Развитие нанотехнологий в строительстве - актуальнейшая задача ученых и инженеров

Актуальность работы

Энерго- и ресурсосбережение является генеральным направлением современной технической политики в области строительного материаловедения. В комплексе мер по энергосбережению возрастают требования к теплозащите ограждающих конструкций и повышению комфортности зданий [1]. Основным способом снижения энергозатрат является

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Потребляемая в России энергия на отопление зданий, производство строительных материалов и изделий, строительство в 2–2,5 раза превышает ее потребление в развитых странах мира, в первую очередь, за счет меньшего термического сопротивления ограждающих конструкций и больших теплопотерь.

Однако производство эффективного по теплофизическим характеристикам неавтоклавного ячеистого бетона низких марок по средней плотности является проблемным из-за сложности обеспечения стабильной тонкодисперсной ячеистой структуры и высокой прочности, зависящих от рецептурно-технологических факторов. Одним из путей решения данной задачи является разработка принципов проектирования неавтоклавных ячеистых материалов с направленно регулируемыми свойствами и эффективным структурированием на всех размерных уровнях организации матрицы для производства композитов строительного назначения, с заданной гетерогенностью структуры. Именно при использовании таких подходов можно перейти на новый этап производства строительных материалов, изделий и конструкций, отличающихся простотой, мобильностью, экономичностью, высокими эксплуатационными свойствами и конкурентоспособностью изготовляемой продукции, отвечающей требованиям рынка.

Работа выполнялась: по тематическому плану г/б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007–2011 гг.; в рамках программы «У.М.Н.И.К.», «СТАРТ–2009» по теме «Оптимизация составов и структуры пеногазобетонов на основе модифицированных вяжущих» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; премии для поддержки талантливой молодежи «Оптимизация состава ячеистого бетона за счет моделирования механизма формирования пористой структуры» (2008 г.).

Цель работы – разработка теплоизоляционного неавтоклавного пе-но-газобетона с использованием нанокристаллического модификатора структуры и нанодисперсного компонента комплексного порообразова-теля. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• •    разработка состава вяжущего, структурированного нанокристал-лическим модификатором;

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

• •    обоснование возможности использования нанодисперсного газоо-бразователя в составе комплексного порообразователя и разработка его состава;

• •    разработка составов и технологии неавтоклавного пеногазобетона с нанокристаллическими модификаторами структуры и на основе комплексного порообразователя;

• •    разработка критериев и методов оценки оптимизации структуры неавтоклавного пеногазобетона;

• •    подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна

Предложены теоретические основы управления процессами струк-турообразования неавтоклавного пеногазобетона на основе комплексного порообразователя с нанодисперсным газообразователем (НДГ) и модифицированного вяжущего с использованием нанокристаллического корунда (НКМ), заключающиеся в формировании матрицы композита на всех размерных уровнях с использованием, как физико-химических процессов, так и технологических факторов при формировании структуры материала на различных этапах его производства. Разработанный пеногазобетон обладает заданной степенью поризации и стабильной ге-теропористой структурой за счет варьирования состава комплексного порообразователя, что обеспечивает более плотную структуру межпоровых перегородок и, соответственно, повышенные технико-эксплуатационные показатели.

Предложен механизм процесса структурообразования цементной матрицы ячеистого композита, заключающийся в модифицировании вяжущего нанокристаллическим корундом (3D-HKM), выступающим в качестве центров кристаллизации и интенсифицирующим рост гидратных новообразований вяжущего правильной призматической и гексагональной формы. Это обеспечивает снижение дефектности микроструктуры, влияющей на прочностные показатели композитов, за счет уменьшения количества негативной (разрывов, щелей, свищей) нано-, микро- и макропористости.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования активированного нанодисперсного алюминия

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров в качестве газообразователя в составе комплексного порообразователя. Характер кинетики газовыделения НДГ позволяет создать гетеропори-стую структуру при одновременном уплотнении межпористых перегородок за счет давления газа без нарушения целостности каркаса предварительно механически поризованного композита. Это позволяет синтезировать теплоизоляционные ячеистые композиты с минимальными усадочными деформациями, повышенными прочностными показателями и сниженным коэффициентом теплопроводности, за счет наличия полидисперсной пористой структуры с размером пор от 0,315 до 1,25 мм.

