Нанотехнологии в строительном материаловедении. От мифа, к
advertisement
Нанотехнологии в производстве строительных материалов Копаница Наталья Олеговна, проф., д.т.н. кафедра СМиТ ТГАСУ Определение Нанотехнологии в производстве строительных материалов позволяют осуществлять локальную стимуляцию химических реакции на молекулярном уровне, изменять свойства традиционных конструкционных материалов за счет их модификации наноструктурами, увеличивать прочность, водо- и коррозионную стойкость. Под нанокомпозитами понимают ансамбли металлических или оксидных наночастиц, изолированных в твердых телах - матрицах Особенности строительной отрасли Использование разработок и изобретений, созданных в других отраслях науки и промышленности Производимый «продукт» рассчитан на продолжительный цикл Низкий уровень инвестиций в НИР (0,2- 0,4% от объема продаж при среднем в экономике 3,5-4,5%) Желание строителей максимально сократить инновационный цикл и немедленно получить конкретные результаты From atoms to cities! (От атомов до городов!) Академические чтения «Нанотехнологии в строительном материаловедении» – апрель 2009 Г. Белгород, БГТУ Применение нанотехнологических подходов и наносистем при проектировании строительных материалов – это новая стратегия, новый подход к: выбору сырья технологии формированию структуры строительных композитов увеличению объема выпускаемых строительных материалов и расширению их ассортиментного спектра повышению конкурентоспособности как научноинформационной, так и материальной отечественной продукции на российском и на мировом рынках Современные композиционные материалы – это поликомпонентные системы, включающие различные специализированные вяжущие, химические модифицирующие добавки, наноразмерные и ультрадисперсные разнофункциональные минеральные компоненты, специальные заполнители, микро- и нановолокна и т.д. Строительное материаловедение имеет дело с объектами максимальной степени сложности, так как они имеют: • выраженную полифазность как минерально-сырьевой компоненты технологического цикла производства строительных материалов, так и финальной продукции – композиционных материалов; • полидисперсность этих компонент во всем масштабном диапазоне (нано-, мезо-, микро- и макроуровни структурной организации вещества); • существенный температурный диапазон синтеза и эксплуатации композиционных материалов; • жесткие, задаваемые действующими нормативными документами, требования к физико-химическим и эксплуатационным характеристикам (тепло-, звукопроводность, влаго- и морозоустойчивость и др.). Специфика работы с наносистемами в строительном материаловедении заключается в фазовой и размерной гетерогенности сырьевого комплекса и композита в целом полиструктурность полиминеральность Минеральносырьевая база ПСМ полидисперсность полигенетичность Специфика наносистемных объектов полидисперсность полигенетичность полиминеральность полиструктурность Формирует требования к аналитическим методам: • • • • • структурночувствительность размерночувствительность высокая разрешающая способность интегральный характер информации об объекте экспрессность • объективность • малозатратность • аппаратурная и программная доступность Методы исследования Методы исследования наноструктур Комплексный химический анализ вещественного состава Колориметрия для оценки энергетического состояния поверхности твердофазовых структурных составляющих Дифференциально-термический термогравиметрический анализ минералогического состава Рентгенофазовый анализ Рентгеноструктурный анализ кристаллохимии минералов ИКС-структурных связей Электронная растровая микроскопия микро-субмикро- и наноструктуры Порометрия оптическая, гигрометрическая, ртутная Задачи, решение которых возможно только с применением нанотехнологических подходов в строительном материаловедении 1. Высокотехнологичные конструкционные материалы – наноструктурная модификация металлов, керамики/стекла, полимеров, бетонов/ цемента через использование наночастиц, нанотрубок, нанодобавок или через управление производственным процессом 2. Понимание явлений в наношкале – наноструктуре и их проявления в отношение макросвойств (гидратация, усадка, старение) с использованием современных методов. 3. Развитие системы теоретических представлений о явлениях и процессах, происходящих на наноуровне при синтезе различных классов строительных материалов 4. разработка модификаторов и катализаторов различного состава и функционального назначения для направленной модификации структуры композиционных материалов 4. Создание функциональных тонких пленок, покрытий специального назначения, многократно повышающих износостойкость, оптические, тепловые , антибактериальные свойства, долговечность, истираемость, самоочищаемость, Задачи, решение которых возможно только с применением нанотехнологических подходов в строительном материаловедении 5. Новые многофункциональные материалы и компоненты – изолирующие аэрогели, эффективные фильтры, самозалечивающиеся материалы 6. Создание оборудования для сверхтонкого измельчения и механохимической активации различных вяжущих. 