Нанонаука, нанотехнологии, строительные наноматериалы
Нанонаука (НН) и нанотехнология (НТ) в настоящее время — наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. На основании теоретических предпосылок НН сейчас в мире инструментами НТ производят цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие другие материалы с уникальными свойствами. Однако в России таких производств почти нет. Задача данной публикации — постараться привлечь внимание к этой еще не занятой, но чрезвычайно заманчивой нише.
«Там, внизу, еще много места», — сказал в 60-х гг. прошлого века Р. Фейнман —Нобелевский лауреат, один из самых авторитетных физиков прошлого столетия, по поводу перспектив развития микроэлектроники. Она тогда оперировала величинами, измеряемыми десятками и сотнями микрометров. Р. Фейнман обратил внимание на возможность и целесообразность изготавливать электронные устройства наноразмеров. (Напомним, что наноединица длины —нанометр (НМ), равна 10-9 м, т. е. в 1000 раз меньше, чем микрометр). Поэтому его можно считать идеологом нанотехнологии (НТ) — той сферы человеческой деятельности, которая на рубеже веков развивалась быстрее, чем любая другая, и дала наибольшие экономические и социальные результаты. И вполне правомерны предложения назвать, по крайней мере, начало XXI в. — веком НТ.
Наверное, можно довольно точно назвать и дату, когда произошел взрыв интереса к НТ и началось ее лавинообразное развитие. Это 1984 г., когда американские ученые Р. Смолли, В. Курл, Т. Крото сообщили об открытии фуллерена. Значимость этого открытия подчеркнута присуждением этим ученым в 1996 г. Нобелевской премии по физике. Фуллерен — полая частица, похожая на оболочку футбольного мяча, состоящая из 20 шестиугольных углеродных циклов и 12 пятиугольных с общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти, — стал знаковой фигурой НТ. Для его обозначения в текстах был предложен символ С60.
Другим свидетельством этой значимости может быть число публикаций, посвященных НТ. К настоящему времени их уже несколько сот тысяч. Появились журналы, посвященные НТ, например, в России — «Нанотехника», который начал издаваться в 2004 г. Уже опубликовано несколько монографий в том числе и в России [1–3].
За рубежом в 2000 г. издана первая десятитомная энциклопедия «Нанонаука и наноматериалы». Именно из этой энциклопедии мы и процитируем определение НТ, как науки и техники создания, изготовления, характеризации и реализации материалов, функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровне.
В странах с развитой экономикой и наукой — США, Японии, Объединенной Европе, а также и в Китае исследования в области НТ объявлены высшими национальными приоритетами.
Билл Клинтон, будучи президентом США, утвердил программу под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива», рассчитанную на 10 лет с ежегодно увеличивающимся финансированием. (В 2004 г. было выделено $889 млн.).
В этой программе записано, что США не могут себе позволить оказаться на втором месте в области НТ. Страна, которая будет лидировать в ней, получит огромное преимущество в мирной и военной сферах. В России ничего подобного пока нет. А есть отставание уже на 10–15 лет.
Наверное, учитывая эти обстоятельства, президент России В. В. Путин в своих выступлениях начала 2006 г. неоднократно подчеркивал необходимость развития НТ в России, а в своем Послании Федеральному собранию 11 мая 2006 г. он упомянул лишь об одном научно-техническом национальном приоритете — нанотехнологиях.
НТ в настоящее время в наибольших масштабах используют в электронике, биологии, медицине, энергетике, охране природы, материаловедении. Учитывая профиль журнала, ограничимся лишь описанием возможностей НТ в производстве строительных материалов.
Пожалуй, наиболее востребованными в России в ближайшие 5–10 лет будут НТ, направленные на получение минеральных вяжущих веществ и, в первую очередь, портландцемента (ПЦ). В настоящее время в нашей стране возникла крайне напряженная ситуация с этим строительным материалом. Из-за изношенности оборудования цементная промышленность не может увеличивать производство ПЦ в тех объемах, какие нужны для интенсивно развивающихся потребностей в нем.
С помощью НТ ситуацию можно разрядить. Для этого необходимо организовывать домол ПЦ перед его использованием до наноразмерных частиц. У такого цемента будет значительно большей доля вещества, вступающего в реакцию с водой (у обычного ПЦ, удельная поверхность которого около 3000 кв. см/г, в реакцию вступает лишь третья часть объема его частиц, преимущественно с поверхности, остальной объем выполняет в готовом изделии функцию инертного заполнителя).
У домолотого цемента частицы реагируют с водою на 80–90 % их объема. Следовательно, на получение заданного изделия цемента потребуeтся меньше. Домолотый цемент обеспечивает получение более прочных бетонных изделий. Это обстоятельство позволяет еще более снизить расход цемента. По-видимому, учитывая эти обстоятельства, в США домол цемента производится в больших масштабах, несмотря на отсутствие дефицита в нем.
