Нанотехнологии в строительстве

0

НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Проф. Олег Фиговский, Др. Аркадий Штейнбок

Abstract
Феноменальный состав и физические свойства наноматериалов расширяют возможности новых приложений, от защиты жизнеспособности до антимикробных свойств и самоочищающихся поверхностей до вторичного улучшения качества в различных областях. В этой статье рассказывается о некоторых достижениях в области нанотехнологий и возможностях использования этой очень развивающейся инновации в области гражданского строительства и дизайна. Акцент был сделан на продолжающемся развитии и возможных областях строительства, где нанотехнологии и наноматериалы могут найти свое применение.

Abstract
The phenomenal composition and physical properties of nanomaterials expand the possibilities for new applications, from pot life protection to antimicrobial properties and self-cleaning surfaces to secondary quality improvement in various fields. This article highlights some of the advances in nanotechnology and the potential for this very emerging innovation in civil engineering and design. The focus was on ongoing development and possible areas of construction where nanotechnology and nanomaterials can find their application.

Ключевые слова: наномасштаб, нанотехнологические процессы, нанотрубки, нанопластины, нано-порошки.
Key words: nanoscale, nanotechnological processes, nanotubes, nanoplates, nano-powders.

Введение
Нанотехнологии можно охарактеризовать как:
1. Способность изготавливать материалы, устройства и каркасы посредством управления объектами в наномасштабе.
2. Это процесс использования свойств и явлений, происходящих в наномасштабе. Нанотехнология — это общий термин, охватывающий широкий спектр достижений, касающихся структур и процедур в нанометровом масштабе.
Нанометр составляет одну миллиардную метра (10-9 м) и отмечает размер, на котором квантовые физические воздействия постепенно становятся жизненно важной задачей. Ввиду своей способности изменять в целом целые области инноваций, нанотехнология рассматривается как ключевая инновация, которая не только рано или поздно повлияет на развитие механики, но также будет иметь решающие финансовые, биологические и социальные последствия. До сих пор нет общего признания воспринимаемого значения нанотехнологий. Как с практической, так и с теоретической точки зрения, в настоящем отчете используется прилагаемое определение, которое гласит следующее:
1. Нанотехнология управляет структурами, размер которых меньше 100 нм в любом из измерений.
2. Нанотехнологические процессы – взаимодействия и процессы, которые происходят в переходной зоне между атомным и мезоскопическим уровнями.
3. Нанотехнология изображает сознательное создание или потенциальный контроль над отдельными наноструктурами.
В этой статье исследуется потенциальное использование углеродных нанотрубок, SiO2, TiO2, Fe2O3, CuO, ZrO2, ZnO2, Al2O3, CaCO3, Cr2O3 и наночастиц Ag в гражданском строительстве. Большинство исследований показали, что добавление наноматериалов в соответствующем количестве улучшает свойства прочности и долговечности, но сокращает время схватывания, а также удобоукладываемость цементных композитов.
Важные свойства материала, такие как твердость, износостойкость и т. д., могут быть искусственно улучшены путем присутствия структур в нанометрическом масштабе. Многочисленные применения нанокристаллических материалов были получены при внедрении наночастиц в глиняной, металлической или полимерной матрице. Например, присутствие наноразмерных частиц в металлах улучшает механические свойства, что может существенно способствовать облегчению конструкции. Полимеры, измененные наночастицами, обладают свойствами, которые лежат между характеристиками природных полимеров и неорганической керамики. Возможные применения таких улучшенных материалов лежат в особенно востребованных зонах легкого проявления или высокотемпературных применений, а также в массовых применениях, таких как пластиковые корпуса или облицовка.
Важным примером является гибкое поведение наноструктурированной керамики, которую раньше называли просто хрупкими материалами. На практике это приводит к широкому спектру разработок, наряду с активными инновациями, которые могут привести к значительному улучшению свойств и дополнительным возможным разработкам в материалах с добавлением наночастиц. Возможная область разработки — это высококачественные бетоны с более высокими характеристиками сжатия и повышенным износом, сопровождаемыми эрозионной стойкостью. Существует множество возможных приложений для усовершенствования нанотехнологий в области строительства. Например, наночастицы диоксида кремния могут быть использованы в производимой кремниевой кислоте (нанокремнезем) в качестве добавки для напыляемого и высокоэффективного бетона, что увеличивает жесткость связи и качество сцепления при сдвиге между бетоном и арматурной сталью.
Многослойное покрытие из проводящих полимеров нанометровой толщины может обеспечить улучшенную защиту от эрозии при использовании углеродистой или нержавеющей стали в качестве конструкционного материала. Другие применения могут быть найдены в области тепловой защиты конструкций путем использования окон для прозрачной тепловой защиты путем нанесения невидимого серебряного покрытия толщиной в несколько нанометров. В наружных конструкциях, таких как дизайн фасадов, усиление самоочищения, защита от граффити или высокая устойчивость к царапинам и износу пластмасс за счет соответствующих покрытий. В интерьере использование наночастиц диоксида титана в качестве добавленных веществ в покрытиях для защиты от окрашивания при искусственном и естественном освещении.
Существенными структурами нанотехнологии являются:
1. Точечные структуры размером менее 100 нм в каждом из трех измерений (например, нанокристаллы, кластеры или молекулы)
2. Линейные структуры, наноразмерных размеров в двух измерениях (например, нанопроволоки, нанотрубки и наноканавки. ),
3. Слоистые структуры наноразмером всего в одном измерении.
4. «Обратные» наноструктуры (то есть поры) и сложные структуры, например, супрамолекулярные единицы или дендримеры.
Без процедур и инструментов, оборудованных для сборки и разрушения основных структур, указанных вышесказанное, нанотехнология была бы непонятна.
ВАЖНЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
Наночастицы диоксида титана (TiO2)
Наночастицы диоксида титана добавляют в бетон, чтобы улучшить его свойства. Этот белый пигмент используется как отличное светоотражающее покрытие. или же добавляется в краски, цемент и окна из-за своих стерилизующих свойств.
Наночастицы оксида цинка (ZnO)
Оксид цинка добавляют в различные материалы и продукты, включая пластмассы, керамику, стекло, цемент, резину, краски, клей, герметики, пигменты, антипирены. Используемый для производства бетона, ZnO улучшает время обработки и устойчивость бетона к воде.
Наночастицы серебра (Ag)
Наносеребро подавляет размножение и рост бактерий и грибков, вызывающих инфекцию, запах, зуд и язвочки. Основная технология наносеребра — это способность производить как можно меньшего размера и для очень равномерного распределения этих частиц.
Наночастицы оксида алюминия (Al2O3)
Дополнение нано-Al2O3 высокой чистоты улучшает характеристики бетонов, в более высокой прочности на разрыв и изгиб. Цемент мог быть выгодно заменён в бетонной смеси нано-частицами Al2O3 до максимальнго предела 2,0% при среднем размере частиц 15 нм, оптимальный уровень содержания нано-частиц Al2O3 достигается при замене 1,0%.
Наночастицы оксида циркония (ZrO2)
Нано цирконий показывает хорошо эстетика (полупрозрачность), превосходное физическое сопротивление (твердость, гибкость, долговечность), химическая стойкость (практически инертный) и очень хороший изолятор.

