Нанотехнологии и наноматериалы открывают новые интересные возможности в строительной отрасли и архитектуре, например, благодаря разработке очень прочных, долговечных и в то же время чрезвычайно легких строительных материалов. Новые изоляционные материалы с очень хорошими изоляционными характеристиками уже доступны на рынке, они позволяют проводить тепловую реабилитацию зданий, в которых обычная изоляция невозможна, и могут помочь повысить энерго-эффективность. Также доступен широкий спектр методов обработки поверхностей, включая стекло, кладку, дерево или металл; цель состоит в том, чтобы улучшить функциональность, а также продлить срок службы материалов. Такие поверхностные покрытия также обещают сберечь ресурсы, например, воду, энергию и чистящие средства.
Хотя исследовательский сектор интенсивно сообщает о новых нанотехнологических разработках, реальность показывает, что «нанопродукты» в строительной отрасли продолжают играть второстепенную роль и в настоящее время занимают лишь нишевые рынки. Строительный бизнес считается консервативным, и инновациям часто трудно выйти на рынок.
Одна из основных причин этого - сохраняющиеся высокие цены. В настоящее время наноматериалы - и, следовательно, «нанопродукты» - все еще значительно дороже традиционных альтернатив из-за необходимой технологии производства. Строительные материалы обычно используются в больших количествах: небольшая разница в цене может значительно увеличить общие затраты при рассмотрении общего объема здания или другой конструкции. Более того, сначала необходимо продемонстрировать технические характеристики новых продуктов. В зданиях расчетный временной интервал находится в диапазоне от 20 до 30 лет, что затрудняет, например, нанесение покрытия со сроком службы всего от 1 до 3 лет. По-прежнему отсутствует долгосрочный практический опыт работы со многими нанопродуктами, и мы просто слишком мало знаем об их сроке службы. Соответственно, строительная отрасль пока предпочитает полагаться на проверенные, традиционные продукты. Наши знания о нанотехнологических приложениях и продуктах, их доступности и эффективности в строительной отрасли в настоящее время очень ограничены.
Опрос, проведенный в 2009 году в строительном секторе Европы, показал, что большинство респондентов (~ 75%) не знали, работают ли они с «нанопродуктами» или нет. Отчасти это также объясняется отсутствием обязательной маркировки наноматериалов в строительных материалах: приставка «нано» - как и во многих других отраслях - используется в рекламе продукта только в том случае, если производители оправдали надежды на улучшение продаж. Часто пользователям не очевидно, действительно ли нанопродукт содержит наноматериалы, какие наноматериалы могут быть задействованы и в каких количествах они могут присутствовать.
Не все продукты, обозначенные термином «нано», на самом деле содержат наноматериалы. Часто термин «нано» просто относится к структурам в диапазоне наноразмеров, например, к размеру пор конкретного материала или к размеру структур, которые образуются при затвердевании строительного раствора. Использование обозначения «нано» в заявках на продукцию и в рекламе снова сокращается в последние годы. Это связано с тем, что информация о потенциальных рисках наноматериалов для окружающей среды или здоровья, в частности через средства массовой информации, привела к более осторожным моделям покупки.
В этой статье представлен обзор применения нанотехнологий и продуктов в строительной отрасли, и основное внимание уделяется вопросу о потенциальных рисках для окружающей среды и здоровья, которые могут быть связаны с этими продуктами.
Области применения и продукты
«Нанопродукты» в строительной отрасли в настоящее время сосредоточены в четырех секторах:
- строительные материалы на цементной основе;
- снижение шума и теплоизоляция или регулирование температуры;
- поверхностные покрытия для улучшения функциональности различных материалов, а также;
- противопожарная защита.
На основании спецификаций производителя Немецкая торговая ассоциация строительной индустрии (deutsche Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft; BG Bau) составила список строительных и чистящих средств, рекламируемых под заголовком «нано» или использующих нанотехнологические эффекты. Список также содержит информацию о том, можно ли объяснить свойства продукта добавлением наночастиц или наноструктур. Исходя из крайнего срока 19 января 2012 г.
