Перспективы применения нанотехнологий в строительстве

1. Кузьмина Вера Павловна, к.т.н., генеральный директор «Колорит-Механохимия», ООО т/ф +7-499-613-42-66, моб. +7-903-142-86-98, kuzminavp@yandex.ru Перспективы применения нанотехнологий в строительстве

2. 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 естьчастиц наномасштаба (НМ) с линейнымразмером менее 100нм. НАНОТЕХНОЛОГИЯ (НТ).Термин и определение

4. Аллотропные формы углерода

5. Схема нуклеации возможного механизма образования сажи

6. 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 ЯМР- спектром изотопа С13, содержащим лишь одну линию. Длина связей С-С различна. Связь С=С, являющаяся общей стороной двух шестиугольников, 0.139 нм, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника - 0.144 нм БелоусовВ.П., БудтовВ.П., ДаниловО.Б., МакА. А. 1997. Оптический журнал, т.64, №12, с.3.

7. НАНОХИРУРГИЯ • Рис. 1. Химически открытый фуллерен с двадцатичленным кольцом • Рис.2. Химически открытый фуллерен с шестнадцатичлен-ным кольцом

8. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ Патент RU 2348602 Патент RU 2348603 Патент RU 2348601

9. 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.

10. 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.

11. Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Нанотрубки на порядок прочнее стали. Способ получения нанотрубок: термическое распыление графитовых электродов в плазме дугового разряда. Свойства нанотрубок: легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Стоимость нанотрубок: один грамм стоит несколько сотен долларов США. СВОЙСТВА НАНОТРУБКИ

12. 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.

13. Металлизированные нанотрубки • Все переходные элементы- металлы 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.

14. КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, мас. %: • ЗАЯВКА НА ИЗОБРЕТЕНИЕRU / 2000127644от 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

15. 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.

16. 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

17. 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.

18. 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.

19. СОСТА И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА патент № 2256629

20. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ НАНОБЕТОНА ОТ РАСХОДА ЦЕМЕНТА

21. 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

22. КИНЕТИКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА НОРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ

23. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НАНОБЕТОНА

24. УСАДОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ НАНОБЕТОНА с добавкой золя Н4SiO4

25. 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

26. РАЗНОСТИ ШУНГИТОВ

27. СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В МАРОЧНОМ БЕТОНЕ НОРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ

28. Количественная характеристика влияния добавок микрокремнезема, суперпластификатора и условий твердения на пористость цементного камня Примечание: исследовались составы цементного камня с добавкой МК Челябинского ферросилиция

29. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН Патент № 2331602 Состав, масс. %: • портландцемент 20,60-27,40; • песок 21,80-24,70; • щебень 43,10-44,90; • Нано-добавка 0,60-0,80; • вода 7,10-9,00.

30. 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

31. СОСТАВ И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА патент № 2331602

32. НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ПРОНИКНОВЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

33. 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.

34. БИОКИНЕТИКА НАНОЧАСТИЦ в организме человека

35. НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ВЫВОДЫ 1. 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.

36. 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.

37. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В РФ • Формирование рынка потребления . • Повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. • Разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов. • Обеспечение перехода от микротехнологий к промышленным нанотехнологиям. • Развитие фундаментальных исследований нанотехнологий. • Создание исследовательской инфраструктуры. • Создание инновационных и кредитных механизмов финансирования работ. • Подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для нанохимического производства.

38. 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.

39. Перспективы применения нонаобъектов в строительных технологиях • Применение новых технологий сдерживается очень длительными традиционными натурными испытаниями эксплуатационных свойств изделий нового поколения в лабораториях научно-исследовательских 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.