Наночастицы оксида вольфрама (вольфрама) (WO3)
В последние годы в производстве используется триоксид вольфрама. электрохромных окон, или умных окон. Эти окна электрически переключаемое стекло, изменяющее светопропускающие свойства при подключении електричества. Это позволяет пользователю тонировать окна, изменяя количество тепла. или прохождение света.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Наноматериалы можно разделить в основном на две категории:
• натуральные (на углеродной основе, на металлической на основе)
• искусственно созданные (дендримеры, композиты).

1. Природные наноматериалы
Материалы, имеющие биологические системы например вирусы, вещества в нашем костном матриксе и т. д.
2. Искусственные наноматериалы.
Это те, которые созданы разными экспериментами. Их можно подразделить на 4 класса:
• На основе углерода: Углерод является основным компонентом этих наноматериалов.
• На металлической основе: Эти наноматериалы содержат квантовые точки, нанозолото, наносеребро и оксиды металлов, такие как диоксид титана.
• Дендримеры: Они построены из разветвленных блоков. На поверхности дендримеров присутствует ряд цепочек. Эти цепи можно заставить выполнять различные химические свойства.
• Композиты: Две или более двух наночастиц объединяются вместе для получения композитного наноматериала.
Свойства наноматериалов.
Ниже приведены три основных свойства наноматериалов.
1. Магнитные свойства
Наночастицы обладают магнитными свойствами, которые полезны при визуализации, биообработке, а также при охлаждении.
2. Оптические свойства
Изменение цвета и функциональных свойств относится к категории оптических свойств. Многие металлы и полупроводники обладают оптическими свойствами.
3. Электронные свойства
Из-за уменьшения длины системы в электроне происходят изменения, что приводит к изменению электронных свойств, таких как нехватка центров рассеяния.

ЦЕМЕНТ
Цемент представляет собой проницаемый материал, характеризующийся воздушными пустотами, размер которых увеличивается до пор нанометрового размера, созданных водно-цементная химическая реакция. «Поскольку эти наноразмерные поры контролируют свойства силиката кальция процесс гидратации, который является основным связующим звеном, удерживающим бетон вместе, и поэтому мы можем сказать, что бетон каким-то образом связанных с наноразмерным материалом Использование анализа атомной реверберации приводит к лучшему пониманию того, что происходит на поверхности конкретной молекулы по мере гидратации, что приводит к упорядочиванию правил для смешивания и отверждения бетона.
НАНОЦЕМЕНТ
Комбинация нанокремнезема, алюмината натрия и гидроксида натрия дает наноцемент. Снижение выбросов углекислого газа наряду с обеспечением высокой прочности на сжатие (замена 50% наноцемента вместе со строительным раствором дает прочность до 86,97 Н/мм2 в конце 21 дня) и предотвращение воздушных зазоров благодаря большой удельной поверхности площадь (3582400 см2 / г) — вот некоторые из свойств, предлагаемых добавлением наноцемента в строительные материалы. Уменьшение проникновения воды, заполнение воздушных пространств, увеличение прочности на сжатие в течение длительного периода времени — вот некоторые из положительных результатов, полученных при смешивании наночастиц, таких как УНТ и композиты, в обычном цементе. Высокая прочность на растяжение и изгиб, достаточная для того, чтобы выдерживать вибрации из-за землетрясений с длительным сроком службы в сочетании с устойчивостью к коррозии, химическим веществам, проникновению воды, достигается за счет включения наноцементных волокон в материалы со сверхвысокими характеристиками.

