Представить современное строительство без лакокрасочных материалов (ЛКМ) так же невозможно, как, например, без цемента. А в последние годы значимость лаков и красок еще более возросла, потому что наряду с традиционными функциями (придание сооружениям декоративных свойств и защита от коррозии) они стали выполнять и некоторые иные задачи. Производство лакокрасочных материалов с дополнительными полезными свойствами стало возможно благодаря нанотехнологиям.

Прежде всего нужно определиться в терминах. Что такое наноматериалы и нанотехнологии, подробно рассказано в статье "Близкое нанобудущее". Лакокрасочные материалы, в состав которых помимо основных компонентов введены наноструктуры или которые образуют покрытие наноразмерной толщины, принято называть нанолакокрасочными (НЛКМ). А теперь перейдем к тому, какие необыкновенные свойства удалось придать ЛКМ при помощи нанотехнологий.

Нанокраски против... инфекции

"Инфекции наступают. Все на борьбу с инфекционными заболеваниями!" - призывает землян Всемирная организация здравоохранения. Одним из высокоэффективных способов борьбы с распространением инфекционных заболеваний стало окрашивание поверхностей (стен, потолков, пола) в помещениях ЛКМ, в состав которых введены биоциды, причем такие, которые убийственны для патогенных микроорганизмов и безвредны для человека и домашних животных.

Представителями высокоэффективных биоцидов являются соли полигексаметиленгуанидина, синтез которых разработан в Московском институте эколого-технологических проблем, а производство организовано на опытном заводе этого института. Здесь же разработаны и ЛКМ, в состав которых введены данные соли: "БИОКРИЛАТ-2", "БИОКРИЛАТ-4".

Проведенные в Московском НИИ дезинфектологии испытания "Биокрилатов" показали, что эти ЛКМ обладают стопроцентной эффективностью обеззараживания по отношению ко многим микроорганизмам, причем бактерицидный эффект сохраняется в течение многих месяцев. Соли полигексаметиленгуанидина распределяются в ЛКМ в виде наночастиц, так что упомянутые ЛКМ являются НЛКМ.

Состав для дезинфекции и биозащиты ХТ-500 предназначен для окрашивания интерьеров помещений, в которых может скапливаться большое количество людей или животных. Лакокрасочные покрытия (ЛКП), образуемые этим составом, обладают контактным механизмом воздействия: микроорганизмы гибнут, попадая на их поверхность, причем в интервале температур от -40 до +100 град. Цельсия, гарантийный срок - 18 месяцев.

Изделия из древесины, окрашенные этим составом, становятся устойчивыми к биоповреждениям. Состав разработан Институтом элементоорганических соединений имени академика А.Н. Несмеянова Российской академии наук (г. Москва).

Человечеству давно известно бактерицидное действие серебра, но до недавнего времени это его свойство реализовывалось лишь использованием ионов серебра, которые вводились в защищаемый от микроорганизмов объект или в виде солей серебра путем электролиза с серебряным анодом, или длительным контактом металла с водой ("серебряная" вода). В последние годы обнаружено, что серебро в виде наночастиц гораздо эффективнее, чем в виде ионов. Установлено, что наночастицы этого металла способны уничтожить более 600 видов болезнетворных бактерий, вирусов, микроскопических грибков. Пока не обнаружено ни одного вида микроорганизмов, который приобрел бы резистентность к наночастицам серебра.

В Московском институте нанотехнологий МФК разработан промышленный способ получения наночастиц серебра размером 9 - 15 нм в виде взвеси в воде или органическом растворителе либо в водно-спиртовой смеси. Эти препараты производятся под торговой маркой "AgБион". Безопасность "AgБион" для человека (даже при их попадании внутрь организма) доказана в Институте питания Российской академии медицинских наук. На основе этих препаратов разработаны биоцидные НЛКМ (в том числе порошковые), а также прозрачный лак для клавиатуры компьютеров и мобильных телефонов. (Установлено, что на клавиатуре этих устройств поселяется множество микроорганизмов.)

В Институте прикладной механики Российской академии наук (ИПРИМ) разработан шунгит-серебряный нанокомпозит, который, будучи введенным в обычные ЛКМ, придает им высокую бактерицидность. В этом нанокомпозите сочетаются биоцидные свойства серебра и шунгита - минерала, хорошо известного хотя бы по бытовым фильтрам для воды, в которых он выполняет функцию обеззараживателя.

