Нанотехнологии при производстве строительных материалов, конструкций и композиций

текст выступления в рамках круглого стола "Нанотехнологии для ЖКХ"

(МИСИС, 11.12.2009 г.)
Мальцев Вадим Васильевич,

д.х.н., академик РАЕН,

зам. генерального директора ОАО «Гипролеспром» по науке,

главный эколог деревянного домостроения

1. 
   Производство минеральных нанопорошков и материалов на их основе.
   

Наноизмельченные минеральные связующие – активированные наноцементы и наногипсы (подготавливается промышленное производство).

В 2006-2009 гг. были получены опытные партии минеральных антипиренов «АЛГИД» и «СТИБОКС» в наноизмельченном виде. На примере «АЛГИД» было показано (при исследовании на электронном микроскопе) преобладание частиц наноразмеров. С использованием этого продукта были получены два новых полимерных материала. Работы проводились на предприятии «Стройполимер» Одинцовского района Московской области.

С использованием наноизмельченных антипиренов «АЛГИД» и «СТИБОКС», а также наноизмельченного антипирена-антисептика «БОРАНС» удалось разработать и довести до выпуска промышленной партии линолеум для судостроения «СУДАЛИН» (трудногорючий, антистатический, огнестойкий) с высокой стойкостью к истиранию. Официальные акты испытаний имеются, включая пожарное заключение, согласно которому линолеум «СУДАЛИН» получил показатель горючести Г2.

На этом же предприятии с использованием нано-измельченных «АЛГИД», «СТИБОКС», «БОРАНС», а также нового нелетучего полимерного платификатора (с наноразмерами частиц 5-6 нм) был получен трудногорючий, морозостойкий кровельный материал «КРОНАС», который по сочетанию эксплуатационных характеристик намного превосходит зарубежные аналоги. Разработка материала была доведена до выпуска промышленной партии. Высокие эксплуатационные характеристики подтверждены актами испытаний.

Использование наноизмельченного «АЛГИД» в составе защитно-детоксицирующей грунтовки «ВАСИЛОЛ» позволило существенно повысить ее эффективность как с точки зрения полноты поглощения формальдегида и фенола, так и с точки зрения его огнезащитного действия. Указанные характеристики были зафиксированы в результатах испытаний.

Наоноизмельченный «АЛГИД» и полимерные нанопластификаторы были использованы при разработке и организации промышленного производства краски «ДОКАС». В этой краске были апробированы нано-измельченные минеральные пигменты отечественного производства. В качестве пленкообразующей полимерной основы краски «ДОКАС» была использована водная дисперсия акрилового сополимера, производимого в России. При конкурсных испытаниях краска «ДОКАС» (на примере окраски шифера) выиграла с большим отрывом два международных конкурса. Протоколы результатов испытаний имеются. В конкурсе участвовали французские, немецкие, американские, бельгийские и датские фирмы.

Особо важно отметить, что в качестве антипирена нано-измельченный «АЛГИД» в 2,5 раза эффективнее, чем «АЛГИД» с обычными размерами частиц 5-10 мкм.

В течении последних 15 лет были проведены глубокие исследования возможности получения модифицированных водных дисперсий сополимеров с заданными свойствами, причем все исследованные дисперсии имели наноразмеры частиц полимера.

Разработка технологий модификаций нанодисперсий, а также химикаты, используемые для модификации, имели целью придать нано-дисперсиям (не меняя нано-размеров частиц) такие характеристики как высокая морозостойкость (не менее -50ºС), в т.ч. в циклических испытаниях соответствующих пленок на замораживание-размораживание. Эта задача была успешно выполнена. Более того, удалось создать и наладить производство новых модификаторов водных дисперсий сополимеров, которые (не меняя нано-размеров частиц) обеспечили одновременное сочетание следующих эксплуатационных свойств у пленок, полученных из указанных сополимеров: морозостойкость, огнестойкость, грибкостойкость, стойкость к ультрафиолетовому излучению.

На основе этих разработок, некоторые из которых были запотентованы, было налажено промышленное производство красок «ДОКАС» и «ПЕНТАКСА», защитно-антисептирующих составов «ВУПРЕКС» и «ВУПРИН», защитно-детоксицирующего состава «ВАСИЛОЛ» и др. По полученным данным размеры частиц модифицированных сополимеров в водных дисперсиях лежат в пределах 60-100 нм.

Водные дисперсии таких сополимеров, модифицированные различными добавками были использованы для создания эффективных технических решений в области коммунального и промышленного строительства. Наиболее сильным и оригинальным техническим решением в этом направлении стало создание «КРОВЛИ БЕЗ КРОВЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА».

Для городских коммунальных служб вопросы выхода из строя кровельных материалов давно уже стало настоящим бедствием. Тяжелые и недолговечные кровельные покрытия на основе битума и рубероида постоянно протекают и дают опасно высокую нагрузку на плиты крышного перекрытия. Различные варианты рулонных кровельных материалов также не позволяют обеспечить надежную и долговечную гидроизоляцию крыш.

Тщательное изучение этой проблемы привело к идее принципиально иного решения по гидроизоляции ж/б крыш жилых и промышленных зданий. Сущность идеи состояла в том, чтобы при помощи полимерных нанодисперсий сначала полностью закрыть поры бетона (пропитывающий состав), затем нанести на пропитанную ж/б плиту вододисперсионный грунтовочный состав, а далее дважды наложить финишное защитно-декоративное покрытие, отличающееся высокой морозостойкостью (до -50ºС), водонепроницаемостью и стойкостью к солнечному свету.

Все 3-и слоя, пропиточный, грунтовочный и финишный отличаются высокой морозостойкостью и относятся к трудногорючим покрытиям. После высыхания всех 3-х слоев общая масса покрытия составляет 175 грамм/кв.м., что как минимум в 10 раз меньше любого известного кровельного материала. Перед нанесением указанных составов стыки между панелями крышного перекрытия герметизируют морозостойким герметиком.

Разработанное техническое решение по гидроизоляции крыш потребовало изменение технологии пароизоляции. Было предложено осуществлять тепло- и паро- изоляцию крышного перекрытия не снаружи, а изнутри. Для этого использовался материал «ТЕПЛЕН», который приклеивается на перекрытие изнутри и обеспечивает не только эффективную теплоизоляцию, но и одновременно пароизоляцию и шумопоглощение.

Для разработанной кровельной системы не страшны удары ломом или скребком в зимнее время, т.к. пропитанный бетон на эти удары практически не реагирует. Если же все таки повреждение нанесено, то место повреждения высушивается промышленным феном и операции по пропитке, грунтовке и финишной отделке повторяются в месте повреждения.

Другое важное техническое решение с использованием модифицированных нанодисперсий сополимеров было направлено на предотвращение высолов на декоративном кирпиче жилых и общественных зданий, а также на предотвращение разрушения наружного слоя кирпича под действием знакопеременных температур.

Проникая в поры кирпича, такой состав как «ВУПРЕКС», например, гидрофобизирует поверхность и образует в порах преграду, препятствующую высолам.

Здесь же необходимо отметить уникальный антипирен-антисептик «ДИАФОС-Р50», промышленное производство которого налажено 9 лет назад. Этот продукт разрабатывался прежде всего для высокоэффективной огне-био-защиты древесины и тканей. Товарная форма «ДИАФОС-Р50» - водный раствор с высокой проникающей способностью.

После пропитки древесины, например, «ДИАФОС-Р50» глубоко проникает в поры древесины, а после испарения воды образует прозрачные нано-кристаллы с высокой механической прочностью. Кристаллы «ДИАФОС-Р50» не испаряются и не возгоняются (в противоположность диамонийфосфату).

После пропитки и сушки древесины и других материалов действие «ДИАФОС-Р50» как огне-био-защиты не ограничено во времени, что составляет резкий положительный контраст с антипиренами подобного класса. В дальнейшем изучение свойств «ДИАФОС-Р50» привело к обнаружению дополнительных необычайных свойств этого продукта. Например, в работах по снижению горючести и токсичности пенопластов на основе карбомидо-формальдегидных смол (КФС) было обнаружено, что «ДИАФОС-Р50» не только резко снижает горючесть этих материалов, но и одновременно выполняет еще 3 функции: является отвердителем КФС, вступает в реакцию полимеризации с КФ-олигомером, необратимо поглощает значительную часть свободного формальдегида, что особенно важно с экологической точки зрения.

Свойства «ДИАФОС-Р50» были использованы при разработке технологии производства ДСП, где связующим служит смола КФ МТ-15. Исследовательская работа, проводившаяся в течении 3-х лет показала, что совместное использование композиций для ДСП наноизмельченного «АЛГИД» и «ДИАФОС-Р50» приводит к получению плит класса Е1 по эмиссии формальдегида, а в процессе выдержки образцы ДСП перешли в класс Е0. Установленное явление открывает перспективы мирового значения – получение ДСП и подобных материалов в нетоксичном виде, чего пока еще никто в мировой практике не получал.

Очень важно отметить также, что изготовленные плиты имели класс горючести Г2, чего никогда не достигается в ДСП с карбамидоформальдегидным связующим.

На состав «ДИАФОС-Р50» был получен гигиенический сертификат и пожарные сертификаты по огнезащите древесины (3 сертификата), в которых отмечено, что образцы древесины, пропитанные этим составом с последующей обработкой «ВУПРЕКС» или «ВУПРИН» соответствуют первой, т.е. наивысшей категории огнезащиты древесины. Это означает, что древесина, пропитанная «ДИАФОС-Р50» не загорается при действии пламени.

За последние 3 года объемы производства и потребления «ДИАФОС-Р50» постоянно растут, особенно в области деревянного домостроения. По своей эффективности «ДИАФОС-Р50» превосходит все составы аналогичного назначения, имеющиеся на мировом рынке. В заключении уместно отметить, что древесина, пропитанная этим составом не меняет своего внешнего вида.

III. Производство нано-аддитивов для переработки пластмасс

Работы по созданию олигомерных нелетучих термостойких аддитивов для пластмасс активно велись с 80-х годов и были связаны, прежде всего, с выполнением огромного комплекса работ по улучшению условий труда в промышленности полимерных строительных материалов и созданию безвредных в эксплуатации полимерных материалов.

В результате этих работ были созданы и доведены до промышленных производств и применены олигомерные антистатики класса «ОКСИСТАТ», с использованием которых были выпущены сотни тысяч кв.м. трудногорючей, антистатической винилискожи.

Одна из разновидностей «ОКСИСТАТ» была использована при разработке и производстве трудногорючего антистатического линолеума «СУДАЛИН».

В 2009 году была разработана технология получения еще одной разновидности «ОКСИСТАТ», отличающаяся отсутствием летучести и высокой термостабильностью. В 2010 году планируется начало серийного производства последней модификации «ОКСИСТАТ». Все исходное сырье для этого – отечественное, а одним из основных компонентов является крупнотоннажные отходы химической промышленности России (2 млн. тонн в год).

В процессе работ по созданию уникального по свойствам рулонного кровельного материала «КРОНАС» на основе пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) был создан уникальный восокомолекулярный пластификатор ПВХ с наноразмерами частиц (надмолекулярных структур). В этом же кровельном материале использованы нано-измельченные «АЛГИД» и «СТИБОКС». Применение же вышеуказанного пластификатора в ПВХ-композициях приводит к получению материалов с необычайным сочетанием свойств: высокая морозостойкость (до -45ºС), исключительно высокое относительное удлинение (до 350%) и одновременно небывалая прочность на разрыв (до 11 МПа).

Это позволило получить рулонный кровельный материал без применения стекло-сетки, как это делают французские, швейцарские и американские фирмы. Кровельные материалы этих фирм имеют прочность на разрыв не более 6 МПа при относительном удлинении не более 100%.

Этот пример очень ярко показывает, какую высокую конкурентную способность могут обеспечить разработанные нано-химикаты и продукция с их использованием.