БЕТОН
Бетон — один из самых распространенных и широко используемых строительных материалов. Нанотехнология широко используется для изучения ее свойств, таких как реакция гидратации, реакция щелочного силиката (ASR) и реакционная способность летучей золы. Щелочно-силикатная реакция возникает из-за содержания щелочи в цементе и кремнеземе, присутствующих в реактивных заполнителях, таких как кремня. Использование пуццолона в бетонной смеси в качестве частичной замены цемента может снизить вероятность возникновения ASR, поскольку они снижают щелочность поровой жидкости. Зола не только улучшает долговечность и прочность бетона, но, что важно для устойчивости, снижает потребность в цементе. Однако процесс отверждения такого бетона замедляется из-за добавления измельчённой золы, а прочность на ранней стадии остаётся низкая по сравнению с нормальной.
Добавление нанокремнезема приводит к уплотнению микро- и наноструктуры, что приводит к улучшенным механическим свойствам.
С добавлением нано-SiO2 количество цемента может быть уменьшено, но плотность и прочность зольного бетона улучшаются, особенно на ранних стадиях. Для бетона, содержащего большой объем измельчённой золы, SiO2 может улучшить распределение пор по размерам, заполняя поры между крупной измельчённой золой и частицами цемента в наномасштабе. Дисперсия / суспензия аморфного нано-SiO2 используется для улучшения устойчивости к сегрегации самоуплотняющегося бетона.
Добавление небольшого количества углеродных нанотрубок (1%) по весу может увеличить прочность как на сжатие, так и на изгиб. Это также может улучшить механические свойства образцов, состоящих из основной фазы портландцемента и воды. Окисленные многостенные нанотрубки (MWNT) показывают лучшие улучшения как по прочности на сжатие (+ 25 Н / мм2), так и по прочности на изгиб (+8 Н / мм2) по сравнению с контрольными образцами без армирования.
Растрескивание — серьезная проблема для многих конструкций. Университет штата Иллинойс в Урбане-Шампейн работает над «лечебными полимерами», которые включают микрокапсулированный лечебный агент и каталитический химический триггер. Когда микрокапсулы разрушаются трещиной, заживляющий агент выделяется в трещину и контактирует с катализатором. Происходит полимеризация и скрепляет поверхности трещин. Самовосстанавливающийся полимер может быть особенно применим для устранения микротрещин в опорах и колоннах мостов. Но это требует дорогостоящих инъекций эпоксидной смолы. Исследования показали, что анаэробный (не нуждающийся в кислороде) микроорганизм, включенный в воду для смешивания бетона, приводит к увеличению прочности на 25% за 28 дней. Микроорганизм Shewanella использовался в концентрации 105 клеток/мл, и наблюдение в наномасштабе показало, что на его поверхности имеется отложение песчано-цементной матрицы. Это привело к росту наполнителя в порах матрицы цементного песка и привело к увеличению прочности.
Отменим, что сегодня довольно распространено обертывание бетона волокнами для увеличения прочности уже существующих бетонных конструктивных элементов. Прогресс по этой методике включает использование волоконного листа (матрицы), содержащего наночастицы кремнезема и отвердители. Эти наночастицы проникают и закрывают небольшие трещины на поверхности бетона, а при армировании матрицы образуют прочную связь между поверхностью бетона и волокнистой арматурой.
Нанотехнологии для покрытий и оклейки
Нанотехнологии применяются к краскам, чтобы гарантировать коррозию. защита под изоляцией, так как она гидрофобна и отталкивает воду от металлическая труба, а также может защитить металл от воздействия соленой воды. Другие приложения относятся к покрытиям, которые обладают способностью к самовосстановлению в процессе «самосборки». В дополнение к самоочищающимся покрытиям, упомянутым выше для глазури, замечательные свойства наночастиц TiO2 используются в качестве материала покрытия на дорогах в испытаниях по всему миру.