Установлены основные зависимости, связывающие свойства неавтоклавного пеногазобетона: со свойствами вяжущего; реотехноло-гическими характеристиками раствора; соотношением компонентов в комплексном порообразователе; последовательностью введения компонентов. На их основе проведены расчеты топологических параметров системы в целом, подтверждающие оптимизацию состава материала за счет использования комплексной поризации и модификации композита на различных размерных уровнях.

Практическая значимость работы

Разработаны составы модифицированных вяжущих на основе тонкомолотого цемента (ТМЦ) с использованием нанокристаллического модификатора – корунда (НКМ), с активностью, на 30% превышающей показатель исходного ТМЦ. Применение ТМЦ с Буя = 400 м2/кг позволит осуществить экономию энергозатрат на помол при достижении требуемой прочности.

Предложены составы комплексного поризатора на основе пенообразователя «Пеностром» и нанодисперсного газообразователя, позволяющего синтезировать пеногазобетон с заданной гетеропористостью структуры. Расчетно-экспериментальным методом определены точки критической пористости ячеистых систем на основе ЦЕМ I 42,5 Н, ТМЦ и разработанного модифицированного вяжущего.

Установлены зависимости газовыделения от минералогического состава цемента. Использование данных зависимостей при прогнозировании производственных рецептур позволяет регулировать газовы-деление и кинетику вспучивания композита и соответственно степень поризации структуры.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

Предложены составы пеногазобетона на основе комплексного по-рообразователя с НДГ и модифицированного вяжущего с НКМ, позволяющие получать ячеистые изделия с плотностью 300–500 кг/м3, пределом прочности на сжатие 1,5–2,3 МПа, теплопроводностью 6,05– 0,07 Вт/мС.

Получены закономерности изменения свойств теплоизоляционных ячеистых композитов и эмпирические зависимости, дающие количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности, а также их совокупности на изменение системы «состав–свойства» для использования при проектировании производственных рецептур смесей и прогнозировании их физико-механических свойств.

Предложена технология пеногазобетона, позволяющая осуществить внедрение разработанных составов, как при строительстве нового производства, так и при модернизации существующих предприятий по производству ячеистых неавтоклавных бетонов.

Внедрение результатов исследований

Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Экостройматериалы» Белгородской области. Полученная партия материала была использована при строительстве малоэтажного дома в п. Новосадовый. Внедрение технологии проводится при финансировании в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве ячеистого бетона с механо-химической поризацией разработаны следующие нормативные документы:

• •    рекомендации по применению наноразмерного поризатора в технологии пеногазобетонов;

• •    стандарт организации СТО 02066339-002-2010 «Теплоизоляционный пеногазобетон с модифицирующими нанокомпонентами»;

• •    технологический регламент на производство теплоизоляционных пеногазобетонных блоков.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе: при подготовке инженеров по специ-                         ( к содержанию 3

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров альности 270106 «Производство строительных материалов изделий и конструкций» специализации «Наносистемы в строительном материаловедении»; магистров по направлению «Строительство»; при переподготовке специалистов в рамках контракта с ПС «Роснанотех» № 1 /10 от 11.01.2010 г.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международном форуме «Ломоносов–2008, 2010» (Москва, 2008, 2010); Научно-практической конференции «НТТМ – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2008); III–V Академических чтениях РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (Белгород, 2008–2010); Международных форумах по нанотехнологиям ГК «Роснанотех» (Москва, 2008, 2009); Всероссийском съезде производителей бетона, (Москва, 2009); Всероссийских молодежных инновационных конвентах (Москва, 2008, Санкт-Петербург, 2009); «Селигер-2009», смене «Инновации и техническое творчество» (Тверская область, 2009).

Публикации

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в центральных рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ. На состав и технологию пеногазобетона подано две заявки на патент № 2008142460 и № 2009116787, приоритет от 28.10.2008 г. и 05.05.2009 г. соответственно.

