, которые направлены на получение новых знаний и преодоление возникающих технологических задач, что в совокупности будет характеризовать направленный поиск научно обоснованных инженерных решений. Указанные вопросы являются центральными, определяющими перспективы и области применения нанотехнологии в строительстве.
Задача № 1. Методология технико-экономической оценки внедрения нанотехнологии в строительство
Считается, что целесообразность внедрения разработки достаточно обосновывать только расчетом финансовых потоков. Этого критерия достаточно только при условии внедрения нового достижения, технические показатели которого не подвергаются сомнению. Отсутствие технического анализа увеличивает вероятность появления продукта, незначительно отличающегося по характеристикам от существующих изделий и являющегося их тиражированием, что может при внедрении нанотехнологии оказывать неблагоприятное влияние на мнение потребителя и, следовательно, на внедрение и продвижение этой технологии. Поэтому целесообразно при внедрении нанотехнологии проводить техникоэкономическую оценку. Для этого необходимо разработать критерий, позволяющий учитывать технические достижения и величину экономических затрат на внедрение технологии. Таким показателем является соотношение:
где Е — относительное изменение качества материала; С — относительное изменение стоимости технологии.
Относительные изменения должны рассчитываться с учетом ближайших аналогов -базовых технологий материалов:
где Ф к 1 — обобщенный критерий качества; С< 1 — стоимость технологии с учетом затрат на
внедрение, эксплуатацию и утилизацию; индекс «0» обозначает базовую технологию (материал).
Указанное соотношение фактически определяет эффективность вложения финансовых средств в новую технологию. В фазовом пространстве Е и С можно определить граничные значения, определяющие эффективность внедрения новой технологии (рис. 3).
Рис. 3. Технико-экономические эффекты в фазовом пространстве Е и С
Знаком «+» отмечены области достижений традиционных технологий: как правило, изменения Е или С незначительны. Знаком «??» обозначена область приоритетных технологий, для которых уменьшение стоимости технологии приводит к повышению качества материала -продукта технологии. В этой области указаны развивающиеся прогрессивные технологии. Такие
технологии на современном этапе также имеют незначительные изменения Е и С. Знаком «?» отмечена область, эффект которой определяется соотношением величин Е и С. Очевидно, что предпочтительны значения кес > 1. В этой области обозначены новые технологии, в том числе нанотехнологии. Отсюда верно, что развитие нанотехнологии потребует вложения средств, эффективность использования которых зависит от выбора базовой технологии (материала).
Очевидно, что предложенная методология оценки технико-экономической эффективности внедрения нанотехнологии определяет необходимость решения новых подзадач, а именно:
1) Разработать методики расчета экономических показателей, учитывающих весь жизненный цикл работы материала.
2) Сформулировать обобщенные критерии качества материала. Примером такого критерия может быть аддитивная функция, содержащая мультипликативные члены:
где аг- — коэффициенты весомости; / /* — фактическое и контрольное значение свойства; п — количество групп свойств (например, технологические, механические, теплофизические и т.д.); т — количество свойств, характеризующих группу свойств.
Все показатели, входящие в состав обобщенного критерия качества, должны быть сформулированы для каждого материала. Это потребует не только проведения классификации, но и разработки новых методик определения свойств материалов.
3) Установить значения свойств материалов /. Для решения указанной задачи необходима системная работа и консолидация усилий специалистов многих областей знаний, способных сформулировать требования к новым энергоэффективным и безопасным зданиям и сооружениям.
Задача № 2. Токсикологическое влияние нанообъектов на здоровье человека
Медицинские исследования, проведенные с применением наночастиц (3Б-объекты) различной природы (углеродные нанотрубки, фуллерены, наночастицы серебра и титана), на использовании которых базируются современные отечественные приложения нанотехнологии, показывают, что наночастицы могут попасть в организм человека различными путями: кишечножелудочный тракт, органы дыхания и др. Причём негативные эффекты от попадания нанотрубок превосходят результаты воздействия асбеста и кристаллического кремнезёма. То же выявлено при использовании наночастиц титана и серебра [10]. Отсюда очевидно, что синтез наночастиц, как самостоятельных объектов и являющихся продуктом, может привести к серьезным экологическим проблемам и существенным экономическим расходам. Поэтому рационально получать продукты, являющиеся лиофильными коллоидными дисперсными системами, дисперсионная среда в которых хорошо совместима с технологическими жидкостями, используемыми при производстве строительных материалов. Здесь также возникает несколько подзадач:
1) Подобрать способы и режимы обработки, обеспечивающие однородное распределение наночастиц по объему среды-носителя и строительного материала.
