Нанотехнологии в строительстве

Полупрозрачные нанопокрытия, накапливающие солнечную энергию, изготавливаемые по технологии, изобретенной в Шанхайском центре науки и нанотехнологий, способны значительно упростить решение вопроса энергосбережения. Нанесенные на окна жилых домов, такие пленки придают им стильный вид и позволяют освещать внутренние помещения, значительно сокращая расходы на электроэнергию. Помимо придания помещению эксклюзивного декора, данный вид аккумулирования солнечной энергии имеет еще одно важное свойство – низкую себестоимость, отличающуюся  в несколько раз в меньшую сторону по сравнению со стоимостью традиционных солнечных батарей.

Если уж говорить о  достижениях китайских учёных в  области внедрения нанотехнологий в строительство, то нельзя не остановиться на опробованной уже на примере Шанхайского  музея науки и технологии покрытия для стен, дающего так называемый «эффект термоса». Результат, к которому приводит применение нанопористого покрытия для стен, понятен из названия – в зимнее время оно позволяет сохранить тепло, а в летнее – созданный с помощью кондиционеров прохладный микроклимат. В самом ближайшем будущем китайские строители планируют использовать эту технологию массово в жилищном строительстве – экономия энергозатрат на обеспечение жизнедеятельности здания выходит просто колоссальная. В добавок, отказ от производства традиционных утеплителей в пользу нанопористого покрытия позволяет значительно улучшить экологическую обстановку в регионе и восстановить равновесие в экосистеме.

В эффективности использования  нанотехнологий в строительстве  смогли убедиться и болельщики со всех стран мира, приехавшие на летние Олимпийские игры в Пекине в 2008 году. Наночастицы, вошедшие в состав покрытия для потолков пекинского дворца спорта, обеспечили потрясающую звукоизоляцию помещений и повысили способность перекрытий противостоять деформации.

Эксперименты по наномодификации металлов и сплавов, проводимые учеными Швейцарии, Германии, Японии и Норвегии, привели к созданию высокопрочной стали, которая сохранив антикоррозионную стойкость современных нержавеющих сталей, значительно превосходит их по прочности вязкости. Область её применения – объекты дорожно-транспортного  и гидротехнического строительства (автомобильные и железнодорожные мосты, дамбы и шлюзы).

 

Нанотехнологии  в строительстве: достижения России.

Есть чем похвастаться и российским ученым. Одна из последних разработок, уже внедренных в производство, - супербетон. Этот плод совместных трудов «Наноцентра» МЭИ, НПО «Синтетика-Строй» из Новочеркасска и питерского НТЦ «Прикладные технологии», имеет прочность и морозостойкость выше обычного бетона на два с половиной  и полтора раза, соответственно. К тому же вероятность появления трещин в три раза ниже. И, что немаловажно, уменьшается вес конструкции примерно до 60 раз.

Помимо изобретения  новых строительных материалов нанотехнологии позволяют значительно улучшить качественные характеристики уже существующих. Например, домол обычного портландцемента до размеров наночастиц позволяет перекрыть в три раза большую потребность в нем без увеличения объёмов производства. Это объясняется тем, что в обычном портландцементе доля частиц, вступающих во взаимодействие с водой, составляет не более 30%, остальные 70% выступают в роли инертного наполнителя. В домолотом же при помощи специальных планетарных мельниц до размеров наночастиц портландцементе доля взаимодействующих с водой частиц составляет до 90%. То есть для получения требуемой бетонной конструкции цемента потребуется в три раза меньше, заменив две части из трех первоначального объёма цемента наполнителем.

Второй способ улучшения  характеристик того же портландцемента  – это добавление в его состав нанодисперсных модификаторов, например, микрокремнезёма. Введение модификаторов в цементные смеси позволяет значительно увеличить прочность изготавливаемых из них бетонов.

Данный способ интересен  еще с той точки зрения, что  затраты на производство микрокремнезёма в ряде случаев сведены к минимуму, поскольку он является отходом при получении кремния и ферросилиция. Также в числе российских открытий такие наноматериалы, позволяющие модифицировать бетон, как базальтовая микрофибра, модифицированная фуллереноподобными частицами, и гальваношлам.  Последний, кстати, как и микрокремнезём, является отходом. Он образуется при обработке известью сточных вод гальванического производства.