1. Строительные материалы на цементной основе
а. Бетон со сверхвысокими характеристиками (UHPC)
Бетон - это разновидность искусственного камня, состоящего из цемента, заполнителей (песок, гравий, крошка) и воды.
Ежегодно во всем мире производится более десяти миллиардов тонн бетона, что делает его по объему крупнейшим в мире продуктом, производимым человеком, и, безусловно, самым важным строительным материалом в строительной отрасли. Прочность бетона можно отнести к мельчайшим кристаллическим иглам (гидратам силиката кальция), которые прочно соединяются друг с другом в процессе твердения. Электронные микроскопы можно использовать для изображения и изучения структур вплоть до наномасштаба, включая анализ корреляции между наноструктурой конструкционного материала и его свойствами. Это позволяет целенаправленно оптимизировать строительные материалы для конкретного применения. За последние несколько лет это привело к новым разработкам и материальным улучшениям.
Наноразмерные связующие могут придавать бетону, как обычному строительному материалу, новые свойства в отношении удобоукладываемости, прочности и долговечности. Добавление наночастиц диоксида кремния заполняет поры в бетоне, делая его более плотным и твердым. Бетон со сверхвысокими характеристиками / высокой прочностью также содержит стальную фибру, улучшающую прочность на разрыв. Эти типы бетона достигают стальной прочности на сжатие более 200 Н / мм. Полимерные добавки (например, искусственные смолы) способствуют разжижению и стабилизации цементной суспензии, которая используется для разработки самоуплотняющихся бетонов. Высокая прочность и плотность UHCP позволяют создавать особенно легкие и хрупкие конструкции, такие как мосты. Мост, открытый в 2007 году через реку Фульда в Касселе (Германия), стал первым более крупным мостом в Германии, в котором для сборных элементов использовался сверхвысококачественный бетон. Кроме того, бетонные элементы были соединены с помощью новой техники соединения.
б. Ремонтный раствор для ремонтных работ по бетону
Внешние воздействия, например, соленый, влажный воздух, мороз, ветер и дождь, наряду со старением и большими нагрузками, повреждают бетонные конструкции, создавая трещины, а также сколы и отслаивания на поверхности. Это обременяет строительную отрасль высокими затратами. Новые ремонтные растворы, которые по спецификации производителя основаны на нанотехнологиях, отличаются улучшенными техническими характеристиками, такими как повышенная плотность, прочность на изгиб и сжатие при растяжении, а также морозостойкость. Также говорят, что они помогают свести к минимуму повреждение бетона. Кроме того, малый вес и простота обработки обещают пользователю дополнительные преимущества, представляет собой основу для улучшения качества и плотности наноструктур в цементном тесте.
c. Фотокаталитически активные бетонные изделия и покрытия
Под воздействием (УФ) -света и воды (влажности) наноразмерный диоксид титана ускоряет химические реакции. При этом образуются кислородные радикалы, которые разрушают и разлагают органический материал. Этот процесс, известный как фотокатализ, применяется в строительной индустрии и архитектуре для создания «самоочищающихся» строительных материалов и разложения загрязнителей воздуха. Фотокаталитическая активность нано-TiO, когда он впитывается в цемент или наносится слоем на бетон, помогает разлагать грязь, состоящую из органических веществ, которые затем смываются дождем. Внешне постройки дольше сохраняют свой первозданный вид. Примером может служить «Юбилейная церковь» в Риме, построенная в 2003 году, белый бетон которой не показывает признаков загрязнения даже спустя годы.
Очистка воздуха - еще одна область применения фотокаталитически активных бетонных изделий. В мегаполисах большой проблемой является высокий уровень оксидов азота в результате автомобильного движения. Бетонные изделия, такие как кровля и брусчатка с фотокаталитическим TiO, предназначены для улучшения качества воздуха за счет преобразования оксидов азота из окружающего воздуха в нитраты. Еще одно потенциальное применение - это шумозащитные стены или дорожные покрытия. В проекте PICADA (Фотокаталитические инновационные покрытия для оценки степени загрязнения), финансируемом ЕС, эффективность фотокаталитически активного цементного раствора была исследована с помощью экспериментальной установки. Здесь зафиксировано снижение оксида азота на 40-80%. В реальных условиях эффективность шумозащитных стен с фотокаталитическим покрытием изучалась в Нидерландах в период с 2005 по 2009 год на испытательных участках автобана. Невозможно продемонстрировать улучшение качества воздуха за счет снижения содержания оксидов азота. Возможным объяснением этого результата может быть, среди прочего, слишком короткий контакт между воздухом и фотокаталитически активным покрытием.
