Перспективные наноматериалы

Дата публикации: 
28.06.2015

наноматериалы

Развитие нанотехнологий должно стать мощным импульсом для научно-технического прогресса во всем мире. Уже сейчас ученым удается создавать прорывные технологии, а промышленники приступают к производству материалов с недоступными до сих пор свойствами. Какое влияние окажут нанотехнологии на строительную отрасль? Какими разработками строители могут воспользоваться уже сегодня? Какие новинки появятся в ближайшем будущем?

 

Новый импульс для технологического развития

 

Нанотехнологии считаются сердцевиной шестого технологического уклада, в который вступило человечество (в предыдущем (пятом) укладе сердцевиной технологического прогресса были информатизация и телекоммуникации, в четвертом - печать, в третьем - электричество, во втором - железные дороги, а первый начался с развития текстильной промышленности в Англии). Именно поэтому о нанотехнологиях в настоящее время ежегодно публикуются десятки тысяч статей в научных и технических журналах, издаются сотни книг, созываются тысячи конференций, устраиваются сотни выставок с демонстрацией достижений в этой сфере.

Так что же такое нанотехнологии (НТ)? Общепринятого определения данного понятия нет до сих пор. Поэтому, несколько упрощая, будем понимать под НТ способы получения наноструктур с целью их использования для резкого повышения физико-механических, технологических и ряда других свойств различных традиционных материалов. В приложении к строительной индустрии это металлы, бетоны, керамика, краски, клеи и некоторые другие материалы.

К наноструктурам относят следующие объекты:

- наночастицы (НЧ). Это тела, наноразмерные во всех трех направлениях;

- нанотрубки (НТР). Это цилиндры, у которых диаметр наноразмерный, а длина намного больше;

- нанопленки (НП). Это свободные пленки, у которых наноразмерная только толщина;

- нанопокрытия (НПК). Это пленки, зафиксированные на подложке, у которых наноразмерная только толщина;

- наносуспензии (НС). Это взвеси твердых НЧ в жидкости;

- наноэмульсии (НЭ). Это взвеси жидких НЧ в жидкости, в которой они нерастворимы;

- нанокластер (НК). Это НЧ упорядоченного строения размером до 5 НМ, содержащие до 1000 атомов. Обычно НК образуют атомы металлов.

Учитывая значимость НТ для строительной отрасли, Российская академия архитектуры и строительства создала научный совет "Нанотехнологии в строительном материаловедении", который призван скоординировать работу по этому новому направлению исследований, а Международный союз экспертов и лабораторий в области строительных материалов, систем и конструкций (РИЛЕМ) учредил специальный комитет "Нанотехнологии в строительных материалах".

Еще одним свидетельством значимости НТ для строительства может быть то, что все специализированные журналы (например, "Российские нанотехнологии", "Наноиндустрия", "Нанотехника") регулярно публикуют статьи по строительным НТ. А профессиональные строительные журналы размещают статьи о нанотехнологиях буквально в каждом номере.

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. прошел уже третий такой форум. Автору данной статьи довелось побывать на нем и ознакомиться с новинками нанотехнологий, разработанных для строительной отрасли. Ниже будут описаны наиболее яркие отечественные экспонаты.

 

Дерево, твердое как сталь

 

Пожалуй, наибольшее впечатление произвела на меня работа, выполненная в Воронежской лесотехнической академии совместно с ЗАО "ЭФКО-НТ" из г. Алексеевки Белгородской области. Суть разработки заключается в том, что частицы нанокристаллической целлюлозы под определенным давлением вводят в каналы, имеющиеся в структуре древесины. В результате такой обработки древесина приобретает такую же твердость, как у нелегированной стали. Увеличивается водостойкость: древесина перестает набухать в воде, изменять объем. Особенно эффективна такая обработка для древесины мягких и недорогих пород. Из обработанной по новой нанотехнологии древесины можно изготавливать паркет, узлы трения конвейеров, транспортеров, насосов.

Технология относительно недорога, поскольку микроцеллюлозу авторы разработки не получают в результате измельчения обычной целлюлозы, как это делалось до сих пор, а выделяют из жома сахарной свеклы, в котором она находится уже в виде НЧ, созданных природой. Жома на сахарных заводах в одной только Белгородской области образуется около 140 тыс. т в год. Из этого количества можно выделить до 25 тыс. т нанокристаллической целлюлозы.

Нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ) может использоваться не только для обработки древесины. Наверное, еще более значимой областью ее применения может стать создание биоразлагаемых пластмасс, которые ныне становятся востребованными для изготовления упаковок. Выброшенный на свалку пакет, изготовленный из полиэтилена с добавлением НКЦ, в течение года-двух разложится и превратится в безвредные для природы вещества. (Обычный полиэтилен разлагается в течение десятков лет.)

 

Недорогие, но прочные клеи

 

Строителям давно и хорошо известно жидкое стекло, используемое и как клей, и как пленкообразователь в силикатных красках, и как добавка в цементные смеси. Но этот материал относительно дорог, поскольку до настоящего времени жидкое стекло получали по энергоемкой технологии, нагревая смесь кварцевого песка с содой до температуры 1600 град. Цельсия. Ученые Белгородского национального исследовательского университета сумели синтезировать жидкое стекло по энергосберегающей экологически чистой технологии с использованием недефицитного сырья и серийного оборудования. "Изюминка" технологии - использование в синтезе нанокластеров аморфных гидросиликатов щелочных металлов.

Широко применяются в строительстве гибкие связи и фасадные дюбели, изготавливаемые чебоксарским ООО "Гален". Эти изделия до недавнего времени изготавливали из базальтового волокна, проклеиваемого обычным эпоксидным клеем.

На выставке были представлены гибкие связи и дюбели, для изготовления которых используется уже наномодифицированный эпоксидный клей - более прочный, чем обычный.

Инновацию, реализация которой уже началась в промышленных масштабах, представило чувашское ООО "НПЦ "Пружина". Суть ее заключается в том, что в пружине по уникальной технологии создают так называемую наноразмерную структуру, вследствие чего срок службы пружины увеличивается не менее чем в десять раз. А пружина - одна из наиболее часто ломающихся деталей различных механизмов, в том числе и строительного назначения.

 

Бактерицидные краски

 

"Инфекции наступают. Все на борьбу с инфекционными заболеваниями!" - с таким призывом не так давно обратилась к жителям планеты Всемирная организация здравоохранения. Одним из способов предотвращения распространения возбудителей инфекций является окрашивание стен и потолков в помещениях, где возможно скопление людей, лакокрасочными материалами (ЛКМ), покрытия (ПК) из которых обладают антимикробными свойствами. В качестве таковых уже сравнительно давно используют ЛКМ, в состав которых вводятся соли серебра.

Исследования показали, что замена в ЛКМ солей серебра на НЧ этого металла резко увеличивает бактерицидность ПК. До недавнего времени такие ЛКМ производились лишь за рубежом. Теперь их изготавливают и в России на заводе "Краски-КВИЛ" в Белгороде. Это "Биокраска водно-дисперсионная с наночастицами серебра моющаяся для стен и потолков". Такое длинное название отвечает на многие вопросы, которые могут быть заданы потенциальными потребителями краски.

Добавим, что ПК, образуемые этой краской, сохраняют биоцидные свойства в течение длительного (не менее года) времени.

Второй подобный ЛКМ - "Эмаль ПФ-115 с наночастицами серебра". Ее рекомендуют для окрашивания поверхностей, которые должны подвергаться частой влажной уборке.

А в Институте прикладной механики РАН разработан и изготавливается порошкообразный шунгит-серебряный нанокомпозит. Добавление такого порошка в традиционные ЛКМ придает ПК из них высокую бактерицидность, причем сохраняется она не менее двух лет. Рекомендован шунгит-серебряный нанокомпозит и для введения в полимерные пленки, объемные изделия из пластмасс.

На основе шунгита-серебряного нанокомпозита в этом же институте разработаны "наноперчатки" - кремы, предназначенные для нанесения вместо йода на мелкие травмы рук, так частые у строителей. "Наноперчатки" и дезинфицируют ранки, и ускоряют их заживление.

 

Наномагниты

 

Одним из ярких достижений последних лет является создание наносплавов, из которых можно изготавливать суперсильные постоянные магниты. А нужны такие магниты для многих целей, например для выделения ферромагнитных включений, то есть стальных и чугунных предметов, стружки, опилок, из песка, предназначенного для изготовления бетонных изделий.

Еще важнее удаление таких включений из зерна, муки, круп, кормов для скота.

В Научно-исследовательском институте физики и прикладной математики Уральского государственного университета (г. Екатеринбург) на основе таких магнитов разработаны специальные сепараторы, создающие сильные неоднородные магнитные поля, намагничивающие, притягивающие и фиксирующие включения. Сепаратор способен извлекать их практически до единого кусочка из непрерывного потока загрязненных сыпучих сред.