Но какими бы привлекательными во многих отношениях не являлись нанотехнологии в строительстве, перед повсеместным применением они все ещё требуют углубленного изучения, а также исследования взаимодействия между собой различных наночастиц.

Так, например, уже активно  используемый в строительстве и  ремонте такой материал, как наночастицы диоксида титана, надежно защищающий древесину от неблагоприятного воздействия солнечного излучения, может способствовать генерации молекул «активных форм кислорода». При контакте с самоочищающимися пленками на окнах это вещество способно вызвать их повреждение.

 

Проекты РОСНАНО для строительной отрасли.

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО), выступая соинвестором в  нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом, уже утвердила и реализует несколько проектов, продукция которых может использоваться в строительной отрасли.

 

Композитные материалы

Наноматериалы на основе крупнотоннажных полимеров. Создание серийного производства очищенного модифицированного монтмориллонита и полимерного нанокомпозита на его основе.

Проект предусматривает  введение на рынок новых видов  высокотехнологичной нанопродукции: очищенного модифицированного монтмориллонита и полимерного нанокомпозита на его основе.

Полимерные нанокомпозиты, состоящие из пластичной полимерной основы (матрицы) и наполнителя –  органомодифицированного монтмориллонита  с размером частиц от 10 до 200 нм, обладают новыми улучшенными свойствами (например, устойчивость на разрыв, жаропрочность и пожаробезопасность, влаго- и газонепроницаемость).

Полимерные композиционные материалы уже нашли применение в промышленности для изготовления специальных покрытий, упаковочных  пленок с барьерными свойствами, деталей автомобилей и электронных устройств, авиастроении, кабельной промышленности. В будущем их использование может быть практически неограниченным.

Препреги. Организация промышленного производства препрегов на основе углеродных и минеральных волокон и нанонаполненных связующих

В России реализуется  первый интегральный проект по организации  промышленного производства препрегов  на основе углеродных и минеральных  волокон и нанонаполненных связующих. Проект предусматривает создание производственных мощностей по выпуску широкой номенклатуры препрегов на производственных площадках в Москве и Саратове.

Использование подобных материалов позволяет существенно  снизить вес конструкций, увеличить  прочностные характеристики и срок службы. В строительстве препреги могут иметь различные применения, в том числе для армирования бетонных конструкций.

 

Инструмент

Производство  режущего инструмента из сверхтвердого материала на основе микро- и нанопорошков кубического нитрида бора

В рамках проекта РОСНАНО  совместно с «Микробор Технолоджи»  будет создан полный производственный цикл — от синтеза нанопорошка  кубического нитрида бора до изготовления из него режущего инструмента.

Повышенные физические характеристики инструмента из нанопорошка  кубического нитрида бора (микротвердость, износо- и теплостойкость) приводят к существенно более высокой  производительности инструмента. При  этом затраты на обработку деталей инструментом могут снижаться до 60%.

Продукция проекта будет  востребована для черновой и финишной обработки деталей в первую очередь  в таких отраслях как строительство, тяжелое машиностроение, автомобилестроение, добывающая промышленность.

 

Дорожные покрытия

Унирем  — модификатор дорожных покрытий. Реконструкция и расширение производства

Модификатор «Унирем» применяется  при ремонте дорог и укладке  новых дорожных покрытий. «Унирем» получают, измельчая отработанные автопокрышки при высокой температуре и давлении. Частицы модификатора, обладающие микро- и наномозаичной структурой, делают дорожные покрытия устойчивыми к воде и циклическим деформациям при перепаде температур, к образованию трещин и колеи. В результате долговечность дорожных покрытий увеличивается на треть, а межремонтные сроки при эксплуатации автомагистралей - на 25-30%.

Проект решает, в том  числе, важную экологическую задачу - утилизацию старых автомобильных  покрышек. В настоящее время на переработку поступает не более 5-8% от того количества использованных покрышек, что накапливается за год.

 

Теплоизоляционные материалы

Пеноситал. Расширение производства инновационных теплоизоляционных материалов на основе битого несортового стекла

Цель проекта —  создание промышленного производства плитного пеностекла — инновационного теплоизоляционного материала, изготовленного на основе технологии «Пеноситал».