Бухало Анна Борисовна. Теплоизоляционный неавтоклавный пе-ногазобетон с нанодисперсными модификаторами : дис.... канд. техн. наук. Белгород: гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. 2010. 177 с.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫЕ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НАНОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСНОЙ МУКИ

Актуальность

Древесно-полимерные композиты (ДПК) – это особый класс композиционных материалов с содержанием древесного наполнителя более 50 масс.%. Традиционные ДПК на основе термореактивных фенол- и карбамидоформальдегидных смол, древесных стружек и опилок (ДСП, ДВП и МДФ) отличаются невысокими физико-механическими характеристиками, низкой водо- и биостойкостью и повышенной токсичностью [1].

Производство ДПК на основе термопластов является на данный момент одним из наиболее перспективных для получения высококачественных экологически чистых материалов. Практически все используемые ДПК являются жесткими композитами и используются для замены древесины в домостроении, садовой архитектуре, изготовления оконных и дверных профилей и других профильно-погонажных изделий, подоконников и мебели. Мировой рынок ДПК находится в стадии роста, и ежегодное увеличение объемов производства за последние 7 лет составляет порядка 15%.

В мировой практике в качестве полимерных матриц обычно применяются три группы термопластичных полимеров: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ). Композиты на основе ПВХ имеют ряд неоспоримых преимуществ: повышенные прочностные показатели, разнообразие возможностей переработки, негорючесть и уникальная способность ПВХ к модификации с целью получения широкой номенклатуры изделий. Однако по объемам применения ПЭ и ПП занимают до 90%, а небольшой процент применения ПВХ объясняется сложностью его переработки ввиду низкой стойкости к энергетическим воздействиям и высокой вязкости расплавов.

При создании высоконаполненных ДПК проводят модифицирование поверхности древесного наполнителя (в качестве которого, преобладающим образом, используется древесная мука марки 180) связующими агентами - веществами, обеспечивающими совместимость полимера и древесных частиц. Но все известные на сегодняшний день связующие

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров агенты, эффективные в полиолефиновых матрицах, при попытке использования в ПВХ-композитах не дают положительного результата, приводя даже к снижению показателей.

Поэтому поиск эффективных модификаторов для древесной муки, способствующих увеличению степени наполнения ПВХ и улучшению физико-механических и технологических характеристик этих строительных композитов, является актуальной научной и прикладной задачей. В настоящее время популярна модификация полимеров нанодобавками, позволяющая создавать композиты нового поколения с улучшенными характеристиками при использовании микродоз модификаторов. Данные об использовании наномодификаторов в составе ПВХ-композитов с древесным наполнителем в литературе отсутствуют, хотя в силу высокой поверхностной энергии они могли бы быть эффективными связующими агентами.

Диссертационная работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. (ГК16.740.11.0026) на тему «Физико-химические основы наномодификации строительных материалов на базе линейных и сетчатых полимеров».

Цель работы – создание высоконаполненных ПВХ-композиций строительного назначения с использованием древесной муки, модифицированной эффективными наноразмерными связующими агентами. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• 1.    обосновать эффективность применения нанодобавок для модификации древесной муки с целью увеличения ее взаимодействия с ПВХ с учетом вещественного и химического состава, формы и дисперсности наночастиц. Предложить гипотезы о механизмах взаимодействия древесной муки с выбранными наномодификаторами;

• 2.    изучить влияние параметров древесной муки (размера и формы частиц, породы древесины и ее влажности) на свойства высоконапол-ненных ПВХ-композиций строительного назначения;

• 3.    разработать технологию модифицирования древесной муки малыми дозами связующих наноагентов;

• 4.    подобрать оптимальные концентрации связующих агентов-модификаторов, обеспечивающих высокие эксплуатационные и технологические показатели строительных ПВХ-материалов на основе мо-

• А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

• 5.    апробировать в производственных условиях разработанные оптимальные рецептуры с выпуском опытно-промышленных партий материалов и изделий строительного назначения на основе ПВХ.