7. Разработка методов и систем общего контроля и диагностики, метрологическое обеспечение работ в области строительных нанотехнологий. контроль дефектов структуры оценка рисков разрушения материалов и конструкций при изменении условий окружающей среды и эксплуатации в экстремальных условиях Нанотехнологии в в строительном материаловедении Среди приоритетных направлений нанотехнологий, пригодных для производства строительных материалов, выделяют: активирование (структурирование) воды затворения и растворов; Модифицирование и получение композиционных материалов и покрытий с уникальными свойствами (нанобетоны, самоочищающиеся теплостойкие покрытия и др.). Высоко дисперсное измельчение исходных материалов и наноармирование; активирование (структурирование) воды затворения и растворов виды воздействия разделяют на несколько групп: физическое модифицирование (безреагетное) химическое модифицирование (реагентное) их сочетание (комбинированное воздействие). под физическим и химическим модифицированием понимается направленное регулирование параметров цементных систем, происходящее на стадии взаимодействия цемента с водой. При этом модифицированная вода обладает большей активностью вследствие изменения ионного состава, влияющего на величину pH, удельную электрическую проводимость и другие параметры. что позволяет направленно воздействовать на процессы, происходящие в цементных системах. К физической активации воды относят следующие виды обработок: магнитная, электромагнитная, механическая, термическая, акустическая, плазменная, разрядно-импульсная, электрохимическая и др. активирование (структурирование) воды Общими недостатками всех физических методов активации воды являются: трудность определения количественных параметров, характеризующих степень активации водной среды в производственных условиях; необходимость дооснащения технологических линий специальным оборудованием для активации воды; Общими недостатками химических методов активации воды являются: трудность определения количественных параметров, характеризующих степень активации водной среды в производственных условиях; Высокая стоимость модифицирующих добавок; необходимость дооснащения технологических линий специальным оборудованием для активации воды; . активирование (структурирование) воды модифицирование воды затворения углеродными фуллероидными наночастицами. Предлагаемый способ модифицирования (активации) воды затворения позволяет за счет сокращения расходов дорогостоящих компонентов (цемента и добавок) снизить себестоимость бетона, при этом физико-механические свойства конечного продукта не ухудшаются. В исследованиях использовались фуллероидные материалы с размером частиц от 20 до 200 нм. показано, что введением сверхмалых количеств углеродных наночастиц возможно регулирование подвижности цементного теста, объема условно замкнутых пор, прочности и других характеристик цементного камня. активирование (структурирование) воды Зависимость рН (а) и удельной электропроводности (б) от концентрации углеродного наномо дификатора в воде Ориентация молекул воды вокруг фуллерена С60. активирование (структурирование) воды Снижение рН и повышение удельной электропроводности свидетельствуют об изменении ионного произведения воды, вызванного сорбцией групп ОН– на поверхности углеродных наночастиц (УН). При специфической сорбции анионов воды на поверхности УН возникает избыточный отрицательный заряд, изменяющий ориентацию дипольных молекул воды. Результатом является изменение равновесия в диссоциации кислотных и основных групп, приводящее к разрушению близкодействующих связей между молекулами воды и образованию избыточного количества активных ионов H3O+, Н+. Эту гипотезу подтверждает также изменение удельной электропроводности, зависящее не только от концентрации УН, но и от направленного движения свободных носителей зарядов. активирование (структурирование) воды Таким образом, в случае наноструктурного модифицирования происходит ориентационное взаимодействие молекул воды с УН, переводящее систему в активированное состояние. В водной среде с УН возникает новая структура, зависящая от меж ионного взаимодействия, в значительной мере искажающего собственную структуру чистой воды, при этом пространственная водородная сетка не разрушается и ее устойчивость не нарушается. УН выступают как стабилизаторы процессов самоорганизации водной системы. Развитие данного процесса приводит к возникновению вторичной наноструктуры – фрактальной сетки, которая располагается во всем объеме воды. Установлено, что изменения свойств воды при введении в неё УН носит полиэкстремальный характер, и в наибольшей мере проявляется при концентрации фуллероидного материала в интервале 10–4–10–6 % активирование (структурирование) воды выявлен