24
М
А
Т
Е
Р
И
А
Л
Ы
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА
№11, 2013
Отделочный материал как средство контроля и формирования безопасной окружающей среды обитания человека Р.А. ТУЛУМБАЕВ, инженер-конструктор
Автор статьи исследует принципы и методы технологического и конструктивного решения в области создания биокомпозитного материала для строительной отрасли, обеспечивающего дезинфицирующий и бактерицидный эффект и служащего при определенных условиях в качестве источника питания для микро- и наноэлектроники.
Средство контроля (подана заявка на группу изобретений) относится к способам самоочистки и самодезинфекции поверхности интерьерного отделочного материала и к способу очистки воздуха от органических и неорганических загрязнителей во внутренних средах жилых помещений, общественных и производственных зданий в условиях естественной и искусственной вентиляции и кондиционирования. Средство контроля разработано на основе авторского экспериментального научного и промышленного направления в области использования альтернативной энергии для «зеленого» строительства и обеспечения экологической безопасности среды обитания человека. Первый результат такого инновационного направления выразился в получении экологически безопасной декоративной плитки (патент на полезную модель № 95711RU), применимой в современном интерьерном дизайне. Материал облицовочного изделия выполнен из биополимеров и природных минералов по инновационной технологии, включающей биотехнологические процессы производства композитного материала, который наряду с эстетическими качествами обладает и антисептическими свойствами. При использовании такой плитки, с одной стороны, обеспечивается поглощение вредных и токсичных веществ из атмосферы помещения при одновременном исключении попадания данных нежелательных веществ (сигаретный дым, запахи и т.п.) в атмосферу помещения. Также использование плитки позволит поддерживать в помещении требуемый уровень влажности. В итоге применение такого материала позволяет поддерживать в помещениях режим санитарной и экологической безопасности. Дополнительно следует отметить, что при достаточном увлажнении поверхности плитки и образовании на ней электролита становится возможным ее использование в качестве низкопотенциального источника электрического тока. Именно это техническое решение, воздействие ячейками (источниками тока) микро-нанопористой структуры композитного материала, обеспечивает дезинфицирующий и бактерицидный эффект – поддержание микроклимата и экологической
безопасности в помещениях. В принципе это решение может быть использовано как альтернативный источник питания микроэлектроники (датчики, сенсоры и т.д.). Композитный материал выполнен по энергоэффективной технологии из возобновляемых органических материалов и ресурсов, минеральных материалов природного происхождения и органических и неорганических материалов, являющимися отходами производств. Основополагающие технологические принципы, способы и методы изготовления биополиминерального композита обеспечивают широкий спектр применения и назначения. Достигаемые характеристики и физико-химические свойства позволяют использовать его в качестве клеящего вещества и связующего компонента для наполнителей природного и искусственного происхождения и в качестве покрытия для поверхностей различного природного и искусственного происхождения. Для получения технологического решения и функционального эффекта композиционного материала можно использовать оксиды металлов, минералы, глины, уголь и так далее. Например, свойства используемых глин целиком зависят от их химического и минерального состава, а также от величины составляющих их частиц. Среди физических свойств наименее изменчивы показатели плотности глинистых пород. Они варьируют от 2,50 до 2,85 г/см3. Примесь органических веществ понижает плотность глин, так как для гумуса она равна 1,25-1,40 г/см3. У минеральных
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА
№11, 2013
