CC BY
112УДК 691:539.2
В.Р. ФАЛИКМАН, Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева ОАО «НИЦ «Строительство» (Москва)
Наноматериалы и нанотехнологии в производстве строительных материалов
Промышленность строительных материалов и строительство, несмотря на их определенно консервативный характер, вынуждены все чаще сталкиваться с на-нотехнологиями, которые называют «индустриальной революцией XXI века». Новые закономерности, новые методы испытаний и исследований становятся определяющими для создания высокотехнологичных продуктов и процессов, отличающихся гарантированными показателями надежности, развивают новые принципы получения современных «суперматериалов» — нанома-териалов [1, 2].
Присутствие в строительном сегменте наноматериа-лов и нанотехнологий становится все более заметным. Сегодня в совокупном мировом рынке нанопродукции и по объемам, и в денежном выражении строительство потребляет до 3% общего рынка наноматериалов, а в отдельных сегментах, например нанокомпозитах, до 11%, что с учетом добавленной стоимости в изделиях, конструкциях, зданиях и сооружениях приводит к возможному объему продаж нанотоваров и наноуслуг на уровне примерно в 95—100 млрд дол. США. По прогнозу, основанному на данных аналитических агентств [3, 4], к 2015 г. объем этого рынка может возрасти до 400 млрд дол. США.
Строительная отрасль по своей природе заметно отличается от иных областей человеческой деятельности. Она по большей части пытается использовать разработки и изобретения, созданные в других отраслях науки и промышленности, а не создавать их «внутри себя». Частично это обусловлено специфическими характеристиками ее продукта — зданий и сооружений — поскольку, помимо очень высокой комплексности, он, этот продукт, рассчитан на весьма продолжительный жизненный цикл в отличие, например, от микроэлектрони-
ки, информационных технологий или даже автомобильной промышленности, где обновление происходит значительно быстрее. Исторически строительство отличает и очень низкий уровень инвестиций в научно-исследовательские работы (не более 0,2—0,4% объема продаж при среднем уровне 3,5—4,5% для экономики в целом), что не только затрудняет создание новых технических решений, но и адаптацию уже существующих. И наконец, очень высокий уровень начальных инвестиций, несомненно, сдерживает развитие наноматериалов и нанотехнологий в строительстве, если принять во внимание, что в этом секторе представлен в основном мелкий и средний бизнес. Так, например, только 4% строительного рынка «интернациональны», и работа большинства его участников носит весьма локальный характер.
Все это предопределяет желание максимально сократить инновационный цикл и немедленно получить конкретный результат — новый материал, новую технологию, новое решение, связанное с обеспечением безопасности и охраной окружающей среды.
Для создания системы государственного статистического наблюдения за производством и реализацией продукции наноиндустрии Правительство РФ в 2011 г. своим Распоряжением от 07.07.2011 № 1192-р «Об утверждении категорий продукции наноиндустрии в части товаров и услуг» определило критерии нанотоваров и наноуслуг.
Первичным нанопродуктом являются собственно наноматериалы, которые составляют ядро нанорынка. Они используются в производстве товаров конечного потребления, которые, в свою очередь, являются вторичными нанопродуктами.
Рис. 1. Цепочка создания стоимости для нанотехнологий в строительстве
Г; научно-технический и производственный журнал
Рис. 2. Рынок нанотехнологичных строительных материалов, млрд дол. США, 2011-2015 (прогноз)
Таким образом, применительно к строительству цепочка создания стоимости нанотехнологичной продукции выглядит следующим образом (рис. 1).
Величина рынка нанокомпонентов в строительстве сравнительно невелика и оценивается в 270 млн дол. США, а его прогнозируемый годовой прирост 15% подразумевает объем мирового рынка ~1 млрд дол. США к 2020 г.
Напротив, мировой рынок нанотехнологических строительных материалов весьма значителен и демонстрирует быстрый рост. Его объем составляет примерно 12 млрд дол. США. В этом сегменте ожидается наиболее высокий рост среди всех сегментов применения нано-материалов и нанотехнологий в строительной отрасли. По прогнозам, объем продаж к концу 2015 г. здесь достигнет примерно 80 млрд дол. США (рис. 2).