временной характер активации воды затворения углеродными наночастицами, заключающийся в постепенном снижении эффективной работы углеродных кластеров в водной среде в течение 3...4 месяцев. Это обусловлено седиментационноагрегативной устойчивостью исследуемых суспензий и объясняется динамичностью протекающих процессов. Так, тепловое движение и температурные перепады, вызывая десорбцию связанных поверхностью УН гидроксильных групп, приводят к разрушению сольватной оболочки, что определяет коагуляцию самих углеродных наночастиц в более крупные агрегаты и снижение избыточной поверхностной энергии. В то же время известна релаксационная способность, под действием которой активированная водная система стремится вернуться в исходное стационарное состояние, из которого была выведена углеродными наночастицами. активирование (структурирование) воды В результате с течением времени УН постепенно вытесняются из собственной структуры воды с образованием крупных агрегатов, занимающих минимально возможное энергетическое состояние и не способных влиять на изменения структуры воды. Так наноструктурированная вода теряет свою активность. Однако система вновь может быть приведена к первоначальному активированному состоянию механическим воздействием с меньшими энергетическими затратами, приводящим к диспергации образовавшихся агрегатов. активирование (структурирование) воды При концентрациях наномодификатора в воде затворения в диапазоне 10–4–10–6 %, соответствующих интервалу пониженных pH, происходит удлинение сроков схватывания, увеличение подвижности цементного теста (снижению вязкости цементного теста в 1,4-1,7 раза) и сохраняемости его реологических характеристик во времени. Наноструктурирование воды затворения не оказывает значительного влияния на размер пор и однородность их распределения в объеме цементного камня. Однако выявленное существенное снижение величины водопоглощения при капиллярном подсосе свидетельствует об увеличении объема условно замкнутых пор, недоступных проникновению воды. Проведенные исследования физико-механических характеристик цементного камня выявили тенденцию к увеличению прочностных характеристик цементного камня в пределах 20–35 % в зависимости от вида цемента, В/Ц и других факторов в том же интервале концентраций наномодификатора. активирование (структурирование) воды подвижности бетонных смесей до 1,5 раз; сохраняемости бетонных смесей во времени до 2,5 раз; прочности бетонов до 20…30% или при регламентируемой прочности сокращение расхода цемента на 10...15%; морозостойкости на 1...3 марки и водонепроницаемости на 2...3 ступени при сокращенном расходе цемента. нанотехнологии в производстве цемента Модифицирование состава и структуры наноразмерными частицами различной формы и природы и исследование их влияния на процесс твердения ПЦ и свойства получаемого материала наноуглеродные трубки и фуллерены Наносиликаты Нано –SiO2 Нано – Fe2О3 ,TiO2и др. Для создания практической нанотехнологии необходимо решать задачи: Получить наночастицы или системы с нанокомпонентами стабильного качества; Разработать способ однородного распределения нанообъектов по объему композиционного материала; Разработать методику оценки технико-экономической эффективности применения нанотехнологии. нанотехнологии в производстве цемента Наночастицы содержаться в ряде минерального сырья для бетона а также могут синтезироваться в процессе его приготовления. В технологии бетона используют различные дисперсные порошкообразные материалы (табл.1). Комплексное использование их при формировании структуры бетона позволяет получить плотную и прочную структуру материала, целесообразно применение порошков , способных к взаимодействию с продуктами твердения ЦК и создающих плотную и прочную контактную зону на поверхности частиц твёрдой фазы. Наночастицы равномерно рапределенные в ЦТ ускоряют процессы гидратации, заполняют микропоры, являются активными центрами кристаллизации, стимулируют и участвуют в химических реакциях участвуя в формирование новых гидратных фаз повышают прочность, плотность, корозионную стойкость и морозостойкость Состав и свойства различных материалов Химический компонент Цемент, Зола% массы унос, % массы Микрокре мнезем, % массы Нанокрем незем, % массы SiO2 18-24 40-60 80-99 100 Al2O3 4-8 23-24 0,5-3,0 - Fe203 1-5 2-16 0,1-5,0 - CaO 61-69 1-2,5 0,7-2,5 - Средний размер частиц, мкм 10-20 10-30 0,1-0.3 0,007-0,004 Удельная поверхность м2/г 0,3-0,6 0,3-0,8 16-22 30-300 Плотность кг/м3 3,10-3,13 2,15-2,45 2,22-2,40 2,2 Форма Порошок Порошок Порошок. суспензия Коллоидный раствор, порошок Наномодификаторы в цементном камне: Применение в технологии бетона новых компонентов позволяет существенно снизить В/Ц и тем самым увеличить плотность ЦК и его прочность, изменить характер гидратации ЦК, способствуя получению более прочных и стойких гидросиликатов и наиболее тонкой и плотной структуры ЦК, что так же ведёт к повышению его прочности. Заполнение микро- и Нанокремнезёмом межце ментного пространства Уменьшение размеров кристаллитов ЦК и его пор ведёт к повышению прочности материала. Гидратация цемента в стеснённом и тонкораздробленном пространстве твёрдой фазы при низких В/Ц и использовании тонкодисперсных порошковых наполнителей позволяет получить более прочную структуру, стойкую к различным внешним воздействиям. нанотехнологии в производстве цемента Химический состав микрокремнезёма (масс.