Нанотехнологии в строителството

Нанотехнологията има значително влияние в сектора на строителството. Някои приложения са разработени за подобряване на издръжливостта и засилването на строителните компоненти. Oсновните строителни материали цимент, бетон и стомана също се възползват от нанотехнологиите.

С въвеждането на въглеродните нанотръби в бетоновата смес се повишава удароустойчивостта на циментовия камък. Много революционни открития в строителния бранш водят началото си именно от нововъведения в нанотехнологиите.

В статията ще разкажем за характеристиката на наноматериалите и нанопродуктите, за приложението на нанотехнологията в строителството, за нанопродуктите на строителния обект, за видовете наночастици в строителните материали, за наноцимента и нанобетона, за нанопокритията и нанобоите, за нанопокритията за дърво, стъкло и инфраструктура, за наноизолационните материали.

Нанотехнологията се отнася до научна област, която се занимава с много малки структури, обикновено средно под 100 нанометра. Един нанометър (Nm) e една милиардна част от метъра и е 10000 пъти по-малък от дебелината на човешкия косъм. Наноразмерните материали разкриват уникални свойства в сравнение с обикновените насипни материали и дори молекули. Редица свойства на материалите се променят с намаляването на размера на частиците. Това включва усъвършенствани техники за изучаване и подобряване на поведението на материалите. Разработване и производство на много фини прахови, течни или твърди материали, съдържащи частици с размер между 1 и 100nm, т.e. наночастици.

Фирмите използват тези наночастици, за да придадат на своите продукти нови или подобрени свойства. Примери за това са прозрачните инфрачервени отразителни покрития за прозоречни стъкла, които подобряват управлението на климатичните условия в помещенията. Ултраздравите бетонни материали, позволяващи създаване на по-тънки и по-леки конструкции и самопочистващи се покрития.

Характеристика на наноматериалите и нанопродуктите
Наноматериалът представлява материал, съдържащ наночастици или агломерати, или съвкупности от тях в твърда форма. Той също може да съдържа разпръснати-диспергирани, в течни-вътрешни или външни наноструктури, както и в области с наноразмери. Нанопродукт може да бъде всеки продукт, в който съзнателно е добавен наноматериал с цел да се повлияе на свойствата на продукта.

Наночастиците се дефинират като изкуствено създадени частици. Те са създадени от човека, за разлика от естествените частици с наноразмери, които се формират например при вулканични изригвания с размер 1-100nm. Последните могат да са разтворими или неразтворими. В момента с термина наночастици се определят само неразтворимите частици, тъй като те са от основен интерес за потенциалните здравни ефекти, типични за нанопродуктите.

Приложение на нанотехнологията в строителството
Богатата информация в Интернет относно нанотехнологията в строителството и големите бъдещите очаквания са свързани с постигане на успех, висока ефективност и устойчиво развитие. Но днешната реалност е, че само ограничен брой нанопродукти достигат до строителните обекти. В момента в развитите страни от света в над 20% от строителните компании активно използват в своята работа различни наноматериали.

Техниките и наносъставките са твърде скъпи за производство на продукти, които да могат да се конкурират с вече съществуващите. Трябва да се отчита и фактът, че строителните продукти почти винаги се търгуват в големи обеми и малките разлики в цената на килограм се превръщат в огромно увеличение на общите разходи, необходими за строителството.

В зависимост от пазарния сектор, големите мултинационални производители като BASF, AKZO-NOBEL, DuPont, Heidelberg и ItalCementi разработват нанопродукти с по-голям обем - наностроителни покрития, нанобетон или нанохоросан. Разбира се, нанопокритията са обикновено твърде напред в своето развитие спрямо бетоновите или изолационните материали. Именно заради това в областта на боите и покритията малките и средни западноевропейски предприятия започват също да играят роля, като създават свой асортимент от нанопродукти.

За изолационните материали, обаче, както и архитектурните, и стъклените покрития, сегашният обществен стремеж за подобряване на енергийната ефективност, действително стимулира допълнителното им навлизане в строителния пазар.

Нанопродуктите за строителството са уникални по своите характеристики, но биха могли да създадат нови рискове за здравето и безопасността на работниците на обекта. Основен интерес по отношение на потенциалните здравни ефекти са типичните неразтворими наночастици. За осигуряване на безопасно работно място, производството на повечето наночастици и наноматериали се извършва в течна форма - суспензия или разтвор, под налягане или в херметични условия, за да се увеличи до максимум контролът върху частиците и да се сведат до минимум рисковете от въздействие. Поради тези причини добавките с наноразмери най-често се доставят като суспензия или разтвор, готови за използване от производителя на продукта.