Детальный анализ и долгосрочный прогноз развития исследований и применения наноматериалов и нано-технологий в производстве строительных материалов показывает, что на сегодня заметно выделяются несколько сегментов рыночной активности (табл. 1).
На первые пять сегментов приходится более 90% от всей нанотехнологической продукции, причем на цемент и бетон приходится более 40% (величина рынка 5,6 млрд дол. США) при прогнозируемом годовом росте в 2012-2015 г. более 10% [5].
Все указанные сегменты в мировом рынке продаж крайне неоднородны. Так, на рынке красок и покрытий представлено множество игроков, два из которых — Akzo Nobel и PPG — занимают почти четверть рынка. Из других крупных производителей достаточно упомянуть Sherwin Williams, Dupont и BASF (от 7 до 4%). Почти все основные производители красок и покрытий развивают производство нанотехнологической продукции, закупая на стороне нанокомпоненты, и не занимаются дистрибуцией. Исключение составляет Sherwin-Williams, так как компания владеет также сетью DIY.
Мировой рынок производства цемента заметно фраг-ментирован, лидирующие пять компаний контролируют ~17% рынка. Рынок имеет выраженную региональную структуру из-за высоких расходов на транспортировку. Большинство производителей цемента используют обратно интегрированную операционную модель (до сырья).
Сегодня на этом рынке имеются несколько применений наноматериалов и нанотехнологий. Диоксид титана (TiO2) используют при выпуске фотокаталитических цементов (TX Active производства Italcementi, TioCem производства HeidelbergCement и др.) для «самоочищающегося» бетона и контроля окружающей среды [6]. Механохимическая обработка позволяет произ-
Таблица 1
Сегмент Величина рынка, млрд дол. США Прогнозируемый рост в 2012-2015 гг., %
Краски и покрытия 6 50
Цемент и бетон 5,6 10
Стекло 0,7 15
Битум и полимеры 0,5 10
Изоляция 0,3 50
Дерево 0,3 12
Керамика 0,2 15
Сталь, арматура 0,2 10
«Умные» материалы 0,05 40
водить цемент заданных характеристик с меньшим количеством клинкера (до 30%). Интенсивно ведутся исследования по низкотемпературному синтезу различных клинкеров и геополимерам.
Производство бетона в мире еще более фрагменти-ровано. В ЕС, например, насчитывается более 8000 производителей товарного бетона, в США — более 5000. Производители бетона редко сами производят нанотех-нологическую продукцию (менее 1%), однако отдельные применения уже вполне реальны. Нанокремнезем (SiO2) используется как добавка для высокопрочного и самоуплотняющегося бетона, улучшая его удобоукла-дываемость и прочность и увеличивая жизненный цикл конструкции в 1,5—2 раза. Гиперпластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов повсеместно применяются для интенсификации строительства и повышения долговечности. Подробный обзор роли наномате-риалов и нанотехнологий в производстве бетона был опубликован ранее [7].
Мировой рынок стекла, напротив, имеет очень высокую концентрацию. Большая его часть (около 70%) делится между четырьмя игроками с глобальным присутствием — AGC/Glaverbel, Saint-Gobain, Guardian и Pilkington/NSG Group. Мировые лидеры являются и лидерами продуктовых инноваций в индустрии. Modus operandi производителей заключается в закупках нано-компонентов и/или нанопокрытий и продаже конечной продукции, в которой используются эти наноматериалы.
Производители стекла предлагают широкий набор продуктов с нанотехнологическими свойствами. Наиболее популярные применения сегодня — термическая изоляция и экономия тепла, регулирование свето-пропускания, контроль электромагнитного излучения, обеспечение ударопрочности, огнеупорности и защиты от пожара, облегчение очистки и уменьшение загрязнений (с применением TiO2). Из различных инновационных технологий стекла наиболее популярна технология низкоэмиссионного стекла — Low — E glass — технология. В Германии, Великобритании и Южной Корее применение такого стекла стало обязательным стандартом, а во многих других странах оно стало стандартом для новостроек. Прогнозируется, что к 2020 г. нанотехнологии будут использоваться при производстве 15% строительного стекла, а общий размер рынка нанотехнологической продукции достигнет 4,5 млрд дол. США при сегодняшнем уровне 0,7 млрд дол. США.
