Применение наноматериалов в теплоизоляции трубопроводов

В строительстве нанотехнологии – это технологические решения, позволяющие увеличить энергетическую эффективность комплекса и уменьшить затраты за счет применения наноматериалов. Использование традиционных технологий за последние десятилетия в строительной отрасли уже исчерпало свои возможности, поэтому востребованы новые инновационные решения. Внедрение современных нанотехнологий позволит повысить эффективность строительства [1..4].

Нанотехнология – это создание и использование материалов, систем и устройств, в которых структура регулируется в нанометровом интервале, т.е. в размере атомов, молекул и надмолекулярных образований [5, 6].

1. Выбор наномодифицированной добавки

Для строительной отрасли в настоящий момент идет активный поиск наномодифицированных ма-

териалов, представляющих собой традиционные материалы с добавлением малых частиц размером порядка нескольких микро- и нанометров для улучшения свойств и характеристик материалов [7, 8]. Существует несколько видов нанодобавок. В качестве примера нанодобавки можно рассмотреть углеродные нанотрубки (УНТ) [9].

УНТ представляют собой цилиндрические протяжённые структуры, которые имеют длину до нескольких сантиметров и диаметр также в диапазоне до нескольких десятков нанометров (имеются технологии, которые позволяют сплетать их в нити различной длины) [10]. Эти структуры состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей, они обычно заканчиваются головкой полусферической формы, которая может рассматриваться как часть молекулы фуллерена. Механизм образования фуллеренов в настоящее время точно не установлен, поэтому имеется предположение, что они образуются из атомов углерода, соединяющихся в слой сочлененных шестичленных бензольных колец, а затем в какой-то момент свора-

STUDY OF PROPERTIES OF NANOMATERIALS • ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ чивающих этот слой в тот или иной многогранник [11...17].

Для проведения исследований рассмотрены образцы цементов пенобетона. С целью улучшения механических свойств цементных камней более рациональным является использование вытянутых наночастиц, которые характеризуются высокой прочностью, инертными свойствами к щелочам и кислотам. Данные наночастицы армируют цементно-песчаный раствор и становятся кристаллизационными центрами, в итоге материал увеличивает прочность.

Наноматериалы и наночастицы имеют комплекс физических, химических свойств и биологическое действие, которые чаще всего радикально отличаются от свойств и действия этого вещества в виде макроскопических дисперсий или сплошных фаз. Наноматериалы обладают очень высокой удельной поверхностью (при расчете на единицу массы), то есть обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов из-за их высокой адсорбционной емкости, химической реакционной способности и каталитических свойств.

Наночастицы имеют возможность формировать различные структурные системы (элементы), могут быть одномерными, двумерными, трехмерными, фрактальными и образовывать их комбинации. Нанотехнологическое пространство обладает размерами, в которых происходят такие явления как: самоорганизация, синергетическое взаимодействие изменяющихся элементов. Метрический диапазон нанопространства находится в пределах 0,5–100 нм [18].

2. Модификация цементного камня углеродными нанодобавками

Для модифицирования структуры цементных камней наноразмерными частицами применяются два направления:

– целенаправленный процесс выращивания в твердеюще-вяжущей среде микрочастиц, которые необходимы для модифицирования структуры до наноразмеров;

– предварительный процесс синтеза микроскопических частиц и дальнейшее введение их в бетонный раствор.

Чаще всего встречается на практике второй метод, однако из-за высокой поверхностной активности углеродных нанотрубок при синтезе они приобретают форму конгломератов из порошковых гранул, что ведет к затруднению их равномерного распределения по всему объему композиционного материала. В результате данный процесс приводит к образованию материала с высокой неоднородностью по плотности, прочности и другим свойствам.

В качестве нанодисперсных модификаторов используют различные углеродосодержащие структуры наноматериалов (УНМ). Выбрали такую разновидность УНМ как «Таунит», представляющую собой пакетированные многослойные нанотрубки, имеющие преимущественно коническую форму графеновых слоев. Основные параметры УНМ разновидности «Таунит» представлены в табл. [19...21].

Гранулы УНМ имеют микрометрические размеры и структуру в виде спутанных пучков углеродных многостенных нанотрубок.

В процессе проведения экспериментов пенобетон содержал в своем составе углеродные нанотрубки марки «Таунит» в количестве 0,005–0,0005% от общей массы цемента.

В процессе изготовления наномодифицированно-го пенобетона важным является обеспечение равномерного распределения наночастиц, являющихся инициаторами схватывания цемента, в объеме бетона [22].

Микроструктуры образцов цемента исследовались с применением высокоразрешающего электронного микроскопа Merlin компании CARL ZEISS,

Таблица

Параметры углеродного наноматериала «Таунит»

Вид угле-родсодер-жащего материала	Параметры УНМ
	Диаметр внешний, нм	Диаметр внутренний, нм	Объем примесей общий, %	Длина, мкм	Термостабильность, о С	Поверхность удельная геометрическая, м2/г	Плотность насыпная, г/см3
Таунит	20–70	5–10	до 1	2 и более	до 600	120 и более	0,4–0,6
Таунит-М	30–80	10–20	до 1	20 и более	до 600	180–200	0,03–0,05
Таунит-МД	8–15	4–8	до 1	2 и более	до 600	300 и более	0,03–0,05

STUDY OF PROPERTIES OF NANOMATERIALS • ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ предназначенного для измерений линейных размеров микрорельефа твердотельных структур.