Это свойство шунгита было знакомо еще Петру I, который повелел своим солдатам, идущим под Полтаву, положить во фляжки с водой куски "аспидного камня" - так в те времена называли минерал. В результате русская армия подошла к Полтаве здоровой, а шведская вся страдала желудочными расстройствами.

Уже запущены в опытно-промышленное производство под брендом "Нано-Лат-ИПРИМ" такие НЛКМ с шунгит-серебряным нанокомпозитом, как ВД-ВА-224, ВД-АК-111, лак ХВ-784, эмаль ПФ-115. Эти НЛКМ обладают бактерицидной активностью по отношению ко всем микроорганизмам. Бактерицидный эффект сохраняется в течение не менее двух лет.

Шунгит-серебряный нанокомпозит может вводиться не только в ЛКМ, но и в воски для натирки полов, мебельные воски.

НЛКМ против... гриппа

Еще одним способом придания ЛКП способности уничтожать микроорганизмы является введение в состав ЛКМ наночастиц фотохимически активного диоксида титана анатазной модификации. Под воздействием ультрафиолетовых квантов (компонент солнечного, как прямого, так и рассеянного, света) на поверхности таких наночастиц кислород в воздухе активируется и становится способным при обычной температуре сжигать попадающие на них органические вещества (в том числе тела микроорганизмов).

Вследствие этого ЛКП становится бактерицидным и остается чистым. К сожалению, пока в России нет ЛКМ с такими наночастицами, хотя исследования их свойств проводятся. Так, новосибирскими учеными установлено, что на наночастицах диоксида титана способны погибнуть даже вирусы гриппа.

Краски вместо лампочек

Все более востребованными становятся ЛКМ, получившие название светоаккумулирующих, или "красок, светящихся в темноте". Если такими ЛКМ окрасить поверхность какого-либо изделия и держать его днем на свету, то ЛКП будет светиться в темноте, причем так, что, будучи рядом с ним, можно даже читать. А светится это ЛКП потому, что "впитало" в себя дневной или электрический свет.

    Примечание. Способность к "впитыванию" света выражается так называемой "светосуммой", измеряемой количеством квантов света, которое поглощает 1 куб. см  ЛКП. У хорошего по этому показателю ЛКП светосумма может достигать 10 квантов/куб. см.

Компонентом ЛКМ, который обеспечивает ночное свечение, является вещество, называемое люминофором (в переводе с греческого - "носитель света"). Разумеется, люминофор, чтобы быть эффективным, должен существовать в виде наночастиц.

В нашей стране уже несколько предприятий производят люминофоры, качество которых не уступает зарубежным аналогам. В число таких предприятий входит ООО "Пента-91" (г. Москва), которое выпускает люминофоры марки "Пента-91", способные светиться желто-зеленым, небесно-голубым и синим светом с длительностью свечения в темноте до восьми часов.

Разумеется, яркость свечения в темноте по мере исчерпания запасенной светосуммы постепенно снижается. Первоначальная яркость свечения в темноте тоже является характеристикой качества люминофора. Эта характеристика измеряется единицей - кандела/кв. м. (Термин "кандела" в буквальном переводе означает "свеча".) У люминофора "Пента Л-1" первоначальная яркость составляет до 4 кд/кв. м, не уступая лучшим зарубежным аналогам.

Примечание. Спектр применения светоаккумулирующих ЛКМ постоянно расширяется, а потому они становятся все более востребованными.

Еще одним производителем люминофоров является ЗАО "Агрогаз" (г. Москва), выпускающее разработанные НПО "Платан" материалы, которые называются "фотолюминофоры".

А Московская НПФ "Спектр" на основе фотолюминофоров разработала и выпускает люминофорную краску ХВ-589, предназначаемую для светознаков, указывающих в темноте пути эвакуации в ситуациях, когда исчезают традиционные источники освещения.

В Институте элементоорганических соединений имени академика А.Н. Несмеянова Российской академии наук совместно с Московским государственным текстильным университетом разработана нанотехнология нанесения микроразмерных полимерных покрытий, содержащих отечественные люминофоры, на поверхность волокон различных типов, кожи, меха, древесины. Эта разработка позволяет получать светящуюся в темноте одежду, обувь, головные уборы. А Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" разработал и производит люминофоры, которые используются в фитолампах - облучателях, применяемых в теплицах для ускоренного развития рассады, увеличения содержания в растениях биологически активных веществ. Стоимость таких люминофоров в три раза ниже, чем у зарубежных аналогов.