В настоящее время специальный цемент с нано-TiO по-прежнему значительно дороже обычного цемента. Поэтому требуется тщательный анализ затрат и выгод, а также дополнительные исследования потенциально опасных побочных продуктов процесса фотокаталитического разложения. Исходя из имеющихся в настоящее время данных, предотвращение выбросов загрязняющих веществ в источнике будет более эффективным, чем использование дорогих фотокаталитических бетонных изделий или покрытий.
d. Стабилизация грунта в дорожном строительстве
Чтобы защитить дорогу от морозов, дорожное полотно необходимо правильно подготовить. Новые полимерные дисперсии с наноразмерным диоксидом кремния, подмешиваемым в цемент, предназначены для увеличения долговечности дорог и в то же время обещают улучшенную удобоукладываемость. Как и в бетоне со сверхвысокими характеристиками, SiO 2-нанопаста заполняет промежутки между частицами бетона, образуя особенно однородную и плотную бетонную матрицу. Кроме того, полимеры в дисперсии обладают водоотталкивающими свойствами. Это снижает водопоглощающую способность дорожного основания и повышает морозостойкость. Эти новые добавки обещают дополнительные преимущества: материалы, доступные на местном уровне (песок, глина или извлеченная земля), могут использоваться для создания дорожного полотна, в результате чего необходимо транспортировать меньше материала. Процесс схватывания связующих веществ (например, цемента) и полимерной добавки может происходить как в пресной, так и в соленой воде, а обработка возможна даже при температурах ниже -10 ° C. По заявлению производителя, эти нанополимерные дисперсии также подходят для герметизации. - и основания в гидротехнических сооружениях и строительстве канализационных каналов,
2. Теплоизоляция и шумоподавление, регулирование температуры
Одна из самых серьезных проблем в строительном секторе - это тепловая реконструкция существующих жилых и промышленных зданий. Здесь применение новых изоляционных материалов на основе нанотехнологий может внести важный вклад. В прошлом потребление энергии постоянно росло. В Австрии значение в 2009 году было почти на 80% выше, чем в 1970 году. В частных домах около 30% энергии используется для отопления помещений. Это указывает на большой потенциал экономии энергии. Австрийский план действий по энергоэффективности об энергоэффективности и энергетических услугах указывает, что 9% среднегодового потребления энергии должно быть сокращено на 17,5. Не позднее 2018 г. Меры по достижению этой цели включают повышение темпов ремонта жилых домов и тепловую реконструкцию всех послевоенных зданий (1950-1980), а также продвижение стандартов энергосберегающих и пассивных домов.
Инновации, связанные с нанотехнологиями, также позволяют обеспечить теплоизоляцию зданий, в которых обычная внешняя изоляция толщиной около 20 см невозможна (например, в старых зданиях со структурированным фасадом), и, таким образом, достичь очень хороших показателей теплоизоляции:
а. Аэрогель
Аэрогель - это особенно легкий материал, который, например, можно производить из кремнезема. Гель сушится с помощью специального процесса, в результате чего получается твердая пена, состоящая более чем на 95% из воздуха. Такие аэрогели на основе диоксида кремния были впервые произведены еще в 1930-х годах. Размер пор этого материала составляет всего несколько нанометров, что объясняет название бренда Nanogel®. Теплопроводность материала с порами в наномасштабе минимальна, потому что только несколько молекул газа имеют пространство в порах, что снижает передачу тепла от одной частицы газа к другой. Аэрогель внесен в Книгу рекордов Гиннеса 15 раз, в том числе как «лучший изолятор» и «самый легкий твердый материал». Сочетание аэрогеля и каменной ваты дает так называемый Aerowolle®, который используется в тонком гипсокартоне для внутренней изоляции. Аэрогель можно также залить между двумя оконными стеклами. Такое остекление успешно блокирует как инфракрасное излучение, так и шум. Тем не менее, аэрогель не является прозрачным, что дает эффект «полупрозрачного стекла». Изоляционная штукатурка с аэрогелем в настоящее время находится в стадии разработки и, как ожидается, появится на рынке в 2013 году.
