Механизмы воздействия нанодобавок на свойства строительной керамики

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^™ 70 ( к содержанию3

огласно источнику [1] нанокерамика, иначе керамический наноструктурный материал (англ. nanoceramics) – это компактный материал на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других неорганических соединений, состоящий из кристаллитов (зерен) со средним размером до 100 нм.

Нанокерамику, как правило, получают из наноразмерных порошков методами формования и спекания. Поскольку вследствие высокого внутреннего трения нанопорошки труднее уплотняются, для их формования часто используют импульсное и гидростатическое прессование, методы шликерного и гелевого литья. Существует одна из важных проблем получения нанокерамики. Это интенсивный рост зерна при спекании в обычных условиях. Для его предотвращения используются два основных метода:

• 1.    введение в исходный порошок (шихту) нерастворимых добавок, которые занимают место на границах зерен и препятствуют их срастанию;

• 2.    использование специальных методов и режимов уплотнения и спекания керамики, позволяющих значитель-

• ccording to [1], nanoceramics, or ceramic nanostructured material, is a compact material on the basis of oxides, carbides, nitrides, borides and other inorganic connections, consisting of crystal grains with the average size up to 100 nanometers.

As a rule, nanoceramics is obtained from nanosized powders by the methods of formation and sintering. Due to high internal friction nanopowders are more difficultly condensed, therefore pulse and hydrostatic pressing, methods of trailing and gelling moulding are often used for their formation. There is an important problem in production of nanoceramics. It is an intensive growth of grain during sintering under usual conditions. To prevent from that two basic methods are used:

• 1.    infusion of insoluble additives into initial powder (batch), which go between grains and prevent from coalescence;

• 2.    use of special methods and modes of condensation and sintering of the ceramics, allowing considerably reducing of duration and/or temperature of

но уменьшить продолжительность и/или температуру высокотемпературных стадий ее получения (импульсное прессование, горячее прессование, некоторые виды низкотемпературного спекания). Более подробно эти методы описаны в статье «Спекание нанокерамики».

Структурно-чувствительные свойства нанокерамик могут значительно отличаться от характеристик традиционных керамик с зерном микронного размера. При этом возможно улучшение механических (Al2O3), электрических (Y:ZrO2), оптических (Nd:Y2O3) свойств. Однако характер изменения свойств с размером зерна очень индивидуален и зависит как от физической природы исследуемого свойства, так и от физико-химических особенностей используемой керамики.

Повышение декоративных характеристик наномодифицированной глазурованной строительной керамики.

Предотвращение фотодеструкции пигментов в декоративном слое отделочной строительной керамики, путём модификации нанодиоксидом титана [1,2]

Уникальные свойства приобретает облицовочная керамика с покровным слоем «Hydrotect» (разработанным японским концерном ТОТО), содержащим модифицированный фотокатализатор диоксид титана (ТiO2), придающий керамике, по данным японского концерна, стерилизующие и самоочищающиеся свойства. Фотокализатор способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органические материалы и бактерии, а под действием света наноструктурированная high-temperature stages of its obtaining (pulse pressing, hot pressing, some kinds of low-temperature sintering). These methods are described in the article about sintering of nanoceramics in details.

Structure-sensitive properties of nanoceramics can be considerably different from characteristics of traditional ceramics with the micron size grain. At the same time it is possible to improve mechanical (Al2O3), electric (Y:ZrO2), optical (Nd:Y2O3) properties. However the character of properties changes by the grain size is very individual and depends both on the physical nature of researched property, and on the physical and chemical features of used ceramics.

Increase of decorative characteristics of nanomodified glazed building ceramics. Prevention of pigment photo-destruction in a decorative lay of finishing building ceramics with the use of modification by titanium nanodioxide [1,2]

Unique properties are obtained in the facing ceramics with an integumentary layer «Hydrotect» (developed by Japanese concern TOTO), containing modified photocatalyst of titanium dioxide (ТiO2), giving ceramics, according to the Japanese concern, sterilizing and self-cleared properties. Photocatalyst promotes allocation of active oxygen from water or air which oxidizes and splits organic materials and bacteria, and under action of light the surface of ceramics nanostructured by titanium dioxide gradually becomes superhydrophilic and water easily flows оксидом титана поверхность керамики постепенно становится супергидрофильной, и вода легко стекает с нее, увлекая загрязнения.

