задачи и перспективы нанотехнологии в строительстве

Задачи и перспективы
нанотехнологии в
строительстве
Директор НОЦ НТ, д.т.н., профессор
Е.В. Королев
Физические причины повышения свойств
наноматериалов
Относительное изменение поверхностной
энергии, %
Поверхностное натяжение
100
95
I
II
III
Уравнение Гиббса-Толмена-Кенига-Бафа
90
2    2 
1   2 
R  R 3R 
 ln 

 ln R
2    2 
1  1   2 
R  R 3R 
85
80
75
70
0,001
0,01
0,1
1
При жт  const :
10
1000
Диаметр частицы, мкм
 
На участке II cos  f d f , U s  2...3%,   o ;
На участке III cos  f d f , U s  20%;   o
На участке I cos  f d f ,   o ;
100
cos   жв1  тв  жт 
Температура плавления
Tпл  Tпл e

4
 2 R
- При уменьшении
диаметра наночастиц
олова до 8 нм их
температура плавления
снижается на 100оС (от
230оС до 130оС).
- Самое большое
снижение температуры
плавления (более чем на
500оС ) обнаружено у
наночастиц золота.
Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия от их радиуса
Взято из Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72:1098-1100).
Прочность поликристаллического материала
k
  o  2
d
Смачиваемость поверхности
Уравнение Венцеля – Дерягина
cosш   k ш coso 
cosш   kш coso 
kш  1
Размерный эффект
n N
lim

N

N
0
N
~1000
0

слабые эффекты, или размерные
эффекты I рода (более 10 нм),
когда при увеличении удельной
поверхности (или уменьшении
размера частиц) физикохимические свойства вещества
изменяются не сильно, а все
наблюдаемые изменения можно
объяснить влиянием
поверхностных эффектов на
общие свойства кристалла.
сильные эффекты, или
размерные эффекты II рода
(менее 10 нм), когда наблюдаются
кардинальные изменения свойств
вещества, которые невозможно
интерпретировать в рамках
обычных поверхностных явлений.
Мифы нанотехнологии



Безотходность технологии
Наномашины и нанороботы
«Серой слизи»
Проект материала
Наноструктурированный
материала
Наноробот
Заблуждения нанотехнологии

Нанотехнология или нанотехнологии?

Применение нанотехнологии позволит
получить лёгкие и прочные
строительные материалы
Заблуждение №1

Технология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение
и ...логия), совокупность методов обработки, изготовления,
изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или
полуфабриката, осуществляемых в процессе производства
продукции; научная дисциплина, изучающая физические,
химические, механические и другие закономерности,
действующие в технологических процессах.

Приставка «нано» – первая составная часть наименований
единиц физических величин, служащая для образования
наименований дольных единиц, равных миллиардной доле
исходных единиц.

Нанотехнология – это совокупность методов получения
продукции (изделий) посредством организации вещества на
атомно-молекулярном уровне.
Заблуждение №2
Прочность изотропного
материала
(уравнение Ребиндера)
R  gf c N
2/
3
g – константа
fc – прочность единичного
контакта
Максимальная длина
углеродных трубок ‒
18,5 см
(http://elementy.ru/news/431148 )
Строение древесины
Модель материала из углеродных нанотрубок
Задачи нанотехнологии



Технико-экономическое обоснование
внедрения нанотехнологии в
строительство
Токсикологическое влияние нанообъектов
на здоровье человека
Определить рациональную траекторию
наноструктурирования строительных
материалов
Задача №1

Критерий экономической эффективности
kek 
qi  qp ti tp   qek ti
ti
qi qp
   qe  min
ti tp
qi – расход ресурса на изготовление изделия; ti – продолжительность эксплуатации
qp – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянии
tp – продолжительность межремонтного периода
qe – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия
Соотношение Vк, б/Vк, н
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
β = Ск, б/Ск, н =1,5
ρб/ρн=0,9
1,11
1,48
1,85
2,22
2,59
2,96
ρб/ρн=1,0
1,00
1,33
1,67
2,00
2,33
2,67
ρб/ρн=1,1
0,91
1,21
1,52
1,82
2,12
2,42
β = 2,0
ρб/ρн=0,9
0,83
1,11
1,39
1,67
1,94
2,22
ρб/ρн=1,0
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
ρб/ρн=1,1
0,68
0,91
1,14
1,36
1,59
1,82
Задача №2