%) Вид МК SiO2 Fe2O3 CaO MgO Na2O+K2O Al2O3 SO2 SiC МК БрАЗа 90,0-94,0 1-3 0,7-1,4 0,2-0,4 0,1-0,5 0,7-1,5 до 0,09 до 3 Mikrosilika 98 0,3-0,5 0,1-0,3 0,05 < 0,05 <0,05 - < 0,5 Характеристика микрокремезёма Вид МК МК БрАЗа Mikrosilika Водородный показатель (рН) Насыпная плотность, кг/м3 Истинная плотность, кг/м3 Удельная поверхность, м2/кг Размеры частиц, нм 5…7 250 2180 4000 100-400 5 400 2200 10000 60-80 нанотехнологии в производстве цемента 1. 0,4 50 0,2 0 10 20 Количество добавки, % 30 150 100 50 0 10 20 Количе ство добавки, % добавка М К4000 добавка мела 0 1 3 200 0 0 30 добавка доломита добавка М К1700 Рис. 2. Прилипаемость смешанного вяжущего 1 - к кирпичной поверхности; 2 - к бетонной поверхности 2 3 4 Время, час 5 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 Время, час цемент 100% добавка 10% добавка 20% добавка 30% 5 Пластическая прочность, МПа 0,6 100 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 6 Пластическая прочность, МПа 2 Прилипаемость, г/см 1 0,8 150 0 2. Пластическая прочность, МПа 200 2 Пластическая прочность, МПа Прилипаемость, г/см 2 1 6 0 1 4 2 3 4 Вре мя, час 5 6 2 3 4 Время, час 5 6 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 1 - добавка МК1700; 2 - добавка МК400; 3 - добавка доломита; 4 - добавка мела Рис. 3. Влияние минеральных добавок на пластическую прочность вяжущего. Микрофотографии продуктов гидратации 1 2 наполненных вяжущих (х5000) 1- контрольный образец (ПЦ без добавок); 2 – ПЦ с добавкой микрокремнезёма; Нанотехнологии в бетонах В бетоноведении последовательно решались следующие задачи: получение плотнейших упаковок крупно и мелкозернистых заполнителей конгломератных макро- и мезоструктур Формирование структур микробетона (ЦК дополнялся микронаполнителями) Оптимизация соотношения аморфной и кристаллической составляющей твердеющего ЦК Регулирование химико-минералогического, дисперсного и и морфологического состава и состояния новообразований Модифицирование структуры цементного камня введением ПАВ и ультрадисперсных частиц Развитие технологии бетона: 1- повышение прочности при уменьшения В/Ц; 2- повышения прочности за счёт уменьшения В/Ц и модернизации структуры в следствии применения различных технологических приёмов. Обозначения: П - пластификаторы, Ф - фибра, СП - суперпластификаторы, МКЗ - микрокремнезём, ГП – гиперпласти фикатор, MB - микроволокна, НЧ - наночастицы, ВКБ – высокока чественный бетон, СУБ - самоуплотняющийся литой бетон, РПБ - реакционный порошковый бетон. Развитие технологии бетона: Для бетона и порошковых строительных композитов гидратационного твердения используют наноматериалы: наносиликаты, фуллерены и другие. При получении эффективных гиперпластификаторов создают молекулы наноразмеров с разной структурой в зависимости от назначения. Для повышения эффективности пластификаторов в них вводят наночастицы, например, фуллерены, способствующие диспергации материала и его взаимодействию с цементом и твёрдой фазой бетона. Для специальных бетонов используют минеральное сырьё, содержащие наночастицы. При гидратации цемента, особенно в присутствии модификаторов, образуются коллоидные частицы наноразмеров и гелеподобные тонкие слои на поверхности цементных зерен. Сохранение подобных структур в затвердевшем бетоне повышает его прочность Cамоуплотняющийся бетон Свойства и преимущества Бетонная смесь для самоуплотняющегося бетона характеризуется низким водоцементным отношением (0,38...0,4), при этом показатель удобоукладываемость — до 70 см. Прочность получаемого материала составляет до 100 МПа. Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. Необходимой составной частью самоуплотняющихся бетонов является поликарбоксилат — высокоэффективный комплексный химический модификатор, Принцип его работы заключается в том, что поликарбоксилаты адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате этого цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор, а также минеральные составляющие. Эффективность пластификации становится более высокой, а ее действие продлевается при постоянном перемешивании. Длительность пластификационного эффекта поликарбоксилатов в 3-4 раза больше, чем при применении обычных суперпластификаторов, за счет большой длины молекул поликарбоксилатов. Cамоуплотняющийся бетон К преимуществам бетона данного вида следует отнести: увеличенное время транспортировки бетонной смеси; высокое качество поверхности изделий, не требующее дополнительной обработки; сокращение