Как известно в строительной области керамика применяется в основном в виде обычной и глазурованной керамической плитки, а также обычного, глазурованного или ангобированного обоженного фасадного кирпича. Ряд патентов в области применения водо-и грязеотталкивающих покрытий керамики принадлежит германскому концерну Deutsche Steinzeug. Новая плитка, разработанная на основе нанотехнологий, обладает удивительными свойствами: наночастицы, входящие в ее состав, заставляют попавшие на поверхность капли воды собираться в шарики, после чего, под действием силы тяжести, они удаляются вместе с остатками грязи, пыли, грибка и мха [2].

Повышение эксплуатационных характеристик строительных керамических материалов. Развитие процесса упрочнения керамики с помощью введения наполнителей и волокон, увеличение межфазовой адгезии [3,4,5]

Ультрадисперсные материалы являются искусственными продуктами. Процесс синтеза наночастиц должен происходить в достаточно широком диапазоне размеров, от 1 до 100 нм, при соблюдении серьезного контроля и управления параметрами процесса. Немаловажным этапом является покрытие синтезируемых наночастиц специализированными оболочками, которые обеспечивают физико-химическую и электрическую изоляцию и предотвращают самопроизвольное спекание и агрегацию (т.е. самоорганизацию down from it, carrying away pollution.

It is known that construction industry uses the ceramics mainly in the form of ordinary or glazed ceramic tile, as well as, ordinary, glazed or sintered engobe front brick. Several patents in the field of application of water- and dirt-repellent ceramics coverings belong to German concern Deutsche Steinzeug. The new tile developed on the basis of nanotechnologies possesses surprising properties: nanoparticles, constituting its structure, make the drops of water on a surface gather in balls, then under gravity they are removed with the rests of dirt, dust, fungus and moss [2].

Increase of operational characteristics of ceramic building materials. Development of ceramics reinforcment process by introducing fillers and fibers and increasing interphase adhesion [3,4,5]

Ultra disperse materials are artificial products.

Process of nanoparticles synthesis should occur in a rather wide range of the sizes, from 1 up to 100 nanometers, under serious monitoring and process parameters control. Substantial stage is the coating of synthesized nanoparticles with special coverings which provide physical and chemical, and electric isolation and prevent from spontaneous sintering and aggregation (i.e. the process when nanoparticles self-organize into larger forms losing necessary properties). Today the наночастиц в более крупные формы с потерей необходимых свойств). На сегодняшний день с успехом применяют физический и химический методы создания нанопорошков.

На данный момент на практике получены ультрадисперсные порошки, такие как: оксид магния, оксид алюминия, закись меди, оксид кремния, а также оксиды ряда металлов – никеля, алюминия, тантала, молибдена, различных полупроводниковых материалов и фуллеренов, углеродных нанотрубок с уникальными свойствами. Аргон, ксенон, азот, гелий и обычный воздух используются в технологии. Частицы, синтезируемые плазмохимическим методом, получены в виде монокристаллических (однородных) частиц и имеют размеры от 10 до 100-200 нм.

КЕРАМИЧЕСКАЯ МАССА

Патент РФ № 2150442.

Керамическая масса на основе глинозема с модифицирующей добавкой, содержащей оксид алюминия, полученный плазмохимическим методом, отличается тем, что она содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%: глинозем – 70,0– 97,0, плазмохимически полученный оксид алюминия – 3,0–30,0.

Прочностные характеристики образцов керамики, изготовленных из смесей стандартного глинозема и плазмохимически полученного оксида алюминия, приведены в таблице.

Из сопоставления примеров 2–6 с примерами 1, 7 видно, что керамический материал, который был получен из керамических масс на основе промышленного глинозема, содержащих плазмохимически полученный оксид алюминия в количестве 3,0–30,0 мас. %, application of physical and chemical methods of nanopowders creation is successfull.

At present the practice produces ultra disperse powders, such as: magnesium oxide, aluminium oxide, copper oxide, silicon oxide, and also oxides of some metals - nickel, aluminium, tantalum, molybdenum, various semi-conductor materials and fullerenes, carbon nanotubes with unique properties. Ar, Xe, N, He and usual air are used in technology.

The particles synthesized by the plasma chemical method are obtained in the form of monocrystal (homogeneous) particles and they have the sizes from 10 up to 100-200 nanometers.

