перспективы применения нанотехнологий в строительстве

Перспективы применения
нанотехнологий в
строительстве
Кузьмина Вера Павловна,
к.т.н., генеральный
директор «КолоритМеханохимия», ООО
т/ф +7-499-613-42-66,
моб. +7-903-142-86-98,
kuzminavp@yandex.ru
НАНОТЕХНОЛОГИЯ (НТ).
Термин и определение
Пионер НТ
Э.Дрекслер:
НТ - технология
дешевого
производства
устройств и веществ
с заранее заданной
атомарной
структурой
В настоящее время в
строительстве под НТ
понимают использование
нанодобавок и
нанопримесей, то есть
нанообъектов (НО) в виде
специально
сконструированных
наночастиц (НЧ), то есть
частиц наномасштаба (НМ) с
линейным
размером менее 100нм.
Аллотропные формы углерода
Схема нуклеации
возможного механизма образования сажи
НАНООБЪЕКТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА –
ФУЛЛЕРЕНЫ
Фуллерен С 60 - Это наиболее полно
изученный представитель семейства
фуллеренов, в нём углеродный
многогранник состоит из 20
шестиугольников и 12 пятиугольников.
Каждый атом углерода в С60 принадлежит
одновременно 2-м шести- и 1-му
пятиугольнику, то все атомы в С60
эквивалентны. Это подтверждается ЯМРспектром изотопа С13, содержащим лишь
одну линию. Длина связей С-С различна.
Связь С=С, являющаяся общей стороной
двух шестиугольников, 0.139 нм, а связь СС, общая для шести- и пятиугольника 0.144 нм Белоусов В.П., Будтов В.П., Данилов
О.Б., Мак А. А. 1997. Оптический журнал, т.64,
№12, с.3.
НАНОХИРУРГИЯ
• Рис. 1. Химически
открытый
фуллерен с
двадцатичленным
кольцом
• Рис.2. Химически
открытый
фуллерен с
шестнадцатичленным кольцом
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ
ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ
• Патент RU 2348602
• Патент RU 2348603
• Патент RU 2348601
НАНООБЪЕКТЫ НА ОСНОВЕ
УГЛЕРОДА – НАНОТРУБКИ
Углеродная нанотрубка (англ. сarbon
nanotube) – цилиндрическая
молекула, состоящая из одних лишь
атомов углерода. Имеет диаметр
около 1 нанометра и длину от одного
до сотен микрометров. Внешне
выглядит как свернутая в цилиндр
графитовая плоскость. Впервые
обнаружена Сумио Ииджимой
(корпорация NEC) в 1991 г. как
побочный продукт синтеза фуллерена
С60.
НАНООБЪЕКТЫ НА ОСНОВЕ
УГЛЕРОДА – НАНОТРУБКИ
• Нанотрубки бывают однослойными и
многослойными.
• Многослойные нанотрубки
представляют собой несколько
однослойных нанотрубок, вложенных
одна в другую, Расстояние между
слоями равно 0,34 нм, то есть такое
же, как и между слоями в
кристаллическом графите
• Основная классификация нанотрубок
проводится по способу сворачивания
графитовой плоскости.
• Различают прямые (ахиральные)
нанотрубки и спиральные
(хиральные) нанотрубки.
СВОЙСТВА НАНОТРУБКИ
• Нанотрубки
• Способ получения
обладают
нанотрубок:
уникальными
термическое распыление
электрическими,
графитовых электродов в
магнитными и
плазме дугового разряда.
оптическими
• Свойства нанотрубок:
свойствами.
легкий и пористый материал,
• Они могут быть как
состоящий из многослойных
проводниками, так
нанотрубок со средним
и
диаметром 20 нм и длиной
полупроводниками.
около 10 мкм.
• Нанотрубки на
• Стоимость нанотрубок:
порядок прочнее
один грамм стоит несколько
стали.
сотен долларов США.
МОДИФИКАЦИЯ НАНОТРУБОК
• Модификация нанотрубок выполняется
за счёт линейного или объёмного
введения различных атомов в
межплоскостное расстояние – 0,34 нм.,
как с внешней так и с внутренней
стороны поверхности нанотрубки.
• Получают различные нанотрубки,
например, металлизированные.
Металлизированные нанотрубки
• Все переходные элементыметаллы имеют низкую
электроотрицательность.
• Все элементы проявляют
переменные степени
окисления. Начиная с III
группы.
• Низшая степень окисления
имеет основной характер,
высшая – кислотный, средние
– амфотерный.
• Все элементы образуют
комплексные соединения.
КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, мас. %:
• ЗАЯВКА НА ИЗОБРЕТЕНИЕ RU /
2000127644 от 26.10.2000
• Минеральное вяжущее (цемент, известь,
гипс или их смеси)
- 33-77
• Углеродные кластеры фуллероидного
типа
- 0,0001 - 2,0
• Вода
- Остальное
• технологические добавки, взятые в
количестве 100-250 мас. ч. на 100 мас. ч.