В России еще 2–3 года назад идея домола цемента была бы обречена на провал. И не столько из-за отсутствия, в то время дефицита в нем, сколько от того, что не было помольного оборудования, способного измельчать твердые частицы до наноразмеров. Теперь такое оборудование есть. Это — планетарные мельницы.
Второе направление, позволяющее экономить цемент, — добавление в него нанодисперсных модификаторов, особенно таких, которые являются отходами. В мире уже около 30 лет, а в России — лет десять используют так называемый микрокремнезем, образующийся как отход при получении индивидуального кремния и ферросилиция. Его введение в цементные смеси позволяет повысить прочность бетонов.
Необычным источником нанодисперсного кремнезема становятся геотермальные воды, которые в нашей стране начинают использовать для теплоснабжения. Однако в них много минеральных компонентов и особенно кремнезема. В. В. Потапов с сотрудниками разработал способ выделения кремнезема из этих вод и установил его эффективность как упрочнителя бетона [19].
Автором статьи для этой цели предложено использовать микрокремнезем, образующийся непосредственно в цементных смесях при введении в них поливинилацетатной дисперсии, в которую, в свою очередь был введен этилсиликат-32 или этилсиликат-40 [4]. При этом способе реализуется золь-гель технология получения наночастиц, причем с удельной поверхностью 900 кв. м/г, не достижимой другими способами, и не возникает проблем с их введением.
В. И. Корнев, И. Н. Медведева, А. Г. Ульянов получили прочный бетон от введения в цемент наночастиц гидроксида алюминия [5].
А. Н. Пономарев разработал технологию изготовления микрофибры базальтовой, модифицированной фуллереноподобными частицами — астраленами, и показал, что при введении ее прочность бетона как на сжатие, так и на растяжение может быть заметно повышена [6].
Наномодификатором, причем опять-таки отходом, является гальваношлам — продукт, образующийся при обработке известью сточных вод гальванического производства. Авторами и многими другими исследователями показана его эффективность в составе цементных смесей [7].
Быстро развивающимся направлением строительной НТ в России является использование в производстве строительных материалов шунгита — природного минерала, содержащего в своем составе фуллереноподобные наночастицы. Они придают шунгиту способность поглощать электромагнитные и даже ионизирующие излучения. Наряду с этим шунгит проявляет себя и как сильный бактерицид, так что изделия, изготовленные из материалов, содержащих этот минерал, стойки против биопоражений. Будучи электропроводным, шунгит препятствует возникновению электростатических зарядов.
Опираясь на это свойство шунгита, Н. И. Александров с коллегами разработал рецептуру бетонной смеси, из которой получается камень, стойкий к г-лучам [8]. Интересно отметить, что в этой смеси в качестве воздухововлекающей добавки использовалась смола древесная омыленная (в разработке которой принимал участие автор), образующая в бетоне наноразмерные пузырьки воздуха. Такой бетон рекомендован исследователями для изготовления хранилищ радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива [9].
На Пешеланском гипсовом заводе «Декор-1» (Нижегородская область) налажено производство пазогребневых гипсовых плит, содержащих шунгит, для устройства радионепрозрачных перегородок. Рецептура гипсовой смеси для этих плит разработана в ООО НПО «Синь России» [10].
ООО «Альфа-Пол» (Санкт-Петербург) изготавливает сухие строительные смеси, предназначенные для изготовления штукатурок и покрытий пола, предохраняющих от проникновения в помещения или из него электромагнитных излучений.
Начинается и использование для производства строительных материалов и собственно фуллеренов или их еще более перспективных разновидностей — нанотрубок, несмотря на то, что оба эти вещества пока еще очень дороги [11].
Так, Г. И. Яковлев с коллегами рекомендует использовать нанотрубки, синтезируемые по разработанной этим коллективом исследователей технологии, для приготовления цементных пенобетонов, поскольку это приводит к повышению физико-механических свойств, а затраты на добавку с лихвой компенсируются возможностью экономить цемент [12].
У фуллеренов есть еще одно свойство, которое позволяет создавать лакокрасочные материалы, образующие самоочищающиеся покрытия. Суть этого свойства —генерация на поверхности фуллеренов под действием ультрафиолетовых лучей, в частности тех, которые входят в солнечный спектр, свободных радикалов, способных окислять органические соединения до воды, углекислого газа, и, к тому же, уничтожать микроорганизмы. А именно органические соединения, находящиеся, например, в городской пыли, предопределяют прилипание грязи.
Впервые такая фотокаталитическая активность была обнаружена на наночастицах (размер 10–15 нм) диоксида титана анатазной модификации, производство которых уже налажено в Германии [13]. С использованием таких частиц, которые, будучи сорберами УФ-лучей, прозрачны для видимого света, уже производят не только фасадные краски, но и лаки, которыми в тех же целях окрашивают оконные стекла [14].
Наночастицы диоксида титана начали использовать и для защиты от воздействия солнечного света изделий из древесины [14]. А для защиты изделий из этого материала от биопоражения предложено использовать наноэмульсии биоцидов, нерастворимых в воде [15]. Биоциды в такой форме, проникая в древесину, обратно из нее уже не вымываются, в отличие от водорастворимых.