Нанокомпозиты занимают примерно 11% общего рынка нанопродукции. Их производство (а это — от 50 до 100 компаний различной величины) в достаточной степени дифференцировано: в него вовлечены производи-
Таблица 2
Сегменты Основные используемые наноматериалы и нанотехнологии Результат
• SiO2 • Повышение долговечности
• А12О3 • Самоочищение
Краски • Углеродные нанотрубки • Антимикробные свойства
и покрытия • ТЮ2 • «Антиграфити»
• Ад • Поверхностная прочность
• Молекулярная сшивка • Улучшение реологии
• Поликарбоксилатные суперпластификаторы • Повышение удобоукладываемости
• SiO2 • Повышение прочности
• ТЮ2 • Экономия энергии и снижение уровня выбросов
Цемент • А12О3 • Охрана окружающей среды
и бетон • СаСО3 • Повышение долговечности
• Наноглины • Самоочищение
• Углеродные нанотрубки
• Механохимическая активация
• Аэрогели • Энергоэффективность
Изоляция • Охрана окружающей среды
• Фосфаты • Защита от огня
• ТЮ2 • Самоочищение
• SiO2 • Повышение сроков службы
Стекло • А12О3 • Термоизоляция
• LaB6 • Уменьшение количества царапин
• SnOx • Регулирование светопропускания
• SiO2 • Повышение долговечности
• • Улучшение механических характеристик
Битумы и • Fe2Oз • Повышение огнестойкости
полимеры • Металлорганические комплексы
• Наноглины
• ТЮ2
тели синтетических смол, самыми крупными из которых являются BASF и GE Plastic; производители наполнителей (Nanocor, Southern Clay Products); компаундеры (Foster Corp., RTP) и, наконец, производители конечных продуктов, представленные как очень мелкими, так и очень крупными фирмами. Совокупный общий рынок нанокомпозитов в 2007 г. составлял 252 млн дол. США в денежном выражении и 23,2 тыс. т — в натуральных показателях. 70% общего объема продаж приходилось на четыре компании — Ube, Unitika, Bayer и Dow Chemical. Вместе с тем это очень быстро растущий рынок (CAGR в 2008—2014 гг. составляет 24—28%). Лидером роста будут композиты с высокими противопожарными (огнеупорными) свойствами: CAGR — более 42%.
Строительный сегмент потребляет в настоящее время более четверти общего рынка нанокомпозитов. Основной нанопродукт — особо прочные напольные покрытия на основе полиуретанов и нанооксида алюминия, объем производства которых к 2014 г. достигнет 11 тыс. т (43 млн дол. США) - CAGR 10%. Главные их производители — Rittsburgh, Paint & Glass, Vaispar.
В 2007 г. 35% совокупного потребления нанокомпозитов в стоимостном выражении приходилось на композиты, модифицированные наноглинами. Прогнозируется, что к 2014 г. эти нанокомпозиты увеличат рыночную долю до 44%. В то же время композиты на углеродных нанотрубках будут терять свою рыночную долю с 22% примерно до 7,5%.
Рынок термоизоляции сегментирован по используемому материалу. Основными сегментами рынка являются газонаполненные пластмассы (основные игроки BASF, Bayer, CRH, Dow Chemical, Huntsman, Johns Manville, Knauf, Owens Corning, Saint-Gobain), стекловата (основные игроки Johns Manville, Knauf, Owens Corning, Saint-Gobain, Uralita), минеральная вата (основные игроки Rockwool, Beijing New Building Materials, CSR, Johns Manville, Knauf, Saint-Gobain). Нанопродукты являются на данный момент нишевыми из-за неконку-
рентной себестоимости, и основные игроки не участвуют в данном сегменте. Наиболее перспективной технологией здесь считаются аэрогели (основные игроки Aspen Aerogels, Cabot), хотя нельзя не отметить увеличение объемов применения наноструктурированных флуоресцирующих полиуретановых композиций в комбинации с упрочняющим верхним слоем на основе оксида железа (BASF), различных нанопен и наностекол.