б. Панели с вакуумной изоляцией (VIP)
Сердцевина этих специальных изоляционных панелей состоит из наноразмерного диоксида кремния, графита или карбида кремния в вакууме и окружена особенно плотным и стабильным ламинированным листом из синтетического материала и алюминия. Благодаря удалению теплопроводного воздуха эти панели толщиной всего 2-4 см достигают особенно высоких показателей изоляции, сравнимых с традиционными изоляционными материалами, такими как ок. Панели из пенополистирола толщиной 20 см. Такие VIP могут использоваться как внутри, так и снаружи, например, для стен, кровли и террас, а также в холодильных установках. Однако VIP-устройства относительно чувствительны, поскольку механическое повреждение может разрушить вакуум. Это делает невозможным обрезку до нужного размера. Более того, затраты в настоящее время все еще высоки.
в. Скрытое аккумулирование тепла («Phase Change Materials», PCM) - Регулирование температуры
Летом очень высокие температуры могут быть достигнуты в переоборудованных чердаках или в зданиях, построенных с использованием легких технологий. Этому можно противодействовать с помощью штукатурки, кирпича, бетона или глиняных панелей со встроенным ПКМ, которые производятся на основе парафиновых восков. При таком подходе шарики парафина с диаметром в микро- или нанометровом масштабе заключаются в прочное покрытие из пластика или акрилового стекла. Когда воск плавится при более высоких температурах, он извлекает тепловую энергию из окружающей среды за счет фазового сдвига от твердого к жидкому. Когда температура снова падает, например, ночью, воск снова становится твердым и выделяет эту тепловую энергию. Строительные материалы с PCM подходят для регулирования температуры в помещениях и, в оптимальном варианте, могут даже полностью заменить потребность в кондиционировании воздуха.
г. Электрохромные окна с нанопокрытиями
Электрохромные окна состоят из двух стеклянных панелей (сэндвич-панелей) с электропроводящим прозрачным покрытием. Промежуток содержит золь-гель-слой триоксида вольфрама. Подача небольшого электрического тока (до 3 В) делает это наноструктурированное покрытие синим и уменьшает прохождение солнечного света через ламинированное стекло. С помощью таких электрохромных стекол можно индивидуально регулировать поступление света и тепла в комнату. Время переключения зависит от размера окон и может составлять от трех до пяти минут, что может считаться недостатком. В отличие от обычных электрохромных оконных стекол, постоянного источника питания не требуется.
3. Покрытия поверхностей
В строительном секторе на рынке уже представлено множество продуктов на основе нанотехнологий, которые могут функционализировать различные поверхности. Основное внимание уделяется грязе - и водоотталкивающим свойствам, а также «самоочищающимся» покрытиям. К ним относятся фасадные краски, оконные стекла, черепица, защита поверхности строительных материалов от проникновения воды, мха, водорослей или плесени, а также покрытия «против граффити» или «против отпечатков пальцев».
4. Противопожарная защита
Специальное огнестойкое стекло состоит из двух стеклянных панелей, заполненных наноразмерным SiO толщиной всего 3 мм , который вспенивается в случае пожара. Такие стекла выдерживают непрерывное возгорание более 1000 ° C до 120 минут; у них есть дополнительное преимущество в том, что они очень легкие и тонкие. Само покрытие практически незаметно. Помимо применения в зданиях, эти стекла также используются для окон и иллюминаторов кораблей. Используя нано-SiO, можно покрыть легкие сэндвич-панели из соломы и пеньки, такие как те, которые используются в строительстве выставок, и сделать их огнестойкими. Несмотря на покрытие, напоминающее стекло, панели являются диффузионными и по истечении срока службы могут быть измельчены и утилизированы.
