В.П. КУЗЬМИНА, академик АРИТПБ, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Колорит-Механохимия», технический эксперт Союза производителей сухих строительных смесей
Ключевые слова: патент, изобретение, нанодобавки, нанодиоксид титана, нанодиоксид кремния, нанокерамика, износостойкая плитка, свойства, фотодеструкция, контактная зона, структура, поверхность раздела фаз, ангоб, фритта, шихта, глазурованная керамика, диффузный барьер, агрессивные среды, прочность, долговечность
Keywords: patent, invention, nanoadditives, titanium nanodioxide, silicon nanodioxide, nanoceramics, wear resistant floor tile, properties, photo-destruction, contact zone, structure, interface of phases, engobe, frit, batch, glazed ceramics, diffusion barrier, excited environments, durability, longevity
Приведен анализ информации о механизмах воздействия нанодобавок на свойства строительной керамики. Рассмотрены фотодеструкция вещества на лицевом отделочном слое строительной керамики, модифицированном нанодиоксидом титана, процессы оптимизации структуры контактной зоны отделочного слоя с керамическим изделием, создания фильтрационного барьера для ионов агрессивных сред, а также увеличения долговечности керамических изделий.
Согласно источнику [1], нанокерамика, иначе керамический наноструктурированный материал (англ. nanoceramics), – это компактный материал на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других неорганических соединений, состоящий из кристаллитов (зерен) со средним размером до 100 нм.
Наномодифицированную керамику, как правило, получают с применением наноразмерных порошков методами формования и спекания, поскольку вследствие высокого внутреннего трения наномодифицированные порошки труднее уплотняются. Для их формования часто используют импульсное и гидростатическое прессование, методы шликерного и гелевого литья.
Существует одна из важных проблем получения нанокерамики. Это обычно интенсивный рост зерна при спекании в обычных условиях. Для его предотвращения используются два основных метода:
1. Введение в исходный порошок (шихту) нерастворимых добавок, которые занимают место на границах зерен и препятствуют их срастанию;
2. Использование специальных методов и режимов уплотнения и спекания керамики, позволяющих значительно уменьшить продолжительность и/или температуру высокотемпературных стадий ее получения (импульсное прессование, горячее прессование, некоторые виды низкотемпературного спекания).
Структурно-чувствительные свойства нанокерамики могут значительно отличаться от характеристик традиционных керамик с зерном микронного размера. При этом возможно улучшение механических (Al2O3), электрических
(Y:ZrO2), оптических (Nd:Y2O3) свойств. Однако характер изменения свойств с размером зерна очень индивидуален и зависит как от физической природы исследуемого свойства, так и от физико-химических особенностей используемой керамики.
Повышение декоративных характеристик наномодифицированной глазурованной строительной керамики. Предотвращение фотодеструкции пигментов в декоративном слое отделочной строительной керамики, путем модификации нанодиоксидом титана [1, 2]
Уникальные свойства приобретает облицовочная керамика с покровным слоем «Hydrotect» (разработанным японским концерном ТОТО), содержащим модифицированный фотокатализатор диоксида титана (ТiO2), придающий керамике, по данным японского концерна, стерилизующие и самоочищающие свойства. Фотокализатор способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органические материалы и бактерии, а под действием света наноструктурированная оксидом титана поверхность керамики постепенно становится супергидрофильной, и вода легко стекает с нее, увлекая загрязнения.
Как известно, в строительной сфере керамика применяется в основном в виде керамической плитки. Ряд патентов в области применения водо- и грязеотталкивающих покрытий керамики принадлежит германскому концерну Deutsche Steinzeug. Новая плитка, разработанная на основе нанотехнологий, обладает удивительными свойствами: наночастицы, входящие в ее состав, заставляют попавшие на поверхность капли воды собираться в шарики, после чего под действием силы тяжести они удаляются вместе с остатками грязи, пыли, грибка и мха [2].
Повышение эксплуатационных характеристик строительных керамических материалов. Развитие процесса упрочнения керамики с помощью введения наполнителей и волокон, увеличение межфазовой адгезии [3, 4, 5]
Ультрадисперсные материалы являются искусственными продуктами. Процесс синтеза наночастиц должен происходить в достаточно широком диапазоне размеров от 1 до 100 нм при соблюдении серьезного контроля и управления параметрами процесса. Немаловажным этапом является покрытие синтезируемых наночастиц специализированными оболочками, которые обеспечивают физико-химическую и электрическую изоляцию и предотвращают самопроизвольное спекание и агрегацию (т. е. самоорганизацию наночастиц в более крупные формы с потерей необходимых свойств). На сегодняшний день с успехом применяют физический и химический методы создания нанопорошков.
На данный момент на практике получены ультрадисперсные порошки, такие как оксид магния, оксид алюминия, закись меди, оксид кремния, а также оксиды ряда металлов: никеля, алюминия, тантала, молибдена, различных полупроводниковых материалов и фуллеренов, углеродных нанотрубок с уникальными свойствами. Аргон, ксенон, азот, гелий и обычный воздух используются в технологии. Частицы, синтезируемые плазмохимическим методом, получены в виде монокристаллических (однородных) частиц и имеют размеры от 10 до 100-200 нм.
Керамическая масса
Керамическая масса на основе глинозема с модифицирующей добавкой (Патент РФ № 2150442), содержащей оксид алюминия, полученный плазмохимическим методом, отличается тем, что она содержит указанные компоненты в следующем соотношении, масс. %: глинозем – 70,0-97,0, плазмохимически полученный оксид алюминия – 3,0-30,0. Прочностные характеристики образцов керамики, изготовленных из смесей стандартного глинозема и плазмохимически полученного оксида алюминия, имеют более высокую прочность при изгибе, чем материалы, полученные только из промышленного глинозема или керамических масс на его основе с отклонениями по содержанию плазмохимически полученного оксида алюминия от заявляемых пределов.
Обеспечение мероприятий по охране окружающей среды. Создание нанокерамических мембран в качестве диффузионного барьера для ионов агрессивных органических сред при очистке сточных вод предприятий строительной индустрии [6]
НПО «Керамикфильтр». Организация основана в 1990 году специалистами по высокопрочным и тугоплавким волокнам, работавшими в военно-космическом проекте «Буран». Компанией разработаны и произведены керамические фильтры с керамическими мембранами из сверхтонких керамических волокон для промышленных систем микро- и ультрафильтрации и лабораторной практики, обеспечивающие процессы очистки, разделения и концентрирования на фильтрационных мембранах.
Таблица. Прочностные характеристики образцов керамики, содержащей оксид алюминия, полученный плазмохимическим способом
| Содержание Al2O3 в керамической массе, % | Прочность | ||
| На изгиб, МПа | Микротвердость, ГПа | Вязкость разрушения, МПа·м0,5 | |
| 0 | 80 | 4,7 | 2,8 |
| 3 | 520 | 16 | 3,6 |
| 5 | 620 | 19 | 4,6 |
| 10 | 620 | 18 | 4,7 |
| 20 | 640 | 20 | 5,0 |
| 30 | 630 | 18 | 4,6 |
| 32 | 450 | 16 | 2,6 |
Такие керамические мембранные фильтры успешно работают в экологических целях на многих отечественных и зарубежных предприятиях.
Научный и производственный потенциал фирмы НПО «Керамикфильтр» позволил разработать и внедрить новые типы керамических мембранных фильтров, расширить области их применения, совершенствовать мембранные технологии разделения, очистки и концентрирования. За последние годы производство мембранных фильтров увеличилось более чем в 3 раза. Созданные керамические мембранные фильтры соответствуют оптимальному соотношению цены и качества.
Условность классификации фильтрационных мембран по размеру пор связана с поверхностными взаимодействиями, происходящими на входной стороне мембраны (со стороны ее селективного слоя), которые играют исключительно важную роль в баромембранных процессах разделения. Механизмы мембранных фильтрационных процессов в большинстве случаев связаны с особым строением слоев жидкости, непосредственно примыкающих к поверхности стенок капилляров пористых тел.
Существование граничных слоев жидкостей с особой структурой было лейтмотивом исследований Б.В. Дерягина. Он был крупнейший специалистом XX века по поверхностным явлениям. Существует защищенное мнение в недавней работе учеников и последователей школы Дерягина. Подход к описанию баромембранных процессов должен быть единым, но учитывающим специфику поверхностных взаимодействий каждого конкретного процесса, будь-то обратный осмос, нано-, ультра- или микрофильтрация.
Классификация является наиболее распространенной по шкале баромембранных процессов. Именно не по диаметру пор мембраны, а по функциональным характеристикам мембранного процесса, т.е. по размеру или молекулярной массе удерживаемых компонентов разделяемой смеси.
Есть основная задача мембранных технологий. Надо провести разделение компонентов с наименьшими энергетическими затратами. Современная конкурентоспособная мембрана состоит, как правило, из несколько слоев различных материалов, каждый из которых имеет свою структурную организацию на микро- и наноуровне. Это обеспечивается целым комплексом технологических характеристик мембраны в целом, таких как высокие транспортные и разделительные свойства, ее способность к регенерации в процессе загрязнения.
Следующим необходимым этапом успешного использования любой мембраны в технологических процессах является создание на ее основе высокоэффективного разделительного модуля. В данном модуле должны быть реализованы описанные выше технологические параметры мембраны.
Применение нанодобавок обеспечивает:
– повышение декоративных свойств глазурованной строительной керамики [1, 2].
– повышение эксплуатационных характеристик строительной керамики [3, 4, 5].
– охрану окружающей среды при очистке сточных вод предприятий стройиндустрии [6].
Библиографический список
1. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов, http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1283.
2. Возможности новой керамики, http://nano-portal.ru/post/5928.
3. Русские нанопорошки, http://fabrikamisli.ru/page/137/.
4. Производство и применение нанопорошков, http://www.fabrikamisli.ru/page/140/.
5. Патент РФ № 2150442 Керамическая масса, http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet.
6. В.В. Волков, Б.В. Мчедлишвили, В.И. Ролдугин, С.С. Иванчев, А.Б. Ярославцев. / Мембраны и нанотехнологии. / Российские нанотехнологии. Т. 3, №11-12, 2008, 67-99, http://memtech.ru/index.php/ru/glavnaya/publications/98-membrany-i-nanotekhnologii.