Несмотря на высокие начальные инвестиции в производство, необходимость сбережения энергии может вызвать существенное увеличение объемов применения новых материалов с учетом значительного снижения расходов при анализе полного жизненного цикла здания. Заинтересованность в сохранении окружающей среды также является важным драйвером для проникновения инновационных изоляционных материалов. Так, аэрогели, а также ряд полимерных нанопен в 2—8 раз более эффективны, чем традиционные термоизоляционные материалы. Поэтому можно полагать, что к 2020 г. до 15% термоизоляционных материалов в строительстве в той или иной степени будет базироваться на применении нанотехнологий.
Сегодня государство намерено в среднесрочной перспективе инвестировать в развитие нанотехнологий около 10 млрд дол. США, из которых более половины приходится на долю корпорации «Роснано». Однако пока не удается выстроить целостный экономический механизм, связывающий науку, промышленность и образование. Попытки создания отдельных элементов инновационной системы (государственных фондов поддержки научных исследований и инноваций, технопарков, венчурных фондов, особых экономических зон и т. п.) вне связи с основными участниками инновационной деятельности и вне реально работающей рыночной экономики большого результата пока не принесли.
В нанотехнологическом кластере «Материалы», к которому относится и сегмент «Строительные материалы», в России сегодня занято 45 производящих компа-
Окна и проемы
Самоочищающиеся Противопожарная
покрытия для крыш теплоизоляция крыш
Самоочищающиеся поверхности
Высокоэффективные утеплители для стен
Керамические пленки для стеновых покрытий
Незагрязняющиеся и биоцидные покрытия для стен и мебели
Оптимизированные бетонные конструкции
Рис. 3. Нанотехнологии в строительстве и архитектуре (адаптировано из [9])
Солнечные батареи для снабжения энергией
Неотражающее стекло для солнечных батарей
«Умные» окна для контроля за освещенностью и температурой дома
Незагрязняемые
напольные покрытия
Негорючие окна, двери и проводка
ний, созданных при участии или под патронатом ОАО «Роснано», задействовано 36 научно-исследовательских институтов и центров, образовательные стандарты поддерживают 12 вузов.
В настоящее время «Роснано» реализует несколько крупных проектов в строительной сфере [8]. На стадии промышленного производства — нетканые материалы из негорючего ПЭТ-волокна, модифицированного по технологии крейзинга; наноструктурированный гид-роксид магния (антипирен); наноматериалы на основе крупнотоннажных полимеров и слоистых алюмосили-катных наполнителей; композиционный материал «Унирем» на основе резинового порошка в качестве модификатора асфальтобетонных смесей и битумов для дорожных покрытий; высококачественные препреги из углеродных и минеральных волокон на основе наномо-дифицированных и нанонаполненных полиамидных и эпоксидных связующих; композитная неметаллическая арматура; наноструктурированные мембраны и разделительные модули для очистки воды в социальной сфере и промышленности; солнечные модули на базе технологии «тонких пленок» ОегИкоп.
Кроме того, в активной проработке на уровне «старт-апов» и трансфера технологий еще несколько интересных проектов: современные технологии обработки поверхностей конструкций методами газотермического напыления и наплавки покрытий из наноструктуриро-ванных материалов; пеностекло; высокофункциональные стекла — фотохромные, энергосберегающие, антибактериальные и др.; полимерные композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающие повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью; фотокаталитические отделочные материалы (цементные краски, штукатурки); изделия из базальта и, несомненно, широкая гамма модифицированных бетонов с уникальными свойствами.
