Цемент является одним из наиболее широко используемых материалов в строительной отрасли. В 2011 году ожидаемый общий объем производства цемента в мире составил 3400 миллионов тонн. Китай является крупнейшим производителем, на долю которого приходится 2 млрд. тонн продукции. На втором месте Индия (210 млн. тонн), за которой следуют США (68 млн. Тонн) .
Несмотря на широкое использование, материалы на основе цемента имеют плохие механические свойства и очень проницаемы для воды и агрессивных химических веществ, что снижает его долговечность. Кроме того, цементная промышленность является одной из значительных источников выбросов CO 2 , на которую ежегодно приходится 5-6% глобальных антропогенных выбросов CO 2 . Однако растущий спрос на высокоэффективные конструкционные материалы и компоненты привел к быстрому развитию новых классов материалов.
Нанотехнологии могут играть значительную роль в строительной отрасли и занимают восьмое место с точки зрения наиболее важных областей применения нанотехнологий .
Наноинженерия материалов на основе цемента может привести к выдающимся или «умным» свойствам. Внедрение нанотехнологий в цементной промышленности имеет потенциал для решения некоторых проблем, таких как выбросы CO 2 , плохая трещиностойкость, длительное время отверждения, низкая прочность на разрыв, высокое водопоглощение, низкая пластичность и многие другие механические характеристики.
Заметное улучшение механических свойств и долговечности цементных материалов может наблюдаться при включении наноматериалов, таких как нано-SiO 2 , ZnO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , углеродных нанотрубок, наноглин, углеродных нановолокон и других наноматериалов.
Патентный анализ
Текущий патентный анализ был проведен для того, чтобы получить обзор патентного ландшафта для приложений нанотехнологий в цементной промышленности, с акцентом на выявление наноматериалов для улучшения свойств, новых тенденций в этой области. Все ключевые слова, имеющие отношение к вяжущим материалам, а также возможные синонимы, сокращения были собраны путем изучения полного текста избранных патентов, которые точно относятся к концепции гидравлических цементов.
Рост в патентах
В результате анализа патентной деятельности, связанной с применением нанотехнологий в цементной промышленности, получено 368 патентов. Начиная с 2007 года можно наблюдать резкое увеличение публикации выданных либо опубликованных патентов в год в связи с коммерческим успехом в использовании наноразмерных материалов в качестве цементных ингредиентов.
Нано-активированная цементная патентная классификация
Патентный анализ ограничивается применением нанотехнологий в гидравлическом цементе (цемент, который будет схватываться и затвердевать после соединения с водой). Наноматериалы широко используются в портландцементной промышленности (приготавливаются путем нагревания глины и известняка в печи и измельчения смеси) по сравнению с не портландцементами, что можно четко наблюдать по количеству патентных заявок в обоих классах. Большинство патентов подано в области композитного цемента (74 патента) и обычного портландцемента (OPC) (71 патент) соответственно, за которым следует цемент на основе гипса с 27 заявками на патенты.
Географическое распределение
Китай является мировым лидером в подаче заявок на патенты, их 154 заявки на патенты составляют 41% от общего числа заявок, представляя основную и активную роль в исследованиях и разработках в области наноматериалов на цементных материалах. Южная Корея является второй ведущей страной с 55 патентами (15% заявок на патенты) на цемент с наноразмерными добавками, за которыми следуют США с 51 патентом. Россия, Германия, Япония, Франция и Индия являются другими ведущими странами, подающими заявки на патенты, с 37, 18, 11, 9 и 5 патентами соответственно, в то время как остальные патенты представляют незначительный вклад от остального мира.
Анализ патентообладателей
Дагестанский государственный университет (Россия) имеет в своём активе 15 патентов , которые в основном направлены на разработку жаропрочных и высокопрочных бетонных материалов. Halliburton Energy Services Inc (США) занимает второе место с 14 патентами, которые направлены на цементирование газовых, нефтяных или водяных скважин с использованием наноцементных материалов. Другими крупными цессионариями являются университеты или компании из Китая. Среди всех правопреемников компании вносят 60% (221 патент) от общего числа патентов, поданных на нанотехнологические применения в цементной промышленности во всем мире, что указывает на высокий уровень коммерциализации и НИОКР в больших масштабах, в то время как университеты либо НИИ владеют 24% (89 патентов) патентов, остальные патенты подаются индивидуальными изобретателями.
Технологический анализ
Введение наноразмерных материалов в цементные материалы стало перспективным решением для улучшения свойств и характеристик цементных материалов.
Анализ показывает, что наноматериалы в основном используются для улучшения различных мехнических свойств цементных материалов. Введение углеродных нанотрубок (УНТ) в цемент приводит к улучшению различных механических свойств, а также придает чувствительность цементу. Однако плохая дисперсия УНТ является основным препятствием для достижения хороших механических характеристик в композите.
Нанокремнезем все чаще используется в качестве замены микрокремнезема в цементной промышленности. Из-за своей высокой реакционной способности и сверхтонкой природы он обычно используется в бетонных смесях в больших количествах, тем самым снижая содержание цемента на 40%, что приводит к меньшим выбросам CO 2 и загрязнению окружающей среды. Включение нанокремнезема в цементный раствор дает улучшенные механические свойства, более низкую пористость и проницаемость, которые являются решающими факторами для увеличения срока службы.
Нанотитания хорошо известна своей химической стабильностью и низкой токсичностью. Более того, она действует как окислитель при ультрафиолетовом излучении. Бетон, содержащий нанотитаний, показал эффективное самоочищающееся свойство, и его используют в качестве основного компонента в полимерно-цементном растворе для фотокаталитического разложения оксида азота (NO x ) и других загрязняющих веществ.
Нано-глинозем широко используется в цементном растворе для повышения модуля упругости цементного материала. Средство для заливки алундум-муллита обладает высокой прочностью на сжатие, хорошей стойкостью к стирке, коррозионной стойкостью и высокой стойкостью к тепловому удару и может выдерживать быстрые изменения температуры.
Добавление карбоната кальция к цементному водному композиту обеспечивает повышенную твердость и износостойкость бетона. Прочность на сжатие композита, содержащего нанокарбонат кальция, увеличилась, по меньшей мере, на 25% и показала 40% -ное улучшение потери жидкости по сравнению с цементным композитом без нано-карбоната кальция.
Карбонат кальция также используется в качестве наномодификатора для уменьшения периода индукции гидратации , что приводит к повышению устойчивости к разрушению бетона при высоких температурах. Полимерно-глинистые нанокомпозиты показывают улучшение механических свойств и барьерных свойств цемента с наноразмерными свойствами.
Нанокремнезем, углеродные нанотрубки, нанокомпозит карбоната кальция, нанотитания, нанооксид алюминия и полимерные (глинистые) нанокомпозиты являются наиболее часто используемыми наноматериалами. Эти наноматериалы в основном используются для улучшения различных механических свойств цементирующих материалов, таких как трещиностойкость, коррозионная стойкость, прочность на разрыв и прочность на сжатие.
Хотя применение нанотехнологий в цементной промышленности является новой областью, тенденции в патентных данных указывают на то, что коммерческая адаптация этой технологии уже началась, и в ближайшем будущем нано-активированный цемент готов занять обширную цементную промышленность.
