СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА
№1, 2011
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
43
Бионанотехнологии производства отделочных материалов и среда обитания человека Р.А. ТУЛУМБАЕВ, автор проекта
Рассмотрено соединение многовекового опыта и достижений современной науки как необходимое условие развития инновационных технологий производства экологически безопасных стройматериалов и декоративных изделий. В России наблюдаются первые признаки прихода мирового тренда: экологического строительства, которое в основе своей следует концепции устойчивого развития (Sustainable Development) и в реализации которого лежит принцип достижения определенной гармонии между человеческой цивилизацией и окружающей средой. Использование новых, экологически чистых технологий позволяет решать проблему сохранения здорового состояния окружающей среды. Новые тенденции определяют и новые требования к отделочным материалам и изделиям. Начатая на заре прошлого века модификация строительных растворов и бетонов полимерами получила всестороннее развитие и применение в современном строительстве. Наиболее распространенным способом модификации была и остается модификация водными дисперсиями полимеров – как природных (биополимеры), так и синтетических, например фенолоформальдегидных смол. Первый патент, описывающий модификацию систем с помощью жидких полимерных дисперсий, был зарегистрирован в 1930-х годах. Для модификации гипсовых вяжущих применяются добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) различного механизма действия (вещества, молекулы которых содержат полярные группы при неполярных звеньях, получили название поверхностноактивных). ПАВ природного происхождения – органические химические соединения, в состав которых входит углерод, – являются биополимерами, такими как целлюлоза, крахмал, белок, нуклеиновая кислота, природная смола. Эти высокомолекулярные природные соединения образуются в результате жизнедеятельности растений и животных. При гидролизе белков разрываются пептидные связи и образуются аминокислоты (вещества, содержащие в молекуле одновременно амино- и карбоксильные группы) с гидрофильными и гидрофобными
радикалами. Соответственно, аминокислоты обладают амфифильными свойствами. Амфифильность – свойство молекул веществ, как правило, органических, одна часть которых гидрофильна, а другая – гидрофобна. То есть их молекулы имеют в своем составе полярную часть – гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -Oи т.п.), и неполярную часть – гидрофобный компонент (углеводородную). Растворы высокомолекулярных веществ совмещают в себе свойства как истинных, так и коллоидных растворов, главным образом животного и растительного происхождения (биоколлоиды – белки, углеводы и т.п.), способных образовывать настоящие или квазиколлоидные системы – особые группы растворов полимеров, устойчивые во времени межмолекулярные системы. Растворы таких веществ, как белки, декстрины, характеризуются высоким молекулярным весом (порядка 10000 и выше), и в связи с тем что эти вещества в твердом состоянии имеют вид клея, английский химик Томас Грэм выделил их в особую группу, назвав коллоидами. Отдельная частица дисперсной фазы в коллоидных растворах получила название мицелла. В связи с ультрамикроскопическими размерами мицелл эта поверхность в коллоидных системах достигает огромной суммарной величины (считая на единицу массы диспергированного вещества). Так, если взять 1 см3 какого-нибудь плотного вещества и раздробить его на частицы коллоидной степени дисперности, то получится 10 в 21-й степени отдельных частиц с суммарной поверхностью около 6000 м2. Более глубокое дробление вещества приводит к образованию обычных истинных растворов: поверхность раздела фаз исчезает, система становится гомогенной. Следовательно, коллоидные растворы характеризуются максимально возможным развитием поверхности раздела фаз. С действием межмолекулярных сил адгезионного характера непосредственно связано чрезвычайно важное явление адсорбции – большая суммарная величина поверхности коллоиднодисперсной фазы резко повышает ее адсорбционную способность. В результате этого свободная межфазная энергия уменьшается, а устойчивость коллоидного раствора повышается. Биополимер по мере удаления
воды из гипсового раствора образует на поверхности пор, капилляров, зерен гипса, наполнителя и заполнителя тонкую пленку, которая способствует повышению сцепления между заполнителем и гипсом, улучшению монолитности раствора. В результате гипсовый раствор по прошествии времени приобретает повышенную прочность при изгибе и адгезию. Основным структурообразующим компонентом гипсовой смеси для изготовления изделий является гипсовое тело, в состав которого входят гипс, наполнитель, заполнитель, биополимерные и минеральные добавки. Практическим путем были изучены комплексные добавки, состоящие из синтетических и природных ПАВ и солей. Такие добавки целесообразно использовать на производстве, выпускающем гипсовые изделия по литьевой технологии. Для изготовления изделия по инновационной биотехнологии используют высокопрочный гипс из природного камня марки Г-16 – полугидратсульфата кальция л-модификации (применяется