НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ - Студенческий научный форум

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Нанотехнологии следует отнести к инновационным передовым направлениям развития многочисленных отраслей производства во всём мире.

По данным анализа А. Ногая («Экобалтсервис»), в РФ три четверти собственности, которая приходится на научные исследования, сегодня принадлежит государству, смешанная собственность составляет 14,3%, и только 9% – это частная собственность на исследования. Доля России в наукоемкой продукции на мировом рынке составляет 0,3–0,5%, для сравнения, Германии – 17%, Японии – 32%, США – 36%.

Россия представляет 3-4% в сфере экспорта наукоемкой продукции, в то время как, например, Китай – 22%. Наша страна отстает по всем показателям от мировых тенденций.

Поддержка исследований в сфере нанотехнологий в США, Европе и Японии превышает триллионы долларов со стороны правительства. Финансирование данной области исследования в России на порядок ниже.

Одной из причин торможения разработки и внедрения нанотехнологий в строительство является отсутствие пропаганды отечественных разработок в данном направлении развития производства. [1]

Нанотехнология – это область прикладной науки, занимающаяся производством материалов и изделий сверхмалых размеров и изучающая свойства различных веществ на атомарном и молекулярном уровнях. Данный термин берет корни своего происхождения от слова нанометр (миллимикрон)–единица измерения длины, равная одной миллиардной метра.

Выполненный при финансирование «Нанокорпорации», обзор разработок выявил работы, которые при подробном рассмотрении не относятся к нанотехнологиям. Такими, например, являются патенты РФ под № 2304566, 2299410, 2300410, 2307813. Действие полученных патентов институты не поддерживают, т.к. не уверены в перспективе их реализации.

Под нанотехнологиями в сфере строительства понимаются использование нанодобавок и нанопримесей, иными словами использование объектов нанотехнологии в виде специально сконструированных наночастиц – частиц наномасштаба с линейным размером менее 1 мкм.

Вышесказанные нанодобавки специально разрабатываются в дополнение к уже известным и широко применяемым в строительных технологиях веществам.

Нанодобавки радикально меняют свойства материала, повышают производительность, улучшают прочность и другие свойства.

Для получения нанодобавки атом или химическое соединение помещают внутрь молекулярного контейнера. В роли «хозяев» рассматриваются целые классы структур: цеолиты и карцеранды (carcerand, лат. carcer – темница, тюрьма). Однако среди всего этого многообразия особое место занимают эндоэдральные комплексы на основе фуллеренов. [2]

Основные физические формы нанообъектов и образующиеся при их взаимодействии наносистемы.

Наночастицы

Наносистемы

Наноблоки

Твердые тела

Фуллерены

Кристаллы, растворы

Нанотрубки

Агрегаты, растворы

Нанокристаллы неорганических веществ

Аэрозоли, коллоиды, осадки

Полимерные молекулы, мицеллы

Золи, коллоиды, гели

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТКРЫТЫХ ФУЛЛЕРЕНОВ*

На «молекулярной хирургии» основан сравнительно новый способ получения открытых фуллеренов, когда посредством серии химических реакций в углеродном остове образуется отверстие. Исследователи из Йельского университета (США) использовали в своей работе именно такие, химически «вскрытые» фуллерены с двадцати- и шестнадцатичленными кольцами. Основной задачей своей работы исследователи ставили анализ реакций внедрения и выхода атомов благородных газов (Ne, Ar, Kr) и малых молекул (CO, N2).

Реакция внедрения происходит таким образом: открытые фуллерены с двадцатичленными кольцами (рис.1) растворяли в соответствующем растворителе (для Ar, CO и N2 использовали 1; 1,2; 2-тетрахлорэтан, а для Kr – o-дихлорбензол).

Затем полученный раствор помещали в сосуд высокого давления, сжимали вместе с исследуемым газом и выдерживали в течение нескольких часов при необходимой температуре (для Kr – 190оC, для CO – 100оC, для Ar и N2 – 140оC). После чего давление сбрасывали, и образец охлаждали.