В Институте элементоорганических соединений имени академика А.Н. Несмеянова Российской академии наук разработаны ЛКМ, пленкообразователями в которых являются полиорганосилоксаны. К этим полимерам методом молекулярной сборки (яркий пример нанотехнологии) прививается люминофор. Такими ЛКМ можно окрашивать изделия из силикатного стекла, керамики, бетона, стали, некоторых видов пластмасс. Покрытия из этих ЛКМ излучают зеленый, сине-зеленый, синий (диапазон длин волн от 478 до 525 нм) свет. Продолжительность свечения - до восьми часов.

Интумесцентные нано-ЛКМ

В России в настоящее время угрожающими темпами растет количество пожаров, и одной из очень вероятных причин этого являются намеренные поджоги. Традиционные способы так называемой активной защиты (автоматические системы оповещения и тушения) часто бывают бесполезными, поскольку перед поджогом их выводят из строя.

Поэтому первостепенное значение приобретают способы пассивной защиты, сводящиеся к окрашиванию строительных конструкций ЛКМ, покрытия из которых при повышении температуры способны вспучиваться и образовывать слой пенококса, предохраняющий подложку от прямого воздействия огня и нагревания до температуры, при которой происходит потеря несущей способности. Такие ЛКМ называют интумесцентными.

НЛКМ - блюстители чистоты

По мере роста высоты зданий становится все более острой проблема очистки их фасадов от загрязнений. До недавнего времени эту проблему решали с помощью альпинистов. Но работа верхолазов обходится в копеечку, к тому же она довольно опасна. "Дешево и сердито" проблему очистки поверхностей на большой высоте позволяют решать НЛКМ.

Уже упомянутый наноразмерный диоксид титана способен при освещении дневным светом активировать кислород до такой степени, что уже при обычной температуре он окисляет твердые органические вещества (а они и притягивают частицы минеральной пыли из воздуха) до газообразных - воды, углекислого газа, азота. Грязь отстает от поверхностей, фасады становятся чистыми.

За рубежом НЛКМ для такой цели используют уже весьма широко. Российских аналогов пока нет, но они разрабатываются. Так, петербургским ученым удалось синтезировать наночастицы, названные астраленами, которые по свойствам подобны фотохимически активному диоксиду титана, но дешевле его. Астралены используются для наномодифицирования лаков, которые уже применялись для защиты от загрязнения мраморных плит на фасадах ряда исторических зданий Санкт-Петербурга.

Защита от жесткого ультрафиолета

Известно, что солнечный свет - это электромагнитные излучения с различными длинами волн, обусловливающими ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части. В свою очередь, ультрафиолетовую часть солнечного света делят на три области: жесткий ультрафиолет (длины волн - от 100 до 280 нм), средний (длины волн - 280 - 315 нм) и легкий (длины волн 315 - 380 нм). Жесткий ультрафиолет губителен для всего живого, и жизнь на земле возможна только потому, что от него защищает озоновый слой. Губителен он и для некоторых стройматериалов, например древесных, полимерных, лакокрасочных.

Ученые из Московского института стали и сплавов установили, что наночастицы кремния поглощают жесткий и средний ультрафиолет и полностью пропускают его видимую и инфракрасную части. Лаки с такими наночастицами образуют покрытия, прозрачные для видимого и инфракрасного диапазона волн, но непроницаемые для жесткого и среднего ультрафиолета. Вследствие этого повышается долговечность, во-первых, самих лаковых покрытий, во-вторых, материалов, на которые они нанесены.

НЛКМ, получаемые из нанопленкообразователей

Как упоминалось в начале статьи, НЛКМ не только материалы, которые содержат твердые наночастицы, но и те, которые основаны на нанопленкообразователе (формирующиеся из них ЛКП имеют нанометровую толщину).

К числу таких НЛКМ относятся прежде всего эпиламы (в буквальном переводе этот термин означает "поверхностные пленки"). Это фторорганические вещества, растворенные в некоторых органических растворителях. При нанесении таких растворов (эпиламинировании) на поверхности изделий образуются покрытия наноразмерных толщин (4 - 10 нм), которые проявляют ряд необыкновенных свойств, например высочайшие гидрофобность, адгезионную прочность, абразиво-, тепло-, термо- и химстойкость.