Небезынтересно отметить, что в Институте катализа Сибирского отделения РАН совместно с Информационно-технологическим институтом (Москва), разработан фотокаталитический очиститель и обеззараживатель воздуха (под названием «Аэро Люкс»), в котором под действием УФ-лампы на поверхности катализатора образуются свободные радикалы, разлагающие органические соединения, в том числе и тела микроорганизмов, содержащиеся в прокачиваемом через это устройство воздухе.
Эффективность фотокаталитического обеззараживания воздуха в 10–100 раз превышает таковую при уже традиционной обработке помещения ультрафиолетовым светом. Однако химическую суть катализатора, кроме того что он нанодисперсный, разработчики «Аэро Люкса» не разглашают.
Г. Вагнер сообщил о разработанных в Германии «неорганоорганических гибридных полимерах», которые при использовании их в качестве пленкообразователей лакокрасочных материалов, для обеспечения высоких защитных свойств, достаточно наносить нанослоем [16]. Подробная химическая природа такого пленкообразователя не раскрывается, упомянуто лишь, что он — «продукт силикатной и уретановой структуры с короткой цепью». Наверное, подобные полимеры были разработаны автором много лет назад, но по известным для судьбы советских изобретений причинам не только не увидели промышленного воплощения, но даже и не могли быть опубликованы.
Чуть ли не самыми актуальными для России в настоящее время являются лакокрасочные материалы (их называют интумесцентными или вспучивающимися), способные образовывать покрытия, превращающиеся при нагревании (пожаре) в толстый слой негорючей пены с низкой теплопроводностью. Такие покрытия способны на несколько десятков минут замедлить процесс нагревания строительной конструкции до критической для нее температуры, при которой происходит потеря несущей способности.
Несколько представителей интумесцентных красок в России уже производится [17]. Однако недостатком ряда таких красок является малая адгезионная прочность образующейся пены по отношению к черному металлу.
С. С. Мнацаканов с соавторами предложил вводить в эти краски фуллерены в количестве до 0,7 %, что оказывает структурирующее воздействие на формирующийся при горении пенококс и способствует сохранению адгезии [18].
Литература
1. Гусев А. И., Ремполь А. А. Нанокристаллические материалы. — М.: Физматлит, 2001. — 224 с.
2. Носкова А. И., Ремполь А. А. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. — Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2003. — 279 с.
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. — М.: Техносфера, 2005. — 336 с.
4. Войтович В. А. Способ получения двуокиси кремния. Авт. св-во на изобретение № 447361.
5. Корнеев В. И., Медведева И. Н., Ильясов А. Г. Ускортели схватывания и твердения портландцемента на основе оксидов и гидроксидов алюминия // Цемент и его применение, 2005, № 2, 40–42 с.
6. Пономарев А. Н. Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и анизотронных добавок // Индустрия, 2005, № 2, 7–8 с.
7. Войтович В. А., Фирсов А. И. Утилизация гальваношламмов // Обезвоживание. Реагенты. Техника. 2005, № 13–14, 43–45 с.
8. Комохов П. Г. Нанотехнологии радиационного бетона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006, № 5. 22–23 с.
9. Гольдшмидт Ю. М., Дубиновский М. З., Войтович В. А. и др. Высокоэффективные древесносмолянные добавки для бетонов. Материалы международной конференции «Химические добавки в бетоны». — Хортица, 2002, 17–18 с.
10. Патент России № 2232733 от 14.05.2002.
11. Запороцкова И. В. Строение, свойства и перспективы использования нанотубулярных материалов // Нанотехника, 2005, № 4, 42–54 с.
12. Яковлев Г. И., Кодолов В. И., Крутиков В. А.,Плеханова Т. А., Бурьянов А. Ф., Керене Я. Нанодисперсная арматура в цементном пенобетоне // Технологии бетонов, 2006, № 3, 68–71 с.
13. Vollrath K. Наночастицы на заказ // The Chemikal Yornal, 2003, № 10, 50–52 с.
14. Формула строительства, 2005, № 1, 47 с.
15. Райт Д., Гордон О. В. Нанотехнологии для защиты древесины // Лакокрасочные материалы и их применение, 2006, № 4 35–37 с.
16. Вагнер Г. Практическое использование нано-ЛКМ // Промышленная окраска, 2004, № 3, 38–39 с.
17. Войтович В. А. Лакокрасочные материалы, предназначенные для применения в строительстве. Стройпрофиль, 2004, № 6, 106–109 с.
18. Зыбина О. А. и др. Проблемы адгезии огнезащитных вспучивающихся тонкослойных покрытий по металлу // Химическая промышленность. 2003, № 9, 38–39 с.
19. Потапов В. В., Словцев И. Б., Нечаев В. Н. Разработка способов использования геотермального кремнезема для повышения прочности бетона // Химическая технология, 2004. № 2. 2–6 с.
| Автор: В. А. Войтович Дата: 02.10.2006 Журнал Стройпрофиль 6-06 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |