Уважаемые участники конференции, вашему вниманию представляется доклад «Задачи и перспективы нанотехнологии в строительстве»
Скачать 119.97 Kb.
|
| Уважаемые участники конференции, вашему вниманию представляется доклад «Задачи и перспективы нанотехнологии в строительстве» Перспективы нанотехнологии в строительстве обсуждаются весьма широко. Результаты экспериментальных исследований и некоторый практический опыт призваны убедить общественность в достижениях, которые ожидаются от управления структурообразованием на атомно-молекулярном уровне. В то же время существующие примеры реализации нанотехнологии в строительстве являются скорее демонстрацией её возможностей, а не целенаправленным поиском решений. Объективной причиной сложившейся ситуации является наличие ряда проблем, эффективное решение которых – задача научных коллективов строительной отрасли. Источником многих проблем являлось предположение о возможности целенаправленной манипуляции «отдельными атомами или их ограниченными наборами», каковая неявно предполагалась формулировкой некоторых нормативных документов. Представлялось очевидным, что при наличии наноманипуляторов, обеспечивающих целенаправленное конструирование произвольных макрообъектов, можно удовлетворить все потребности населения. Отсюда закономерно выводились преимущества предлагаемой технологии, в частности – безотходность и универсальность. При этом вопросы конструирования указанных манипуляторов были оставлены без ответа, что переводило понятие нанотехнологии в плоскость беспочвенных фантазий. Преодоление указанного предположения и формирование широкой, а главное – практически полезной трактовки понятия нанотехнологии и смежных с ним понятий являются необходимыми предпосылками успешного развития строительного материаловедения. (Слайд №2) Внедрение нанотехнологии в строительное материаловедение требует решения нескольких приоритетных задач. В их числе: Определение рациональной методики наноструктурирования строительных материалов; выбор методологии технико-экономической оценки целесообразности внедрения нанотехнологии в строительство; оценка токсикологического влияния нанообъектов на здоровье человека. (Слайд №3) Все методики наноструктурирования строительных материалов можно разделить на две группы. В первую группу входят методики, связанные с введением в материал синтезированных нанообъектов; во вторую входят методики, включающие синтез нанообъектов в материале в процессе изготовления. Усилия отечественных и зарубежных материаловедов в настоящее время преимущественно сосредоточены в направлении модифицирования строительных композитов нанообъектами – углеродными и оксидными наночастицами, углеродными нанотрубками. Такая стратегия имеет очевидное преимущество, связанное с решением задачи стандартизации нанообъектов. Однако помимо очевидной проблемы, связанной с высокой стоимостью многих (в особенности – углеродных) наночастиц, неизбежна необходимость решения задачи однородного распределения нанообъектов. При решении этой задачи следует учитывать, что наноуглеродные модификаторы являются весьма устойчивыми образованиями, сохраняющими молекулярную структуру продолжительный период при воздействии внешних факторов. К настоящему времени типичным подходом к решению проблемы гомогенизации является использование ультразвуковой обработки композиции. (слайд 4) При использовании ультразвуковой обработки считается, что ее режим обеспечивает получение однородных систем. В то же время было показано, что частота ультразвука для эффективного диспергирования нанообъектов размером менее 100 нм должна составлять более 10 ГГц. Это область гиперзвука, который быстро поглощался бы средой-носителем, а его энергия расходовалась на преобразование вещества, в том числе, активацию химических реакций. Но наиболее важным является отсутствие промышленных аппаратов, генерирующих звуковые колебания таких частот. Таким образом, затраты энергоресурсов на ультразвуковую обработку – которая по указанной причине зачастую не достигает цели – для крупногабаритных изделий сводят к минимуму преимущества от применения материала. Наряду с ультразвуковой обработкой некоторые положительные результаты дает прививка к поверхности нанообъектов функциональных групп, облегчающих совмещение с технологическими жидкостями. При этом вопросы обращения с нанообъектами на этапе приготовления полуфабрикатов для модифицирования строительных материалов остаются открытыми. Не решен также вопрос устойчивости технологического процесса производства многокомпонентных строительных материалов к случайному варьированию рецептуры, особенно актуальный для материалов, содержащих нанообъекты. (слайд 5) Вторая траектория является предпочтительной и позволяет решить большинство технологических и, как будет показано ниже, многих экологических задач. Сущность второй стратегии заключается в использовании реактивов –прекурсоров – которые полностью совмещаются с технологической жидкостью и способны в процессе изготовления материала претерпевать физические или химические преобразования и синтезировать наноразмерные объекты, участвующие в его структурообразовании. При этом целенаправленная реализации нанотехнологии должна опираться на результаты, полученные и на основе анализа структурных моделей, получение которых требует привлечения приборной базы соответствующих научных подразделений и производственных предприятий. (слайд 6) Имеются многочисленные примеры успешной реализации второй стратегии. В частности, хорошо известно, что поверхность кварцсодержащего материала содержит большое количество активных центров, способных к ионному обмену. По этой причине уже в нормальных условиях реализуется существенная обводненность такой поверхности. Оказывается, что как стимулирование ионного обмена, так и блокировка силанольных групп позволяют получить материалы с новыми комплексами свойств. При этом следствием возникающего комплекса свойств являются наноразмерные образования на поверхности кварцсодержащей дисперсной фазы. Таким образом, полученные материалы полностью удовлетворяют принятому определению нанотехнологии. Этому определению удовлетворяют и композиты на минеральных вяжущих, при изготовлении которых в качестве пластификаторов использованы полимеры (как правило – карбоцепные гребнеобразные), полученные направленным дизайном молекулярной структуры (каковым можно считать практически любую химическую технологию). (слайд №7) Имеются и зарубежные примеры реализации второй стратегии. Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих сеток получают посредством синтеза взаимопроникающих пространственных полимерных структур полиуретанов, эпоксидных смол и акрилатов с дендроаминосиланами. Происходящие в процессе синтеза физико-химические процессы формируют в структуре материала наноразмерные частицы оксида кремния. Для нанокомпозитов на основе гибридной органосиликатной матрицы существенное увеличение прочности и ударной вязкости матрицы достигается объединением специальных жидких добавок, которые на технологической стадии выступают в качестве микрокристаллической затравки, а в дальнейшем обеспечивают кольматацию пор матрицы. Полимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средам. Новые химические стойкие полимерные материалы разработаны с добавлением наноразмерного неорганического активного наполнителя, реагирующего с агрессивной средой и формирующего новую фазу, состоящую из гидрата высокой прочности. Уже только представленные примеры убедительно свидетельствуют о повышенном интересе зарубежных исследователей к использованию нанотехнологии для повышения показателей строительных материалов. (слайд №8) Обращаясь ко второй из обозначенных задач, отметим, что для определения целесообразности внедрения разработки принималось достаточным обоснование только на основе расчета финансовых потоков. Однако этого критерия достаточно только при условии внедрения нового достижения, технические показатели которого не подвергаются сомнению. Отсутствие технического анализа увеличивает вероятность появления продукта с незначительно отличающимся по характеристикам от существующих изделий и являющиеся их тиражированием, что может при внедрении нанотехнологии оказывать неблагоприятное влияние на мнение потребителя и, следовательно, на внедрение и продвижение этой технологии. Поэтому целесообразно при внедрении нанотехнологии проводить технико-экономическую оценку. Для этого необходимо разработать критерий, позволяющий учитывать технические достижения и величину экономических затрат на внедрение технологии. Примером такого показателя является частное от деления относительного изменения качества материала на относительное изменение стоимости технологии. Это соотношение фактически определяет эффективность вложение финансовых средств в новую технологию. Очевидно, что предложенная методология оценки технико-экономической эффективности внедрения нанотехнологии определяет необходимость решения новых подзадач, а именно: 1) Разработать методики расчета экономических показателей, учитывающих весь жизненный цикл работы материала. 2) Сформулировать обобщенные критерии качества материала. Все показатели, входящие в состав обобщенного критерия качества, должны быть сформулированы для каждого материала. Это потребует не только проведение классификации, но и разработки новых методик определения свойств материалов. 3) Установить значения свойств материалов. Для решения указанной задачи необходима системная работа и консолидация усилий специалистов многих областей знаний, способных сформулировать требования к новым энергоэффективным и безопасным зданиям и сооружениям. (Слайд №9) Необходимо отметить, что применение наночастиц порождает комплекс задач, которому в также следует уделить должное внимание. Эти задачи обусловлены токсичностью нанодисперсных объектов. В ряде работ показано, что негативные эффекты от попадания в организм углеродных нанотрубок превосходит результаты воздействия асбеста и кристаллического кремнезёма. То же выявлено при использовании наночастиц титана и серебра. Отсюда очевидно, что реализаци первой стратегии, включающей синтез наночастиц как самостоятельных объектов, может привести к серьезным экологическим проблемам и существенным экономическим расходам. Высокая проникающая способность и каталитическая активность могут оказывать нежелательное влияние на организм человека. В настоящее время принимаются нормативные документы, регламентирующие обращение с наноматериалами. Рациональным представляется получение продуктов, являющихся лиофильными коллоидными дисперсными системами, дисперсионная среда в которых хорошо совместима с технологическими жидкостями, используемыми при производстве строительных материалов. Здесь также возникает несколько подзадач. 1) Подобрать способы и режимы обработки, обеспечивающие однородное распределение наночастиц по объему среды-носителя и строительного материала; эта задача фактически возвращает к уже рассмотренной проблеме гомогенизации. Вторая подзадача заключается выборе вспомогательного вещества, обеспечивающего агрегативную стабильность коллоидных систем и удаляющегося для реализации потенциала наночастиц. (Слайд №10) Использование поверхностно-активных веществ − известный и в то же время весьма эффективный способ повышения агрегативной устойчивости коллоидных и других дисперсных систем. Адсорбция молекул поверхностно-активного вещества на поверхности наночастиц приводит к снижению поверхностного натяжения и улучшению смачиваемости поверхности твердого тела. Однако при этом молекулы поверхностно-активного вещества блокируют активную поверхность наночастиц и препятствуют использованию ее энергетического потенциала (в приведенном соотношении первое слагаемое характеризует вклад поверхностной энергии, а второе – вклад активных центров). При нанесении поверхностно-активного вещества снижается поверхностное натяжение и, соответственно, энергетический потенциал будет уменьшаться пропорционально уменьшению этой величины. Поэтому важно подобрать вещества, которые удалялись с поверхности наночастиц. (Слайд №11) Приоритетная роль в развитии технологии управления структурообразованием на молекулярном уровне принадлежит специализированным подразделениям: научно-образовательным центрам. Одно из таких подразделений сформировано в Московском государственном строительном университете при выполнении мероприятий Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы». НОЦ НТ оснащен современной инструментальной составляющей. (Слайд №12) Исследовательское и учебное оборудование центра представлено системами пробоподготовки, исследования структурных, физико-химических, реологических, механических, теплофизических и эксплуатационных свойств. Большая часть оборудования допускает удаленное использование. Система пробоподготовки обеспечивает выполнение подготовительных операций в соответствии с действующими стандартами. Исследования структурных параметров могут выполняться на рентгеновском и инфракрасном порошковых дифрактометрах, азотном порометре, оптических и зондовых микроскопах, спектрометре комбинационного рассеяния. Для исследования физико-химических свойств (в частности - кинетики реакций в минеральных вяжущих) предназначены сканирующий калориметр и ЯМР-релаксометр. Реологические свойства систем - от маловязких до грубозернистых - могут быть исследованы на ротационном и вибрационном вискозиметрах. Для исследования механических свойств макроскопических образцов предназначены сервогидравлические системы; для исследования свойства поверхностных слоев используется наномеханический комплекс. Для исследования структурно-чувствительных теплофизических характеристик доступны дилатометр и анализатор теплопроводности. Для оценки эксплуатационных показателей предназначены климатические камеры. (Слайд №13) Система микроволнового синтеза предназначена для выполнения термических лабораторных процессов: сушки, выпаривания, гидролиза, экстракции, синтеза и разложения. Микроволновый синтез (в т.ч. – синтез прекурсоров наномодификаторов) позволяет существенно сократить время исследования, повысить выход и чистоту продуктов. Система наномеханических испытаний Nanotest предназначена для определения твердости и модуля упругости поверхностных слоев материала, отыскания времен механической релаксации. Система может быть использована для количественной оценки напряженного состояния композитов, оценки интенсивности граничных взаимодействий. С помощью твердомера, входящего в состав системы, можно в автоматизированном режиме проводить тестирование покрытий, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах. Оптический микроскоп системы Nanotest имеет самостоятельное значение как инструмент научных исследований. Спектрометр комбинационного рассеяния Senterra предназначен для исследования фазовых и аллотропных переходов при синтезе наномодификаторов и наноструктурированных композитов на основе различных матриц. Дифрактометр SAXSess предназначен для исследования наноразмерных образований методом малоуглового рентгеновского рассеяния. Вискозиметр MCR 101 предназначен для исследования реологических свойств и структуры деформируемых систем в интервале температур от –30 до +200 0С и снабжен дополнительными модулями, позволяющими проводить термомеханический анализ композиционных материалов при различной механической нагрузке; пригоден для исследования реологических свойств грубозернистых смесей. (Слайд №14) Не вызывает сомнений важность модельных исследований систем нанометровых масштабов. Персонал научно-образовательного центра разрабатывает и успешно применяет в поисковых исследованиях программные средства, предназначенные как для моделирования взаимодействия нанообъектов, так и для предварительного определения рецептур композиций с наноразмерными объектами. Решение задач моделирования структурообразования и прогнозирования свойств материалов может выполняться с использованием собственных вычислительных средств научно-образовательного центра. Анализ физико-химических процессов на межфазной границе «матрица-дисперсный наполнитель» позволяет выбрать общий вид и оценить параметры потенциала парного взаимодействия. Это открывает возможность использования метода частиц для исследования эволюции систем, образованных наноразмерными объектами. Моделирование условий формирования перколяционных решеток из дисперсных частиц (в т.