Конечной продукцией проекта являются теплоизоляционные  материалы, которые могут применяться  как при жилом и коммерческом строительстве, так и в промышленной теплоизоляции.

Экологической составляющей проекта является использование  в качестве сырья одного из компонентов твердых бытовых отходов — стеклобоя, что позволяет снижать негативное воздействие битого стекла на окружающую среду.

 

Энергосбережение

Твердотельная светотехника. Энергосберегающие системы освещения на светодиодных чипах

Конечным продуктом  проекта станут светодиодные чипы, светодиодные лампы и осветительные  системы, сопоставимые по яркости с  лучшими мировыми аналогами.

Реализация проекта  позволит существенно сократить  затраты на электроэнергию и эксплуатацию светотехнической продукции как для промышленных объектов, так и для населения.

Наиболее динамично  замена светотехники с использованием традиционных источников света на светодиодные будет происходить, в первую очередь, в сегментах освещения объектов ЖКХ, уличного освещения, освещения коммерческих зданий, промышленных объектов.

 

Наноматериалы и покрытия

Огнезащитные  покрытия. Организация производства наноструктурированного гидроксида магния с модифицированной поверхностью

Реализация проекта  позволит обеспечить российских производителей полимерных компаундов высококачественным сырьем — наноструктурированным  гидроксидом магния, который используется в качестве огнезащитной добавки в строительные материалы.

Наноструктурные неметаллические покрытия. Создание многопрофильного производства наноструктурных неметаллических покрытий

Продукцией проекта станут технологические линии для нанесения неметаллических неорганических керамических покрытий на поверхности металлов.

Технология микродугового  оксидирования обеспечивает деталям  свойства износостойкости (увеличение в 2-8 раз), защиты от коррозии, термостойкости, декоративные свойства. Поставки технологических линий будут осуществляться в строительную, машиностроительную, приборостроительную (потребительская электроника), автомобильную и авиастроительную российские и зарубежные отрасли.

Модифицирующие  покрытия нанометровой толщины. Расширение производства отечественных установок для нанесения нанопокрытий с помощью плазмы магнетронного разряда

Расширение выпуска  установок для нанесения модифицирующих покрытий нанометровой толщины на материалы и изделия с помощью плазмы магнетронного разряда позволит вывести существующее отечественное мелкосерийное высокотехнологическое производство на новый уровень по объему производства и расширить его присутствие как на российском, так и на зарубежных рынках.

Выпускаемые уже сегодня  установки позволяют наносить одно- и многослойные покрытия нанометровой толщины из различных материалов (проводящих, полупроводниковых и  диэлектрических). Оборудование и технологии магнетронного распыления материалов применяются, в том числе, при производстве листового стекла с покрытиями разнообразного назначения, а также для нанесения покрытий на металлические поверхности с целью повышения их коррозионной стойкости, декоративности, придания поверхности необходимых механических, химических, электрических и т.д. свойств

Материалы из германия. Модернизация производства германия и продукции высоких степеней его обработки

В рамках проекта будет  создан полный производственный цикл от добычи и обогащения исходного  германийсодержащего сырья до его  последующей многостадийной переработки  в химические продукты, материалы  и изделия.

Одним из основных продуктов  проекта станет диоксид германия (GeO₂), используемый в качестве компонента катализатора при изготовлении синтетических волокон и других процессов органического синтеза, производстве специальных стекол с высоким коэффициентом преломления и прозрачностью в ИК-области спектра, косметологии и изготовлении эмалей и глазурей.

 

Комплектующие и оборудование

Сверхвысокопрочные  пружины. Создание массового производства сверхвысокопрочных пружин

В основе новой технологии лежит операция горячей навивки пружины при оптимальном сочетании температуры нагрева, степени деформации при навивке, схемы и режима охлаждения-закалки последовательно каждого витка навиваемой пружины. В результате этих операций формируются наноразмерные субструктуры, обеспечивающие высокие прочностные характеристики изделий.

Основными точками применения продукции проекта станут железнодорожный  транспорт (вагонные и локомотивные тележки), энергетика, подвески автомобилей, сельскохозяйственной и строительной техники, лифтовые системы.

 

Безусловно у нанотехнологий большое будущее, и какой будет  их судьба в России, сможем ли мы идти в ногу со временем и займем ли лидирующие позиции в этой области, покажет  время.