С помощью электрораспылительной масс-спектрометрии (ESI-MS) и ЯМР-спектроскопии определяли продукты реакции внедрения. Для анализа кинетики реакций выхода образцы растворяли в дейтерированном хлороформе (CDCl3) и помещали в ЯМРтрубки. После получения исходных ЯМР-спектров образцы нагревали в масляной бане, и снимали последующие ЯМР-спектры.

Процесс повторяли до тех пор, пока весь газ не выходил из фуллеренов. Авторы отмечают, что для Ne в качестве «хозяев» использовали открытые фуллерены с шестнадцатичленными кольцами (рис.2), т.к. отверстие входа/выхода у фуллеренов с двадцатичленными кольцами оказалось настолько «широким», что реакции внедрения и выхода для Ne протекали очень быстро даже при комнатной температуре.

В алюминиевую фольгу упаковывали исходный материал (несколько миллиграммов открытых фуллеренов с шестнадцатичленными кольцами) и помещали его в автоклав высокого давления. Автоклав был наполнен Ne при 500 атм. Образец нагревали до 180оC, давление при этом поднималось до 825 атм.

После 9 часов автоклав охлаждали и образец вынимали. Данные ESI-MS свидетельствовали о том, что 42% фуллеренов содержат Ne. Для анализа реакции выхода образец растворяли в o-дихлорбензоле и нагревали до 120оC и более высоких температур.

Рис. 1. Химически открытый фуллерен с двадцатичленным кольцом

Рис. 2. Химически открытый фуллерен с шестнадцатичленным кольцом

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ

Патент №2348601

Предлагаемое изобретение относится к способу получения полигидро[60]фуллеренов формулы (1):

(1)

характеризующемуся тем, что фуллерен С60 подвергают взаимодействию с диизобутилалюминийхлоридом (i-Bu2AlCl) в присутствии катализатора цирконацендихлорида (Cp2ZrCl2), взятыми в мольном соотношении С60: i-Bu2AlCl:Cp2ZrCl2 = 1:(55–65):(0,15–0,25), предпочтительно 1:60:0,20, в атмосфере аргона в отсутствие света при температуре 60 – 100°С и атмосферном давлении в среде толуола в течение 1– 5 часов, с последующим гидролизом реакционной массы. Применение данного способа позволяет получать полигидро[60]фуллерены с общим выходом после гидролиза реакционной массы 77–91%.

Данное изобретение следует отнести к области органической химии, а точнее к способу получения полигидро[60]фуллеренов общей формулы (1):

(1)

Полигидро[60]фуллерены формулы (1) могут найти применение в тонком органическом синтезе, в производстве высокоэнергетического топлива, водородных аккумуляторов.

Вся суть такого способа заключается во взаимодействии фуллерена С60 с диизобутилалюминийхлоридом (i-Bu2AlCl) в присутствии каталитических количеств Cp2ZrCl2, взятыми в мольном соотношении С60: i-Bu2AlCl:Cp2ZrCl2=1:(55–65):(0,15–0,25), предпочтительно 1:60:0,20, в атмосфере аргона в отсутствие света при температуре 60–100оС и атмосферном давлении в среде толуола в течение 1–5 часов, с последующим гидролизом реакционной массы. Общий выход полигидро[60]фуллеренов формулы (1) составляет 77 – 91%.

Реакция протекает по схеме:

(1)

Проведение указанной реакции в присутствии катализатора Cp2ZrCl2 больше 0,25 моль не приводит к увеличению выхода целевого продукта (1). Использование катализатора Cp2ZrCl2 менее 0,15 моль снижает выход целевого продукта (1), что связано, вероятно, со снижением каталитически активных центров в реакционной массе. Реакция была проведена при температуре 60-100оС. Существенного увеличения выхода целевого продукта (1) при более высокой температуре, например,120оС, не наблюдается, а при меньшей температуре (например, 20оС) снижается скорость реакции. Изменение соотношения исходных реагентов в сторону увеличения их содержания по отношению к исходному фуллерену[60] не приводит к существенному повышению выхода целевого продукта (1).

Существенные отличия предлагаемого способа:

В известном способе используется в качестве исходного соединения труднодоступный реагент Шварца (Cp2ZrClH), а в предлагаемом способе в качестве исходного соединения применяется выпускаемый в промышленных масштабах i-Bu2AlCl.