Наночастицы, на введении которых основаны разрабатываемые
технологии как российских, так и зарубежных строительных
материалов, могут попадать в организм человека через органы
дыхания, желудочно-кишечный тракт или другими путями. Причём
негативные эффекты от введения нанотрубок превосходили
результаты воздействия асбеста и кристаллического кремнезёма.
Такие же проблемы выявлены при использовании наночастиц
титана и серебра.
Ключевые подзадачи:
1) Подобрать способы и режимы обработки, обеспечивающие однородное
распределение наночастиц по объему среды-носителя и строительного материала
2) Подобрать вспомогательные вещества, обеспечивающие агрегативную
стабильность коллоидных систем и удаляющиеся для реализации потенциала
наночастиц
Проблемы однородного распределения нанообъектов
 d o   k  1  1   
Fp  4  E  d o 
2
 2   2  2   
2
4
2
k − волновое число; Е − средняя по времени плотность
энергии акустического поля;ρ − плотность среды; ρf −
плотность вещества модификатора;
Сила Бьеркнеса
4
2
 do  
FB  4  2 cos
 2 h
u − колебательная скорость; φ − сдвиг фаз пульсации
частиц; h − расстояние между частицами
Сила Бернулли
6
3  do   2
FBe    2
2  2 h
Дисперсный состав астраленов после УЗО
t, мин
30
24
22
20
18
15
Содержание, %
16
14
12
10
8
6
4
2
3
0
6,54
0
3,89
2,31
1,38
0,82
0,49
0,29
0,17
0,10
0,06 0,04 0,02
Диаметр частиц, мкм
состав: астралены – 0,005%, сульфанол – 0,01%
Задача №3

Введение в материал синтезированных
нанообъектов

Синтез нанообъектов в материале в
процессе его изготовления
Примеры реализации первой стратегии
(углеродные наноструктуры)

Наноструктурированный легкий бетон:
- плотность – 1200-1600 кг/куб.м;
- прочность на сжатие – 30-60 МПа;
- прочность на изгиб – 4-8 МПа;
- теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К);
- водопоглощение – не более 0,4 %;
- водонепроницаемость – W20;
- огнестойкость – более 780 оС;
- морозостойкость – F300-F350


Композиционные материалы – модифицирующая добавка УНТ
повышает прочность (в 1,5-3 раза), электропроводность,
теплопроводность, изменяет структуру композитов на основе
полиэтилена, полипропилена, фторопластов, полиуретана и др.
Строительные материалы и дорожные покрытия – применение
сверхмалых добавок (0,001-0,0001%) в бетоны повышает в 1,2-2 раза
их прочность, температуроустойчивость, снижает
трещинообразование.
Источник: Статья «Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных ребристых
перекрытиях с постнапряжением» авторов: Е.В. Кишеневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов (Журнал
Инженерно-строительный журнал, №2, 2009.
Влияние УНД на прочность бетона
Источник: А.Н. Слижевский, Самуйлов Ю.Д., Батяновский Э.И. О Влиянии углеродных
наноматериалов на свойства цемента и цементного камня
Примеры реализации второй стратегии



Наноструктурные композиты на основе
взаимопроникающих полимерных сеток
Нанокомпозиты на основе гибридной
органосиликатной матрицы
Полимерные нанокомпозиты с очень
низкой проницаемостью и высоким
сопротивлением агрессивным средам
Наномодифицированный высокопрочный
легкий бетон
Свойства:
Увеличение 100х
Кварцевый
песок
Микросферы



Увеличение 200х
Микросферы
Кварцевый песок


Средняя плотность –
1300…1500 кг/м3
Прочность при сжатии –
40…65 МПа
Удельная прочность – 35…55
МПа
Коэффициент
теплопроводности – не более
0,6 Вт/(мК)
Удельная теплоемкость –
0,8…1,15 кДж/(кг∙К)
Наномодификатор для пенобетонов
Модель наномодификатора
Размер нанообъектов
модификатора – 6,5…7,5 нм
Характеристика пен
Пенообразователь
Пеностром
Ареком
Значение 
Контрольный
1,2
1,3
1,4
1,5
Контрольный
1,2
1,25
1,5
Характеристики пен
Пенообразующая
Устойчивость, %
способность, %
460
78,49
460
87,83
460
100,00
460
100,00
460
96,81
460
80,23
460
84,88
460
100,00
460
97,83
Структура пенобетона
Единственным пределом наших
завтрашних свершений станут
наши сегодняшние сомнения.
Франклин Рузвельт