На форуме RUSNANOTECH был представлен проект «Нанодом», проиллюстрировавший те нанотехноло-гические решения, которые можно использовать в современном строительстве. Среди них уже упомянутые высокотехнологичные негорючие материалы; низкоэмиссионные стекла, которые обладают способностью удерживать тепло; солнечные и геотермальные источники энергии; светодиодные системы освещения; фотокаталитические системы очистки воздуха, разлагающие любую органику до воды и углекислого газа; интеллектуальные системы, управляющие энергопотреблением, освещением и другими процессами, происходящими в доме. Современные краски и материалы, обладающие бактерицидными свойствами, будут незаменимы при строительстве детских и медицинских учреждений.
В России развитием наноиндустрии занимается госкомпания «Роснано», которая инвестирует отобранные проекты с потенциалом коммерциализации, как правило, на правах миноритарного партнера. Целевая задача «Роснано» — в 2015 г. вывести отрасль наноиндустрии в стране на объем не менее 900 млрд р., что сопоставимо с общей выручкой крупнейших сырьевых компаний. Такой объем позволит России увеличить свою долю на мировом рынке наноиндустрии с 0,07% до 3%.
Расширяя свою активность в строительном секторе, ОАО «Роснано» провело конкурс на выполнение отраслевого технологического исследования «Развитие рынка строительной нанотехнологической продукции в России до 2020 г.». Этот проект был реализован в 2012 г. консалтинговой компанией Booz & Company (США) и Российской инженерной академией [10]. По результатам этого исследования у проектных и строительных компаний должна появиться хорошая основа для обоснованного выбора наиболее эффективной строительной нанопродукции, отвечающей современным требованиям по энергоэффективности; безопас-
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 80 сентябрь 2013 ~ Л1] ®
ности; экологичности; долговечности; экономической эффективности.
В ходе работы, в которой были задействованы ведущие эксперты, специалисты научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических организаций отрасли, предприятия, выпускающие и поставляющие на рынок нанотехнологическую продукцию, вузы, ведущие подготовку специалистов, профильные общественные союзы и ассоциации, был выполнен обзорный анализ существующих аналогичных аналитических исследований в разных странах, определены общие тенденции строительного рынка в области строительных материалов и их применения, обозначены основные игроки на мировом рынке и основные нанотехнологиче-ские центры в области строительства, проанализированы важнейшие направления новых разработок.
Основная часть работы — анализ и прогноз возможного развития рынка Российской Федерации для выбранных сегментов в качественных и количественных показателях, новых материалов и технологий, перспективных для внедрения в РФ, с описанием направлений их применения (временные горизонты прогноза — 2015, 2020 и 2025 гг.). Одновременно выполнен SWOT-анализ эффективности применения инновационных материалов по выбранным сегментам по техническим и экономическим показателям (в сопоставлении с традиционно используемыми).
Крайне важным с точки зрения разработчиков было выявление существующих в России экономических, законодательных и иных барьеров по продвижению инновационных материалов на рынке, а также драйверов и стимулирующих факторов рынка инновационных материалов. Наконец, результатом работы стали «дорожные карты» применения наноматериалов и нанотехнологий по шести сегментам (цемент и бетон; древесина и деревообработка; композиты; краски и покрытия; стекло; термоизоляция) и по строительным материалам в целом; план действий для усиления «дорожных карт»; рекомендации по 14 перспективным проектам, а также общие подходы к преодолению барьеров и созданию благоприятной среды для развития наноматериалов и нанотехнологий в строительстве.
Развитие наноиндустрии в строительном секторе экономики России должно стать мощным инструментом интеграции ее задержавшегося в развитии технологического комплекса в международный рынок высоких технологий, надежным обеспечением конкурентоспособности отечественной наукоемкой продукции, что позволит России восстановить и поддерживать паритет с ведущими государствами в ряде ключевых областей науки и техники, ресурсо- и энергосбережении, в создании экологически адаптированных производств, в повышении качества и уровня жизни населения, а также в обеспечении необходимого уровня безопасности государства.
Ключевые слова: наноматериалы, нанотехнологии, наночастицы, устойчивое развитие.