периода строительства; отказ от использования виброуплотнения; сокращение численности работников на строительной площадке; Снижение энергозатрат, экономия времени, улучшение санитарно-гигиенических условий труда Cамоуплотняющийся бетон Области применения Самоуплотняющийся бетон находит широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, реставрации и усиления конструкций. Компоненты бетонной смеси Расход составляющих на 1 м³ бетонной смеси Вода, кг 175 Портландцемент с пониженным тепловыделением, кг 530 Зола, кг 70 Мелкий заполнитель, кг 51 Крупный заполнитель, кг 789 Добавка-суперпластификатор, кг 9 Тонкозернистые реакционно порошковые бетоны Прочность на сжатие 120- 250 МПа прочность на растяжение до 100 МПа и высокая трещиностойкость, которая обеспечиваются во всем объеме конструкций за счет использования фибры (волокнистой арматуры высокая ударная вязкость, износостойкость, коррозионная стойкость, морозостойкость. снижение объема бетона в конструкциях в 4–6 раз позволяет экономить расход всех составляющих бетона в 2–3 раза. Снижение транспортных расходов Тонкозернистые реакционно порошковые бетоны В России особо высокопрочные бетоны пока не востребованы почему? Нет условий для их получения (хотя есть высокопрочные горные породы, микрокремнезем и эффективные отечественные и зарубежные супер- и гиперпластификаторы). Горнодобывающая промышленность не поставляет мытые высокопрочные заполнители фракции 3–10 или 3–12 мм и обогащенные пески. Не освоено производство каменной муки с удельной поверхностью 300–350 м2/кг. Бетоносмесительные цеха не имеют достаточного количества расходных бункеров и не оборудованы высокоскоростными смесительными агрегатами. В теории отсутствует принципы подбора самоуплотняющихся бетонных смесей с расплывом конуса 55–60 см для получения особо высокопрочных фибробетонов. Не изучены необходимые реотехнологические свойства бетонных смесей. Тонкозернистые реакционно порошковые бетоны Топологическая структура высокопрочных и особо высокопрочных бетонов принципиально должна отличаться от структуры бетонов общего назначения марок 300–600, имеющих компактную упаковку зерен песка в цементом тесте и зерен щебня в цементно-песчаном растворе. В этой структуре принцип непрерывной гранулометрии щебня, “незыблемый” для традиционных бетонов, не является обязательным. бетон должен быть с “плавающей” структурой песка и щебня, то есть малопесчаным и малощебеночным. Значительное повышение прочности ведет к интенсивному возрастанию хрупкости и понижению коэффициента Пуассона до 0,14–0,17, что приводит к риску внезапного разрушения конструкций при чрезвычайных происшествиях. Избавление от этого негативного свойства бетона осуществляется не cтолько армированием стержневой арматурой, сколько комбинацией стержневой арматурой с введением волокон из полимеров, стекла и стали. НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ наномодифицированный бетон– это спектр наноматериалов, использование которых позволяет управлять набором свойств строительных композиций на основе минеральных вяжущих, Общий признак: наномодифицированный бетон обладает преимуществами благодаря своей особой структуре, задаваемой на наноуровне. Один из самых важных в технологии наномодифицированного бетонов – это направленное использование процесса самоформирования цементного камня (в цементных бетонах), запускааемого специально вводимыми в состав бетона наночастицами-наноинициаторами, либо содержащими какие-то соединения, иницииирующие особенный рост цементного камня, либо обладающими устойчивой анизотропией электрофизических свойств, также вызывающей направленное развитие цементного камня при созревании бетона. НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ усредненные характеристики некоторых наномодифицированных бетонов Класс Плотность, кг/м3 Прочность Дополнительные при характеристики сжатие, МПа Уровень цен долл/м3 (2008 г) Легкие бетоны 400-900 1000 2 – 3,5 30 Стойкость к трещинообразованию Огнеупорность до 800 0С 100 450 бетоны средней плотности 1500-1800 2100 2300 30 50 -90 60 - 90 Стойкость к трещинообразованию Морозостойкость F 300 60 80 -130 80- 130 Плотные бетоны 2500 150 Пуленепробиваемые огнеупорные 700 СОСТАВ МБМ СОДЕРЖАНИЕ, % Фибра базальтовая измельченная 99,3–99,6 Наномодификатор (астралены) 0,0001–0,001 Натр едкий 0,5–0,1 Влияние углеродных наномодификаторов(астраленов) на подвижность смеси при различных количествах суперпластификатора 1 Вид пластифи цирующих доба вок в смесь соста ва цемент-песок 1:2 Контрольный (без добавок) Водоцемент ное отно шение 0,333 30 0,373 Расплыв конуса, мм 101,5 35 112 Прочность на сжатие, MПa № п/п влияния концентрации наномодификаторов на прочность композиционного бетона 25 20 15 2 0,25% V2500 110 112 3 0,75% V2500 122 189 4 0,75% V2500 + 0,005% Astr. 125 216 5 5 0,74% V2500 + 0,001% Astr. 131 230 0 0,25% V2500 + 0,001% Astr. 124,5 220 6 10 0 0,5 1 1,5 Концентрация