 Применение нанотехнологических материалов для повышения функциональных свойств строительных материалов и изделий – это новое перспективное направление в науке и наукоемком производстве...
Сегодня практически каждая страна, причисляющая себя к лидерам научно-технического прогресса, имеет свою нанотехнологическую инициативу и льготное, в т. ч. венчурное финансирование. Наиболее известной является «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI), принятая конгрессом США в 2000 году.
В России, в соответствии с Федеральным законом № 139-ФЗ от 19.07.2007, создана «Российская корпорация нанотехнологии» (РОСНАНО), призванная содействовать реализации государственной политики в сфере нанотехнологии, развитию инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологии и реализации проектов создания перспективных нанотехнологии и наноиндустрии.
Постановлением Правительства РФ № 498 от 02.08.2007 года утверждена Федеральная целевая программа на 2008-2010 годы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации», предусматривающая развитие нанотехнологии по направлениям: электроника, инженерия, материалы для энергетики и космической техники, биотехнология, конструкционные сверхтвердые, новые углеродные и композиционные авиационные материалы, а также системы безопасности.
Фундаментальной базой для развития нанотехнологии являются физика, химия и молекулярная биология. В программе отсутствует направление развития нанотехнологии в области строительства, не имеющего к этой технологии непосредственного отношения.
Объекты нанотехнологии и наноструктур занимают промежуточную область между миром отдельных атомов, управляемых квантовой механикой и микромиром, описываемым в рамках различных континуальных теорий (упругости, гидродинамики и др.). Из общих соображений и простых оценок вытекает, что с уменьшением размеров механическая и электрическая инерционность любого устройства падает, а его быстродействие растет, что является одним из многих достоинств нанотехнологии.
Большую роль в создании и использовании наноструктурированных объектов играют процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создавать уникальные объекты без внешнего влияния.
Образование таких структурированных объектов не может быть, таким образом, случайным. Это позволяет определить нанотехнологические процессы с ясным физическим смыслом в отличие от произвольно-эмпирического «метрического» их определения размерным уровнем частиц. Типичным примером самоорганизации являются, например, фуллерены и углеродные нанотрубки, обладающие уникальными свойствами. В отличие от алмаза и графита они растворимы в органических растворителях и после обработки в водной среде становятся гидратированными. Гидратированный фуллерен С60HyFn прочно удерживает на своей поверхности слой ориентированных молекул воды толщиной 20-80 нм. Этим, а также структурирующим действием HyFn, объясняются повышенная подвижность и прочность цементных растворов и бетонов.
Однако стоимость углеродных нанотрубок и фуллеренов очень высока, несмотря на сотые и даже тысячные доли процентов (от массы цемента) применения в бетоне. Так стоимость чистого фуллерена С60 достигает на мировом рынке 100 долл. за один грамм, а смеси С60 и С70 – 50-70 долл. Высокая стоимость фуллеренов обусловлена не столько повышенной исходной стоимостью графита и малым выходом (10-20 фуллеренов при его сжигании, сколько сложностью выделения и очистки фуллеренов из углеродистой сажи. По мнению специалистов, снизить стоимость фуллеренов ниже 5 долл. за 1 г не удается. Качество их при этом резко снижается, что предопределяет рациональные области их применения.
Более приемлемыми для модифицирования технологии и свойств строительных материалов оказываются наночастицы и нанопорошки, которые представляют собой первое поколение продуктов с использованием нанотехнологии, освоенных промышленностью.
Последующие поколения, предусматривающие создание «активных наноструктур», управляемых систем самосборки и молекулярных систем, находятся в разной степени и отдаленности их проработки.
Корпорация «РОСНАНО» организует борьбу с производителями псевдонанопродуктов, выдавая настоящим нанопродуктам сертификаты соответствия и указывая нарушителей. Зарегистрирована система сертификации НАНОСЕРТИФИКА. Проверять на подлинность нанопродукции будут аккредитованные лаборатории.
Основными признаками нанотехнологии специалисты, хотя и неоднозначно, признают: самоорганизацию, механосинтез и самосборку нанообъектов; междисциплинарность; активный мониторинг и сопровождение процессов и объектов сборки.