Список литературы
1. Zhu W, Bartos P.J.M., Porro A. Application of nano-technology in construction. Summary of a state-of-the-art report. // Materials and Structures Volume 37, Number 9. Pp. 649-658.
2. Фаликман В.Р. Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве // Нанотехноло-гии в строительстве [интернет-журнал]. 2009. № 1. С. 24-34. (http://nanobuild.ru/magazine/journal/ archive/98-nanobuild-1-2009.html)
3. Breadley J. The Recession's Ripple Effect on Nanotech, State of the Market Report, Lux Research Inc., June. 2009.
4. Nanotechnology in Construction to 2011. Industry Study: Freedonia. 2007. 174 pp.
5. Фаликман В.Р. Наноматериалы и нанотехнологии в современных бетонах // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 31—34.
6. Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Фотокаталитически активные строительные материалы с наночастицами диоксида титана — новая концепция улучшения экологии мегаполисов / Вопросы применения нанотехнологий в строительстве: Сб. докл. участников круглого стола. М.: МГСУ, 2009. С. 35-49.
7. Фаликман В.Р., Соболев К.Г. Простор за пределом, или Как нанотехнологии могут изменить мир бетона // Нанотехнологии в строительстве [интернет-журнал]. 2010. № 6. С. 17-31. 2011. № 1: С. 21-33. (http: / / nanobuild.ru/magazine/journal/archive /138-nanobuild-6-2010.html).
8. Falikman V.R., Petushkov A.V. Development of Russian Market of Nanotechnology Construction Products till 2020 // Nanotechnology in Construction: 4th International Symposium. Agios Nicolaos, Crete, Greece. May 20-22, 2012, 120 p., CD, p. 112.
9. Hessian Ministry of Economics, Transport, Urban and Regional Development. Einsatz von Nanotechnologien in Architektur und Bauwesen. 2007. source: Schrag GmbH VDI TZ.
10. Гусев Б.В., Фаликман В.Р., Лайстнер Ш, Йошпа Б., Петушков А.В. Отраслевое технологическое исследование «Развитие российского рынка нанотехнологиче-ских продуктов в строительной отрасли до 2020 года». Часть 1. Постановка задачи и подход к реализации проекта. // Нанотехнологии в строительстве [интернет-журнал]. 2013. № 1. C. 6-17 (http://nanobuild.ru/ magazine/journal/archive/216-nanobuild- 1-2013.html).
В.И, Корнеев. П.Б. Зозуля
CY1E СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ СОСТАВ, СВОЙСТВА
М МИФ . СТРПС \'£~FPHÍ.rhl ■ 3010. jale
(ЬпатыдвяшсядацтыхгфвдствивмА с судк строишь hh л (»№■ НрЭГООЩХ
Пднышшы МныЭ iHifHp.&iied н км^нШн^^^ сгснлснешн. ЛммкшрлтЕЫ сктимря миццрщ .нппгштегш нелнцяпт, фродюнашк драят Iknawm мтом^а промчит» истеке,
Отив-ь швам групы CEC, н посев я Мисти Вгрнплиенннд! hh ОСЧСйНзК Г"|Г l?M:flM:l: ТЧрДЛ-Ы U OTpWIHIMF НЯЛСОПМ JTmp=fi
."ЯЕыиеедешии flwípEHHn перечьрскнА:**иMP>GE*H ШУ-утн л д г.
Дстдано гебиншодткям йъвдкати в ^eltk цчйнл-п п&аонд t-ifl CTVJjemoB высиьк >-4сбны^ МБВДС™ oöj'i&oiiprw пв СЛНриьнЮн »Кттбшя тнтШНШн птОШвпИ Нмйгырнчкнх
ИСНГМРЛГНгЮ МОТСрШШЯ*
Спнпьсгь щног* эк-звыплярв 9OD р óL3 учё-1 a дйшеин
Па rdnpDLBM прий-&р4±тн±ння ЦИНГИ DÜpBILläTfaCn
П9 телефаксу: [499] 976-22 0Í, 97G 20 Э6 E-mail: mail¿rlfsjn.ru