Сколы исследуемых образцов цементного материала в соотношении 80/20 напыляли сплавом Au/ Pd в вакуумной установке Quorum 150T ES. Универсальная система Q150T ES позволяет работать в режиме напыления металлами и углеродом, с автоматической системой контроля вакуума и с возможностью программирования для напыления различных материалов.

Выявлено, что введение однослойных УНТ марки «Таунит» характеризуется процессом образования плотной однородной и более мелкой кристаллической структуры в сравнении с контрольным образцом цементно-песчаного материала. При введении многослойных УНТ марки «Таунит» в цементный раствор микроскопическая структура цементного образца характеризуется рыхлой и неоднородной структурой [2].

Добавление в цементный раствор нанодисперс-ных модификаторов позволяет повысить прочность бетонных и пенобетонных материалов.

При добавлении в раствор цемента частиц «Тау-нит» прочностные характеристики при изгибающих нагрузках цементно-песчаной композиции по истечению 7 суток при нормальном затвердевании увеличиваются на 35% , по истечению 28 суток – на 30%, при сжимающих нагрузках повышение ее прочностных характеристик стало равным 42% и 22%, соответственно, по отношению к первоначальному составу без добавления наномодифицированных частиц.

В процессе модификации цементного раствора УНТ наблюдается более мелкая кристаллическая структура, это объясняет процесс повышения прочностных характеристик при испытаниях на сжатие и изгиб модифицированного цементно-песчаного раствора.

Для выполнения экспериментов использовалось аналитическое оборудование для фундаментальных исследований свойств наноструктур и наноматериалов Центра нанотехнологий Республики Татарстан, Междисциплинарного центра «Аналитическая микроскопия» Казанского федерального университета, научной лаборатории «Нанотехнологии в строительстве» Казанского государственного архитектурностроительного университета.

3. Теплоизоляционный материал с применением на-номодифицированного пенобетона

Для снижения потерь тепловой энергии при транспортировке теплоносителей рекомендуется применение теплоизоляции трубопроводов с добавлением различных композиционных материалов. Авторы предлагают использовать в качестве теплоизоляционного материала наномодифицированный монолитный пенобетон. В качестве компонента изоляционного материала использованы углеродосодержащие наноструктуры [23, 24].

На основе полученного наномодифицированного пенобетона предлагается устройство теплоизоляции трубопроводов, которое представлено на рис.

Рис. Конструкция нанотеплоизоляции тепло- и нефтетрубопровода: 1 – трубопровод,

2 – наномодифицированный монолитный пенобетон, 3 – оболочка, 4 – крепление, 5 –диафрагма,

• 6 – воронка для подачи наномодифицированного монолитного пенобетона;

• а) поперечное сечение; б) продольное сечение

STUDY OF PROPERTIES OF NANOMATERIALS • ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Теплоизоляция трубопроводов наносится на трубопровод 1 и состоит из монолитного наномодифи-цированного пенобетона 2, пластиковой оболочки 3, крепления опалубки между собою 4, специальных диафрагм жесткости 5, воронки для подачи нано-модифицированного пенобетона 6.

Процесс нанесения теплоизоляции заключается в проведении следующих технологических операций: устанавливается опалубка из пластиковой оболочки, приготавливается пенобетон с использованием углеродных нанотрубок марки «Таунит». Затем приготовленный наномодифицированный пенобетон подается в установленную опалубку.

Геометрические размеры опалубки зависят от диаметра трубопровода. Специальная пластиковая опалубка в зависимости от требований, предъявляемых к нему, может изготавливаться любой конфигурации.

Предлагаемый способ теплоизоляции трубопроводов с использованием УНТ в составе монолитного пенобетона может использоваться как при новом строительстве, так и при реконструкции существующих трубопроводов.

Монолитный наномодифицированный пенобетон изготавливается на специализирующемся заводе и доставляется к месту строительства автомобильным транспортом [25].

Разработка наномодифицированного монолитного пенобетона направлена на повышение долговечности и эксплуатационной надежности теплотрубопроводов, малую трудоемкость изготовления теплоизоляции, снижение потерь тепловой

энергии при транспортировке теплоносителя при одновременном сокращении сроков изготовления теплоизоляции.

Трубопроводы с теплоизоляцией из наномоди-фицированного пенобетона имеют высокий срок службы и низкую теплопроводность, отличаются простотой выполнения монтажных работ.

На основе выполнения экспериментов по созданию наномодифицированного пенобетона получены патент РФ на полезную модель № 154256 [26] и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014663065 [27].

Технология изготовления наномодифицирован-ных пенобетонов не требует нового технологического оборудования, а их стоимость увеличивается не более чем на 10–20%. Преимущества нанобетонов определяются особой микроструктурой, формируемой вследствие самоорганизации цементного раствора на наноуровне.

Применение наномодифицированных бетонов в строительной отрасли ТЭК может дать большой экономический и экологический эффект [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана разновидность теплоизоляции из наномодифицированного пенобетона, имеющего в составе углеродные нанотрубки марки «Таунит». Применение наномодифицированных добавок в составе пенобетона позволило увеличить прочность цементного камня на 20%.