Нанопродукти на строителния обект
Общият пазарен дял на нанопродуктите в строителната индустрия е малък и се прилага само в пазарни ниши. Този дял обаче се очаква да нарасне в близко бъдеще и наночастиците вероятно ще играят важна роля в разработването и производството на строителни материали. В днешно време нанопродуктите присъстват във всяка съвременна западноевропейска къща или сграда. Например, такива места са самопочистващи се прозорци и прозоречни профили, самопочистващи се декоративни покривни керемиди, огнеупорна вата за изолация на покрива, боядисване на соларни клетки за регенериране, антирефлексно покритие за соларни клетки, контролиране на светлинен и топлинен поток чрез интелигентни прозорци, замърсяване на устойчиви подови панели, огнезащита на врати, прозорци и кабели, защитни покрития срещу замърсители или самопочистване на фасади, керамични ленти като тапети, антипръстови покрития и антибактериални свойства за тръбопроводна арматура и мебели, оптимизиране на конкретни свойства на бетона за строителните конструкции.

Нанопродуктите на днешния строителен обект включват предимно наноцимент и нанобетон, нанопокрития и наноизолационни материали. Установено е, че нанопокритията, наноциментовите и нанобетоновите материали имат най-голям пазарен дял в днешната строителна индустрия. Следват ги наноизолационните материали.

Най-често споменаваните наночастици, участващи в нанопокритията, наноциментовите, нанобетоновите и наноизолационните материали, са флуорокарбон полимерите - CF, титанов диоксид, цинков оксид, силиций или микросилициев прах, сребро, алуминиев оксид. В изброените строителни нанопродукти не са използвани въглеродни нанотръби - CNT.

Видове наночастици в строителните материали
Флуорокарбон полимерите са подобни на молекулите на тефлона. Изнасят се на повърхността, създавайки покритие, което отблъсква вода и мазнини. Обикновено се прилагат върху стъкло. Титановият диоксид абсорбира ултравиолетовата светлина и се използва като защитен слой срещу увреждането от ултравиолетови лъчи. Някои негови форми са фотокаталични и катализират унищожаването на органични замърсители, като плесени, полициклични ароматни въглеводороди, формалдехид и азотни окиси под влиянието на ултравиолетовата светлина. Те могат да се прилагат практически за всеки тип повърхност, която трябва да бъде защитена от ултравиолетови лъчи, да се самопочиства или да помага за намаляване на замърсяването на въздуха.

Цинковият оксид има подобни фотоактивни характеристики като титановия диоксид и може да се използва за подобни приложения. Микросилициевият прах - аморфен силициев диоксид, уплътнява бетона, като го прави по-як и по-траен при алкални условия, например морска среда. Той може също да се добавя към бетона, за да стабилизира добавки като летлива пепел - пепелина, към покривни материали за създаване на много здрава матрица, или да се използва като забавящ горенето агент. Някои типични негови приложения включват бетон Ultra High Performance Concrete - UHPC, устойчиви на одраскване покрития и пожароустойчиво стъкло.

Среброто действа като бактерицид и може да се добавя към всички видове материали. В строителството то се намира в различни покрития. Всъщност сребърните йони, които се отделят при разтварянето на среброто във водата, допринасят за тази антибактериална дейност. Алуминиевият оксид се използва в покрития, за взаимодействие със свързващия материал и добавяне на висока резистентност към одраскване на съответното покритие.

Наноцимент и нанобетон
Бетоните с добри технически характеристики, предлагани на ниски европейски цени, са свързани с приложение на нанотехнологията. Важно е проучването на използваните от нанотехнологията материали.

Използването на наночастици в циментови и бетонни материали се концентрира върху титановия диоксид и микросилицевия прах. Заради свързаните с тях разходи и двете добавки се използват в малки количества или в двуслойна система, само когато са неоходими. Въз основа на микросилицев прах, на Европейския пазар се предлагат нанопродукти, като Lafarge Chronolia, Lafarge Agilia и BASF-EMACO Nanocrete. Примери за фотокаталитичен цимент на същия пазар, са TioCem TX Active-Heidelberg Cement, Nano Guard Stone - Protect -Nanogate AG, TX Arca и TX Aria на Ital Cementi group. Te се произвеждат като свързващ елемент за широко приложение, като покривни материали, екстериорни стени, тунели, бетонни подове, тротоарни плочки, фаянсови плочки, керемиди, бои за пътна маркировка, бетонни панели, шпакловка и циментсъдържащи бои.

Усилено продължават изследванията за прилагането на нанотръбите – CNT, в бетона. Заради високите изисквания по отношение на качеството, разработването на наноматериала отнема между 5 и 10 години. Продължават изследванията в областта на микроселициевия прах за стабилизиране на бетон, съдържащ отломки от рециклирани и бетонни агрегати и капсулирани добавки. Целта е оптимално управление на процеса на втвърдяване.

Нанопокрития и нанобои
В днешно време най-разпространени в строителната индустрия са покритията и боите на нанооснова. Особено широко са разпространени декоративните покрития. На пазара се намират също и високоефективни подови покрития за индустриални обекти. Причините за по-бързото приложение на нанотехнологията в производството на бои и покрития са по-дълбокото проникване на наночастиците и увеличеното взаимодействие с повърхността. Така се получава по-трайно покритие на повърхността. Наночастиците са прозрачни във видимия спектър на светлината. Прозрачността им дава възможност да се използват като нови добавки към непрозрачните покрития. В резултат на това се получават покрития с висока устойчивост срещу одраскване или ултравиолетова светлина, поглъщане на инфрачервения спектър или отражение, пожароустойчивост, електропроводимост, самопочистващи свойства. В групата на нанопокритията се набляга върху производството на антибактериалните покрития - добавяне на титанов диоксид, цинков окдсид или сребро, фотокаталитичните самопочистващи се покрития - титанов диоксид или цинков оксид, отразяващите или абсорбиращи ултравиолетовата или инфрачервена светлина покрития - титанов диоксид или цинков оксид, забавящите горенето покрития-силициев диоксид и устойчивите на одраскване покрития - силициев диоксид или алуминиев оксид. Тези видове функционалности на нанопокритията се прилагат на интериорни или екстериорни стени, дървени фасади, стъкло и различни материали за пътна покривка.

