Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел
Композитный материал получает эти свойства именно после пропитки соответствующими смолами, которые, заполняя микро– и нанопустоты, соединяют волокна, образуя высокопрочную матрицу.
Пропитка осуществляется таким образом, что заложенные в армирующей основе свойства приобретают более высокие (на 30 %) физико-механические свойства. Нанокомпозиционные препреги можно успешно применять для изготовления корпусов самолетов и вертолетов, лопастей ветроэнергетических установок, строительных конструкций и т. д.
Например, американский самолет нового поколения Boeing 787 Dreamliner на 50 % по объему и на 20 % по массе состоит из композитных материалов, в том числе выпускающихся с применением российских технологий.
Как указывается в ряде источников, в новом отечественном авиалайнере Sukhoi Superjet 100 также используется около 1015 % композитных материалов, однако точно не известно, какие это материалы: углеволокно или стеклотекстолитовые и армированные стекловолокном панели.
Нанокомпозиты применяются и при изготовлении деталей автомобильной техники (бамперов, деталей кузова, салона и т. д.), спортивных товаров (рам велосипедов, шлемов, спортивного инвентаря и т. п.), товаров для туризма и отдыха (рыболовных удочек, элементов роликовых коньков и т. д.). Именно этот сегмент рынка обеспечивает самую быструю отдачу от вложенных средств.
В настоящее время мировой рынок композиционных материалов составляет 20,5 млрд долларов, из них только около 2 % принадлежит России. При этом восемь компаний производят около 90 % всей мировой продукции, а три крупнейших поставщика обеспечивают 66 % всего мирового рынка композитов.
Чтобы исправить значительное отставание, корпорация «РОСНАНО» одобрила первый в России интегральный проект «Препрег», цель которого – создание в Москве и Саратове самых современных производственных мощностей по выпуску препрегов широкой номенклатуры на базе нанотехнологий. Уже к 2011 году планируется производить более 300 т нанокомпозитных материалов стоимостью примерно 30 млрд рублей.
Говоря о практическом применении композиционных материалов в машиностроительной и строительной отраслях, следует остановиться на ветряной энергетике. Как известно, ее развитие сдерживается фундаментальной проблемой – тяжестью лопастей (рис. 56). Мощность установки критическим образом зависит от размера лопастей, что не позволяет повысить их конкурентоспособность.
Новые композиционные наноструктурированные материалы дают возможность увеличить длину лопастей «ветряка» более чем в два раза, что выводит их на эффективность, сопоставимую с традиционными видами генерации электроэнергии.
Все более активно нанотехнологии применяются в строительной индустрии и сопутствующих ей отраслях: производстве лакокрасочных и отделочных материалов.
Определенные успехи в области создания наноматериалов для строительства уже достигнуты. В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства разработаны и готовятся к промышленному производству новые наноразмерные модификаторы для строительных композиционных материалов.
Рис. 56. Ветряные энергетические установки – привычное зрелище в Западной Европе
На основе богатых месторождений необходимого минерального сырья в Пензенской области учеными разработаны наноразмерные строительные добавки: гидросиликаты кальция (14–40 нм), кремнеземсодержащий модификатор (17–20 нм) и органо-минеральные добавки (80–90 нм).
Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали новый строительный материал – нанобетон. Специальные добавки (модификаторы) – так называемые наноинициаторы – значительно улучшают механические свойства обычного бетона. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50 %, а вероятность появления трещин – в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2–3 раза.
Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность (рис. 57). Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.
Рис. 57. Улучшение плотности нанобетона: слева – нанобетон, справа – обыкновенный бетон
Аналогичный пример приводит информационное агентство «Росбалт» в публикации «ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии», где указывается следующее: «Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, – это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент».
Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001-0,1 % способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности (марка D 250–300). Обеспечивается также повышение прочности и трещиностой-кости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6–2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.
Дополнительное преимущество разработки – уменьшение содержания в пенобетоне собственно цемента при неизменной прочности.
Новый бетон уже начали применять в строительстве (мост через Волгу в г. Кимры).
Авторы разработок заявляют, что применение наноразмерных строительных композиционных материалов позволяет экономить около 500 рублей на 1 м3 бетона в ценах 2009 года при сохранении и даже повышении его прочностных свойств. В целом по России экономический эффект может составить около 20 млрд рублей ежегодно.
В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практической реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.
Другое направление практического применения нанотехнологий в строительстве – различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса, и биоцидные материалы.
Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном Duravit AG.
На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт – покрытие для плитки Sekcid , разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid SA. – одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом Cleartec для душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.
В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, – фасадная силикатная краска Kieselit-Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе мокрому истиранию (класс 1, согласно EN 13300). Комбинация пигментов наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски – грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.