Предлагаемый способ, в отличие от известного, позволяет получать полигидро[60]фуллерены формулы (1).

Способ поясняется следующим примером:

В стеклянный реактор, установленный на магнитной мешалке, в атмосфере аргона помещают 40 мл осушенного толуола, 0,05 ммоль С60, 0,01 ммоль катализатора Cp2ZrCl2 и 3 ммоль i-Bu2AlCl, перемешивают 3 часа в отсутствие света при температуре 80°С. Реакционную смесь обрабатывают в атмосфере аргона в отсутствие света эфирным раствором HCl, пропускают через Al2O3, растворитель упаривают в вакууме. Получают полигидро[60]фуллерены (1) с выходом 83%.

Формула изобретения

Способ получения полигидро[60]фуллеренов формулы (1)

(1) отличающийся тем, что фуллерен С60 подвергают взаимодействию

с диизобутилалюминийхлоридом (i-Bu2AlCl) в присутствии катализатора цирконацендихлорида (Cp2ZrCl2), взятыми в мольном соотношении С60: i-Bu2AlCl:Cp2ZrCl2 = 1:(55–65):(0,15–0,25), предпочтительно 1:60:0,20, в атмосфере аргона в отсутствие света при температуре 60 – 100оС и атмосферном давлении в среде толуола в течение 1–5 ч с последующим гидролизом реакционной массы.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ

Патент №2348602

Способ получения полигидро[60]фуллеренов формулы (1)

(1)

отличается тем, что фуллерен С60 подвергают взаимодействию с

диэтилалюминийхлоридом (Et2AlCl) в присутствии порошка Mg и катализатора титаноцендихлорида (Cp2TiCl2), взятыми в мольном соотношении C60:Et2AlCl:Mg:Cp2TiCl2=1:(110–130):(55–65):(0,15–0,25), предпочтительно 1:120:60:0,20, в атмосфере аргона в отсутствие света при комнатной температуре (20–21°С) и атмосферном давлении в среде толуол-ТГФ в течение 1–3 ч с последующим гидролизом реакционной массы.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ

Патент № 2348603

Способ получения полигидро[60]фуллеренов формулы (1)

(1)

отличается тем, что фуллерен С60 подвергают взаимодействию с диизобутилалюминийгидридом (i-Bu2AlH) в присутствии катализатора тетрахлорида циркония (ZrCl4), взятыми в мольном соотношении C60: i-Bu2AlH:ZrCl4 = 1:(55–65):(0,15–0,25), предпочтительно 1:60:0,20, в атмосфере аргона в отсутствие света при комнатной температуре (20– 21оС) и атмосферном давлении в среде толуола в течение 1–5 ч с последующим гидролизом реакционной массы.[5]

КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Заявка на изобретение №2000127644

Предполагаемое изобретение исследователи относят к области применения нанообъектов, использовавшиеся для получения бетонных, цементных, известковых, гипсовых или для смешанных вяжущих веществ-материалов.

Нами была рассмотрена композиция получения строительных материалов на основе минерального вяжущего вещества, включающей цемент, известь, гипс или их смеси, и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более, при следующем соотношении компонентов в композиции, мас. %:

  • минеральное вяжущее – 33–771;

  • углеродные кластеры фуллероидного типа – 0,0001– 2,0;

  • вода – остальное.

Также рассмотрена композиция того же состава, но уже с добавлением в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа полидисперсных углеродных нанотрубок.

Исследована композиция того же состава с добавлением в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа полиэдральных многослойных углеродных наноструктур с межслоевым расстоянием 0,34–0,36 нм и размером частиц 60–200 нм.

Рассмотрена композиция того же состава с добавлением в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа смеси полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С60.

Рассмотрена композиция того же состава с добавлением технологических добавок, взятых в количестве 100 – 250 мас. ч. на 100 мас. ч. минерального вяжущего.

Примерами применения нанотехнологий в строительной сфере являются:

  • высокопрочный бетон2. Создание долговечного и высокопрочного бетона является одним из самых актуальных разработок последнего времени. Согласно исследованиям, такой бетон может прослужить до 500 лет. Для создания высокопрочного бетона применяются ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Такие свойства наноматериалов предполагают использование высокопрочного бетона в строительстве небоскребов, большепролетных мостов и многое другое.