Основными продуктами нанотехнологии в России и других странах в настоящее время являются нанопорошки и наночастицы, различающиеся размерами, формой и специфическими свойствами. Они могут выполнять роль адсорбентов, катализаторов и модификаторов химических реакций, технологических и конструктивных свойств изготовляемых с их применением материалов. Улучшение свойств материалов, наблюдаемое при использовании нанопорошков и наночастиц, связано с физикохимическими процессами и явлениями, происходящими на поверхности взаимодействующих фаз. Необходимо поэтому сформировать на поверхности этих частиц такие структуры, которые будут обеспечивать повышение их каталитических, реакционных и адсорбционных свойств, например, ускорение и полноту химических реакций, усиление молекулярного взаимодействия и др. Способы получения нанопорошков и наночастиц, указанные выше, позволяют это делать.
Ожидать появления в ближайшее время наносистем-репликаторов и нанопреобразователей не приходится.
Металлургическая отрасль производит в основном конструкционные материалы. Резервы повышения механических характеристик сталей введением дорогостоящих легирующих элементов, как считают специалисты, практически исчерпаны, тем более, что повышение прочности приводит к охрупчиванию сталей. Добавление нанопорошков (подшихтовка) позволит устранить этот недостаток. Основными направлениями развития нанотехнологии в металлургии являются: компактирование и спекание нанопорошков в порошковой металлургии, интенсивная пластическая деформация, обработка заготовок потоком высокоэнергетических частиц, нанесение упрочняющих металлических покрытий, кристаллизация наночастиц из аморфного состояния и внесение наночастиц-модификаторов в исходный расплав (например, фуллеренов, углеродных нанотрубок, тугоплавких нитридов, карбидов и др.).
В керамическом производстве нанопорошки и наночастицы используются в основном для изготовления технической керамики (огнеупоров и специальной – бериллиевой, прозрачной оксидной для дозиметрии ионизирующих излучений и лазерной техники), а также для облицовочной и дорожной керамики в покровном слое – ангобе, глазури.
Уникальные свойства приобретает облицовочная керамика с покровным слоем «Hydrotect» (разработанным японским концерном ТОТО), содержащим модифицированный фотокатализатор диоксид титана (ТiO2), придающий керамике, по данным японского концерна, стерилизующие и самоочищающиеся свойства. Фотокализатор способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органические материалы и бактерии, а под действием света наноструктурированная оксидом титана поверхность керамики постепенно становится супергидрофильной и вода легко стекает с нее, увлекая загрязнения.
Наибольшее применение в технологии бетонов и растворов с целью повышения прочности и других эксплуатационных свойств находят, как указывалось выше, оксиды кремнезема, глинозема в сочетании с пластификаторами и суперпластификаторами, особенно на основе модифицированных поликарбоксилатов, обладающих по сравнению с суперпластификатором С-3, СП-1 и ЛСТ существенно большим разжижающим эффектом. Дополнительное снижение В/Ц бетонных смесей в совокупности с микро- и нанокремнеземом, базальтовой и углеродной фиброй позволяет получать особо прочные бетоны, 500-600 МПа, непроницаемые для жидкостей и газов, практически неограниченной морозостойкости, получившие наименование Reactive Powder Concrete (RPC) (бетон особого состава на реакционных порошках). Однако о масштабном применении особо прочных бетонов говорить преждевременно. Наибольшим’спросом пользуются отечественные суперпластификаторы С-3, СП-1 и ЛСТ, объем выпуска которых составляет 60 % (С-3; СП-1) и 29 % (ЛСТ), а стоимость 20-40 тыс. руб./т. Выпуск поликарбоксилатных гиперпластификаторов составляет - 1 %, а стоимость 100-120 тыс. руб./т.
В отсутствие суперпластификаторов упрочняющее действие наночастиц кремнезема и углеродных трубок (астраленов) не превышает 12-20 %. Как отмечается в работе А. Н. Пономарева, при изготовлении бетона на крупном заполнителе (20-40 мм) прочность бетона с астраленами увеличивалась не более чем на 5 %. При повышенном расходе цемента, характерном для мелкозернистого бетона, прочность его с астраленами возрастает на 20-30 %. Это подтверждает решающую роль объема и качества цементного камня в прочности бетона при слабом взаимодействии цементного камня с поверхностью заполнителей.
При использовании наноразмерных частиц возникает их агломерация, снижающая дисперсность и равномерность распределения частиц в объеме бетона и, как следствие, однородность физико-механических свойств, что требует принятия соответствующих мер.
Большое значение для энергосбережения, регулирования светотехнических и улучшения санитарно-гигиенических свойств светопрозрачных ограждающих конструкций, а также фасадов зданий и сооружений имеют наноматериалы, содержащие наночастицы, придающие светопрозрачным покрытиям на их основе специфические свойства.