СТРУКТУРНЫЕ КОМПОЗИТЫ
Сталь — основной строительный материал. В 1992 году FHWA совместно с Американским институтом железа и стали и ВМС США разработали новую низкоуглеродистую высокоэффективную сталь (HPS) для мостов с более высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью за счет включения наночастиц меди на границах стальных зерен.
Sandvik NanoflexTM — это новая нержавеющая сталь, разработанная Sandvik Nanoflex Materials Technology. Благодаря своим высоким характеристикам она подходит для приложений, требующих легких и жестких конструкций. Её хорошая коррозионная стойкость, формуемость и износостойкость позволяют снизить эксплуатационные расходы.
MMFX2 — это наноструктурно модифицированная сталь, производимая MFX Steel Corp, США. По сравнению с обычной сталью, она имеет принципиально другую микроструктуру — слоистую решетчатую структуру, напоминающую «фанеру». Благодаря модифицированной наноструктуре сталь MMFX имеет превосходные механические свойства. Например более высокая прочность, пластичность и сопротивление усталости по сравнению с другими высокопрочными сталями. Эти свойства материала могут привести к увеличению срока службы в агрессивных средах и снижению стоимости строительства. Сталь MMFX2 имеет такую же коррозионную стойкость, что и нержавеющая сталь, но при гораздо более низкой стоимости. На данный момент сталь MMFX получила сертификат для использования в строительстве на всей территории США.
НАНОМЕТАЛЛЫ.
Обладая легким весом, самовосстановлением, т.е. проявляющими различные свойства, а именно: мягкий или твердый, когда возникает необходимость, механически прочнее и долговечнее по сравнению с микроскопическими частицами, благодаря чему нанометаллы, такие как наносеребро, находят применение в электрических контактах, в целях внутренней изоляции зданий, тогда как другие находят применение в качестве частей печатных плат.
ПОКРЫТИЯ
Покрытия, включающие определенные наночастицы или нанослои, были разработаны для определенных целей, включая: защитные или антикоррозионные покрытия для компонентов; самоочищающиеся, терморегулирующие, энергосберегающие, антибликовые покрытия для стекол / окон; легкоочищаемые антибактериальные покрытия рабочих поверхностей; и более стойкие краски и антиграффити покрытия для зданий и сооружений. Например: Самоочищающиеся окна были разработаны и продаются компаниями Pilkington, St. Gobain Co. и другими. Это покрытие работает в два этапа.
• с помощью «фотокаталитического» процесса наноразмерные частицы TiO2 в покрытии реагируют с ультрафиолетовыми лучами естественного дневного света, разрушая и разлагая органические загрязнения.
• поверхностное покрытие является гидрофильным, что позволяет дождевой воде равномерно распределяться по поверхности и «скользить» по стеклу, смывая разрыхленную грязь. Таким образом, при нанесении на наружные поверхности он может уменьшить переносимые по воздуху загрязнители. Покрытие 7000 м2 дорожного покрытия таким материалом в Милане в 2002 году привело к снижению концентрации оксидов азота на уровне улиц на 60%.
Специальные покрытия также могут сделать нанесенную поверхность гидрофобной и олеофобной одновременно. Их можно использовать для поверхностей, защищающих от граффити, ковров, защитной одежды и т. д. Исследователи из Мексики успешно разработали новый тип краски для защиты от граффити DELETUM, функционализировав наночастицы и полимеры с образованием покрытия, отталкивающего воду и масло одновременно.
В результате поверхность с покрытием становится антипригарной, ее очень легко чистить и она способна противостоять повторяющимся атакам граффити. Кроме того, наноструктурированные покрытия могут использоваться для избирательного отражения и пропускания света в различных диапазонах волн. Исследования сосредоточены на умных и отзывчивых материалах, способных воспринимать окружающую среду и изменять ее внешний вид, например, чей цвет изменяется в зависимости от температуры, и облицовке, которая реагирует на тепло и свет, чтобы минимизировать потребление энергии в зданиях.
Паркетные покрытия на основе неизоцианатных полиуретанов
Циклокарбонаты — это новый класс соединений, вызывающий большой технический интерес в связи с их потенциальным использованием в получении «зеленых», непористых и нечувствительных к влаге неизоцианатных полиуретанов и гибридных полимеров. HNIPU образуются в результате реакции между олигомерами циклокарбоната и олигомерами первичных аминов без использования изоцианатов на любой стадии приготовления покрытий. Преимущества использования HNIPU вместо традиционного полиуретана (PU) включают:
• Снижение спроса на изоцианат;
• Снижение производственных и транспортных рисков (большинство
производимые в настоящее время изоцианаты используются для производства ПУ);
• Снижение риска воздействия на рабочее место / население до уровня обычных химических веществ при сохранении преимуществ ПУ;
• Более широкое применение / лучшее качество / конкурентоспособные цены;
• Практически не влияет на чувствительность.

СТЕКЛО
Огнезащитное стекло — еще одно применение нанотехнологий. Это достигается за счет использования прозрачного вспучивающегося слоя, зажатого между стеклянными панелями (промежуточный слой), образованного наночастицами коллоидального кремнезема (SiO2), который при нагревании превращается в жесткий и непрозрачный противопожарный экран. Разрабатываются электрохромные покрытия, которые реагируют на изменения приложенного напряжения с помощью слоя оксида вольфрама; таким образом, становится более непрозрачным при нажатии кнопки. Благодаря гидрофобным свойствам TiO2 может применяться в противотуманных покрытиях или в самоочищающихся окнах. Покрытия Nano-TiO2 также можно наносить на фасады зданий, чтобы предотвратить прилипание загрязняющих веществ и снизить затраты на объект, затраты на обслуживание.

НАНОСЕНСОРЫ
Датчики / устройства с использованием нанотехнологий также предлагают большой потенциал для разработки интеллектуальных материалов и структур, которые обладают способностью «самочувствить» и «самодействовать». Примером может служить устройство, используемое для подушек безопасности в автомобилях. Датчики нано- и микромеханических систем (NEMS и MEMS) имеют были разработаны и используются в строительстве для мониторинга и / или контроля условий окружающей среды (например, температуры, влажности, дыма, шума и т. д.) и характеристик материалов / конструкции (например, напряжения, деформации, вибрации, растрескивания, коррозии и т. д.). Диапазон нано-сенсоров составляет от 10-9 м до 10-5 м, которые могут быть встроены в конструкцию в процессе строительства.
Siemens и Yorkshire Water разрабатывают автономные одноразовые чипы со встроенными химическими датчиками для мониторинга качества воды и отправки предупреждений о загрязнении по радио. Интеллектуальный заполнитель, дешевое многофункциональное устройство на основе пьезокерамики, применяется для мониторинга свойств бетона в раннем возрасте, таких как влажность, температура, относительная влажность и развитие прочности в раннем возрасте. Также это может обеспечить раннюю индикацию до того, как произойдет отказ конструкции.

