С приставкой «нано» – микромир в создании новых строительных материалов и технологий

«Будущее нельзя предвидеть, но можно изобрести» Денис ГАБОР, лауреат Нобелевской премии по физике

В канун Нового года всегда хочется заглянуть в будущее – приоткрыть тяжелую завесу вечности и поразить своё воображение удивительным и ярким светлым миром, но отнюдь не озаренным вспышкой взрыва атомной бомбы третьей мировой войны.

И здесь «нанотехнологии» уже начинают создавать то, что может находиться за пределами нашего понимания и восприятия. Например, "умный дом", научившийся сегодня регулировать температуру в здании, завтра начнет реагировать изменямыми оттенками стен и пола на ваше психическое и физиологическое состояние.+

Пока же нанотехнологии в строительстве по-прежнему воспринимаются людьми как область чистой фантастики, или профанация, основанная на растиражированной моде к теме "нано" как таковой. Ведь под понятие «нано» сегодня есть желающие подпихнуть любую новинку. Однако добавка мелкодисперсионного порошка в тот или иной материал для улучшения (зачастую реального) его характеристик еще не повод «нанонизировать» на данной теме.+

По мнению ученых – фактическое использование нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своём ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных материалов. Но достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.+

Эпохально можно отметить следующие любопытные перспективы в строительных технологиях, над которыми уже работает научная мысль:+

• основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов;
• несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряжённо-деформированного состояния;
• ограждающие конструкции и кровли, еще более эффективно аккумулирующие энергию солнца;
• покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей;
• фотокаталитические и другие функциональные покрытия.

Новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, но их доля ещё достаточно мала – менее 1% в общем объёме материалов строительного сектора.+

Традиционно строительная отрасль отличается очень низким уровнем инвестиций в научно-исследовательские работы. Она больше пытается использовать и адаптировать разработки и изобретения, созданные в других отраслях науки и промышленности, чем создавать их внутри себя. Поэтому пока основными предпосылками развития строительного материаловедения являются результаты исследований в смежных областях.+

Однако перечень основных научно-исследовательских работ в области строительных наноматериалов и нанотехнологий, выполняемых в настоящее время в России и за рубежом, достаточно широк.+

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

Также в арсенале исследователей есть функциональные тонкие плёнки и нанопокрытия, многократно повышающие качества материалов – оптические и тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, препятствующие нанесению надписей на стенах и т. д. +

Стоит упомянуть и изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы, датчики, устройства и быстродействующие приборы, обеспечивающие улучшенный контроль состояния конструкций и условий окружающей среды, новые топливные ячейки, энергоэффективное освещение, специальная изоляция и застекление, самовосстановление и т.д.+

Кстати, сами по себе агрегаты и объекты, имеющие наноразмеры, существовали на Земле столько же, сколько существует на планете жизнь. Например, исключительные механические свойства таких биоматериалов, как кости или раковины моллюсков, объясняются присутствием нанокристаллов соединений кальция. +

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 наноструктур обеспечивает чрезвычайно высокую прочность и ударную вязкость, которой отличаются раковины моллюсков благодаря взаимосвязанным наноблокам карбоната кальция, обеспечивающим блокирование трещин и рассеивание энергии.+

Из самых прогрессивных достижений уже человека можно выделить синтез новых форм углерода: фуллерен (С60) и углеродные нанотрубки. Изменения свойств за счёт применения наномодификаторов делают возможным успешное развитие улучшенной каталитической способности, регулируемой чувствительности к определённой длине волны, разработку улучшенных пигментов и красок со свойствами самоочищения и самовосстановления. Наночастицы используют для улучшения механических свойств пластиков и резин, они помогают достичь повышения прочности режущих инструментов и повышения гибкости керамических материалов.+

Так, 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.+

И сегодня можно ожидать развития новых нанотехнологий и нанопродуктов, относящихся к технологии бетонов:

• Катализ для синтеза и ускорения гидратации обычных цементов.
• Добавки для супертонкого помола и механохимической активации цементов.
• Вяжущие с наночастицами, наностержнями, нанотрубками (включая одностенные нанотрубки), наноамортизаторами, наносистемами или нанопружинами.
• Вяжущие с улучшенными наномоделированными внутренними связями между продуктами гидратации.
• Вяжущие, модифицированные наночастицами полимеров, их эмульсиями или полимерными наноплёнками.
• Биоматериалы (включая имитирующие структуру и свойства раковин моллюсков).
• Композиты на основе цемента, армированные новыми волокнами с нанотрубками, а также волокнами с нанооболочками (для улучшения связей, коррозионной стойкости, придания новых свойств материалу, таких как электропроводности и т. п.).
• Новое поколение суперпластификаторов для «абсолютного контроля подвижности» и резкого снижения расхода воды.
• Материалы на основе цемента с чрезвычайно высокой прочностью, тягучестью и твёрдостью.
• Вяжущие с контролируемой степенью увлажнения и контролируемым процессом образования микротрещин.
• Материалы на основе цемента с модифицированной нано- и микроструктурой, демонстрирующие чрезвычайно высокую долговечность.
• Экологические вяжущие, модифицированные наночастицами и произведённые при значительном сокращении объёма портландцементной компоненты (до 10–15%) или вяжущие на основе альтернативных систем (MgO, фосфаты, геополимеры, гипс).
• Материалы, способные самовосстанавливаться, и технологии ремонта с применением нанотрубок и химических добавок.
• Материалы с контролируемой электропроводностью, свойствами деформации, безусадочные материалы и материалы с низким температурным расширением.
• Высокотехнологичные материалы, такие как материалы с сенсорикой и заданными реакциями на температурные воздействия, влажность, напряжение.

Часть технологий уже входят в нашу жизнь. Например в США, в рамках космической программы NASA, была разработана краска, обладающая сверх-термоизолирующими свойствами и к тому же ещё и шумопоглощением. Она представляет собой продукт на основе сложной смеси стеклянных (натриево-боросиликатных) или керамических огнеупорных микросфер, наполненных инертным газом или вакуумированных в процессе производства. +

Микросферы с толщиной стенки 1/10 их диаметра, которые выглядят, как тончайшая мука или тальк (их размер сравним с толщиной человеческого волоса – 50–100 мкм), негорючи, имеют исключительную химическую устойчивость, прочность на сжатие около 30 МПа и температуру размягчения около 1800°С. Фактически, микросферы представляют собой высокоэффективный «мини-термос».+

Отсюда их основные области применения: термоизоляция, повышение огнестойкости и коррозионной стойкости в сильноагрессивных средах. Чаще всего используют композитную керамическую краску, с помощью которой можно термоизолировать ёмкости и терминалы с нефтепродуктами, обеспечить тепло- и влагоизоляцию теплопроводов, трубопроводов, теплопунктов, технологического оборудования. Покрытия применяются также для отделки фасадов и стен внутри помещений.+

После нанесения материала поверхность при толщине покрытия 0,3 мм имеет высокий коэффициент отражения в низкотемпературной инфракрасной области и в области видимого излучения.+

По-прежнему актуальна тема самоочищающихся покрытий. На текущий момент наиболее распространённым материалом для изготовления самоочищающихся покрытий является оксид титана. Механизм самоочищения базируется на двух явлениях:+

1. Высокой фотокаталитической активности оксида титана, приводящей к окислению органических соединений и монооксида азота, адсорбированных на поверхности оксида титана.
2. Высоких гидрофильных свойствах оксида титана, наблюдающихся при его облучении. В результате вода с минеральными примесями не задерживается на поверхности стекла и удаляется (скатывается), что также приводит к наблюдаемому эффекту самоочищения.

Сегодня активно развиваются две технологии нанесения оксида титана:+

• Нанесение плёнки оксида титана в процессе изготовления стекла. Достоинством данного метода является высокая прочность покрытия – срок его службы совпадает со сроком службы стекла. Кроме того, метод позволяет защищать активный слой оксида титана от возможного отравления катионами щелочных металлов путём нанесения промежуточного слоя оксида кремния. Следует отметить, что слой оксида кремния сам по себе может производить позитивный эффект. Кроме того, преимуществом данного способа является возможность нанесения других слоёв, позволяющих улучшить свойства стекла, например, уменьшить теплопроводность. Себестоимость стекла при использовании этого метода увеличивается приблизительно на 30%.
• Нанесение слоя оксида титана с помощью реагентов (жидких), содержащих диспергированные наночастицы оксида титана. Преимуществом этого метода является возможность наносить покрытие не только на поверхность стекла, но также и на другие твёрдые поверхности. В настоящее время выпускают составы, предназначенные для нанесения на фасады домов, тротуары, изделия из пластмассы и т. д. Основными требованиями являются устойчивость покрытия к механическим и химическим воздействиям и время эффективной эксплуатации покрытия.

