2.6.2. Нанотехнологии отделочных стройматериалов
К отделочным строительным наноматериалам относятся 2D плёночные и слоистые, которые модифицируются 1D нановолкнами и нанотрубками или нульмерными – 0D клатерами. Несмотря на малую толщину поверхностные плёночные наноструктурные покрытия существенно повышают функциональные, физико-химические и механические свойства конструкционных материалов и строительных изделий.
Пречень основных научно-исследовательских работ в области строительных наноматериалов и нанотехнологий, выполняемых в настоящее время в России и за рубежом, достаточно широк и включает [ 12 ]:
• создание высокотехнологичных конструкционных материалов через управление производственным процессом или использование наночастиц, нанотрубок и нанодобавок;
• понимание явлений в наноструктуре и их проявления в отношении макросвойств (например, в гидратации, усадке, старении и т.д.) с использованием новых методов;
• функциональные тонкие пленки-покрытия, многократно повышающие качество материалов, например, их оптические, тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость атмосферным воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, пожаробезопасность и т.д.;
• новые многофункциональные материалы и компоненты – изолирующие аэрогели, самозалечивающиеся материалы [ 12 ].
К настоящему времени на основании нанотехнологий разработаны и имеют практическое применение следующие функциональные покрытия: биозащитные, самозалечивающиеся, пожаробезопасные, отбеливающие поверхностные и др.
Биозащитные поверхностные покрытия основаны на природных полиминералах монтмориллоните и бентоните, а также на калий – натриевых отходах жизнедеятельности живых организмов, к которым добавляют на наноуровне ионы серебра ( Рис. 47.).
Рис. 47. Внешний вид монтмориллонита под микроскопом.
Толщина слоёв 0,8 – 1,2 нм.
Монтмориллонит и бентолит – слоистые силикаты: являются основой глин, обладающих высокой связующей способностью, абсорбционной и каталитической активностью с высокоразвитой поверхностью частиц площадью до 800 м2 / г. Характеризуются высокой набухаемостью в зависимости от количества поглощённых молекул воды и органических соединений (городской пыли):
(Si8)IV [Al3,33 (Mg0,67; Na0,87)]VI O20 (OH)4
и соотношением SiO2 : Al2O3 = 4,8 : 2. [ 13 ].
Силикатные слои трехэтажные: кремний-кислородные тетраэдрические сетки разделены сеткой алюмогидроксильных октаэдров. Разбухание структуры происходит при поглощении молекул некоторых органических соединений. В связи с замещением части Al магнием слои не являются нейтральными. Дефицит заряда компенсируется разнообразными межслоевыми ионами, обладающими обменной способностью. В природных условиях это обычно – натрий и кальций. Монтмориллонит распространен очень широко. Используется как в составе глины («Кирпичные глины»), так и в виде бетона.
Бентонит - глина, состоящая не меньше, чем на 60% из минералов группы монтмориллонита, обладающая высокий связующей способностью, абсорбционной и каталитической активностью. Обладает высокоразвитой поверхностью – 800 м2/г . Залегает в виде пластов древней вулканической деятельности, материнской породой является пепел и лава основного состава. Такие покрытия исключают возможность образования на поверхностях плесневых грибков, микроорганизмов, моллюсков [ 13 ].
Нанотехнологии играют все большую роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Так, интересен уже достаточно богатый опыт применения сенсибилизированного на основе нанотехнологий диоксида титана. Под воздействием ультрафиолета модифицированный TiO2 работает как фотокатализатор, выделяя атомарный кислород из паров воды или атмосферного кислорода. Выделенного активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий. Это обусловливает все большее практическое применение фотокатализаторов на основе нано - TiO2 в самых различных областях, в частности, в солнечных батареях, противотуманных мероприятиях, самоочищающихся зеркалах и стеклах, электроосветительном оборудовании и, прежде всего, в различных областях строительства, где применение строительных материалов, обладающих фотокаталитическими свойствами, позволяет снизить загрязняющее воздействие окружающей среды.