Ф..........1,5 g/t Концентрация Ф.........0,5 g/t 2 2,5 Концентрация Ф.......1,0 g/t Концентрация Ф.......... 0,0 g/t 3 3,5 Ячеистые композиты с применением наноразмерных порообразователей и модификаторов a b Микроструктура теплоизоляционных пеногазобетонных образцов а) межпоровая перегородка теплоизоляционного пеногазобетона б) межпоровая перегородка теплоизо ляционного пеногазобетона с применением нано кристаллических модификаторов Нанотехнологии изготовления и применения нанодисперсной арматуры используются для повышения физико-механических свойств пенобетона безавтоклавного твердения. В качестве нанодисперсной арматуры могут использоваться, природные минералы галлуазит и хризотил, а также углеродные нанотрубки, имеющие трубчатую структуру и нанометровые диаметры. Результаты исследований микроструктуры пенобетона показывают, что введение углеродных нанотрубок стабилизирует его структуру и устраняет перфорацию стенок пор. Стабилизация структуры пенобетона происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в цементных стенках пор. Распределяясь в объеме цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров кристаллизации Нанотехнологии изготовления и применения нанодисперсной арматуры направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры в стенках пор, обеспечивая ее непрерывность и сплошность (рис, б), а с другой - к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки (рис. в). Достигается повышение прочности пенобетона и снижение теплопроводности изделий из пенобетона. Введение в состав цементной смеси синтетических углеродных нанотрубок диаметром 40-60 нм с плотностью 0,086 г/см3 в количестве 0,05% от массы исходной смеси обеспечивает повышение прочности пенобетона в 1,7 раза, снижение теплопроводности на 20%, уменьшение, его средней плотности, а также армирование стенок и стабилизацию размеров пор НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ Физико-механические характеристики цементного пенобетона Содержание Средняя нанотрубок, плотность, % от массы кг/м3 состава Предел прочности при сжатии, МПа Коэффицие Размер нт пор, мкм теплопро водности, Вт/м oС 0 330 0,18 0,07 40-600 0,05 309 0,306 0,056 60-150 Состояние стенок пор Перфори рованы Однород ные Технология производства неавтоклавных эффективных теплоизоляционных материалов с использованием наноразмерных модификаторов и поризаторов, позволяет повысить устойчивость системы, увеличь прочность межпористых перегородок, получая пеногазобетон с плотностью 300 кг/м3 и стабильной прочностью 1,5 – 1,8 МПа. Лакокрасочные материалы САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ Модифицированный фотокатализатор TiO2 способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органику а под действием света наноструктурированная TiO2 поверхность постепенно становится супер- гидрофильной вода стекает увлекая загрязнения. поверхность не отталкивает воду, вода не может существовать в форме капли, она полностью растекается тонкой пленкой по всей поверхности, превращается в тонкую прозрачную пленку Такие вещества вводят в состав лакокрасочного материала, образующие самоочищающиеся покрытия, покрытие стекол, керамики САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ Самоочищающееся стекло Pilkington Activ. На поверхность еще не остывшего флоат – стекла напыляется состав содержащий наночастицы TiO2, которые после остывания образуют единое целое с основанием. можно ламинировать, подвергать закалке, эмалировать и покрывать шелкографией. Стекло не подходит для интерьерного применения, но может быть использовано для остекления практически всех наружных конструкций зданий: фасады, светопрозрачные крыши, зимние сады, окна. Этот вид стекла особенно актуален при возведении светопрозрачных конструкций с затрудненным доступом для обслуживания САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ Эта технология была лицензирована германским концерном Deutsche Steinzeug, и в 2000 году на заводах AgrobBuchtal было начато серийное производство керамической плитки для облицовки фасадов KerAion Hydrotect. Любая атмосферная влага - туман, утренняя роса, дождь - постоянно образует на поверхности плитки KerAion Hydrotect тонкую пленку воды, которая, стекая с вертикальных или наклонных плоскостей фасада, увлекает за собой грязь, не дает ей накапливаться. А активный кислород, выделяющийся под воздействием ультрафиолета, расщепляет органические загрязнители. При этом ликвидируются и потенциальные источники биоразрушения зданий - плесень, грибок, мох и лишайник. САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ Здание пекинской оперы САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ Способ 2. Нанесение на поверхность стекла коллоидного раствора наночастиц кремнезема SiO2. При его высыхании наночастицы кремнезема прочно прикрепляются к поверхности стекла, образуя на ней слой самоупорядочивающихся бугорков, придающих поверхности