минерального вяжущего
Углеродные кластеры фуллероидного
типа
• полидисперсные углеродные
нанотрубки;
• полиэдральные многослойные
углеродные наноструктуры с
межслоевым расстоянием 0,34-0,36
нм и размером частиц 60-200 нм;
• смесь полидисперсных углеродных
нанотрубок и фуллерена С60.
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН
Патент № 2256629
• Высокопрочный бетон, включающий портландцемент,
песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент,
добавку и воду, в качестве кремнеземсодержащего
компонента содержит золь H2SiO3 с плотностью =1,014
г/см3, рН=5-6 и в качестве добавки – «ДЭЯ-М» при
следующем соотношении компонентов, мас.%:
• Портландцемент
44,40-48,00
• Песок
20,00-22,20
• Щебень
20,00-22,20
• кремнеземсодержащий компонент
0,43 - 0,48
• добавка “ДЭЯ-М”
0,43 - 0,48
• Вода
10,34-11,04
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ НОНОСИСТЕМЫ
«ЗОЛЬ-ГЕЛЬ»
Кремнеземсодержащий компонент золь H2SiO3 и
добавку «ДЭЯ-М»
Добавка «ДЭЯ-М» ТУ 5743-003-46969976-2000:
•ФДП
4,5 - 5,0
•указанная окалина
5,0 - 6,0
•NaF
0,75 - 1,0
•NaОН
0,25 - 0,5
•Вода
остальное
-фильтрат дрожжевого производства (ФДП), сод.сухих веществ, 4,5 – 5,0
мас.% рН=5,
-окалина металлургического производства, содержащей Fe3O4, в
количестве, большем или равном 70 мас.% с тонкостью помола,
определяемой по остатку на сите № 008 - 15%,
*) Гидролиз – реакция ионного обмена между веществами и водой.
Гидратация – физико-химический процесс взаимодействия
растворённых веществ с водой.
Структуры, организованные в результате действия ПАВ: 1 – мономеры ПАВ; 2 –
мицелла; 3 – цилиндрическая мицелла; 4 – гексагонально упакованные
цилиндрические мицеллы; 5 – ламелярная мицелла; 6 – гексагонально
упакованные капли воды в обратной мицеллярной системе.
СОСТА И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА
патент № 2256629
ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ
НАНОБЕТОНА ОТ РАСХОДА ЦЕМЕНТА
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН.
Патент 2256630
• Портландцемент
43,58-47,08
• Песок
14,43-15,69
• Щебень
25,70-27,84
• Кремнеземсодержащий компонент с
плотностью =1,014 г/см3 , рН 5...6, золь
Н2SiO3
0,25 – 027
• K4Fe(CN)6 калий железистосинеродистый
0,44 - 0,47
• Вода
12,10-12,15
КИНЕТИКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ
БЕТОНА НОРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НАНОБЕТОНА
УСАДОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ НАНОБЕТОНА
с добавкой золя Н4SiO4
Месторождение природного
наноминерала шунгита в Кижах РФ.
Физико – химическая модель (б) шунгитового углерода
(увеличение х200000)
1 – фуллерены изотопа С12 и С13; 2 – металлы; 3 – ПАВ;
4 – кристаллическая вода; 5 – глобулярная пора; 6 –
межглобулярная пора; 7 – глобула
РАЗНОСТИ ШУНГИТОВ
Характеристи
ка вещества
Разности шунгитов
I
II
III
IV
V
Содержание
углерода, %
98
60
35
20
5-10
Количество
золы, %
2
40
65
80
90-95
СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В
МАРОЧНОМ БЕТОНЕ НОРМАЛЬНОГО
ТВЕРДЕНИЯ
Время начала
эксперимента,
сутки
Суммарное
время
выщелачив
ания, сутки
Суммарная доля нуклида, перешедшего в выщелачивающую
дистиллированную воду, % от исходного
Cs – 137
(цезий)
Sr – 90
(стронций)
Pu – 239
(плутоний)
Am – 24
(америций)
0,11
0,68
2,39
3,17
0,24
0,82
2,47
3,78
Без добавки микрокремнезема
1
7
32
97
2
28
105
226
1,03
29,6
43,5
47,5
0,30
0,66
0,96
0,96
С добавкой микрокремнезема 10% от цемента
1
7
23
60
1
13
154
214
0,8
2,4
6,4
6,6
0,004
0,04
0,036
0,042
0,01
0,002
0,027
0,03
н/о
н/о
0,017
0,023
Количественная характеристика влияния добавок микрокремнезема,
суперпластификатора и условий твердения на пористость цементного
камня
Серии
образцов
матрицы.