Изначально эпиламы было предложено применять в виде нанопокрытий на сопряженных узлах деталей для снижения износа (коэффициента трения). Затем их стали использовать для защиты изделий, окрашенных традиционными ЛКМ, чтобы придать покрытиям повышенные защитные свойства.

К настоящему времени в России производство эпиламов организовано на шести предприятиях. Государственный институт прикладной химии (г. Санкт-Петербург) выпускает их под названием "Эфрены", ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" (г. Москва) - "Фолеоксы", ЗАО "Автоконинвест" (г. Москва) - "Автоконы", ОАО "Научно-исследовательский институт часовой промышленности" (г. Москва) - "Защитные молекулярные пленки", ЗАО "Завод Оргсинтез "ОКА" (г. Дзержинск Нижегородской области) - "Полизамы", "Ассоль-F", гидрофобные составы "А60-3" и "А60-3С".

Вторым направлением в получении пленкообразователей, образующих нанопокрытия, является синтез водных дисперсий с наноразмерными глобулами (полимерными шариками), образующими дисперсную фазу. Примерами таких пленкообразователей являются: "Лакротэн Э-021" - дисперсия стирол-акрилового сополимера, диаметр глобул в которой менее 60 нм (изготовитель - ООО "Оргхимпром", г. Дзержинск Нижегородской области), "Лентекс А4Ф", "Лентекс АН5К" - дисперсии тех же сополимеров, но производимые в ООО "Норд-синтез" г. Санкт-петербурга. Эти дисперсии используются не только для изготовления НЛКМ, но и для пропитывания бетонных изделий для упрочнения и создания на их поверхности грунтовочного слоя под последующее окрашивание.

Уникальный пленкообразователь для НЛКП разработан в ЗАО "Биохимпласт" (г. Дзержинск Нижегородской области). Он представляет собой суспензию наночастиц поливинилхлоридной смолы в традиционных промышленных растворителях, например бутилацетате, толуоле. Такая суспензия подобна истинным растворам. До "Биохимпласта" никому в мире не удалось "сделать" поливинилхлоридную смолу растворимой в таких растворителях, а нужда в растворах этой смолы очень большая, ибо они образуют покрытия, устойчивые к агрессивным жидкостям и газам. На основе такого пленкообразователя в промышленных объемах производится лак ХВ-701Б, который оказался востребованным строителями для окрашивания бетона с целью придания последнему повышенной водонепроницаемости, стойкости к воздействию агрессивных сред.

Примечание. Благодаря использованию недорогого нанолака ХВ-701Б удается резко повысить прочность и морозостойкость бетонных изделий.

Наряду с этим лак оказался очень удобным материалом, с помощью которого можно предотвращать излишнее испарение воды из бетонных изделий в жаркое время года. Лак можно наносить на открытую поверхность даже только что отформованного бетонного изделия. Образовавшееся покрытие надежно прикроет бетон и закроет путь парам воды. Вследствие этого бетон наберет заданную прочность. А не будь такой защиты, цемент твердел бы в условиях дефицита воды, бетонное изделие стало бы рыхлым, с меньшей прочностью, низкой морозостойкостью. Особенно эффективна защита таким лаком бетонных изделий с большим модулем поверхности. Еще одним достоинством лака ХВ-701Б является то, что, когда надобность в пленке минует, ее можно легко удалить струей сжатого воздуха.

Способы изготовления НЛКМ

В настоящее время НЛКМ можно приготовить из обычного ЛКМ двумя путями: введением заранее полученных наночастиц или синтезом наночастиц непосредственно в ЛКМ.

При приготовлении НЛКМ первым способом возникают следующие затруднения:

- равномерное распределение наночастиц в объеме ЛКМ удается обеспечить лишь ультразвуковым воздействием;

- сложность сохранения размеров наночастиц, поскольку из-за высокой поверхностной энергии они интенсивно агрегируются;

- высокая стоимость, обусловленная большими энергозатратами на получение наночастиц.

Несмотря на перечисленные недостатки, большую часть НЛКМ ныне изготавливают именно так.

Второй способ получения НЛКМ - "золь-гель технология" - лишен описанных пороков. Эта технология заключается в синтезе наночастиц непосредственно в ЛКМ путем превращения молекул неких веществ, называемых прекурсорами и вводимых в ЛКМ, сначала в "золь", а затем в "гель" (студнеобразное тело).

Наночастицы, образующиеся при использовании золь-гель технологии, дешевле тех, которые получают измельчением твердых тел. Эта технология достаточно проста, легко поддается управлению, высокопроизводительна, экологически безопасна.