ОБЪЕМНЫЕ ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
NanoPore разработала объемные нанопористые кремнеземные соединения со встроенными органическими молекулами, которые работают до 10 раз лучше, чем обычные изоляционные материалы. Превосходные изоляционные характеристики этих высокопористых твердых тел низкой плотности обусловлены уникальной формой и малым размером (10-100 нм) большого количества пор. До сих пор эти новые изоляционные соединения использовались в приложениях, требующих превосходных тепловых характеристик, оптимальной энергоэффективности или минимальной толщины изоляции.
ПЛАСТИКА
Пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), будучи легкими материалами, не обладают хорошими электрическими свойствами. УНТ являются одними из самых жестких и прочных из известных волокон и обладают высокой электропроводностью. В IFAM в Бремене исследователи использовали плазменную технологию, чтобы передать свои свойства углепластикам, поскольку эти микро- или наночастицы должны быть очень гомогенными, а иногда и очень тесно связанными с полимером. Доктор Йорг Иде объясняет: «Мы распыляем частицы, то есть нанотрубки, в эту атмосферную плазму». Они сразу попадают в выбранный растворитель, который затем можно использовать для дальнейшей обработки полимера. Вся процедура занимает всего несколько секунд». Его можно прижать к электронному компоненту, чтобы тепло отводилось напрямую.
ПЛАСТИКОВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЯЧЕЙКИ И ЛАМПЫ
Наиболее многообещающим применением в области энергетики и окружающей среды, ведущим к устойчивому строительству, является разработка топливных элементов и фотоэлектрических элементов.
Замена обычных ламп на светодиоды только в Соединенных Штатах может обеспечить экономию энергии до 100 миллиардов долларов к 2025 году и сократить выбросы углерода на 200 миллионов тонн в год.
БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Биомиметика — это наука подражания природе, а биомиметические материалы стремятся воспроизвести лучшие свойства природных материалов. Примеры, такие как соты, дающие легкую структуру с исключительной механической прочностью, кость рога более жесткая, чем любые искусственные керамические композиты, лист лотоса, создающий самоочищающиеся поверхности, кожа хамелеона, меняющая цвет в зависимости от окружающей среды, и т. д. Благодаря достижениям нанотехнологий исследования биомиметических материалов обеспечивают продуктивный подход к новым материалам и молекулярному производству.
УМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Умные материалы — это материалы, свойства которых разработаны для контролируемого изменения под воздействием внешних стимулов, таких как температура, сила, влажность, электрический заряд, магнитные поля и pH. Примерами являются пьезоэлектрики, термореактивные материалы, сплавы с памятью формы (SMA), полихромные, хромогенные материалы и т. Д. Подобно пьезоэлектрикам, которые изменяют свою форму под действием электрического поля, SMA изменяют форму из-за магнитных полей. На них концептуализирована интеллектуальная железобетонная конструкция (IRCS). IRCS имеет несколько функций, в том числе самовосстановление, гашение собственных колебаний и самоконтроль за состоянием здоровья. В этом случае будет использоваться особый тип пьезокерамики, называемый PZT (цирконат-титанат свинца), который обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом, и особый тип SMA, называемый нитинолом, который имеет хорошую коррозионную стойкость и большое напряжение срабатывания. Предлагаемая бетонная конструкция армируется мартенситными нитиноловыми тросами методом пост-натяжения. Мартенситный нитинол значительно увеличивает демпфирующие свойства бетона и его способность выдерживать большие удары. При наличии трещин из-за взрывов или землетрясений за счет электрического нагрева кабелей SMA, кабели SMA сжимаются и закрывают трещины. Чтобы обнаружить возможные трещины внутри бетонной конструкции, пластырь PZT используется в качестве исполнительного механизма для генерации волн и других распределенных Пластыри PZT используются в качестве датчиков для регистрации полученных сигналов вибрации.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЕ
Огнестойкость стальных конструкций часто обеспечивается нанесением покрытия методом распыления цемента, который не пользуется большей популярностью, потому что он должен быть толстым, иметь тенденцию быть хрупким и для улучшения адгезии необходимы добавки полимера. Однако исследования наноцемента (состоящего из наноразмерных частиц) могут создать новую парадигму в этой области применения. Это достигается путем смешивания углеродных нанотрубок (УНТ) с цементным материалом для изготовления волокнистых композитов, которые могут унаследовать некоторые выдающиеся свойства нанотрубок, такие как прочность. Полипропиленовые волокна также рассматриваются как метод повышения огнестойкости, и это более дешевый вариант, чем обычная изоляция. УНТ могут также использоваться для производства материалов защитной одежды из-за их огнестойкости.
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
Углеродные нанотрубки представляют собой форму углерода, имеющую цилиндрическую форму, название происходит от их нанометрового диаметра. Они могут составлять несколько миллиметров в длина и может иметь один «слой» или стенку (однослойная нанотрубка) или более одна стенка (многостенная нанотрубка) (Lu et al., 2010).
Применение нанотрубок подобно дисперсному армированию: увеличивает прочность на сжатие и растяжение во всех направлениях. В дополнение, высокая адгезия, проводимость (больше, чем у меди), упругая деформируемость, прочность (более прочная, чем у стали), химический состав поверхности, высокая стабильность — вот некоторые из свойств, которые УНТ обеспечивают благодаря своей структуре и топологии.
Основные свойства представлены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1: Свойства углеродных нанотрубок (УНТ)
Название свойства Характеристики
Отношение длины к диаметру 60 (SWCNT)
Площадь поверхности ~ 300 м2 / г (SWNT)
Плотность Меньше (2,60 г / см3 для MWNT)
Теплопроводность 350K-8K (SWCNT)
Относительное удлинение 100% (на основе CNT) растягиваемый)
Модуль Юнга 1,25 ТПа (SWCNT), 0,9 ТПа (MWCNT)
Коэффициент ядовитости 0,06-0,55 (SWCNT)
Прочность на разрыв 75 ГПа (SWCNT) <60 ГПа (MWCNT)
Прочность на сжатие 100-150 ГПа (MWCNT)

Рис. 1: Одностенные углеродные нанотрубки

Повышение прочности на более длительный период времени и продление срока службы наряду с повышением прочности на сжатие и повышением прочности на растяжение за счет повышения прочности на изгиб сообщается в более ранних исследовательских работах, когда УНТ смешивали с асфальтом и бетоном. Снижение выбросов парниковых газов, потребление энергии, затраты на техническое обслуживание, устойчивость к влаге — вот некоторые из преимуществ использования асфальта и бетрна, содержащих наночастицы.