Так, при нанесении на поверхность флоат-стекла непосредственно при его изготовлении тонкого слоя из оксидов металла In-SnO2 (методом пиролиза), коэффициент теплопередачи его снижается на 70-80 %, а теплопроводность стеклопакета с его использованием – в 2-2,5 раза. Еще больше снижается теплопроводность стеклопакета при использовании флоат-стекла с вакуумным напылением на его поверхности трех и более чередующихся слоев серебра и диэлектриков (BiO, AlN, ТiO2 и т. п.). Это так называемые теплоизоляционные стекла, Pilkington K-Glass (с твердым покрытием) и Pilkington Optitherm SN (с мягким покрытием), выпускаемые компанией «Pilkington», частично концерном SAINT-GOBAIN и компанией FUYAO GROUP CHINA (Китай). В России эти компании и концерн представлены ООО «Пилкингтон Глас», Saint-Gobain Glass Exprover и «Фуяо групп Китай», осуществляющими операции по поставкам листового стекла этих фирм в Россию.
Используя обнаруженную фотокаталитическую активность диоксида титана анатазной модификации, в конце 90-х годов прошлого века фирмой Pilkington разработана технология производства самоочищающегося стекла, получившего наименование Pilkington Aktiv. На поверхность еще не остывшего флоат-стекла напыляется специальный состав с наночастицами ТiO2, который после остывания стекла образует с ним единое целое. Как и в случае облицовочной керамики, покрытие обеспечивает нейтрализацию органических соединений на поверхности стекла и полную его гидрофилизацию, способствующую стеканию воды со стекла вместе с загрязнениями. Стекла эти дорогие, но в Европе имеют массовое применение. Аналогично ведут себя покрытия с фуллеренами.
Имеются и другие виды самоочищающихся покрытий на стеклах. Американские ученые из университета Пардью создали самоочищающееся стекло с двухслойным покрытием, притягивающим воду сильнее, чем масло (обычное стекло наоборот). Нижний слой гидрофильный, содержит полиэтиленгликоль, а верхний – гидрофобный, из молекул, сходных с тефлоном. Молекулы пропускают через себя воду к нижнему слою, но задерживают масло. Вода, попадая на такую поверхность, растекается ровным тонким слоем, а масло собирается в капли, которые легко смываются вместе с водой.
Более простой недорогой и эффективный способ получения самоочищающегося стекла заключается в нанесении на поверхность стекла коллоидного раствора наночастиц кремнезема (SiО2). При его высыхании наночастицы кремнезема прочно прикрепляются к родственной по составу поверхности стекла, образуя на ней слой самоупорядочивающихся бугорков, придающих поверхности стекла ворсистый характер, подобный листьям лотоса. Как и на ультрагидрофобных листьях лотоса, на обработанной поверхности стекла капли воды касаются бугорков лишь отдельными точками, что значительно ослабляет ван-дер-ваальсовы силы адгезии и вызывает сжатие капель воды силами поверхностного натяжения в шарик, демонстрируя высокий краевой угол смачивания. Аналогичным образом действует, по-видимому, покрытие из пирамидальных столбчатых кристаллических наночастиц диоксида титана.
Наночастицы диоксида титана используют также для защиты древесины от атмосферных воздействий и УФ облучения и самоочищающихся лакокрасочных покрытий, упрочненных нанопорошками кремнезема, оксидами и карбидами различных металлов.
Возможности использования в строительной отрасли научно-технических разработок и продуктов нанотехнологии постепенно расширяются. Достигаемые при этом эффекты, как правило, носят многофункциональный характер. Высокопрочные конструкционные композиционные материалы в присутствии нановолокнистых и порошковых частиц приобретают необходимую пластичность, имеют пониженные усадку и ползучесть.
Самоочищающиеся износостойкие покрытия светопрозрачных конструкций могут обладать разной паро- и светопроницаемостью в зависимости от внешних условий. Молекулярные индикаторы, информирующие о напряженно-деформируемом состоянии несущих конструкций; покрытия, аккумулирующие солнечную энергию и другие примеры позитивного использования наноматериалов и наночастиц в строительном производстве. Задача состоит, таким образом, в обеспечении строительной и других отраслей рынков этими наноматериалами и наночастицами в нужном объеме с требуемыми технико-экономическими параметрами.
Россия отстает в научно-техническом и особенно коммерческом использовании нанотехнологии от наиболее развитых в этом отношении стран: США, Европы и Японии, которые уже приступили к активной коммерциализации имеющихся наноизобретений, в том числе в строительстве. Россия же пока находится на этапе НИОКР.
|
