Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

изоцианатов на любой стадии приготовления покрытий. Преимущества исполь-

зования HNIPU вместо традиционного полиуретана (PU) включают:

•Снижение спроса на изоцианат;

•Снижение производственных и транспортных рисков (большинство производимые в настоящее время изоцианаты используются для производства ПУ);

•Снижение риска воздействия на рабочее место / население до уровня обычных химических веществ при сохранении преимуществ ПУ;

•Более широкое применение / лучшее качество / конкурентоспособные

цены;

•Практически не влияет на чувствительность [1-4, 7-9].

Стекло. Огнезащитное стекло - еще одно применение нанотехнологий.

Это достигается за счет использования прозрачного вспучивающегося слоя, за-

жатого между стеклянными панелями (промежуточный слой), образованного наночастицами коллоидального кремнезема (SiO2), который при нагревании превращается в жесткий и непрозрачный противопожарный экран. Разрабаты-

ваются электрохромные покрытия, которые реагируют на изменения прило-

женного напряжения с помощью слоя оксида вольфрама; таким образом, стано-

вится более непрозрачным при нажатии кнопки. Благодаря гидрофобным свой-

ствам TiO2 может применяться в противотуманных покрытиях или в самоочи-

щающихся окнах. Покрытия Nano-TiO2 также можно наносить на фасады зда-

ний, чтобы предотвратить прилипание загрязняющих веществ и снизить затра-

ты на объект, затраты на обслуживание.

Наносенсоры. Датчики / устройства с использованием нанотехнологий также предлагают большой потенциал для разработки интеллектуальных мате-

риалов и структур, которые обладают способностью «самочувствить» и «само-

действовать». Примером может служить устройство, используемое для поду-

шек безопасности в автомобилях. Датчики нано- и микромеханических систем

(NEMS и MEMS) имеют были разработаны и используются в строительстве для мониторинга и / или контроля условий окружающей среды (например, темпера-

65

туры, влажности, дыма, шума и т. д.) и характеристик материалов / конструк-

ции (например, напряжения, деформации, вибрации, растрескивания, коррозии и т. д.). Диапазон нано-сенсоров составляет от 10-9 м до 10-5 м, которые могут быть встроены в конструкцию в процессе строительства.

Siemens и Yorkshire Water разрабатывают автономные одноразовые чипы со встроенными химическими датчиками для мониторинга качества воды и от-

правки предупреждений о загрязнении по радио. Интеллектуальный заполни-

тель, дешевое многофункциональное устройство на основе пьезокерамики,

применяется для мониторинга свойств бетона в раннем возрасте, таких как влажность, температура, относительная влажность и развитие прочности в ран-

нем возрасте. Также это может обеспечить раннюю индикацию до того, как произойдет отказ конструкции.

Объемные изоляционные материалы. NanoPore разработала объемные нанопористые кремнеземные соединения со встроенными органическими моле-

кулами, которые работают до 10 раз лучше, чем обычные изоляционные мате-

риалы. Превосходные изоляционные характеристики этих высокопористых твердых тел низкой плотности обусловлены уникальной формой и малым раз-

мером (10-100 нм) большого количества пор. До сих пор эти новые изоляцион-

ные соединения использовались в приложениях, требующих превосходных тепловых характеристик, оптимальной энергоэффективности или минимальной толщины изоляции.

Пластика. Пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), бу-

дучи легкими материалами, не обладают хорошими электрическими свойства-

ми. УНТ являются одними из самых жестких и прочных из известных волокон и обладают высокой электропроводностью. В IFAM в Бремене исследователи использовали плазменную технологию, чтобы передать свои свойства углепла-

стикам, поскольку эти микроили наночастицы должны быть очень гомоген-

ными, а иногда и очень тесно связанными с полимером. Доктор Йорг Иде объ-

ясняет: «Мы распыляем частицы, то есть нанотрубки, в эту атмосферную плаз-

му». Они сразу попадают в выбранный растворитель, который затем можно ис-

66

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

пользовать для дальнейшей обработки полимера. Вся процедура занимает всего несколько секунд». Его можно прижать к электронному компоненту, чтобы тепло отводилось напрямую.

Пластиковые солнечные ячейки и лампы. Наиболее многообещающим применением в области энергетики и окружающей среды, ведущим к устойчи-

вому строительству, является разработка топливных элементов и фотоэлектри-

ческих элементов.