Диоксид титана, придающий краске белый цвет, известен своими фотокаталитическими свойствами. Если его облучить светом, на поверхности кристаллов диоксида титана освобождаются отрицательно заряженные электроны. Они оставляют положительно заряженные дырки. Эти свободные заряды имеют способность образовывать кислородные (свободные) радикалы, так называемый «активный кислород». В свою очередь, радикалы в состоянии разлагать органические молекулы — бактерии и плесневые грибки. При полном завершении фотокаталитического процесса остаются низкомолекулярные продукты разложения, углекислый газ и вода. Солнечный свет содержит от 2 до 3 процентов ультрафиолета, искусственный свет внутренних помещений только малую часть этого. Недавно разработан способ модификации диоксида титана углеродом, после чего он эффективно работает фотокатализатором даже при искусственном освещении. Множество испытаний показали способность находящегося в воднодисперсионной краске активированного диоксида титана при помощи света преобразовывать вредные для здоровья летучие органические соединения – формальдегид или окись углерода, в безвредные компоненты углекислый газ и воду.
К настоящему времени строительные материалы, содержащие добавки TiO2 наночастиц, широко применяются в красках, специальных цементах, строительных растворах, самоочищающихся керамических плитках, дорожных покрытиях, как бетонных, так и битумных, самоочищающихся материалах и конструкциях, воздухоочищающих материалах и конструкциях, антибактериальных материалах и конструкциях, составах и отделочных материалах для наружных и внутренних работ и т. д.
Особенно распространено применение таких светочувствительных катализаторов при формировании самоочищающихся поверхностей за счет недавно открытого явления супергидрофильности, что позволяет поддерживать эстетический вид построенных объектов неизменным в течение продолжительного времени.
Главная причина самоочищения цементных материалов, представляющих собой пористое тело, состоит в аккумуляции органических соединений в поверхностных слоях материалов. Цементные композиты с наночастицами TiO2 сохраняют свои эстетические характеристики, особенно цвет, в течение длительного времени даже под воздействием агрессивного городского окружения.
Цементные материалы, содержащие TiO2, интересны не только из-за своих свойств самоочищения. Проводимые исследования показывают, что такие материалы имеют хороший потенциал при контроле городского загрязнения. Среди загрязнителей, которые могут быть уничтожены фотокаталитической системой TiO2/цемент, можно особо выделить NO2, SO2, NH3, CO, летучие органические углеводороды, такие как бензол и толуол, органические хлориды, альдегиды и конденсированные ароматические соединения.
Цемент представляет собой подходящий материал для использования в качестве матрицы в комбинации с наночастицами TiO2, так как некоторые компоненты цемента, например, ионы Ca2+, способны связывать полупродукты и конечные продукты, возникающие при фоторазложении NO2 на TiO2 поверхности. Идеальными местами для применения фотокаталитических цементсодержащих материалов являются оживленные улицы, перекрестки и площади. В безветренную погоду новый материал способен поглощать до 65% диоксида азота и моноксида углерода. Установлено также, что в солнечный летний день при скорости ветра 0,7 м/с поверхностью покрытия (около 6000 м2) поглощалось до 50 % оксидов азота. При этом фотокаталитическая активность покрытия сохранялась и через год после его укладки [ 12 ].
В Японии разработана самовосстанавливающаяся краска и особое прозрачное покрытие со способностью самовосстанавливаться. Это покрытие устойчиво к царапинам. Покрытие содержит ингредиент, упрочняющий молекулярную связь — прочная и плотная структура покрытия добавляет ему гибкости и эластичности, а значит материал сложнее повредить, он стойкий к свету и окислению, способен восстанавливаться после деформации [ 14 ].
В Шанхайском центре науки и нанотехнологий (Shanghai Nano Science and Technology Center) изобретены нанопокрытия, накапливающие солнечную энергию. Нанопокрытие может использоваться на лестницах зданий при отсутствии электрического освещения, а также в качестве аварийной иллюминации на случай эвакуации. Одно из главных преимуществ технологии – более низкая цена по сравнению с дорогостоящими традиционными солнечными батареями.
Пожаростойкие покрытия имеют нанокомпозитную структуру на смоляной основе. При соприкосновении с источниками открытого огня или тепла покрытие вздувается, создавая низкотеплопроводный щит, предохраняющий стену от повышения температуры, в то же время не давая пламени продвигаться дальше. Длительность защиты (при температуре +1400 градусов Цельсия) — от 15 минут до 1 часа.
У пожаростойкого покрытия превосходная адгезия к бетонным и деревянным поверхностям, акриловосополимерная эмульсия делает покрытие эластичным — оно не растрескивается, не шелушится и не вздувается в процессе эксплуатации [ 14 ].