Наноструктурированные частицы силиката (так называемая «наноглина») могут быть включены в пластмассы для оптимизации их огнезащитных свойств и термостойкости. Такие нанокомпозитные материалы, например, применяются для изготовления изоляции кабелей или крышек (например, коробок предохранителей, розеток) во внутренней отделке.
5. Приложения, находящиеся в настоящее время в разработке
В зависимости от их особых свойств Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют особый интерес при разработке железобетона. Добавление всего 1% по весу УНТ может улучшить механические свойства. В частности, многослойные УНТ (MWCNT) могут увеличивать прочность на сжатие и растяжение. Еще предстоит решить технические проблемы, связанные с равномерным включением УНТ в бетонную матрицу (комкование УНТ, плохое связывание УНТ с матрицей). До сих пор эти проблемы, наряду с продолжающимися высокими затратами на производство и непредсказуемыми в настоящее время рисками для здоровья, связанными с УНТ, препятствовали внедрению конкретного продукта с УНТ. Датчики, основанные на нанотехнологиях (наноэлектромеханические устройства, NEMS), также находятся в стадии исследований и разработок. Их можно вживить в бетон и использовать для контроля качества и долговечности. В будущем.
Аспекты здоровья
В принципе, существует два пути воздействия на конечных пользователей наноматериалов из «продукта наноконструкций»:
1. При нанесении готового к использованию продукта (например, фасадной краски) или продукта, который смешивается с другим материалом на месте (например, добавка для бетона);
2. Во время разрушающей обработки «нанопродукта», например, сверления, шлифования или фрезерования.
Как рабочие, так и частные конечные пользователи могут соприкасаться с наноматериалами при использовании «наноконструкций», и поэтому они должны быть защищены от потенциальных опасностей для здоровья. В сфере защиты сотрудников это гарантируется правовыми нормами и соответствующими мерами по управлению рисками на предприятиях или в компаниях. Однако, особенно в случае конечных пользователей, информация о том, какой наноматериал присутствует, в какой форме и концентрации в продукте, часто отсутствует. Согласно Директиве ЕС по классификации, маркировке и упаковке веществ и смесей (Директива CLP 35) производители не обязаны сообщать своим клиентам, что их продукт содержит наноматериалы. Одним из возможных вариантов может быть Паспорт безопасности материала (MSDS), но в случае продуктов, которые поставляются с MSDS, производитель должен решить, включена ли такая информация о здоровье и безопасности для встроенного наноматериала. Соответственно, передача информации по всей цепочке создания стоимости - от производителя продукта, содержащего наноматериалы, до конечного пользователя - обычно не предоставляется.
Согласно нашему нынешнему уровню знаний, если наноматериал постоянно связан в матрице, например, в бетоне или изоляционном материале, то вероятность воздействия этого наноматериала очень мала или отсутствует, пока продукт деструктивно не лечится. Однако даже в последнем случае исследования показывают, что обработка нанокомпозитных материалов наждачной бумагой не приводит к высвобождению компонентов из наночастиц .
Одно исследование показало, что просверливание бетона с нанодобавкой привело к более высокой концентрации наночастиц в окружающем воздухе, чем в случае обычного бетона. К сожалению, доступные в настоящее время приборы для измерения размера частиц могут определять только количество частиц в единице объема воздуха: невозможно определить характеристики частиц, и поэтому состав и источник измеренных концентраций частиц не могут быть определены. Авторы исследования подозревают, что двигатель бура излучает больше наночастиц при проникновении в более плотный и твердый нанобетон из-за более высокой интенсивности бурения. В любом случае, при работе электроприборов и нагревательных устройств, а также в процессе горения, вероятно, выделяется более высокая концентрация наночастиц. Когда нанопокрытие распыляется или смешивается строительный раствор на строительной площадке, рабочие подвергаются потенциальной угрозе для здоровья из-за вдыхания пыли или мельчайших капель жидкости (аэрозолей).