  • высокопрочная сталь. Благодаря проводимым исследованиям в области наномодификаций металлов и их сплавов мы получили высокопрочную сталь. Она не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Такие материалы желательны в применение для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов. На стальных конструкциях можно создать полимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.

  • конструкционные композиты. Особое внимание хочется обратить на конструкционные композиты, которые представляют собой широкий класс конструкционных материалов, имеющих полимерную, металлическую или керамическую матрицу. Примером таких композитов являются углепластики - это композиты с углеволокнами и с полимерной матрицей.

  • инновационная пленка3. Одним из высококлассных открытий является открытие в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, назначение которой заключается в защите цветных пластиковых окон от инфракрасного (теплового) излучения. Особые пигменты в составе инновационной пленке позволяют отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволять нагреванию конструкции. В результате данная пленка защищает окна и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование. Цветная инновационная пленка способна придавать раме 3D-эффект, он обеспечивается за счет такого компонента пленки, как бриллиантовые краски. Используя данную пленку, компания PROPLEX выпускает сегодня ПВХ-профиль шести оттенков, среди которых – махагони, золотой и болотный дуб.

  • нанокомпозитные трубы. В России уже начали применять такие «чудо» трубы: они несут свое предназначение в системе водоснабжения, отопления и газоснабжения. Такие трубы превосходят свои аналоги по эксплуатационным свойствам в несколько десятков раз, а также отличаются доступными ценами на рынках страны.

  • стеклопластиковая композитная арматура. Она является перспективной альтернативой привычному стальному аналогу. Данный материал имеет ряд уникальных свойств: обладает малым удельным весом, химическая стойкость, высокая прочность и диэлектрический характер, имеет минимальную теплопроводность и не подвергается коррозии.Такой материал можно использовать в любом виде строительства.[3]

Актуальным направлением нанотехнологий является использование наноматериалов в строительстве – энергосбережение.

Полупрозрачные нанопокрытия, разработанные в Шанхайском центре науки и нанотехнологий, могут накапливать солнечную энергию. Пленки наносят на окта и стены конструкции, придавая им стильный вид и работая как солнечные батареи, снижая расходы на электроэнергию.

Открытые в начале 20 века американсикм ученым Сэмюэлем Кистлером прозрачные наногели имеют интересные свойства, они обладают высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками. Их активно используют в энергосберегающих кровельных системах верхнего света.

Стоит упомянуть и инновационное покрытие Cool-Colors для защиты цветных окон из ПВХ от инфракрасного (теплового) излучения. Благодаря особым пигментам эта пленка отражает до 80% инфракрасных лучей и препятствует перегреву конструкций.[4]

Вывод.

Таким образом, одним из эффективных направлений использования нанохимии в строительстве является включение в вещественный состав строительных материалов наноструктурированных функциональных добавок в дополнение к традиционным. В результате такого новшества получают строительные материалы с высокими эксплуатационными свойствами, что позволяет расширить возможности строительных технологий в промышленном и гражданском строительстве.

Список использованной литературы:

1. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение. М.: Высшая школа. 2002. - 700 с.

2. Черкинский Ю.С. Полимерцементный бетон. - М.:1960. - 147 с.

3. Пащенко А.А. Вяжущие материалы/Сербин В.П., Старчевская Е.А.; Киев: Вища школа, 1975. - 444 с.

4. Соломатов В.И. Полимерцементные бетоны и пластбетоны. М.: - Стройиздат, 1967. - 184 с.

5. Нанотехнологии в строительстве, научный Интернет-журнал. 2011.- 59 с.

1 Пащенко А.А. Вяжущие материалы/Сербин В.П., Старчевская Е.А.; Киев: Вища школа, 1975. - 444 с.

2 Соломатов В.И. Полимерцементные бетоны и пластбетоны. М.: - Стройиздат, 1967. - 184 с.

3 Нанотехнологии в строительстве, научный Интернет-журнал. 2011.- 59 с.

Просмотров работы: 1064