стекла ворсистый характер (эффект лотоса) Как и на ультрагидрофильных листьях лотоса, на обработанной поверхности стекла капли воды касаются бугорков отдельными точкам. Что значительно ослабляет ван-дер-Ваальсовы силы адгезии и вызывает сжатие капель воды силами поверхностного натяжения в шарик, обеспечивая высокий краевой угол Эффект лотоса Капелька воды, скатываясь с листа лотоса, оставляет за собой чистую полосу, становясь светло-коричневой от собранной грязи Поверхность листа лотоса, Строительные материалы против загрязнения окружающей среды С применением нано - TiO2 изготавливают фотокаталитические цементы TioCem®. ТХ Active (PICADA) Цементные композиции сохраняют цвет в условиях города Понижают уровень загрязнения в результате фотокатализа (разложения CO, NO2, NH3 под действием УФ) Специалистами технологического центра фирмы «HeidelbergCement» выявленавозможность снижения концентрации NO. В июле 2008 г. в Стокгольме, были проведены натурные испытания, на одной из улиц города были размещены две одинаковые камеры, изготовленные из материала, через который мог проникать видимый свет и ультрафиолетовое излучение. В одной из камер имелась поверхность со слоем известково-цементного раствора на основе цемента TioCem®. Обычный воздух поступал в камеры и затем в газоанализатор для определения содержания в нем оксидов азота. Установлено, что при прохождении воздуха через камеру, где был использован цемент TioCem®, содержание в нем NO2 в течение суток снижалось в среднем на 40-70 %. Строительные материалы против загрязнения окружающей среды В ноябре 2007 г. проведены натурные испытания бетонной кровельной черепицы Climalife с покрытием на основе цемента TioCem®. Испытания проводились в соответствии со стандартом ISO 22917, Part 1. В ходе испытаний анализу подвергалась смесь комнатного воздуха и оксидов азота, поток которых направлялся над поверхностью черепицы с покрытием. Установлено, что интенсивность разрушения NO составляла 1,6 мг/(м2.ч). В Италии применение элементов мощения, содержащих фотокаталитически активный цемент TX Active® (обозначение фотокаталитически активных строительных материалов, используемое в странах Европы) производства фирмы «Italcementi», дало возможность понизить содержание оксидов в воздухе на одной из улиц в Бергамо в течение 8 ч на 26-56 %. Применение, долговечность и другие характеристики цемента TioCem® аналогичны характеристикам обычного цемента. Его производство и применение не требуют специальных условий. Данные, полученные при испытаниях элементов мощения, содержащих такой цемент, на морозостойкость, стойкость к воздействию солей-антиобледенителей, износостойкость, соответствуют требованиям стандартов Германии. Светочувствительные материалы были использованы во множестве проектов в целом ряде итальянских городов, Брешию, Флоренцию и Рим. Главные же архитектурные проекты, осуществленные с использованием TX Active, включают церковь Misericordia в Риме, новое здание Charles de Gaulle (Париж), город музыки и изящных искусств в ChambВry и полицейскую гостиницу в Бордо, Самоочищающиеся покрытия Церковь Dives in Miserecordia в Риме Самоочищающиеся покрытия Применение принципа фотокатализа позволяет обеспечивать следующие возможности: - Непрерывная самоочистка, имеющая высокую эффективность. - Удаление загрязнений, имеющих как органическую, так и неорганическую природу. - Высокая износостойкость и хорошее качество поверхности. - Практически неизменный глянцевый блеск поверхностей, подвергнутых испытаниям. Теплоизоляционные краски Жидко керамические теплоизоляционные покрытия были впервые разработаны NASA (Национальным аэрокосмическим центром США), как изоляторы поверхности для космических кораблей серии "Шатл". возможное использование изоляционных покрытий как высокоэффективную теплоизоляционную, антикоррозионную и химически стойкую защиту для: Металлических конструкций и сооружений потолков, стен и крыш жилых, общественных и промышленных зданий, как нового строительства, так и реконструируемых (как с внутренней, так и с внешней стороны). Мостов и путепроводов Трубопроводов тепловых систем отопления Паропроводов и газопроводов Систем кондиционирования воздуха Труб с холодной водой (для предотвращения конденсации) Гидрантов, водонагревателей и бойлеров Теплообменников Теплоизоляционные краски Паровых котлов Нефтепроводов - подземных и наземных, нефтехранилищ Горячих химических смесительных баков Емкостей и баков для хранения воды, химреактивов и Холодильных камер и Рефрижираторов Покрытие внутренней части корпуса средств военного и специального назначения Автомобильные и железнодорожные цистерны для различных жидкостей Пассажирские ж\д вагоны и вагоны метро (тепло и звукоизоляция) Машинные отделения кораблей Корпуса судов, подводных лодок, катеров, яхт и т.