Кол-во МК
% Ц,
условия
твердения
Объем пор (V/V), %
Капиллярная пористость
Поры
геля
5Å<R<25
Å
Макропоры
10мкм<R<500м
км
Общая
пористость
5Å<R<500м
км
Субмикропо
ры
25Å<R<500Å
Микропоры
500Å<R<10м
км
Общая
25Å<R<10м
км
0
14,2
9,9
5,8
15,7
8,9
38,8
10
10,4
9,7
3,7
13,4
3,3
27,1
20
8,9
3
2
5
4,5
17
30
6,2
3,12
0,63
3,73
6,5
16,4
20+20оС
8,4
5,1
0,4
5,5
2,3
16,2
20+С-3
10,4
7,6
2,1
9,7
6,6
26,7
20+40оС
12
9,5
2,7
12,2
4
28,2
20+60оС
14,3
10,5
4,9
15,4
6,1
25,8
Примечание: исследовались составы цементного камня с добавкой МК Челябинского ферросилиция
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН
Патент № 2331602
Состав, масс. %:
• портландцемент
• песок
• щебень
• Нано-добавка
• вода
20,60-27,40;
21,80-24,70;
43,10-44,90;
0,60-0,80;
7,10-9,00.
НАНО-ДОБАВКА
Состав, мас.%:
• золь гидрооксид железа (III ) с плотностью =1,021 г/см3, рН 4,5
Fe(ОН)3
- 84,85-85,20;
• K4[Fe(CN)6] гексоцианоферрат (II) калия - 0,80 - 0,85;
суперпластификатор С-3
- 14,00-14,30
СОСТАВ И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА
патент № 2331602
НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ПРОНИКНОВЕНИЕ
НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
ВЛИЯНИЕ НЧ на ДНК
• Токсичность
зависит
от концентрации НЧ и
площади их
поверхности, а не от
массы/объема.
• Токсичность зависит от
физико-химической
формы НЧ.
• Токсичность НЧ зависит
от НС, в которую входит
НЧ.
БИОКИНЕТИКА НАНОЧАСТИЦ
в организме человека
НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ВЫВОДЫ
НО (фуллерены, нанолуковицы, нанотрубки, дендриты,
нанокристаллы и др.), поступающие в живой организм, являются
токсичными и способны повреждать биомембраны, нарушать
функции биомолекул, в том числе молекул генетического
аппарата клетки, клеточных органелл (митохондрий), приводя к
нарушению регуляторных процессов и гибели клетки.
2. Механизм воздействия НО на живые структуры связан с
образованием в их присутствии свободных радикалов, в том
числе пергидратов, а также с возникновением комплексов с
нуклеиновыми кислотами.
3. В ряде случаев для рассмотренной области концентраций НО
наблюдалась линейная зависимость эффекта от дозы. В качестве
дозы принимали общую поверхность НЧ в исследуемом органе,
ткани или объеме.
4. Эффект для живого организма проявляется в возникновении
воспалительных процессов в отдельных органах и тканях, в
снижении иммунитета, в возможном возникновении хронических
воспалений, которые, в свою очередь, способны вызывать
воспаление легких, рак, сердечнососудистые и иные заболевания,
приводящие к снижению качества и продолжительности жизни
человека.
1.
НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ВЫВОДЫ
5. Отмечено
воздействие
НО
(фуллеренов,нанотрубок, нанокристаллов) на организмы
(микроорганизмы, ракообразные, рыбы, млекопитающие),
приводящее к их гибели.
6. Воздействие НО на экосистемы не исследовано.
7. Последствия хронического (долговременного)
воздействия НО на человека и живые объекты не
исследованы.
8. Методы оценки, анализа и управления риском,
разработанные в области радиационной безопасности и
токсикологии, могут быть использованы для анализа,
оценки и управления рисками НТ с соответствующими
модификациями, учитывающими специфику конкретных
НО.
ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
В РФ
1. Формирование рынка потребления .
2. Повышение эффективности применения
наноматериалов и нанотехнологий.
3. Разработка новых промышленных технологий
получения наноматериалов.
4. Обеспечение перехода от микротехнологий к
промышленным нанотехнологиям.
5. Развитие фундаментальных исследований
нанотехнологий.
6. Создание исследовательской инфраструктуры.
7. Создание инновационных и кредитных механизмов
финансирования работ.
8. Подготовка и закрепление квалифицированных
научных, инженерных и рабочих кадров для
нанохимического производства.
Перспективы применения нонаобъектов в
строительных технологиях
• Применение металлизированных нанотрубок
для получения нанофибробетонов позволит
лить пространственные бетонные
конструкции сложной конфигурации при
соблюдении требований СНиП 52-01-2003.
• Применение нанообъектов для
формирования структуры бетонных
конструкций для защиты от лазерного
излучения.
• Применение нанообъектов для
получения наноструктурированных
функциональных добавок для бетона.
Перспективы применения нонаобъектов в
строительных технологиях
• Применение новых технологий сдерживается очень
длительными традиционными натурными
испытаниями эксплуатационных свойств изделий
нового поколения в лабораториях научноисследовательских институтов, которые не готовы
выполнять работы на современном уровне и
практически перекрыли доступ новым технологиям в
строительство.
• Применение новых бетонов в промышленном и
гражданском строительстве влечёт за собой
изменение всех технологических приёмов и
способов производства в смежных отраслях.
• Несмотря на то, что нанотехнология имеет огромный
потенциал применения в строительных технологиях
и, как говорят эксперты, кардинально изменит
общество XXI века, ученые должны дать
исчерпывающую оценку всем достижениям в этой
области и определить, какое влияние они окажут на
экосистему и, прежде всего, на здоровье человека.