Замена обычных ламп на светодиоды только в Соединенных Штатах мо-

жет обеспечить экономию энергии до 100 миллиардов долларов к 2025 году и сократить выбросы углерода на 200 миллионов тонн в год.

Биомиметические материалы. Биомиметика - это наука подражания при-

роде, а биомиметические материалы стремятся воспроизвести лучшие свойства природных материалов. Примеры, такие как соты, дающие легкую структуру с исключительной механической прочностью, кость рога более жесткая, чем лю-

бые искусственные керамические композиты, лист лотоса, создающий само-

очищающиеся поверхности, кожа хамелеона, меняющая цвет в зависимости от окружающей среды, и т. д. Благодаря достижениям нанотехнологий исследова-

ния биомиметических материалов обеспечивают продуктивный подход к но-

вым материалам и молекулярному производству.

Умные материалы. Умные материалы – это материалы, свойства которых разработаны для контролируемого изменения под воздействием внешних сти-

мулов, таких как температура, сила, влажность, электрический заряд, магнит-

ные поля и pH. Примерами являются пьезоэлектрики, термореактивные мате-

риалы, сплавы с памятью формы (SMA), полихромные, хромогенные материа-

лы и т. д. Подобно пьезоэлектрикам, которые изменяют свою форму под дей-

ствием электрического поля, SMA изменяют форму из-за магнитных полей. На них концептуализирована интеллектуальная железобетонная конструкция

(IRCS). IRCS имеет несколько функций, в том числе самовосстановление, га-

шение собственных колебаний и самоконтроль за состоянием здоровья. В этом случае будет использоваться особый тип пьезокерамики, называемый PZT

67

(цирконат-титанат свинца), который обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом, и особый тип SMA, называемый нитинолом, который имеет хоро-

шую коррозионную стойкость и большое напряжение срабатывания. Предлага-

емая бетонная конструкция армируется мартенситными нитиноловыми тросами методом пост-натяжения. Мартенситный нитинол значительно увеличивает демпфирующие свойства бетона и его способность выдерживать большие уда-

ры. При наличии трещин из-за взрывов или землетрясений за счет электриче-

ского нагрева кабелей SMA, кабели SMA сжимаются и закрывают трещины.

Чтобы обнаружить возможные трещины внутри бетонной конструкции, пла-

стырь PZT используется в качестве исполнительного механизма для генерации волн и других распределенных Пластыри PZT используются в качестве датчи-

ков для регистрации полученных сигналов вибрации.

Нанотехнологии в пожарной защите. Огнестойкость стальных конструк-

ций часто обеспечивается нанесением покрытия методом распыления цемента,

который не пользуется большей популярностью, потому что он должен быть толстым, иметь тенденцию быть хрупким и для улучшения адгезии необходи-

мы добавки полимера. Однако исследования наноцемента (состоящего из нано-

размерных частиц) могут создать новую парадигму в этой области применения.

Это достигается путем смешивания углеродных нанотрубок (УНТ) с цемент-

ным материалом для изготовления волокнистых композитов, которые могут унаследовать некоторые выдающиеся свойства нанотрубок, такие как проч-

ность. Полипропиленовые волокна также рассматриваются как метод повыше-

ния огнестойкости, и это более дешевый вариант, чем обычная изоляция. УНТ могут также использоваться для производства материалов защитной одежды из-

за их огнестойкости.

Углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки представляют собой форму углерода, имеющую цилиндрическую форму, название происходит от их нанометрового диаметра. Они могут составлять несколько миллиметров в дли-

на и может иметь один «слой» или стенку (однослойная нанотрубка) или более одна стенка (многостенная нанотрубка) (Lu et al., 2010).

68

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

Применение нанотрубок подобно дисперсному армированию: увеличива-

ет прочность на сжатие и растяжение во всех направлениях. В дополнение, вы-

сокая адгезия, проводимость (больше, чем у меди), упругая деформируемость,

прочность (более прочная, чем у стали), химический состав поверхности, высо-

кая стабильность - вот некоторые из свойств, которые УНТ обеспечивают бла-

годаря своей структуре и топологии [1-4,7-9].

Основные свойства (табл. 1).

Рис. 1. Одностенные углеродные нанотрубки

Повышение прочности на более длительный период времени и продление срока службы наряду с повышением прочности на сжатие и повышением проч-

ности на растяжение за счет повышения прочности на изгиб сообщается в более ранних исследовательских работах, когда УНТ смешивали с асфальтом и бето-

69