CC BY
21
УДК 691
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ:
КРАТКИЙ ОБЗОР
Б.В. Гусев
NANOTECHNOLOGY IN BUILDING MATERIALS SCIENCE:
A BRIEF OVERVIEW
B.V. Gusev
Аннотация. Данная статья является кратким обзором цикла публикаций по нанотехнологии в строительном материаловедении (Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009. 416 с.; Гусев Б.В., Фаликман В.Р., Лайстнер Ш. и др. Развитие российского рынка нанотехнологических продуктов в строительной отрасли до 2020 года // Нанотехнологии в строительстве, 2013. Т. 5, № 1, С. 617; № 2, С 6-20; № 3, С 6-19; Гусев Б.В. Бетоны с наполнителями различной дисперсности и их наномодификация // Нанотехнологии в строительстве. 2019. Т. 11, № 4. С. 384-393). В статье излагается современное состояние исследований нанокристаллических материалов. Обобщены экспериментальные результаты по влиянию нанокристаллического состояния на микроструктуру и механические, теплофизические, оптические, магнитные свойства металлов, сплавов и твердофазных соединений.
Ключевые слова: инновационный цикл; кавитационное измельчение; минеральные наполнители; наноиндустрия; наноматериалы; наноструктурирование; нанотехнологии; прочность; строительная отрасль.
Abstract. This article is a brief overview of a series of publications on nanotechnology in building materials science (Gusev A.I. Nanomaterials, nanostructures, nanotechnology. Moscow, FIZMATLIT, 2009. 416 p.; Gusev B.V., Falikman V.R., Laistner Sh. and others . Development of the Russian market of nanotechnological products in the construction industry until 2020. Nanotechnologies in construction, 2013. Vol. 5, No. 1, pp. 6-17; No. 2, pp. 6-20; No. 3, pp. 6-19; Gusev B.V. Concretes with fillers of various dispersion and their nanomodifcation. Nanotechnologies in construction. 2019. vol. 11, No. 4. pp. 384-393). The article describes the current state of research on nanocrystalline materials. Experimental results on the effect of the nanocrystalline state on the microstructure and mechanical, thermophysical, optical, and magnetic properties of metals, alloys, and solid-phase compounds are summarized.
Keywords: innovative cycle; cavitation grinding; mineral fillers; nanoindustry; nanomaterials; nanostructured; nanotechnology; strength; construction industry.
Одним из важнейших направлений развития технического прогресса на современном этапе является нанонаука и нанотехнологии. Действительно, все минеральные и органические материалы состоят из атомов и наночастиц с размерами 10-9 м или одна тысячная микрона (мк), связанных между собой хаотически. Если расположить атомы в строгом порядке, то взаимодействие будет определяться не только электрическими, электромагнитными, но и квантовыми взаимодействиями, и характеристики таких материалов могут быть повышены в десятки и сотни раз.
Количественные характеристики химической связи в материалах можно представить в виде таблицы 1. При наличии наночастиц в систему связи (прочности материалов) будут включены Вандер-ваальсовы силы, которые значительно повысят прочность материалов.
Таблица 1 - Энергии связи и свойства веществ
Вид связи Энергия связи, кДж/моль Свойства
Ковалентная 400 Высокие твердость, прочность
Ионная 250 Хрупкость
Металлическая 150 Высокая пластичность
Водородная 60 Низкие твердость, прочность
Вандер-в аальсов а 40
На рис. 1 и в табл. 2 представлены области применения нанотехнологий в различных областях деятельности. При этом половина области использования составят материалы. Среди них:
- высокотехнологичные конструкционные материалы - наноструктурная модификация стали/металлов, керамики/стекла, полимеров, цемента/бетона, композитов через управление производственным процессом или использование наночастиц, нанотрубок и нанодобавок.
- понимание явлений в наношкале - наноструктуре и их проявления в отношении макро-свойств (например, в гидратации, усадке, старении и т.д.) с использованием новых методов.
- функциональные тонкие пленки/покрытия, многократно повышающие качества материалов, например, их оптические, тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищемость, препятствующие надписи на стенах и т.д.
- новые многофункциональные материалы и компоненты - изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы.
Таблица 2 - Широкое применения нанотехнологий по различным направлениям
Информационные технологии
- полупроводниковые устройства - запоминающиеся устройства - устройства с очень малым энергопотреблением - «карманные» суперЭВМ - повышение характеристик ЭВМ на три порядка
Медицина, биология
- биодатчики - «адресная доставка» лекарств - диагностика раковых забеливаний - новые методы введения лекарств
Экология, энергетика
- использование солнечной энергии - топливные элементы - борьба с «парниковым эффектом» - создание общества «гармони с природой»
Новые термостойкие и прочные материалы
- экологически чистые материалы - строительные материалы - долговечные поверхностные покрытия
С начала 2000-х годов активно начаты работы по проблеме и особенностях наноструктурированных строительных материалов. В этом случае наноструктуры охватывают не весь объем материалов, а как бы образуют наноструктурные слои в общем объеме материала. Поэтому можно ожидать получение дополнительных структурных связей и повышение прочности материалов и улучшение других свойств в 2-2,5 раз [1, 2, 3, 4], а также рис. 2.
По степени дисперсности предложено классифицировать мелкозернистые материалы в зависимости от среднего размера зерен в нм следующим образом.
- тонкодисперсные материалы - 104-103нм (10-1 мкм);
- ультрадисперсные материалы - 103-102нм (1-10-1 мкм);
- наноматериалы - менее 102нм (<10-1 мкм).
окна и проемы
самоочищающиеся покрытия для крыш
противопожарная теплоизоляция крыш
самоочищающиеся •г.< :: .--V«. ^
поверхности
высокоэффективные утеплители для стен
керамические пленки для стеновых покрытий
незагрязняющиеся и биоцидные покрытия для стен и мебели
домашние топливные элементы
оптимизированные бетонные конструкции
Рисунок 2 - Примеры использования наноматериалов в строительстве
солнечные батареи для снабжения энергией
неотражающее стекло для солнечных батарей
"умные" окна I для контроля за I освещенностью и температурой | дома
не загрязняемые
напольные
покрытия
негорючие | двери, окна и проводка
<
О)
3
7Г
3
О!
с л-
Химические и физические технологии, безусловно, являются основными при получении нанодисперсных частиц (процессы растворения и поликонденсации, криогенные технологии, плазменный способ и многие другие) [5-15].
С точки зрения производительности и себестоимости процесса производства многотоннажных материалов особое место занимают методы механического и механохимического измельчения, которые в промышленных масштабах позволяют получать тонкодисперсные частицы. В научно-исследовательском институте бетона и железобетона (НИИЖБ) Госстроя СССР под руководством автора уже с 2000-х годов изучали особенности применения режимов активации с использованием вибрационно-импульсных режимов. В качестве оборудования использовали роторно-пульсационный аппарат (РПА), широко применяемый в различных отраслях народного хозяйства для получения эмульсий и суспензий. В рабочую камеру насоса, состоящую из неподвижной части (статора) и подвижной (ротора), под давлением подаются различные эмульсии, в том числе цементные. При вращении ротора в рабочей камере возникают высокочастотные акустические колебания в сопровождении кавитационных и гидродинамических явлений, при действии которых происходят измельчение частиц материала эмульсий и суспензий [14, 15, 16, 17].
Работы по активации цементных суспензий были продолжены для других кавитаторов (роторно-пульсационные аппараты, гидродинамические излучатели), которые обеспечивают существенное повышение прочности тяжелого бетона. На рис. 3 показаны схемы оборудования и импульсных режимов.
Рисунок 3 - Волновые процессы активации
Одной из перспективных технологий получения эмульсий и дисперсий является кавитационная технология измельчения. Кавитация - физическое явление последовательного образования, роста и коллапса микроскопических пузырьков в жидкости. Схлопывание пузырька создает высокие локализированные температуры и давления. Эффект кавитации можно достичь с помощью акустической и гидродинамической кавитации.
Принцип работы пассивного гидродинамического диспергатора представлен на рис. 4.
2
Рисунок 4 - Схема гидродинамической кавитационной установки: 1 - рабочая емкость для приема раствора; 2 - электрический двигатель мощностью 3 кВт;
3 - многоступенчатый многорядный насос; 4 - пассивный гидродинамический диспергатор; 5 - соединительные элементы
Акустическая кавитация индуцируется при прохождении через жидкость ультразвуковых волн высокой частоты (16кГц-100 МГц). При прохождении ультразвука через жидкость образуются зоны повышенного и пониженного давления, что приводит к разрыву сплошности жидкости и образованию кавитации. Условия возникновения кавитации зависят от интенсивности и частоты ультразвука, физических свойств жидкости, а также температуры и растворяемости газов.
В условиях гидродинамической кавитации для образования и схлопывания пузырьков используется пассивный гидродинамический диспергатор (далее - ПГД). В его конструкцию включены кавитационные тела, представляющие собой металлические стержни круглого сечения, при прохождении через которые сплошность воды разрывается, и образуются кавитационные пузырьки. Для обеспечения высокого давления жидкости используется вертикальный центробежный насос, который обеспечивает давление до 6 атм.
При наличии эффективного оборудования по дополнительному измельчению минеральных частиц, можно будет обеспечить высокую плотность бетонана макро- и микроуровне, а также существенно повысить его прочность.
Физическая модель наномодифицированного бетона может быть представлена частицами цемента размерами 20-80 мкм, тонкомолотыми минеральными частицами 2-8 мкм, ультрадисперсными- 0,2-0,8 мкм и нанодисперсными частицами < 100 нм (0,1 мкм), что показано на рис. 5 [14, 15].
Рисунок 5 - Наноструктурирование мелкозернистых бетонов: 1 - частицы песка; 2 - частицы цемента; 3 - тонкомолотые минеральные частицы; 4 - наноразмерные частицы
Для решения этой задачи и получения наноструктурного бетона с использованием 3 -фракционного наполнителя. Была выдвинута гипотеза о том, что высокую плотность минерального скелета можно получить при условии, что соотношение объёмов каждой последующей фракции наполнителя к предыдущей составляет 7:3 (8:3) при диаметре частиц мелкой фракции в 8-10 раз меньше, чем крупной (табл. 3).
s
Я
ti
О ti
4 s
H
fa
О
Я
ft! 5 43 g
о S Я
Е
X о
о\ X 43
s I á i ß
§ H
о
43
F Sq
Ol er
3
fa
Я 43 Ol
ti и
о
*
s ff
3 я
fa
Sc üq
Таблица 3 - Составы наномодифицированных бетонов с добавлением суперпластификаторов
Щебень кг/м3 Песок кг/м? Цементе кг/м3 Тонкомо лотмп lianOJDDl-тель КГ/М? Ультра дисперсный наполнитель кг/м3 Нанодис-нергньш наполни-тгль кт/м3 Водя л Видо-твердые отношения в/т Объемная масса, кг/м3 Прочность MÏÏa
1100 550 270 НО 50 20 210 0,5 2200 130 МПа
Пнчшш бетон 1402 477 167 72 31 209 0,28 2210 170 МПа
1000-1100 450-550 240-270 160-1Ш 68-72 28-31 200-220 0,27-0,29 2200-2250 200 Мпа
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабушкин В.И., Гусев Б.В., Кондращенко Е.Г. Закономерность объемных изменений в структурирующихся коллоидных системах // Научные открытия: сборник трудов. Москва, 2002. С. 27-30.
2. Чеховой А.Н. Нанотехнология вокруг нас. Москва: Эксподизайн, 2005. 114 с.
3. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология. Москва: Академкнига, 2006.
325 с.
4. Актуальные проблемы нанотехнологии и наноматериалов. Тезисы докладов ученых РАН на Российско-китайском симпозиуме. Пекин, 2006. 144 с.
5. Гусев Б.В., Кондращенко В.И., Маслов Б.П., Файвусович А.С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства / Ред. Б.В. Гусев. Москва: Научный мир, 2006, 560 с.
6. Холпанов Л.П., Гусев Б.В. Блочная коллоидно-химическая кристаллизация материалов. Москва: Научный мир, 2008. 37 с.
7. Белая книга по нанотехнологиям (по материалам I Всероссийского совещания в области нанотехнологий. Москва, Изд. ЛКИ, 2008. 343 с.
8. Нанотехнологии. Азбука для всех / Ред. Ю.Д. Третьяков. Москва. Изд-во «Физматлит», 2008. 367 с.
9. Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем железообеспечения. Изд. Юнеско, Eolss. Магистр - пресс. Москва, 2009. 992с.
10. Справочник по технологии наночастиц. Москва: Научный мир. 2013. 730с.
11. Анциферов В.Н., Анциферова И.В. Нанотехнологии и наноматериалы, риски. Екатеринбург: УрО РАН, 2014. 224 с.
12. Наноматериалы: свойства и перспективные приложения. / Ред. А.Б. Ярославцев. Москва: Научный мир, 2015. 456 с.
13. Исследование, технология и использование нанопористых носителей лекарств в медицине. Под общей редакцией В.Я. Шевченко, О.И. Киселева, В.Н. Соколова. СПб: Химиздат, 2015. 368 с.
14. Развитие российского рынка нанотехнологических продуктов в строительной отрасли до 2020 года Отраслевое технологическое исследование / Б.В. Гусев, В.Р. Фаликман, Ш. Лайстнер Ш. и др. // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет- журнал. 2013. Т.5. Часть I. № 1. С. 6-7; Часть II. № 2. С. 6-20; Часть Ш. № 3. С. 6-19 с.
15. Gusev B.V., Bondarenko I.V., Olenich D.I. Modification of Mineral Additives with Cavitation Treatment of Their Suspensions. Durability and Sustainability of Curate Structures (DSCS-2018). Proceedings 2-nd International Workshop June 6-7. 2018, Moscow. American Concrete Institute, 11.1-11.6 p.
16. Гусев Б.В., Минсадров И.Н., Селиванов Н.П. Нановяжущие. Патент РФ №2412919.
2009.
17. Гусев Б.В. Перспективные технологии при производстве сборного железобетона: монография. Ижевск: Изд-во «КИТ», 2015. 206 с.
REFERENCES
1. Babushkin V.I., Gusev B.V., Kondrashchenko E.G. Zakonomernost' ob"emnyh izmenenij v strukturiruyushchihsya kolloidnyh sistemah [Regularity of volumetric changes in structuring colloidal systems]. Nauchnye otkrytiya: sbornik trudov. Moscow, 2002, pp. 27-30.
2. Chekhovoj A.N. Nanotekhnologiya vokrug nas [Nanotechnology around us]. Moscow: Ekspodizajn, 2005. 114 p.
3. Generalov M.B. Kriohimicheskaya nanotekhnologiya [Cryochemical nanotechnology]. Moscow: Akademkniga, 2006. 325 p.
4. Aktual'nye problemy nanotekhnologii i nanomaterialov [Actual problems of nanotechnology and nanomaterials].Tezisy dokladov uchenyh RAN na Rossijsko-kitajskom simpoziume. Beijing, 2006. 144 p.
5. Gusev B.V., Kondrashchenko V.I., Maslov B.P., Fajvusovich A.S. Formirovanie struktury kompozicionnyh materialov i ih svojstva [Formation of the structure of composite materials and their properties]. Ed. B.V. Gusev. Moscow: Nauchnyj mir, 2006. 560 p.