 

Генерация и экономия электроэнергии

 

Поиски альтернативных источников электроэнергии - одна из наиболее актуальных задач нашего времени. Уже широко используются в качестве таких источников солнечные батареи, ветроэнергогенераторы. Сегодня "встает на ноги" и еще один альтернативный источник - термоэлектрический генератор. Принцип его действия основан на использовании эффекта Пельтье, который был открыт еще в 1821 г. Однако из-за малого КПД термоэлектрические генераторы использовались до настоящего времени лишь в исключительных случаях.

Благодаря НТ удалось заметно повысить КПД термоэлектрических генераторов, и в России (в воронежском ОАО "Корпорация НПО "РИФ") уже организовано первое производство таких приборов.

Один из них, выпускающийся под названием "Котелок", предназначен для первопроходцев. Этот термоэлектрический генератор способен вырабатывать электроэнергию из костра и питать ею радиостанцию, электрическую лампу, радиоприемник, телевизор...

Пензенское ООО "Журин электроникс" с использованием НТ разработало энергосберегающие автоматы освещения на основе нановаттной электроники. Эти "умные" приборы включают свет только тогда, когда он нужен. Ими уже оборудованы объекты ООО "Газпром трансгаз" в Нижнем Новгороде и аэропорт "Домодедово" в Москве.

 

Инструменты нового поколения

 

Одним из интенсивно развивающихся направлений в НТ является синтез так называемых детонационных алмазов. Суть технологии в том, что в специальных суперпрочных емкостях взрывают боевые взрывчатые вещества, хранящиеся на складах и ставшие ненужными. При тех колоссальных температуре и давлении, которые возникают при взрыве, углерод, содержавшийся в молекулах взрывчатки, частично превращается в кристаллики алмазов. Размер кристаллов нанометровый, вот почему продукту синтеза и дано название детонационные наноалмазы.

Пожалуй, наиболее емкой областью применения наноалмазов в настоящее время становится их использование при производстве антифрикционных смазок. Вторым по емкости направлением является введение наноалмазов в хромовые покрытия, формируемые гальваническим способом на стальных изделиях с целью увеличения твердости и износостойкости. А наноалмазы дополнительно эти свойства повышают. Третьим направлением является использование наноалмазов в качестве компонента полирующих составов, позволяющих достигать высочайшего класса поверхности.

Производят наноалмазы в России на нескольких предприятиях в разных регионах, в частности на Алтае - в Бийске, в федеральном научно-производственном центре "Алтай"; в Санкт-Петербурге - в СКТБ "Технолог"; в Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов г. Троицка Московской области. В этом институте научились получать алмазы и ювелирного качества.

Износ трущихся поверхностей в различных машинах и механизмах, в том числе строительного назначения, - основная причина их выхода из строя. Совокупными усилиями специалистов Института общей физики имени Нобелевского лауреата, академика РАН А.М. Прохорова (г. Москва), Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск) и ОАО "Саранский приборостроительный завод" создано промышленное производство изделий триботехнического назначения из высокопрочных износостойких наноструктурированных кристаллов диоксида циркония.

 

Примечание. Исключительно высокие износостойкость и ударная вязкость наноструктурированных кристаллов диоксида циркония сочетаются с низким коэффициентом трения, что обеспечит им применение для изготовления подшипников скольжения и других деталей, которые должны быть износостойкими.

 

Наше время "знаменито" и тем, что то и дело по разным причинам происходят обрушения зданий, в том числе и жилых, под завалами нередко остаются живые люди. Поэтому столь важны сегодня устройства, с помощью которых можно было бы "видеть" сквозь железобетон, кирпич.

В Воронежском государственном университете такие устройства разрабатываются на основе НТ. С их помощью можно не только просвечивать "поверженные" строительные конструкции, но и определять степень износа конструкций еще "работающих", а также "заглядывать" под землю, "отыскивая" потерянные там трубопроводы, кабели. Пригодны они и для поиска людей под снежными завалами.

 

Негорючие пластики

 

По официальной статистике, в России ежегодный ущерб от пожаров составляет 12 млрд руб. (В 2010 г. из-за печально памятных летних пожаров ущерб оказался во много раз большим.) Особенно бурно, с большим выделением теплоты и вредных газов, горят изделия из пластмасс, поэтому ученые стараются придумывать способы, позволяющие делать пластмассы менее горючими. Один из таких способов - введение в состав пластмассы веществ, называемых антипиренами.