В вышеупомянутом исследовании также изучалось воздействие на рабочем месте при работе с пыльными и жидкими материалами. Замешивание раствора привело к кратковременным пиковым концентрациям наночастиц в воздухе. Однако эти значения зависели от погодных условий: значительно более низкие концентрации были измерены при сильном ветре. Несколько более высокая концентрация наночастиц была зафиксирована при напылении покрытия, содержащего нано-TiO, хотя это также может быть связано с выбросами двигателя опрыскивателя. Результат вышеуказанных исследований рабочего места приводит к выводу, что вклад используемых машин (смесительные машины, дрели, дизельные двигатели и т. Д.) - а также сигаретный дым - вносит больший вклад в концентрацию наночастиц в окружающем воздухе, чем используемый «Нано-строительные изделия».
В Нидерландах так называемые «нанореференсные значения» были введены в качестве меры предосторожности из-за отсутствия пределов воздействия наноматериалов на рабочем месте. В приведенном выше исследовании эти контрольные значения не превышались ни в одной из исследованных ситуаций на рабочем месте. Соответственно, не было сочтено необходимым никаких дополнительных мер безопасности, связанных с наночастицами.
Чтобы избежать потенциальной угрозы здоровью сотрудников из-за наноматериалов, европейские производители наноматериалов, руководствуясь принципами предосторожности, в течение некоторого времени проводят профилактическую политику. Одним из примеров являются специальные кодексы поведения. Поскольку, в частности, вдыхание наночастиц представляет потенциальную опасность для здоровья 39, были приняты меры, чтобы предотвратить это. Таким образом, большинство наноматериалов производится в жидкой форме в виде суспензий или растворов или в герметичной среде, чтобы минимизировать риск воздействия. Более того, большинство добавок в виде наночастиц также продается производителями продуктов в жидкой форме. Если это невозможно по техническим причинам, например, в случае кварцевой пыли для бетона со сверхвысокими характеристиками, тогда следует искать другие решения. Одним из примеров является использование водорастворимых упаковочных материалов, которые не влияют на свойства бетона. Некоторые отрасли, такие как лакокрасочная промышленность, также составили специальные оперативные руководства по безопасному использованию наноматериалов.
Экологические преимущества и угрозы
Потенциальные экологические преимущества «нанопродуктов» наряду с потенциальными экологическими угрозами со стороны наноматериалов уже рассмотрены в двух досье нанотрастов, поэтому этот вопрос будет рассмотрен здесь только вкратце.
Ожидаются экологические преимущества строительных продуктов, содержащих наноматериалы, или продуктов, основанных на нанотехнологиях, особенно в секторах энергосбережения и сохранения ресурсов. Новые изоляционные материалы могут помочь снизить потребность в энергии для отопления и охлаждения жилых зданий и офисных помещений, а также могут применяться в тех случаях, когда обычная изоляция невозможна. Специальные нанопокрытия могут увеличить срок службы материалов или, как в случае «самоочищающихся» покрытий, могут помочь уменьшить усилия по очистке и, следовательно, снизить потребность в энергии, воде и чистящих средствах. Однако для большинства «наноструктурных продуктов» не доступны всеобъемлющие анализы жизненного цикла или сравнительные оценки экологического баланса (по сравнению с обычным строительным материалом).
Поскольку в настоящее время «наноконструкционные изделия» играют на рынке лишь второстепенную роль, нынешняя экологическая угроза, создаваемая наноматериалами, кажется незначительной. Тем не менее, данные о воздействии практически отсутствуют, поэтому в настоящее время невозможно провести всестороннюю оценку риска для любого наноматериала. Отходы и сточные воды представляют собой основные потенциальные источники попадания в окружающую среду. В случае «продуктов наноконструкций» это будет сброс строительного мусора с наноматериалами или неправильная утилизация красок или лаков через канализационную систему. Исследования показали, что наночастицы TiO из фасадных красок могут вымываться и попадать в окружающую среду. На сегодняшний день нет специальных правил, регулирующих утилизацию или переработку строительной продукции, содержащей наноматериалы. Для некоторых наноматериалов, например нано-TiO или наносеребра, лабораторные исследования показали токсикологические эффекты в окружающей среде. Тем не менее, фактическое поступление этих материалов в окружающую среду и их поведение в естественных экосистемах остается в значительной степени неизвестным.