ЭЛЕКТРОХРОМИЧЕСКИЕ ОКНА
Измерение интенсивности света в течение часов с чередованием темноты и характеристик прозрачности солнечного света для окна обеспечивается, когда удаление ионов происходит из-за приложения высокого напряжения, а характеристики пропускания к окнам обеспечивают высвобождение хромогенов и ионов на низком уровне. напряжение из-за разного цвета хромогена, присутствующего в оксиде вольфрама, который действует как электрохромный слой, из валентной зоны оксида никеля электроны ускользают, и электроны переходят в состояния W 5d оксида вольфрама при приложении заряда, тем самым помогая в происходит процесс изменения цвета, емкость обеспечивается противоэлектродом, а пористый полупроводник, содержащий рабочий электрод, разделен слоем изолятора, слой проводящих оксидов (например, ln2O3: Sn = Indium Tin Oxide) помещается между двумя слоями стекла, которые составляют электро хромированные окна. Между слоями проводящих оксидов зажаты еще три центральных слоя. Помещение покупается для чередования затемнения (непрозрачности) и чередования яркости (прозрачности) с помощью режима переключателя и интеллектуальной системы управления, которая составляет работу этих окон.
Свойства электрохромных устройств кратко представлены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОХРОМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Видимый — около ИК (инфракрасный) от 1,0% до 80%
Напряжение переключения составляет 0,5 — 3,0 вольт
Общий вводимый заряд до 50 мс (милликулонов)
Время переключения: от 100 мсек до 60 секунд (мсек = милли секунда)
Память: 1-24 часа
Циклический срок службы: 10K -5M циклов
Прогнозируемый срок службы до 20 лет
Рабочая температура: от -30 ° c до 70 ° C (c = температура)
Общая толщина покрытия: ~ 2 мкм (μ = микрометр)
Приемлемая стоимость : 100 $ / м2
приемлемый нейтральный цвет

НАНОПЛАСТИНЫ
Увеличение плотности, прочности на сжатие (Правый пенополиуретан с наноглиной демонстрирует прочность 210 кПа), модуля Юнга (4,18 ГПа при 5% загрузке наноглины) и прочности на разрыв (20,8763 ± 0,789 МПа) наряду с заполнением Сообщается о воздушных зазорах, когда используется комбинация обычного портландцемента и наноглины, такой как металлический нано-каолин, и то же самое представлено на рисунках 2 и 3 соответственно. Износ структур предотвращается наличием отрицательных зарядов и разделением слоев из-за сколов, вызванных проникновением воды, что приводит к увеличению площади поверхности (700-800 м2 / г) в вулканическом пепле и глинах смектитового типа.

Рис. 2. Прочность на сжатие гидратированного раствора НМК в течение 28 суток.

Рис. 3. Предел прочности при растяжении гидратированного раствора НМК в течение 28 суток.

НАНОКЕРАМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ
Отсутствие красителей и металлов в сочетании с невмешательством, предлагаемым при работе с беспроводным оборудованием, и способностью отражать УФ-лучи солнца, делает нанокерамические оконные пленки Huper optik® ударопрочными (коэффициент Пуассона = 0,44 для аморфного кремния), идеальный материал для снижения охлаждающих нагрузок / счетов и улучшения вкусовых качеств здания.
НАНОКОМПОЗИТЫ
Такие свойства, как коррозионная стойкость и термостойкость (до 152 C0), обеспечение барьера от проникновения газов, теплопроводность, повышение прочности на изгиб и растяжение (до 770 МПа) при использовании в сочетании с полимером, делают нанокомпозитные материалы идеальным выбором для использования в качестве износостойких покрытий в зданиях, при возведении колонн и настилов мостов и изготовлении конструкционных панелей.
НАНОФИБРЫ
Высокотемпературная (до 300C0 в случае арамидного нановолокна) изоляция (0,96 на 10% веса углеродных нановолокон, помещенных в графит, другие источники говорят, что графитизированные имеют значение 0,0520) услуги обеспечивают нановолокна. Летом температура снижается из-за наличия тонкопленочных наноразмерных покрытий из нержавеющей стали в шторах masa.

Неизоцианатные гибридные полиуретановые полы на основе циклических
карбонаты: оптимальный состав и служебные свойства
Гибридные неизоцианатные полиуретановые (HNIPU) материалы образуются в результате реакции между аддуктами олигомерных циклокарбонатов с первичными ди- и полиаминами и эпоксидной смолой олигомеры. Эти материалы не имеют пор из-за реакции их образования нечувствителен к влаге наполнителей или поверхности основания. Химическая стойкость полученного материал, содержащий внутримолекулярные водородные связи, в 1,5-2 раза больше, чем материал та же химическая структура.
Монолитные двухкомпонентные напольные покрытия HNIPU используются для производства бесшовных полы, где решающее значение имеют чистота, долговечность и стойкость к истиранию.

Неизоцианатные полиуретановые материалы образуются в результате реакции между олигомерными циклокарбонаты и первичные ди- и полиамины, приводящие к увеличению гидролитической стабильности гетероцепных полимеров.