Примери за самопочистващи се фотокаталитични покрития на водещи европейски производители са интериорната боя Arctic Snow Professional Interior Paint-Arctic paint Ltd, Cloucryl - Alfred Clouth Lack-fabrik GmbH&Co KG и Amphisilan -Caparol. Пример за антибактериално покритие на основа на нано-сребро е Bioni Hygienic - Bioni CS GmbH. Лесно за почистване покритие, отблъскващо както вода, така и масла, е Fluowet ETC100 – Clariant, на базата CF-полимери.

Нанопокрития за дървени повърхности
Нанопокритията за дърво са разработени за паркет и мебели. С тях се цели отблъскването на вода и в по-малка степен на мазни продукти, устойчивост на одраскване и защита от ултравиолетови лъчи. На пазара има известен скептицизъм относно водоустойчивите и защитаващи от ултравиолетова светлина покрития, заради качеството на някои от първото поколение продукти. Новото поколение нанопокрития все още трудно успява да се докаже, а примерите за реално използване на строителния обект са оскъдни.

BYK Additives and Instruments е компания, която произвежда ново поколение защитаващи от ултравиолетови лъчи покрития. Те са създадени на основа на органични ултравиолетови абсорбиращи вещества или металните оксиди-цинков оксид и цериев диоксид. Титановият диоксид е по-малко използван по причини, свързани с прозрачността и фотокаталитичната му функция. Примери за високоустойчиви на одраскване лакове за дърво, които съдържат нано-силициев диоксид, са Bindzil CC30 - Baril Coatings, Nanobyk 3650 - BYK Additives and Instruments и Pall-X Nano - Pallmann. Nanobyk 3600 - BYК Additives and Instruments е един пример за високоустойчиво на одраскване покритие чрез добавяне на частици от алуминиев оксид с наноразмери.

С течение на времето съдържащите се в дървото химични вещества танини изтичат и обезцветяват повърхността му. За забавяне на този процес се използва покритието наноглина, т.е. хидроталцит. Компанията BYК произвежда нанопродукти и в това направление.

Нанопокрития за стъкло
Известни са фотокаталитични, самопочистващи се, топлоустойчиви, противоотразителни и спиращи запотяването нанопокрития за стъкло. В днешно време интерес представляват нанопокритията в областта на климатичния контрол в закрити помещения, т.е. блокиране на инфрачервена и видима светлина. За целта се прилагат активни и пасивни решения. Пасивните решения са във формата на тънко покритие, които действат постоянно. Активните решения за климатичен контрол на закрито използват термохромови, фотохромови или електрохромови технологии, които реагират съответно на температура, светлинен интензитет или приложено напрежение. Те променят способностите си за поглъщане на инфрачервената светлина, за да държат сградата хладна. Последната е единствената система, която може да се регулира ръчно. Чрез включване на напрежението по стъклото посредством устройство, много подобно на ключ за осветление, слоят от волфрамов оксид, положен върху повърхността на стъклото, става по-непрозрачен и абсорбира повече инфрачервена светлина.

Наноизолационни материали
Наноизолационните материали са направени от нанопяна или аерогел от наномехурчета или нанодупки. От гледна точка на здравословните условия на труд, не се очакват наноспецифични здравни рискове от работата с този материал. Нанопорестите изолационни материали, като аерогели и определени полимерни нанопяни, са 2–8 пъти по-ефективни от традиционните изолационни материали. Аерогеловете за изолация, които се използват в днешно време, са предимно на основа на силикон или въглерод, като обемът им представлява приблизително 96% въздух. Пример, е изолационната вата от нанопорест гел Insulair NP - Insulcon B.V.

В тази област са BASF-Roof Acryl Nanotech - на базата на наноструктурирано флуор-полиуретаново свързващо вещество в комбинация с горен слой от фотокаталитичен железен оксид и Relius Benelux за защита на покриви от горещо и студено време. BASF-PCI Silent - за звукоизолация, Aspen Aerogels-Spaceloft - специално разработен за строителната индустрия и Aspen Aerogels-Pyrogel XT - на основата на нанопореста силиконова структура. Aspen Aerogels- Pyrogel XTF и Aspen Aerogels-Pyrogel 2250 - на основата на нанопореста силиконова структура специално разработена за изключителна защита от пожар. Aspen Aerogels - Cryogel Z - на основа на нанопореста силиконова структура, специално разработена за изолация от изключително ниски температури.