Есть интересные отечественные наработки в области дорожного строительства. Например, основной компонент одного из российских модификаторов, разработанного при поддержке «РОСНАНО» – активный порошок дискретно девулканизированной резины – получают путём переработки изношенных автопокрышек и/или отходов резинотехнических изделий методом высокотемпературного сдвигового измельчения (ВСИ) в специализированных установках – роторных диспергаторах. При этом материал полностью разрушается и превращается в высокодисперсный порошок, характеризующийся высокой химической активностью, развитой поверхностью частиц и их мелкоблочной структурой.+

Так вот, выполненные коллективом учёных ИХФ РАН исследования позволили установить, что процесс сдвигового измельчения полимерных материалов, в том числе грубогетерогенных смесей (полимер-полимерные смеси, смеси термопластов с каучуками и т. д.) сопровождается смешением компонентов смеси на микро- и наноуровне. В результате образуются порошковые композиты с очень высокой однородностью. Было установлено, что в полученных квазигомогенных смесях (полиэтилен – полипропилен, сэвилен – бутадиеновый каучук и т. д.) размер неоднородностей (агрегатов дисперсной фазы) не превышает 20–35 нм1,2.+

Натурные испытания модификатора в течение нескольких лет показали высокую эффективность материала в реальных дорожных условиях.+

Нанотехнонологии способны хорошо проявить себя в повышении экологических характеристик зданий. Например, сегодня создаются покрытия с антибактериальным эффектом.
Наиболее часто применяют материалы с антибактериальным действием на основе фотокаталитического диоксида титана. После открытия в 1972 году фотосенсибилизирующего эффекта TiO2 в процессах электролиза воды с образованием H2 и O2 фотокатализ TiO2-наночастицами изучают с точки зрения превращения солнечной энергии в химическую. +

Одна из главных целей использования этого эффекта – уничтожение вредных веществ и микроорганизмов в воде и атмосфере. В этом смысле наночастицы TiO2 из-за своей химической стабильности, нетоксичности, высокой реакционной способности представляют собой практически идеальные высокоэффективные фотокатализаторы. +

Фотообразованные электроны и «дырки» в присутствии О2 и Н2О генерируют активные кислородсодержащие частицы – О2- и ОН-радикалы соответственно.+

TiO2-фотокатализаторы обладают значительным потенциалом в окислении широкого ряда органических материалов, включая хлорированные органические соединения, в том числе диоксины, причём в процессах образуются безвредные соединения, такие как СО2 и Н2О. При поглощении солнечной энергии или УФ-излучения такие системы эффективны даже при разбавленных концентрациях токсичных реактантов в атмосфере и воде, в том числе по отношению к микроорганизмам. +

К настоящему времени достигнут большой прогресс при разработке строительных материалов, содержащих добавки TiO2-наночастиц, таких как краски, специальные цементы, строительные растворы, самоочищающиеся керамические плитки, материалы и конструкции, дорожные покрытия, воздухо-очищающие материалы и конструкции, антибактериальные материалы и конструкции, составы и отделочные материалы для наружных и внутренних работ и т.д.+

В качестве ещё одного примера можно привести применение наночастиц серебра, обладающих уникальными бактерицидными свойствами. "Америку" здесь никто не открыл. Этот эффект человечество подметило много тысячелетий назад. Но в нашем контексте очень интересны результаты исследований.+

Наночастицы серебра имеют размеры от 10 до 30 нм. Как показали исследования, в течение 30 минут они убивают до 150 видов бактерий и других микроорганизмов.+

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

В свое время "РОСНАНО" представило проект по производству теплоизоляции на основе вспененного стекла. В реальности, технология изготовления пеностекла известна давно, и в России этот материал производится еще с советских времен. Однако новая технология принципиально отличается от известной классической прежде всего тем, что на поверхность частиц стекла наносится плёнка реагентов толщиной в десятки (примерно до 100 – 120 нм) нанометров. +

Эта плёнка приводит к схватыванию, отверждению массы порошка – аналогично цементной массе. В полученной монолитной массе плёнка между частицами стекла не только удерживает их, как в жёстком каркасе, но и при нагревании выделяет газообразные компоненты, формируя пеностекло. +

Таким образом, плёнка, имеющая наноразмерную величину, придаёт материалу два новых свойства – способность к схватыванию и газовыделение при повышенных температурах. Это позволило осуществить действительно качественный прорыв в технологии пеностекла – существенно улучшить экономические показатели технологии, разработать целый ряд новых продуктов и применять в качестве сырья обычный несортовой стеклобой.+

В качестве эпилога повторимся: «Будущее нельзя предвидеть, но можно изобрести»!

_________________________________________

Денис Банников

+