6. Holpanov L.P., Gusev B.V. Blochnaya kolloidno-himicheskaya kristallizaciya materialov [Block colloidal-chemical crystallization of materials]. Moscow: Nauchnyj mir, 2008. 37 p.
7. Belaya kniga po nanotekhnologiyam [White Book on Nanotechnology] (po materialam I Vserossijskogo soveshchaniya v oblasti nanotekhnologij. Moscow: LKI Publ., 2008. 343 p.
8. Nanotekhnologii. Azbuka dlya vsekh [Nanotechnology. ABC for everyone[. Ed. Yu.D. Tretyakov. Moscow: Fizmatlit Publ., 2008. 367 p.
9. Nanonauka i nanotekhnologii. Enciklopediya sistem zhelezoobespecheniya [Nanoscience and nanotechnology. Encyclopedia of Iron supply systems]. Unesco, Eolss. Magisterpress. Moscow, 2009. 992 p.
10. Spravochnik po tekhnologii nanochastic [Handbook of Nanoparticle technology]. Moscow: Nauchnyj mir. 2013. 730 p.
11. Anciferov V.N., Anciferova I.V. Nanotekhnologii i nanomaterialy, riski. [Nanotechnologies and nanomaterials, risks]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2014. 224 p.
12. Nanomaterialy: svojstva i perspektivnye prilozheniya [Nanomaterials: properties and promising applications]. Ed. A.B. Yaroslavtsev. Moscow: Nauchnyj mir, 2015. 456 p.
13. Issledovanie, tekhnologiya i ispol'zovanie nanoporistyh nositelej lekarstv v medicine [Research, technology and use of nanoporous drug carriers in medicine]. General ed. V.Y. Shevchenko, O.I. Kiselev, V.N. Sokolov. Saint Petersburg: Himizdat, 2015. 368 p.
14. Razvitie rossijskogo rynka nanotekhnologicheskih produktov v stroitel'noj otrasli do 2020 goda Otraslevoe tekhnologicheskoe issledovanie [Development of the Russian market of nanotechnological products in the construction industry until 2020. Industry technological research]. B.V. Gusev, V.R. Falikman, Sh. Laystner Sh. et al. Nanotekhnologii v stroitel'stve: nauchnyj Internet-zhurnal. 2013. V.5. Part' I. No 1, pp. 6-7; Part II. No 2, pp. 6-20; Part' III. No 3. pp. 6-19.
15. Gusev B.V., Bondarenko I.V., Olenich D.I. Modification of Mineral Additives with Cavitation Treatment of Their Suspensions. Durability and Sustainability of Curate Structures (DSCS-2018). Proceedings 2-nd International Workshop June 6-7. 2018, Moscow. American C oncrete Institute, 11.1-11.6 p.
16. Gusev B.V., Minsadrov I.N., Selivanov N.P. Nanovyazhushchie [Nano-binders]. Patent RF No. 2412919. 2009.
17. Gusev B.V. Perspektivnye tekhnologii pri proizvodstve sbornogo zhelezobetona: monografiya [Promising technologies in the production of precast concrete: monograph]. Izhevsk: Izd-vo «KIT», 2015. 206 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Гусев Борис Владимирович Российская инженерная академия, г. Москва, Россия, доктор техн. наук, профессор, член-корр. РАН, академик РИА, лауреат 7-ми Государственных премий и премий Правительства СССР и РФ, зав. кафедрой «Строительные материалы и технологии» Российского университета транспорта E-mail: info-rae@mail.ru
Gusev Boris Vladimirovich Russian Engineering Academy, Moscow, Russia, Doctor of Technical Sciences, Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Academician of RIA, laureate of 7 State Prizes and prizes of the Government of the USSR and the Russian Federation, Head of the Department of'Building Materials and Technologies" of the Russian University of Transport E-mail: info-rae@mail.ru