Таблица 3. Основные эксплуатационные свойства покрытия.
Свойства Индексачия
Сплошной/цельный, % 100
Жизнеспособность (удвоение начальной вязкости), в часах 2-4
Время отверждения 4-7 дней при 18 — 22C0
Внешний вид фильма сплошной гладкий
Твердость карандаша > 2H
Прочность на удар, кг * см 50
Коэффициент химической
стойкий
H2SO4 10% при 60 C0
NaOH, 10% при 60 C°
H2O, при 60 C°

0,90 — 0,95
0,95 -1,0
0,95 -0,90

Химическая стойкость неизоцианатных полиуретанов может быть увеличена путем добавления неорганических порошкообразных веществ в процессе производства. Вещества избирательно взаимодействуют с водой и агрессивной средой (кислотами, щелочами и солями), образуя систему высокопрочных гидратных комплексов в прочные неорганические адгезионные цементы. При взаимодействии со средой кристаллогидраты проникают в микропоры и микротрещины материала. Этот процесс «лечит» материал и создает покрытие с высокой внешней устойчивостью к воде и растворителям, высокой адгезией к различным субстратам.

Рис. 4. Настил Triborough Bridge и Tunnel Authority Randall’s Island, Нью-Йорк

Новые высококачественные монолитные полы ECPU 2851TМ (Polymate Ltd.-INRC).
Монолитное двухкомпонентное неизоцианатное покрытие для пола ECPU 2851 разработано на основе циклокарбонатных и эпоксидных олигомеров. Покрытие предназначено для изготовления бесшовных полов внутри помещений.
Подобное монолитное напольное покрытие может найти применение в:
• предприятия легкой и пищевой промышленности, общественного питания;
• предприятия химической, лакокрасочной и фармацевтической промышленности;
• предприятия электронной промышленности и точного машиностроения;
• предприятия машиностроительной и авиакосмической промышленности;
• предприятия деревообрабатывающей промышленности;
• Медицинские учреждения и объекты бытового обслуживания;
• Торговые помещения и склады;
• Помещения с повышенными требованиями к декоративности: торговые и выставочные залы, телевизионные студии и др.
На рисунке 2 показана рекомендуемая структура напольного покрытия ECPU 2851.

Рисунок 2. Рекомендуемый состав напольного покрытия ECPU 2851:
1 — подложка; 2 — грунтовка; 3 — покрытие ECPU 2851 толщиной 0,5-3 мм

Нанотехнологии для дерева
Дерево состоит из нанотрубок или «нанофибрилл». Лигноцеллюлозный поверхности в наномасштабе могут открыть новые возможности для таких вещей, как самостерилизующиеся поверхности, внутреннее самовосстановление и электронные лигноцеллюлозные устройства, предоставление отзывов о производительности продукта и условиях окружающей среды во время службы (Mann, 2006).
Покрытия с высокими водоотталкивающими свойствами на основе диоксида кремния и алюминия наночастицы и гидрофобные полимеры подходят для использования в древесине.

ВНЕДРЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ НА СТРОИТЕЛЬСТВО
1. По сравнению с обычным TiO2, TiO2 в наномасштабе демонстрирует увеличение площади поверхности на 500% и уменьшение непрозрачности на 400%. Текущие уровни производства нано-TiO2 достигли примерно 4 миллионов тонн по цене от 45 до 50 долларов за кг по сравнению с 2,5 доллара за кг для обычного TiO2.
2. Мировой рынок CNT растёт очень быстро: с 51 миллиона долларов в 2006 году вырос более чем на порядок.
3. Наномодифицированный бетон сокращает сроки строительства, сокращая трудоемкие (и дорогие) задачи. Также это может снизить стоимость ремонта и обслуживания.
4. Производство красок и покрытий : нано-оксид алюминия и диоксид титана имеют в четыре-шесть раз больше износостойкости, с удвоенной ударной вязкостью и прочностью связи.
5. Потенциальный мировой рынок нанокомпозитов оценивается в 340 миллиардов долларов на следующие два десятилетия (Roco and Bainbridge 2001).
6. Рынок систем противопожарной защиты составил около 45 миллиардов долларов в 2004 году и растёт в более чем в 2 раза.
7. Самовосстанавливающийся асфальт, восстанавливающие и омолаживающие наноагенты для асфальта (Partl et al. 2006) и самосборные полимеры улучшают асфальтобетонную смесь.
8. Нано-датчики, встроенные в материалы инфраструктуры, могут обеспечить при минимальных затратах полностью интегрированные и автономные механизмы прогнозирования и прогнозирования отказов для капитальных сооружений (например, резервуаров, атомных электростанций и мостов).
НЕДОСТАТКИ
1. Из-за своего малого размера частицы наночастицы могут отрицательно влиять на дыхательные пути и пищеварительный тракт, а также на кожу или поверхность глаз, что подвергает рабочих опасности.
2. Поскольку отрасли, связанные с нанотехнологиями, являются относительно новыми, тип работника, занятого исследованиями и разработками в строительстве (или даже некоторыми полевыми приложениями), должен иметь междисциплинарный опыт.
3. Новая политика в контексте нанотехнологий потребует сотрудничества между различными уровнями правительства, агентствами НИОКР, производителями и другими отраслями.
4. Относительно высокая стоимость.
5. Время коммерциализации продукта велико.