монтмориллонитовых глин ее величина также низкая – до 2,25 г/см3. Значения пористости варьируют от 25-30 до 60%; подавляющая часть пор является открытой, доступной для жидкой компоненты. С плотностью и пористостью глинистых пород тесно связана их водопроницаемость. Чтобы описать поэтапную и технологически сформированную структуру биокомпозита на микро- и наноуровне, считаю допустимым сравнить биополиминерал и описать его подобно фрактальной структуре (нанопоры в микропорах по принципу сборки «матрешки»). Многие объекты в природе обладают свойствами фрактала. Фракталом может называться предмет, обладающий дробной метрической размерностью или метрической размерностью, превосходящей топологическую. Примеры объектов, обладающих фрактальными свойствами: в живой природе – кораллы, морские звезды и ежи, кровеносная система и бронхи людей и животных, в неживой природе – кристаллы, сталактиты, сталагмиты, геликтиты. Характеристики пористости используемых веществ и материалов влияют на эффективность биотехнологий и композита, поскольку пористая структура управляет потоком и кинетикой биохимических процессов. Пористые характеристики: диаметр поры, наименьший сквозной диаметр пор, распределение пор по размерам, объем пор, площадь поверхности, гидрофобность и гидрофильность пор, газовая и жидкостная проницаемость, скорость передачи водяного пара (водопаропроницаемость), диффузионный поток. Химическая среда, температура, влажность, давление/ сжатие/нагрузка могут значительно воздействовать на структуру пор. Поэтому важно знать, как пористая структура вещества может меняться при внешнем воздействии. 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 равным 6,25*1012, а их общая (суммарная) внутренняя поверхность составит 3,9*106 см2, т.е. приблизительно 400 м2. Суммарная поверхность всех пор, находимая опытным путем для 1 г активированного угля, составляет 400-1000 м2. По мнению В. Чернина, вандерваальсовые силы, адсорбционно удерживающие воду в гелевых порах, освобождаются при ее испарении и вызывают усадку искусственного камня. Упругие свойства заполнителя также определяют степень сокращения объема при высыхании и степень пористости материала. Например, использование заполнителей из металла приводит к снижению величины усадки – и напротив, содержание в заполнителе глинистых примесей может привести к увеличению усадки, поскольку глина сама ей подвержена. Усадка вызывается главным образом изменением поверхностного натяжения твердой фазы в порах размером 4-10 А (при относительной влажности w=0-40%); давлением физической адсорбированной воды в порах 4-10 А (при w=0-40%); изменением поверхностного
М
А
Т
Е
Р
И
А
Л
Ы
натяжения конденсированной воды в гелевых порах 10100 А и в капиллярных порах 100-1000 А (при w=40-80%) и гидростатическим давлением пластической деформации в порах 10-1000 А (w=40-98%). «Дышащий» пористый материал поможет обеспечить регулирование влажности в помещении естественным образом за счет таких функциональных свойств, как потребление влаги из воздуха и – при повышенной влажности – обратная отдача очищенной воды в период суточных колебаний влажности и перепадов температуры. Проделанная работа является перспективным первым шагом к развитию широкого спектра приложений, которые ранее были недоступны. Преимущества и отличия представленного способа и «умного» отделочного материала заключаются: • в обеспечении естественного (энергоэффективного) контроля микроклимата внутренней среды обитания человека и для сопутствующих материальных и культурных ценностей, в обеспечении экологической безопасности для человека и окружающей среды как в повседневной жизни, так и в чрезвычайных ситуациях. • в антибактериальном эффекте и защите от органических загрязнителей, которые снимут экологические издержки для человека. Экономические составляющие по осуществлению дезинфекции помещения значительно уменьшаются при использовании представленного способа и биокомпозитного материала. • в возможности использования легкодоступной и экологически чистой энергии и альтернативного способа питания микроэлектроники в помещении и в различных средах обитания человека. Библиографический список 1. Михайлов О.В., Юсупов Р.А. Ионнообменные процессы в тонкопленочных биополимер-иммобилизованных металлосульфидах, – М.: КомКнина, 2007, – 272с. 2. Кричевский Г.Е. Нанобиохимические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды. Издание первое, – М. 2011, – 528 с. 3. Линг Г. Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция. – СПб. Наука, 2008. – 376 с. 4. Кульман А.Г. Общая химия. М.: Сельхозиздат. 1961, 567 с. 5. Ландау Л.Д., Китайгородский А. И. Физика для всех. Молекулы. – 5-е изд., испр. – М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982. – 208 с. 6. Солодовников С.П. Сигналы из микромира (магнитный резонанс). Издательство Академии Наук СССР, Научно-популярная серия. Москва, 1963. 7. Зайцев С.Ю. Супрамолекулярные наноразмерные системы на границе раздела фаз. Концепции и перспективы для бионанотехнологий. – М. ЛЕНАНД. 2010. – 208 с. 8. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологии. Учебное пособие. М. БИНОМ. Лаборатория изданий. 2008. – 431 с. 9. MAX-LAB/ Activity Report 2010 / Editor by U. Jonansson, K. Lilia, A. Nyberg, R. Niholm. 10. Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. Учебник для мед. вузов. СПб. 2002. 591 с.
25