Именно такую технологию автор применил для наномодифицирования ЛКМ, предложив ее еще в 1966 г., когда и термина "нанотехнология" не существовало.

Первым созданным с ее помощью НЛКМ была водно-дисперсионная поливинилацетатная краска необычного назначения - для окрашивания школьных мелков с целью предотвращения образования меловой пыли при их использовании и, следовательно, попадания ее частиц на кожу, одежду и в легкие.

Другим назначением краски было улучшение органолептических свойств мелков, ибо обычные мелки иссушают кожу. А ЛКП, образованное таким НЛКМ, должно не мешать письму этим мелком, то есть истираться при трении о доску.

Вслед за изготовлением мелков такой НЛКМ стали использовать строители для устранения пылимости меловых побелок, повышения их водостойкости, а также производители обоев (обычные обои после обработки превращались в моющиеся). В качестве прекурсора в этом НЛКМ был использован "Этилсиликат-32" - доступное недорогое вещество, которое после диспергидрирования в водной фазе поливинилацетатной дисперсии в результате гидролитической поликонденсации образует наночастицы диоксида кремния.

Позже наномодифицирование поливинилацетатной дисперсии "Этилсиликатом-32" позволило создать высокоэффективные грунтовки - преобразователи ржавчины, а также цветные краски без использования вводимых извне цветных пигментов.

Этот прекурсор оказался эффективным наномодификатором олиф, масляных красок, приготавливаемых на основе таких олиф, казеина, шеллака, эпоксидных смол (эпоксидно-диановых олигомеров). С его помощью можно снижать их вязкость, заменяя пожароопасные растворители, повышать адгезионную прочность, тепло- и термостойкость образующихся из этих смол ЛКП. Эффективен "Этилсиликат-32" и для наномодифицирования битумных ЛКМ: на 20 - 25 град. Цельсия снижает температуру хрупкости и на 10 - 15 С повышает температуру размягчения.

Использование содержащих наночастицы природных минералов

Природа, оказывается, уже давно знакома с наночастицами - их содержат многие минералы. Одним из таких минералов является асбест. Высокие эксплуатационные свойства асбестоцементных изделий (плоских листов, волнистого асбошифера, труб, тормозных дисков) ныне объясняются тем, что в асбесте есть наночастицы в виде нанотрубок.

Уместно отметить, что для изготовления асбестоцементных изделий используют кристаллическую модификацию асбеста, называемую хризотилом. Сегодня все обвинения в якобы высокой канцерогенности хризотилового асбеста сняты и в России, и в США, и в большинстве других стран. Асбест канцерогенен в кристаллической модификации, называемой антофиллитом (это асбест голубого цвета), но для производства асбестовых изделий его не применяют.

Второй природный минерал, содержащий наночастицы, - это некоторые виды глин, например глины бентонитовые. В них есть нанопластинки. Введение таких глин в полимеры, в том числе и те, которые становятся пленкообразователями в ЛКМ, придает им повышенную огнестойкость.

Уникальным природным минералом, содержащим фуллерены - самые "знаменитые" наночастицы, является шунгит. Такое название он получил за то, что был обнаружен вблизи селения Шуньга в Карелии. За многообразие свойств, всемирный интерес к нему и, соответственно, большой экспортный потенциал, за то, что наша страна - владелица единственного в мире громадного месторождения шунгита, его назвали "национальным камнем России".

ЛКМ, в состав которых введен шунгит, становятся НЛКМ. Покрытия, сформированные из них, обладают способностью не пропускать электромагнитные излучения. К сожалению, пока в России промышленного производства таких НЛКМ нет (по крайней мере автору об этом не известно).

В заключение хочется упомянуть о фантастических идеях, над реализацией которых работают российские и зарубежные ученые: создание НЛКМ с использованием так называемых органических фотовольтарических веществ. ЛКП на их основе, помимо выполнения основной функции, будут вырабатывать электрический ток, как солнечные батареи. Еще одно свойство, которое будет придано данным покрытиям, - излучать белый свет подобно светодиодам, питаясь при этом током, который они сами же вырабатывают.

Другая фантастическая идея - создание НЛКМ, способных образовывать пьезоэлектрические покрытия, которые смогут контролировать усталость материалов, например стальных конструкций. Появляются и другие, не менее фантастические, предложения, ведь для лакокрасочной промышленности нанотехнологии являются инновационным прорывом.