для производства высококачественной штукатурки, финишных шпатлевок повышенной прочности) и карбонатные породы. Важной особенностью карбонатных пород является то, что они вступают в активное физико-химическое взаимодействие с гипсом, участвуя в формировании структуры. Частицы гипса и тонкомолотых добавок отличаются малыми размерами и большой удельной поверхностью, в результате гипсовое тело обладает высокоразвитой поверхностью раздела «твердое тело – жидкость». В такой системе сильнее проявляются силы адсорбционного, молекулярного и капиллярного взаимодействия, повышающие степень связанности системы. Избыточная вода, не вступившая в химические реакции с гипсом, остается в растворе в виде водяных пор, капилляров и затем после испарения оставляет воздушные поры. Как влияет пористость адсорбента на его общую поглощающую поверхность, можно видеть из следующего примера. Предположим, что вещество, взятое в виде кубика с гранями в 1 см, пронизано каналами диаметром по 20А, причем эти каналы в адсорбенте расположены друг от друга также на расстоянии 20А, тогда число таких каналов окажется
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
44
равным 6,25 * 10 в 12 ст., а их общая (суммарная) внутренняя поверхность составит 3,9 * 10 в 6 ст. см2, т.е. приблизительно 400 м2. Суммарная поверхность всех пор, находимая опытным путем для 1 г активированного угля, составляет 400-1000 м2. Такие недостатки для многих отделочных материалов и изделий, как пористость и влагопоглощаемость, при определенных условиях и требованиях могут превратиться в неоценимые достоинства, при этом многофакторная зависимость усложняет разработку технических решений. Варьируя виды сырья, условия обработки и синтеза, получают адсорбенты с разной степенью развития пор. Но всегда существует оптимум в зависимости от целевого назначения использования, поскольку, с одной стороны, размер пор должен быть минимально таким, чтобы адсорбирующиеся молекулы могли в них проникнуть, с другой – чем меньше поры, тем больше наложение сил противоположных стенок и сильнее адсорбция, а значит, соответственно, и десорбция. Очевидно, что чем больше микропор, тем больше газа и запахов можно устранить и тем дольше время работы «фильтра». Биотехнология – это промышленные методы, использующие живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Такая технология изготовления изделия впитала прикладные знания естественных наук и включает химические, физические и биологические аспекты использования биополимеров. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров – белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы – структуры, включающие несколько молекул белков. Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства, – один из важнейших вопросов, стоящих и перед нанотехнологией. Этой проблемой занимается супрамолекулярная химия.
Пример супрамолекулярного ансамбля, представленного Жан-Мари Леном
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА
Для придания изделию дополнительных антисептических свойств в супрамолекулярные ансамбли вводим ионы благородных металлов. Многие растворы белков могут образовывать истинные растворы высокомолекулярных веществ, содержащие растворенные частицы размером менее 1 нанометра (растворенное вещество находится в виде отдельных ионов), а также соли серебра, большинство которых, попадая в биологическую среду, образуют нерастворимый осадок. Специалисты Института проблем химической физики и Института молекулярной генетики РАН обобщили известные науке данные об антимикробном и антивирусном действии наночастиц благородных металлов. Известно, что ионы серебра повреждают цитоплазматическую мембрану клеток и нарушают процесс клеточного дыхания. Наночастицы серебра действуют сходным образом, поскольку выделяют ионы серебра. В некоторых случаях их действие даже более выражено, чем действие ионов. Наночастицы же находятся в рабочем состоянии гораздо дольше. Не исключено, однако, что существуют и другие, еще не известные взаимодействия наночастиц с клетками бактерий. Примером продукта инновационной биотехнологии является изделие (патент на полезную модель № 95711), которое по характеру состава является адсорбентом, не содержащим вредных растворителей: фенол, толуол, ксилол и др., и обладает функцией природного регулятора влажности атмосферы жилого помещения, определенными фильтрующими качествами, а также обеспечивает защиту от микроволн. Как показала практика, придумать принцип работы такого материала и подобрать составляющие его компоненты – это только половина дела. Чтобы получить функциональный, готовый к применению материал, а не просто смесь веществ, потенциально обладающую необходимыми свойствами, нужно кропотливо подбирать состав смеси и определять условия получения будущего полезного материала. Декоративно-отделочные изделия промышленного или кустарно-ремесленного производства, выполненные из природных минеральных материалов и биополимеров, обеспечивают не только удовлетворение эстетических потребностей, но и экологическую безопасность среды обитания человека. Так, к примеру, в промышленной зоне проживания (выбросы тепловой электростанции, работающей на мазуте, выбросы металлургического завода), где воздух загрязнен оксидом серы SO2, в результате химической реакции между SO2 и составляющими воздуха H2O и O2 образуется серная кислота:
№1, 2011
2SO2 + O2 + 2H2О = 2H2SО4 Серная кислота взаимодействует с составляющей CaCO3 изделия и превращает его в гипс: CaCO3 + H2SО4 = CaSO4 + H2О + CO2 Для удаления газов с более низкой молекулярной массой, таких как формальдегид, сернистый ангидрид и диоксид азота, необходимо использовать вещество, изготовленное из хемосорбентов, которые способны химически устранять эти газы. Хемосорбенты, вступая в реакцию с молекулой воды, находящейся в воздухе, и молекулой газа, химически разлагают их на безвредные вещества. Этот процесс называется химическим поглощением. К типичным хемосорбентам относятся оксид алюминия, силикат алюминия и перманганат калия. Использование изделий и конструкций из декоративно-отделочных материалов окажет существенную помощь, к примеру, в защите от электромагнитного излучения компьютерных классов. Электромагнитное излучение проявляется разными способами: и как свет, который мы видим, и как тепло, которое мы ощущаем, и как радиоволны, которые принимают наши радио- и телевизионные приемники. С физической точки зрения оно представляет собой электромагнитные колебания различной частоты, распространяющиеся со скоростью света с = 3·108 м/с в вакууме и с несколько меньшей скоростью в различных средах (см. табл.). Возможность изделия адсорбировать из воздушной среды газы и влагу, защищать от действия микроволн положительно влияет на микроклимат всего помещения и создаст комфортные условия для человека. Паропроницаемость и водородный показатель гипса приближается к аналогичным показателям кожного покрова человека. Различные варианты художественно-конструкторского исполнения фильтра-регулятора должны соответствовать понятию «дизайн интерьера» и соответствовать требованиям сменности или очистке. Дизайн фильтра также является важным фактором, определяющим эффективность взаимодействия с потоками воздуха. При гофрированном дизайне фильтра увеличивается площадь поверхности адсорбента. Количество адсорбирующего и фильтрующего материала, рельефное исполнение поверхности являются важными факторами, определяющими эффективность изделия. Фильтр с мелкодисперсным материалом является причиной большого сопротивления потока воздуха. Если фильтр состоит из пор большего размера, это облегчит движение воздуха на поверхности фильтра. В развитых странах мира развитие рынка экологически безопас-
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА
Т
№1, 2011
Толщина, см
кирпич металлизированный стеклянный кирпич штукатурка стекло доска доска доска фанера древесностружечная плита шлакобетонная стена капитальная стена здания оштукатуренная стена межэтажная перегородка
12
Сквозное затухание (дБ) на частоте 3,0 ГГЦ 10,0 ГГЦ 37,5 ГГЦ 15 15 15
-
25
25
25
1,8 0,28 5,0 3,5 1,6 0,4 1,8 46 70 15 80
8,4 5,0 2,8 3,2 14,5 16 8 20
8 2 1 20,5 21 12 22 13
12 2 2 -
ных товаров и технологий является одним из самых перспективных направлений обеспечения качества и конкурентоспособности товаров. Развитие науки и внедрение новых технологий создают острую потребность в хорошей материальной базе, в инвестициях. Инвестируя в инновационное направление, ожидается получить в качестве отдачи достижения в области передовых технологий, таких как бионанотехнология. Получение качественных материалов и проведение уни-
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
45
Таблица. Характеристика защитных свойств строительных материалов и изделий из них при действии микроволн (Кошелев Н.Ф., Карелин О.Н., 1974; Шандала М.Г. и др. 1996)
Наименование материала или конструкции
Е
кальных исследований во многом зависит от оборудования лабораторий. Дальнейшее развитие результатов инновационного проекта заключает в себе потенциал научно-исследовательских и патентных работ. Развитие инновационных технологий изготовления декоративно-облицовочного материала из естественных материалов ископаемого, растительного и животного происхождения и внедрение экологически безопасной продукции на потребительский
рынок обеспечит конкурентоспособность изделий и улучшение экологии среды проживания людей. Натуральные материалы для строительства и декора – нишевый продукт. По оценкам специалистов, доля потребителей, которые больше, чем другие, задумываются о своем здоровье и здоровье своих детей и близких, в разных странах колеблется от 3 до 7% населения. До середины XIX века отделочные материалы для стен были полностью натуральными и производились исключительно из безвредных человеческому организму природных веществ, которые были известны многие тысячелетия. Сегодня натуральные стеновые отделочные материалы переживают возрождение, в процессе которого используется опыт прошлого и достижения новейших технологий. «Уровень интереса к bioplastics в различных отраслях промышленности отражает тот факт, что эти материалы больше не мечта, но являются теперь действительностью», – считают в Iowa State University. Таким образом, развитие сегмента отечественных конкурентоспособных экологически чистых и безопасных изделий и технологий может превратиться в важное инновационное направление в экономике страны.