ч. нанометрических размеров) позволяет оценить концентрационные границы модификаторов строительных композиций. (Слайд №15) Формируется методическая база для подготовки инновационно-ориентированных бакалавров, магистров и научных кадров высшей квалификации. Утверждаются разработанные программы спецкурсов и практикумов, затрагивающие основные аспекты применения нанотехнологии в материаловедении. С 2012 г. проводится обучение по трем программам факультативных дисциплин – «Нанотехнология в строительном материаловедении», «Физико-химические методы исследования» и одной дисциплине межпредметного характера. На базе центра планируется проведение курсов повышения квалификации. (Слайд №16) Включение научно-образовательного центра в структуру, объединяющую строительные вузы России, позволит улучшить условия информационного обмена между исследователями. Одной из первых задач на этом направлении является разработка сетевого портала центра. В настоящее время эта работа находится в заключительной стадии. (Слайд №17) Подводя итог, нужно отметить следующее. 1. Формируется нормативная база, способствующая развитию нанотехнологии в строительстве (материаловедении). 2. Введение наночастиц может порождать экологические проблемы; использование активных способов гомогенизации (ультразвуковая обработка) нанодисперсных систем не полностью обеспечивает требуемую степень однородности смесей; применение вспомогательных веществ может блокировать активные центры нанообъетов, что нивелирует эффекты их введения. 3. Стратегия реализации современной нанотехнологии в строительстве должна базироваться на использовании запасённой в веществе химической энергии: перспективны химические методы синтеза нанообъектов в структуре материала. 4. Ведущая роль как в развитии теоретических положений, так и в подготовке инновационно-ориентированных специалистов для строительной отрасли, способных успешно решать задачи внедрения нанотехнологии, принадлежит специализированным подразделениям – научно-образовательным центрам. Мы готовы к сотрудничеству и совместному решению задач. Доклад закончен. Спасибо за внимание. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Информационный бюллетень о деятельности мбоу «Средняя общеобразовательная... Уважаемые родители, учащиеся и гости сайта, Вашему вниманию представляется Публичный доклад |  | Уважаемые студенты и сотрудники иэуп! Вашему вниманию представляется программа запланированных мероприятий в рамках недели факультета менеджмента и маркетинга |
| 2 Каждый школьник изучает таблицу умножения. И мы во втором классе... Уважаемые участники конференции, разрешите представить вашему вниманию работу «Таблица умножения-достойна уважения» | | Программа конференции «Модернизация дорожного хозяйства: опыт и перспективы» Предлагаем вашему вниманию программу VI межрегиональной конференции «Модернизация дорожного хозяйства. Опыт и перспективы», которая... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Вашему вниманию представляется публичный доклад работы моу «сош №32» г. Воркуты за 2012-2013 учебный год | | Доклад начальника му «Управление образования г. Горно-Алтайска» Добрый день, уважаемые участники конференции, коллеги, дорогие ветераны педагогического труда! |
| Уважаемые коллеги! Вашему вниманию предлагается один из вариантов распределения баллов за различные виды деятельности студентов. Таким распределением... | | Публичный отчет моу сош №12 г. Пензы имени в. В. Тарасова уважаемые... Предлагаем вашему вниманию отчет о реализации Программы развития, представленной на конкурсный отбор в рамках приоритетного Национального... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Уважаемые коллеги, предлагаю Вашему вниманию доклад, структурированный в соответствии с рекомендациями Министерства образования Иркутской... | | Публичный отчет о деятельности муниципального общеобразовательного... Уважаемые родители, коллеги, представители общественности! Вашему вниманю представляется публичный доклад руководителя моу «Ялгинская... |
| 2 Общая характеристика образовательного учреждения 3 2 Предлагаем вашему вниманию Публичный доклад по итогам 2013-2014 учебного года, в котором рассматриваются ключевые вопросы состояния... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Вашему вниманию представляется нестандартный урок физической культуры в 7 классе на тему «Футбол игра миллионов» |
| Доклад подготовила директор моу «Бужаровская сош» Предлагаем Вашему вниманию публичный доклад нашей школы за 2012-2013 учебный год по направлениям деятельности | | Консультация для родителей Уважаемые родители, вашему вниманию,я хочу представить не большой урок-консультацию, о том как рисовать гуашью и её особенности |
| Публичный доклад директора муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения Предлагаем вашему вниманию открытый информационный доклад, в котором представлены результаты деятельности школы за 2012-2013 учебный... | | Схема доклада по защите выпускной квалификационной работы Обращение. Уважаемые члены Государственной экзаменационной комиссии! Вашему вниманию предлагается выпускная квалификационная работа... |