дифицированной древесной муки. Установить максимальную степень наполнения ПВХ наномодифицированной древесной мукой;

Научная новизна

Установлен эффект усиления высоконаполненных поливинилхлоридных ДПК при модификации древесной муки малыми дозами (до 0,35%) кремнезоля, обусловленный уменьшением концентрации кислотных центров на поверхности древесных частиц в результате их химического взаимодействия с кремнезолем и снижением капиллярной пористости наполнителя.

Установлена эффективность модификации древесной муки водными дисперсиями многослойных углеродных нанотрубок, приводящая (при концентрации последних в древесной муке до 0,008%) к увеличению межфазного взаимодействия в ПВХ-композите в результате блокирования активных функциональных групп кислотного характера на поверхности частиц древесной муки.

Обнаружено повышение термостабильности (на 20–30 мин.) ПВХ-композиций при введении малых доз связующих агентов, причем в присутствии УНТ этот эффект в 4–5 раз выше, чем в случае с крем-незолем.

Практическая значимость

• 1.    Разработаны технологические рекомендации по выбору древесной муки по показателям дисперсности, морфологии частиц, влажности и породы древесной муки для достижения наибольшего положительного эффекта в пластифицированных и жестких ПВХ-композициях строительного назначения.

• 2.    Впервые разработаны высоконаполненные композиции на основе жесткого ПВХ и древесной муки, модифицированной кремнезолем или УНТ, со степенью наполнения до 60 масс.% при повышении показателя текучести расплавов (ПТР) на 20–25%, прочности при растяжении – на 15–25%, термостабильности – на 10–20%.

• 3.    Разработана технология модификации древесной муки нанораз-мерными связующими агентам и предложены композиции для производства высоконаполненных ДПК строительного назначения.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

Реализация работы

Осуществлен выпуск опытно-промышленной партии террасной доски на предприятии ООО «В+2» (п. Приволжский, Республика Марий Эл). Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов строительно-технологической специальности в рамках дисциплин «Полимерные строительные материалы», «Полимерные нанокомпозиты». Выполнены дипломные научно-исследовательские работы.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечиваются большим объемом экспериментальных данных, полученных современными методами испытаний и исследований (оптическая и электронная микроскопия, ИК-спектроскопия, химический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия), корреляцией экспериментальных результатов, полученных разными независимыми методами.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 59–63 Всероссийских научных конференциях НТК КГАСУ (2006–2011); Третьих воскресенских чтениях «Полимеры в строительстве» (Казань, 2009); XV Академических чтениях РААСН – Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2010); Всероссийском семинаре аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Конструкционные наноматериалы» (Москва, 2010); III Международной конференции «Nano-technology for eco-friendly and durable construction» (Каир, 2011); IV Международной конференции-школе по химии и физикохимии олигомеров «Олигоме-

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров ры–2011» (Казань, 2011); XVIII Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2011).

Работа отмечена Дипломом VI конкурса «50 лучших инновационных идей для РТ» (2010) и Дипломом I степени Республиканского конкурса научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии имени Н.И. Лобачевского (2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ (в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 научные статьи). Поданы 2 заявки на патенты: «Древесно-полимерная композиция на основе жесткого поливинилхлорида» (№ 2010141513 от 08.10.2010) и «Способ получения древесно-полимерной композиции на основе жесткого поливинилхлорида» (№ 2011116744 от 27.04.2011).

Бурнашев Айрат Ильдарович. Высоконаполненные поливинилхлоридные строительные материалы на основе наномодифицирован-ной древесной муки : дис.... канд. техн. наук. Казань: Казан. гос. архи-тектур.-строит. ун-т. 2011. 159 с.

Редакция Интернет-журнала «Нанотехнологии в строительстве» предлагает кандидатам и докторам наук опубликовать результаты своих исследований по тематике издания [2].

Уважаемые коллеги!

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

Карпов А. И. Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2013, Том 5, № 3. C. 79–91. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Karpov A.I. Development of nanotechnologies in construction – a task which is of great importance for scientists and engineers. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2013, Vol. 5, no. 3, pp. 79–91. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).