д. Теплоизоляционные краски Преимущества сверхтонкой теплоизоляции : • Имеют высокую адгезию к металлу, пластику, пропилену, что позволяет изолировать покрываемую поверхность от доступа воды и воздуха. • Покрытия обеспечивают защиту поверхности от воздействия влаги, атмосферных осадков и перепадов температуры. • Эффективно снижает теплопотери и обеспечивает антикоррозионную защиту. • Предохраняет поверхность от образования конденсата. • Малая толщина покрытия при высокой эффективности (слой покрытия толщиной в 1 мм обеспечивает те же изоляционные свойства, что и 50 мм минераловатной изоляции или кирпичная кладка толщиной в 1-1,5 кирпича). • Наносятся на поверхность любой формы. • Не создают дополнительной нагрузки на несущие конструкции. • Предотвращает температурные деформации металлических конструкций. Теплоизоляционные краски • Отражают до 85 % лучистой энергии. • Обеспечивают постоянный доступ к осмотру изолированной поверхности без необходимости остановки производства, простоев, связанных с ремонтом, и сбоями в работе производственного оборудования. • Не разрушается под воздействием УФ излучения. • Быстрая процедура нанесения покрытий снижает трудозатраты по сравнению с традиционными изоляторами • В случае повреждения, покрытие легко ремонтируется и восстанавливается. • Не поддерживает горение (при температуре +260°С обугливается, при +800°С разлагается с выделением окиси углерода и окиси азота, что способствует замедлению распространения пламени). • Экологически безопасны, нетоксичны, не содержат вредных летучих органических соединений. • Высокая химическая устойчивость к щелочам, солевым растворам и пр. • Пожаро и взрывобезопасны • низкая расчетная теплопроводность среди всех известных изоляционных материалов - 0, 001 Вт/м °С ( при +20°С )! Теплоизоляционные краски Жидко керамическая теплоизоляция - это микроскопические, заполненные вакуумом керамические и силиконовые шарики, которые находятся во взвешенном состоянии в жидкой композиции, состоящей из синтетического каучука, акриловых полимеров и неорганических пигментов. Эта комбинация делает материалы легкими, гибкими, растяжимыми, обладающими хорошей адгезией к покрываемым поверхностям. Уникальность изоляционных свойств этой теплоизоляционной краски результат интенсивного молекулярного воздействия воздуха, находящегося в полых шариках. вакуумный силиконовый шарик диаметром 0,02 мм вакуумный керамический шарик диаметром 0,01 мм Принципиальная схема структурного строения жидко керамического изоляционного покрытия Разрез одного слоя (0,38 мм) Технические характеристики Плотность в жидком состоянии 0,50 -0,75 кГ/дм3 Плотность готового покрытия 0,30- 0,55 кГ/дм3 Вес одного слоя (0,5 мм) жидкого покрытия 0,25- 0,3 кГ/м2 Прочность при разрыве, кгс/см 2 Относительное удлинение на разрыв, % 80кГ/cм 2 5% Паропроницаемость 90 Гр/м2/час Водопроницаемость Менее 30 Грамм/м2/24ч Светоотражение Светорассеяние (инфракрасного излучения) 82% 92% Коэффициент теплого сопротивления по радиационной составляющей теплопроводности при 2 мм покрытии До 20 Эффективная теплопроводность при теплоизоляции строительных конструкций жилых и производственных зданий 0.003 Вт/м.С0 Адгезия 25 кГ/см2 Прикладные исследования Повышение эффективности существующих строительных материалов Создание принципиально новых видов строительных материалов Использование технологических приемов Модифицирование структуры на наноуровне Разработка бесцементных вяжущих и композитов на их основе Оценка минерально-сырьевых ресурсов природных наносистем Разработка неокомпозитов специального назначения нанодисперсные нанокристалические наноструктурированные Синтез нанопорошков механохимический термический золь-гель Работы с возможностью быстрой реализации результатов в масштабах производства: разработка технологии «холодного» напыления наноструктурированных защитных покрытий; создание технологии механохимического синтеза клинкерных минералов; синтез наноразмерных дисперсных систем с заданным составом, структурой, размерными характеристиками; разведка месторождений нерудных полезных ископаемых на предмет поиска и определения запасов наноструктурированного минерального сырья для индустрии строительных материалов и т.д. н ех ,т ол о ги и, н аук НАНОСТРУКТУРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ о Зе мле , комп ьютер ан о г о н ной техники, систем ,с оц ио лог ии и д ины Медиц НАНОСИСТЕМЫ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ р. , огии Объе дин ен ие НАНОМАТЕРИАЛЫ иол ,б НАНОТЕХНОЛОГИИ ло ве де я ни ий л и ус и: физики, химии, мате т с а л б м ати во в о ки, ст и мат л а и ц ери е п с а ки и ом н ко э , за али Мировые консорциумы Центр по применению наноматериалов в строительстве, Бильбао, Испания Европейский научно-исследовательский консорциум по изучению нано- и микромасштабных явлений в цементе и бетоне «Запуск новых производств с использованием НТ займет в лучшем случае 4-5 лет и потребует огромных финансовых и кадровых вложений» - Академик РАН, главный редактор журнала «Российские нанотехнологии» М.В. Алфимов