CERAMIC MASS

The patent of the Russian Federation № 2150442

Ceramic mass on the basis of alumina with the modifying additive, containing aluminium oxide, obtained through plasma chemical method, differ by that, it contains mentioned components in the following ratio, mass. %: alumina – 70,0–97,0. aluminium oxide obtained by a plasma chemical method – 3,0–30,0.

Durability characteristics of the ceramics samples made of mixes of standard alumina and aluminium oxide obtained by the plasma chemical method, are given in the table.

If compare examples 2–6 with examples 1, 7, one can see that the ceramic material obtained from ceramic mass on the basis of industrial alumina, containing plasmachemical aluminium in quantity 3,0–30,0 mass. %, possesses higher durability at the bend, than the materials, имеет более высокую прочность при изгибе, чем материалы, полученные только из промышленного глинозема или керамических масс на его основе с отклонениями по содержанию плазмохимически полученного оксида алюминия от заявляемых пределов.

produced only from industrial alumina or ceramic mass on its basis with deviations of the contents of plasmachemical aluminium oxide from declared limits.

Содержание Аl2O3* в керамической массе, %	Прочность
	На изгиб, МПа	Микротвёрдость, ГПа	Вязкость разрушения, Мпа•м0,5
0	80	4,7	2,8
3	520	16	3,6
5	620	19	4,6
10	620	18	4,7
20	640	20	5,0
30	630	18	4,6
32	450	16	2,6

* оксид алюминия, полученный плазмохимическим способом

Contents Аl2O3* in ceramic batch, %	Durability
	At the bend, MPa	Microhardness, GPа	Fracture toughness characteristics MPa•m0,5
0	80	4,7	2,8
3	520	16	3,6
5	620	19	4,6
10	620	18	4,7
20	640	20	5,0
30	630	18	4,6
32	450	16	2,6

* aluminium oxide obtained by plasma chemical method

Обеспечение мероприятий по охране окружающей среды. Создание нанокерамиче-ских мембран в качестве диффузионного барьера для ионов агрессивных органических сред при очистке сточных вод предприятий строительной индустрии [6].

Разработка и производство керамических мембранных фильтров для промышленных фильтрационных установок. Оригинальные технологии разделения, очистки и концентрирования в системах с керамическими на-номембранными фильтрами НПО «Керамик-фильтр».

Организация НПО «Керамик-фильтр» основана в 1990 году специалистами по высокопрочным и тугоплавким волокнам, работавшими

Maintenance of environment protective actions. Creation of nanoceramic membranes as a diffusion barrier for ions of aggressive organic environments in the process of sewage treatment for the construction enterprises [6].

Research and production of ceramic membrane filters for industrial filtering systems. Original technologies of separation, clarification and concentration in the systems with ceramic nanomembrane filters «Ceramicfilter».

The company «Ceramicfilter» was established in 1990 by experts who specialized in high-strength and refractory fibers and worked in the military-space в военно-космическом проекте «Буран». В течение 20 лет были разработаны и произведены керамические фильтры с керамическими мембранами из супертонких керамических волокон для промышленных систем микро-и ультрафильтрации и лабораторной практики, обеспечивающие процессы очистки, разделения и концентрирования на микро- и ультрафильтрационных мембранах.

Такие керамические мембранные микро- и ультрафильтры успешно работают в экологических целях на многих отечественных и зарубежных предприятиях. За последние годы производство мембранных фильтров увеличилось более чем в 3 раза. Созданы керамические мембранные фильтры, соответствующие оптимальному соотношению цены и качества.

Научный и производственный потенциал фирмы НПО «Керамикфильтр» позволил разработать и внедрить новые типы керамических мембранных фильтров, расширить области их применения, совершенствовать мембранные технологии разделения, очистки и концентрирования.

Условность классификации фильтрационных мембран по размеру пор связана с поверхностными взаимодействиями, происходящими на входной стороне мембраны (со стороны ее селективного слоя), которые играют исключительно важную роль в баромембранных процессах разделения.

Механизмы мембранных фильтрационных процессов в большинстве случаев связаны с особым строением слоев жидкости, непосредственно примыкающих к поверхности стенок капилляров пористых тел. Существование граничных слоев жидкостей с особой структурой было лейтмотивом project «Buran». Within 20 years ceramic membrane filters made of superfine ceramic fibers were developed and produced. Such filters are used in micro-and ultra filtration industrial systems and laboratory practice and provide the processes of filtration, clarification and concentration on micro- and ultra filtration membranes.