В настоящее время для гомогенизации дисперсных систем, содержащих наночастицы, используют ультразвуковую обработку*. При этом считается, что параметры и режим проводимой обработки обеспечивают получение однородных дисперсных систем. Очевидно, что для определения указанных характеристик необходимо иметь систему генерации звуковой волны с заданными параметрами и систему контроля эффективности воздействия. Для определения параметров звуковой волны, обеспечивающей диспергирование агрегатов наночастиц, необходима физическая модель процесса (рис. 4).
Библиография по указанному вопросу весьма обширна, см. например [11, 12].
Рис. 4. Влияние параметров звуковой волны на диспергирование агрегатов наночастиц: а) при 1 > Ьаг; б) при 1 < (здесь 1 — длины волны; — геометрический размер агрегата)
При длине звуковой волны больше линейного размера агрегата наночастиц воздействие ультразвука неэффективно (рис. 4 а). Например, при скорости распространения и=1500. 2000 м/с и частоте генерируемой волны V = 44 кГц (наиболее часто встречающиеся значения параметров) длина волны (при условии отсутствия дифракции, интерференции и отражения), а следовательно, минимальный линейный размер агрегата будет равен
Уменьшение длины волны, которое может также может происходить вследствие многократного отражения и преломления первоначальной волны, будет приводить к протеканию конкурирующих процессов: агрегирования и диспергирования (рис. 4 б).
При обработке ультразвуком могут возникать также более сложные явления, например, кавитация, генерирующая нерегулярное звуковое поле, в локальных зонах которого может возникать резонанс, приводящий к физическим и химическим преобразованиям в веществе (в частности, к дегазации, повышению температуры). Одновременно в других областях звукового поля могут генерироваться колебания наночастиц с фазовым сдвигом, что будет приводить к их агрегации [13]. Максимальная частота ультразвука для эффективного диспергирования нанообъектов размером 10-100 нм должна составлять 15-200 ГГц. Это область гиперзвука, который быстро поглощается средой-носителем, а энергия расходуется на преобразование вещества, в том числе активацию химических реакций. Необходимо отметить, что промышленных аппаратов, генерирующих такие частоты ультразвука, нет.
2) Подобрать вспомогательные вещества, обеспечивающие агрегативную стабильность коллоидных систем и удаляющиеся для реализации потенциала наночастиц. Необходимо отметить, что это наиболее эффективный способ повышения эффективности диспергирования и агрегативной устойчивости коллоидных и других дисперсных систем. Адсорбция на поверхности частиц молекул поверхностно-активного вещества приводит к снижению поверхностного натяжения а^ и улучшению смачиваемости поверхности твердого тела
где Qtg — поверхностное натяжение на границе раздела «твердая фаза — газовая фаза»; а^ -то же «твердая фаза — жидкость»; а^ — то же «жидкость — газовая фаза».
При этом молекулы поверхностно-активного вещества блокируют активную поверхность наночастицы и препятствуют использованию ее энергетического потенциала:
Е = лаг2 + кТ(С -С„), где а — поверхностное натяжение; г — радиус наночастицы; к — постоянная Больцмана; Т -температура; Сш — концентрация вакансий в макротеле; Сг — концентрация вакансий в наночастице:
здесь АУ — изменение объема кристалла при замене атома на вакансию.
Первое слагаемое характеризует вклад поверхностной энергии, а второе — вакансий. При нанесении поверхностно-активного вещества снижается поверхностное натяжение и, соответственно, энергетический потенциал будет уменьшаться пропорционально уменьшению этой величины. Поэтому важно подобрать вещества, которые удалялись с поверхности наночастиц.