В настоящее время наиболее эффективным по совокупности свойств антипиреном является наноструктурированный гидроксид магния. Его введение в пластмассы позволяет снизить горючесть, выделение ядовитых газообразных продуктов сгорания. (А сейчас достоверно установлено, что основной причиной гибели людей при пожаре является не огонь, а ядовитые газы, образующиеся при термическом разложении изделий из пластмасс, которых так много в современных зданиях различного назначения.) До сих пор такой антипирен Россия была вынуждена ввозить из-за рубежа. В настоящее время производство наноструктурированного гидроксида магния налаживается в Волгограде в ЗАО "Экомаг".

 

Идеальные контакты

 

В Институте теплофизики Уральского отделения Российской академии наук совместно с Уральским федеральным университетом (обе организации находятся в Екатеринбурге) разработан способ, позволяющий в 10 - 15 раз уменьшить и стабилизировать на уровне первоначальной сборки величину переходного электрического сопротивления в разборных контактных соединениях, снизить потери электроэнергии на них.

Эффект достигается за счет нового типа специальных защитных металлопокрытий, создаваемых на основе нанотехнологии, которые образуются после нанесения на токопередающие поверхности контактов поверхностно-активных легкоплавких сплавов заданного состава. Формирование металлопокрытий основано на использовании процесса контактного твердо-жидкого плавления, при котором взаимодействие твердого металла с жидким происходит ниже температуры автономного плавления твердого металла.

Главное преимущество данного способа по сравнению с традиционными лужением и серебрением - в том, что он может применяться на действующем электротехническом оборудовании на различных объектах электроэнергетики. Поэтому наиболее эффективно применение предлагаемого способа - при монтаже, ремонте, эксплуатационном обслуживании электротехнического оборудования на ЛЭП, контактных сетях электрифицированного железнодорожного, городского транспорта, всевозможных распределительных устройствах.

 

Наномодификация бетонов

 

Пожалуй, наиболее широко НТ проникают в строительство через наномодифицирование строительных материалов, особенно на основе портландцемента. Пригодными для такого модифицирования являются и классические углеродные НЧ (фуллерены, нанотрубки и их аналоги), и НЧ другой природы, например оксиды металлов, диоксид кремния, некоторые соли, например силикаты.

Выдающихся успехов в синтезе НЧ, представляющих собой углеродные наноструктуры, содержащие оксиды металлов, добились ученые Научно-образовательного центра химической физики Удмуртского научного центра Уральского отделения Российской академии наук совместно со специалистами ОАО "Ижевский электромеханический завод "Купол". Из отходов металлургического производства они наладили синтез НЧ, использование которых при изготовлении пенобетонов приводит к повышению прочности и трещиностойкости материала в 2 - 2,5 раза; возрастает и скорость твердения. Такие эффекты достигаются при введении НЧ в количестве всего около 0,01% от массы цемента.

 

Примечание. Многими исследованиями как российских, так и зарубежных ученых установлено, что введение в цементные композиции НЧ в количестве всего 0,001 - 0,05% нередко позволяет в разы повысить эксплуатационные свойства и тяжелых, и легких бетонов, а также пенобетонов.

 

Еще одним достоинством способа, разработанного ижевцами, является то, что НЧ образуются в виде устойчивой суспензии в воде и их введение в цементные смеси не представляет технологических трудностей, как в тех случаях, когда НЧ поставляется на завод-производитель цементных изделий в виде порошка.

 

Цемент вскоре будет дешеветь

 

Измельчение твердых тел - одна из наиболее массовых технологий в современном мире. Подсчитано, что на помол хлебного зерна, природных минералов, а также сырья для цемента и подобных сыпучих материалов в настоящее время затрачивается не менее 20% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Ее удельный расход, то есть количество, которое затрачивается на измельчение единицы массы твердого тела, тем выше, чем до более тонкодисперсного состояния нужно размолоть материал. Специалисты из ЗАО "Атлант" (г. Ульяновск) осуществили разработку и начали производство уникальных установок, дав им название "Молот", в которых измельчение производится ультразвуком.

Эти установки позволяют получить НЧ с размером до 3 НМ, причем стоимость как самого "Молота", так и получаемого с его помощью продукта значительно ниже, чем в существующих ныне технологиях.

В "Молоте" нет двигающихся деталей, которые в традиционных мельницах интенсивно изнашиваются от контакта с измельчаемым твердым телом."

Категория: 

новые наноматериалы