Such ceramic membrane micro- and the ultra filters are successfully meeting ecological tasks at domestic and foreign plants. For the last years the production of membrane filters has increased more than 3 times.

Ceramic membrane filters answering the optimal ratio between price and quality have been produced.

Scientific and industrial potential of the firm «CERAMICFILTER» made it possible to develop and introduce new ceramic membrane filters, to expand their application range, to perfect membrane separation, clarification and concentration technologies.

Conventional classification of filtration membrane by the pore size is connected with superficial interactions, taking place on the membrane entering side (from the side of its selective layer), which has exclusively important role in bare-membrane division processes.

In most cases mechanisms of membrane filtrational processes are connected with a special structure of the liquid layers directly adjoining to the surface of capillaries of porous walls. The existence of the boundary layers of liquids with special structure was the basic research of Deriagin. He was the greatest expert исследований Б. В. Дерягина. Он был крупнейшим специалистом XX-го века по поверхностным явлениям.

Существует защищённое мнение в недавней работе учеников и последователей школы Дерягина. Подход к описанию баромембранных процессов должен быть единым, но учитывающим специфику поверхностных взаимодействий каждого конкретного процесса, будь то обратный осмос, нано-, ультра- или микрофильтрация.

Классификация является наиболее распространенной по шкале баромембранных процессов. Именно не по диаметру пор мембраны, а по функциональным характеристикам мембранного процесса, т.е. по размеру или молекулярной массе удерживаемых компонентов разделяемой смеси.

Есть основная задача мембранных технологий. Надо провести разделение компонентов с наименьшими энергетическими затратами. Современная конкурентоспособная мембрана состоит, как правило, из несколько слоев различных материалов, каждый из которых имеет свою структурную организацию на микро- и наноуровне. Это обеспечивается целым комплексом технологических характеристик мембраны в целом, таких как высокие транспортные и разделительные свойства, ее способность к регенерации в процессе загрязнения.

Следующим необходимым этапом успешного использования любой мембраны в технологических процессах является создание на ее основе высокоэффективного разделительного модуля. В данном модуле должны быть реализованы описанные выше технологические параметры мембраны.

of the XX century dealing with superficial phenomena.

There is a proved opinion in the recent work of Deriagin’s school pupils and followers. Approach to the description of bar-membrane processes should be single but it is to consider specific character of superficial interactions of each concrete process, whether it will be return osmosis, nano-, ultra- or microfiltration.

The prevailing classification is that based on bar-membrane processes scale. It is not by the membrane pores diameter, but by membrane process functional characteristics, i.e. by the size or molecular weight of detained components of the divided mix.

There is a primary task of membrane technologies. It is necessary to make division of components with the least power charges. Modern competitive membrane consists, as a rule, from some layers of various materials; each of them has its structural organization at micro- and nanolevel. This is provided by the whole complex of the membrane technical characteristics, such as high transport and dividing properties, its ability to regenerate during pollution.

The next necessary stage of successful use of any membrane in technological processes is the creation of the highly effective dividing module on its basis. The technological parameters of the membrane described above are to be realized in this module.

Таким образом, применение нанодобавок обеспечивает:

• •    Повышение декоративных свойств глазурованной строительной керамики [1, 2].

• •    Повышение эксплуатационных характеристик строительной керамики [3, 4, 5].

• •    Охрану окружающей среды при очистке сточных вод предприятий стройиндустрии [6].

The application of nanoadditives provides:

• •    Increase of decorative characteristics of nanomodified glazed building ceramics [1, 2].

• •    Increase of operational characteristics of building ceramics [3, 4, 5].

• •    Environment protection during the process of sewage treatment for the construction enterprises [6].

  Уважаемые коллеги!

  При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

  Кузьмина В.П. Механизмы воздействия нанодобавок на свойства строительной керамики // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2012, Том 4, № 2. C. 70–79. URL: (дата обращения: __ ____________).

  Dear colleagues!

  The reference to this paper has the following citation format:

  Kuzmina V.P. Nanoadditives influence mechanisms on the properties of building ceramics. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2012, Vol. 4, no. 2, pp. 70–79. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).