Задача № 3. Определить рациональную траекторию наноструктурирования строительных материалов
Фактически существует две траектории наноструктурирования и наномодифицирования строительных композиционных материалов:
1) Введение в материал синтезированных нанообъектов.
2) Синтез нанообъектов в материале в процессе его изготовления.
Первая стратегия имеет очевидные преимущества, связанные с решением задачи стандартизации нанообъектов. Однако для широкого ее внедрения необходимо решить задачу № 2. Некоторые обнадеживающие результаты показывает способ привития на поверхности нанообъектов функциональных групп, облегчающих совмещение с технологическими жидкостями. При этом вопросы обращения с нанообъектами на этапе приготовления полуфабрикатов для модифицирования строительных материалов не решены. Также не решен вопрос устойчивости технологического процесса производства многокомпонентных строительных материалов к случайному варьированию их рецептуры, что особенно актуально для материалов, содержащих нанообъекты.
Вторая траектория является предпочтительной, позволяющей решить практически все технологические и экологические задачи нанотехнологии. Сущность этой стратегии заключается в использовании реактивов (прекурсоров), которые полностью совмещаются с технологической жидкостью и способны в процессе изготовления материала претерпевать физические или химические преобразования и синтезировать наноразмерные объекты, участвующие в его структурообразовании.
В качестве примеров реализации второй траектории приведем результаты зарубежных исследований, которые могут быть реализованы в строительстве.
Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих полимерных сеток [14]. Эти нанокомпозиты получают посредством синтеза взаимопроникающих полимерных сеток типа полиуретанов, эпоксидных смол и акрилата с 8і02, Ті02 и других оксидов металлов, добавляемых в жидкую технологическую фазу.
Использование принципа взаимопроникающих полимерных сеток в производстве композитных материалов дает уникальную возможность управлять как микро-, так и наноструктурными свойства. Разработка нового класса нанокомпозитных материалов характеризуется отсутствием загрязнений при производстве 1РК-полимеров. Главным компонентом такой технологии компания «Роїушаїе» предлагает использовать (дендро)-аминосиланы. Гидролиз аминосилановых олигомеров создает вторичные наноструктурированные полимерные сетки, которые улучшают эксплуатационные свойства материала. Такие (дендро)-аминосилановые отвердители — это новое направление в модификации эпоксидной смолы, циклокарбонатов и акриловых смол, которые широко применяются в строительстве.
Полимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средам [16]. Новые химические стойкие полимерные материалы разработаны с добавлением наноразмерного неорганического активного наполнителя, реагирующего с агрессивной средой и формирующего новую фазу, состоящую из гидрата высокой прочности. Компания «Polymate» разрабатывает обширную номенклатуру изделий с активными нанонаполнителем для модификации широко применяемых полимеров, являющихся основой для материалов, эксплуатирующихся в разнообразных агрессивных средах, включая кислоты, морскую воду, фтор, щелочи и многие другие.
Водно-дисперсионные краски с биоцидными свойствами на основе нанопорошка серебра [17]. Биологическое воздействие краски с добавлением наночастиц серебра было изучено на следующих микроорганизмах:
— Escherichia coli в роли обычной модели бактериального загрязнения окружающей среды;
— Coliphage как модель вирусной инфекции, включая грипп А и В, гепатит А и другие;
— Земляные грибы как модель представителя микрофлоры и модели противогрибковых загрязнений;
Испытания подтверждают преимущества разработанных водных акриловых
биологически активных покрытий.
Представленные результаты убедительно свидетельствуют о перспективности
нанотехнологии для повышения качества строительных материалов.
Важно отметить также задачи, решение которых будет способствовать широкому внедрению нанотехнологии в строительстве, а именно: подготовка кадров, способных
организовать производство строительных материалов по нанотехнологии, а также развитие научно-образовательных центров. В Московском государственном строительном университете в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2015 годы» проводится техническое перевооружение научнообразовательного центра по направлению «нанотехнологии». Центр оснащается современным научно-исследовательским оборудованием, позволяющим проводить исследования в различных областях строительного материаловедения: композиционные материалы общестроительного и специального назначения на минеральных и органических вяжущих веществах, керамика различного назначения, дорожные бетоны, модификаторы для бетонов и др.
1. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Технология наномодифицирования в строительном материаловедении // Журнал «Региональная архитектура и строительство», 2008, № 1 (4). — С. 4-7.
2. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Оценка технико-экономической эффективности нанотехнологий в строительном материаловедении // Журнал «Строительные материалы», 2009, № 6. — С. 66-67.
3. «Нано» мифы. Мифы о нанотехнологии // http://antic-r.narod.ru/nano-myth.htm.
4. Эрхих Г. Нанотехнологии: мифы, блефы и реалии //
5. Большой энциклопедический словарь. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — 1456 с.
6. Крысин Л.П. Толковый словарь иностранных слов. — М.: Изд-во Эксмо, 2005. — 994 с.
7. Волков Г.М. Объемные наноматериалы. — М.: Кнорус, 2011. — 168 с.
8. Сергеев Г.Б. Нанохимия. — М.: КДУ, 2009. — 336 с.
9. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур. — М.: Наука, 1966. — 347 с.
10. Фатхутдинова Л.М., Халиуллин Т.О., Залялов Р.Р. Токсичность искусственных наночастиц // Казанский медицинский журнал, 2009, № 4, том 90. — С. 578-584.
11. Лукутцова Н.П. Наномодифицирующие добавки в бетон // Журнал «Строительные материалы», 2010, № 9. — С. 101-104.
12. Ашрапов А.Х., Абдрахманова Л.А., Низамов Р.К. Разработка эффективных способов введения наномодификаторов в ПВХ композиции // Материалы XV Академических чтений РААСН -Международной научно-технической конференции: Достижения и проблемы материаловедения и модернизация строительной индустрии. Том 2. — Казань: КГАСУ, 2010. — С. 267-271.
13. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1979. — 400 с.
14. Figovsky O.: Active Fillers for Composite Materials: Interaction with Penetrated Media, Encyclopedia of surface and colloid science, N.Y. vol. 1, 2006. — P. 94-96.
15. Figovsky O., Shapovalov L.: Nanocomposite Coatings Based on Nonisocyanate Polyurethanes and Hybrid Binder. Proceedings of the 80th JSCM Anniversary Conference «New Fields in Colour and Coatings», Tokyo, Japan, 2007. — P. 34-37.
16. Figovsky O., Blank N.: Nanocomposite Based on Polymer Matrixes with Increasing Durability. Abstracts of the 12th Israel Materials Engineering Conference, Beer-Sheva, Israel, 2006. — P. 102.
17. Kudryavtzev B., Figovsky O., Egorova E., Revina A., Buslov F., Beilin D.: The use of nanotechnology in production of bioactive paints and coatings, J. Scientific Israel-Technology Advantages, vol. 5, № 1-2, 2003. — P. 209-215.
1. Bazhenov Ju.M., Korolev E.V. Nanomodification’s technology in material science // Journal «Regionalnaya arhitektura i stroutelstvo», 2008, № 1 (4). — P. 4-7.
2. Bazhenov Ju.M., Korolev E.V. Estimation of cost efficiency of nanotechnologies’ application in material science // Journal «Stroitelnye materialy», 2009, № 6. — P. 66-67.
3. «Nano» myth. Myth about nanotechnology // http://antic-r.narod.ru/nano-mvth.htm.
4. Erhih G. Nanotechnology: myth and reality //
5. Big encyclopedic thesaurus, 2nd ed. — M.: Bolshaya Rossiyskaya Enciklopedia, 1998. — 1456 p.
6. Krysin L.P. Explanatory dictionary of foreign words. — M.: Eksmo, 2005. — 994 p.
7. Volkov G.M. Volumetric nanomaterials. — M.: Knorus, 2011. — 168 p.
8. Sergeev G.B. Nanochemistry. — M.: KDU, 2009. — 336 p.
9. Rebinder P.A. Physical https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-i-perspektivy-nanotehnologii-v-stroitelstve» target=»_blank»]cyberleninka.ru[/mask_link]