В КФУ разрабатывают долговечные строительные композиты, поглощающие углекислый газ
Учёные Крымского федерального университета синтезируют новые строительные материалы, при производстве которых поглощается углекислый газ. Об этом сообщил доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения Академии строительства и архитектуры КФУ Александр Бахтин. На реализацию проекта учёные получили совместный грант Российского фонда фундаментальных исследований и Совета министров Республики Крым в размере 400 тысяч рублей на год.
«Основная цель проекта заключается в разработке новых строительных композитов на основе доломитового вяжущего карбонатного типа твердения. Твердение осуществляется за счет поглощения углекислого газа и преобразования его в нерастворимые соединения. В результате получается прочный каменный материал. Также в исходную сырьевую смесь вводятся наночастицы оксидов титана и вольфрама, способные поглощать фотоны солнечного света», – рассказал доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения Академии строительства и архитектуры Крымского федерального университета Александр Бахтин.
Как отмечает специалист, при этом в процессе происходит разложение широкого спектра вредных веществ, а изделия такого типа способны удалять загрязнители с поверхности, что способствует повышению долговечности материала. За счет средств гранта учёные проведут исследования структуры композитов методом рентгеновской компьютерной томографии, в результате чего будут получены данные для разработки промышленной модели создания уникальных строительных материалов.
«Рассматриваемая технология является инновационной не только в России, но и в мире, так как на сегодняшний день ещё нет примеров полномасштабного производства таких композитов. Аналогичные нашему исследования активно ведутся в Англии, США и Канаде. Технологии, при которых углекислый газ поглощается, а не поступает в окружающую среду, сегодня являются наиболее актуальными. Продукт, получаемый в их результате, имеет высокую добавленную стоимость и является шагом к «зеленой» экономике», – добавил Александр Бахтин.
Результаты работы учёных представлены в статье «Intensive Ways of Producing Carbonate Curing Building Materials Based on Lime Secondary Raw Materials», опубликованной в международном журнале «Materials».
Органические нано-порошки для промышленного производства
Получение нано-порошков органических продуктов: полимеров и аграрных продуктов является одной из важнейших задач современных нанотехнологий. Основным методом получения таких порошков является диспергирование.
Для измельчения пластичных органических веществ, необходимо применить принцип гипер-резонанса. Испытания которых подтвердили возможность получения порошков с размерностью менее 500 нм – см. табл.4.
Таблица 4. Данные экспериментального диспергирования
Вещество первый распространённый размер второй распространённый размер Потребление энергии на 1 кг вещества
Виноградная косточка 244,3 nm \ 93,1 % 11,25 nm \ 6,9 % 7 kW / kg
Гриб Рейши 197,5 nm \ 70,06 % 143,3 nm \ 29,7 % 8 kW / kg
Амарант 288,9 nm \ 100% 0,000 5 kW / kg
Овес 482,8 nm \ 97,36 % 467,6 nm \ 2,64 % 8 kW / kg

Нано-порошок виноградной косточки применяется в основном в медицине, как средство при варикозном расширении вен и обладает мощным антигистаминным и противопаразитарным действием.
Нано-порошок гриба Рейши содержит микроэлементы (особенно высокий уровень германия), органические кислоты, полисахариды, кумарины, витамины, фитонциды. Наиболее важными соединениями гриба являются тритерпены, полисахариды, ганодермовые кислоты и германий. Именно эти соединения обусловливают лечебные свойства гриба как средство для усиления иммунитета и подавления развития опухолей различного происхождения, повышения насыщенности крови кислородом. Также помогает нормализовать давление, снизить уровень холестерина, препятствует образованию тромбов.
Нано-порошок Амаранта — легко усвояемый, идеально сбалансированный белок и протеины, благодаря чему могут активно применяться в рационе спортсменов для увеличения мышечной массы. Входящая в его состав растительная клетчатка, улучшает работу кишечника, способствует снижению веса и очищению кишечника, Нано-порошок Амаранта входит в состав детского и лечебного питания.
Потребители нано-порошка овса имеют самый высокий ЗПИ (здоровый пищевой индекс) и более низкие веса тела, окружности талии, и индексы массы тела. Использование такого порошка овса , благодаря наличию пищевых волокон и полифенолов — авенатрамидов предупреждает заболеваемость раком толстого кишечника. Особенно широко этот нано-порошок используется в косметике так как выполняет множество функций: это и противовоспалительный компонент, и вяжущий агент, и смягчающее вещество, и защитный элемент, способствующий регенерации кожи после повреждений (восстанавливает защитный барьер эпидермиса); также обеспечивает коже существенное увлажнение, обладает антиоксидантными свойствами – тормозит развитие окислительного стресса, индуцированного ультрафиолетовым излучением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На исследования, связанные с нанотехнологиями, поступают значительные средства от транснациональных корпораций и венчурных инвестиций. Многие крупнейшие мировые компании, такие как IBM, Intel, Motorola, Lucent, Boeing, Hitachi и т.д.
Время, необходимое для коммерциализации продукта, велико, потому что отрасли могут предпочесть мониторинг разработки в исследовательских агентствах и лабораториях, прежде чем делать значительные инвестиции. Кроме того, развитие нанотехнологий, особенно в сочетании с биомиметическими исследованиями, приведет к поистине революционным подходам к проектированию и производству материалов и конструкций с гораздо более высокой эффективностью, устойчивостью и приспособляемостью к изменяющейся окружающей среде.
Был проведен обширный обзор литературы по свойствам и применению наноматериалов, которые делают их полезными в качестве части строительных материалов. Это значительно поможет читателям, таким как инженеры-строители, архитекторы, подрядчики, быстро получить представление о доступности наноматериалов, которые могут быть учтены при проектировании устойчивых и прочных конструкций.
С дальнейшим развитием светодиодных и OLED-технологий и прогрессом в изоляционных материалах и интеллектуальном остеклении, концепция зданий и городов, способных удовлетворить собственные потребности в энергии, становится реальностью

Иллюстрация: Нанотехнологии в строительстве
putin2004.r

Поделиться.

Об авторе

Олег Фиговский

Академик, профессор, доктор технических наук

Прокомментировать

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.