Upload
hadiep
View
226
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.
2
A nanotechnológia építőanyag-ipari alkalmazásai – I.A nanotechnológia mint az elkövetkező évtizedek egyik legfontosabb tudományterülete, az építőanyag-ipar területén is fejlődési lehetőséget biztosít a különleges paraméterű építőanyagok kifejlesztéséhez és alkalmazásához.
Ma már mindenki számára ismertek a nano-tech no ló gia sikeres alkalmazásai a mikro-elektronika, a mikrobiológia és az anyagtudo-mányok területén. Ugyanakkor az építőipari alkalmazási eredményekről és lehetőségek-ről igen kevés információ áll rendelkezésre az iparág mérnökei és szakemberei számára. Ezt az ismeretterjesztési hiányosságot kívánja pótolni ez a cikk, számos alkalmazási példán bemutatva a nano anya gok nem mindennapos tulajdonságait és jövőbeni alkalmazási lehető-ségeiket az építőipar területén.
Nanotechnológia, korunk egyik legdinamiku-sabban fejlődő iparága. Kutatási és fejlesztési eredményei mindennapi életünk egyre szé-lesebb területeit szövik át az építő- és építő-anyag-ipar számos területén is. Mára a „nano” szó egy márkává nőtte ki magát a köztudat-
ban, így a „nano” kifejezést arra használják, hogy kiemeljék a termékek kiváló műszaki teljesítményét.A „nano” görög eredetű szó, jelentése törpe, 1 nanométer a méter egymilliárdod része. Egy hajszál vastagsága kb. 200 µm = 200 000 nm. A nanoméretű anyagokat más anyagnak kell tekinteni, mint a hétköznapi életünkben alkal-mazott makroméretűeket. Az ilyen méretű anyagok tulajdonságai elsősorban azon alap-szanak, hogy fajlagos felületük sokkal nagyobb, mint tömbi formában. Fő jellegzetes-ségük, hogy méretük csökkenésével igen jelen-tősen növekszik kémiai reakcióképességük. A nanotechnológiát az különbözteti meg az épí-tőanyag-iparban alkalmazott más eljárásoktól, hogy a nanoméret tartományban végzett tech-nológiai műveletek során, új anyagtulajdonsá-gok keletkeznek. A szerkezeti anyagok esetén például nagymértékben javulnak az anyagok mechanikai tulajdonságai.
ÖNTISZTULÓ FALFELÜLETEK
ÉS ÉPÜLETHOMLOKZATOK
A nanotechnológia építőiparban történő hasznosításának igen nagy területét fedi le a fotokatalízis elvén működő öntisztuló fal-
felületek alkalmazása. Az eljárás lényege, hogy a titándioxidot tartalmazó felületen (pl. beton, üveg) a TiO
2 fotokatalizátorként
működve, elnyeli a napfény (λ = 388 nm) UV sugárzását. Ez az energia gerjeszti a titándioxid vegyértékelektronját, létrehozva a (e¯) negatív elektront és a (h+) pozitív lyuk párt, melyek a környezetükben levő vízzel és oxigénnel reakcióba lépve, hidrogént (H+) és aktív oxigént (O
2¯) hoznak létre. További
reakciókon keresztül, hidroxil ionok (OH¯ és OH*) keletkeznek, melyek oxidációs közeg-ként működve felbontják a beton felületére lerakódott szerves anyagokat széndioxidra és vízre. Ez a folyamat mindaddig működik, amíg a fényhatás tart (1. ábra).
A nanotechnológia építőiparban már meghono-sodott alkalmazási területe az öntisztuló beton-felület, melyet fotokatalitikus tulajdonságú titándioxid tartalmú cementtel készítenek, és mint öntisztuló felületet alkalmazzák az építé-szetben. Gazdasági okokból a betonszerkezet-nek csak a külső vékony betonrétegét készítik foto kata liti kus cementtel (1. kép)
ÉPÍTŐANYAG
A NANOTECHNOLÓGIA ALKALMAZÁSI TERÜLETEI AZ ÉPÍTŐIPARBAN
1. Öntisztuló falfelületek és épülethomlokzatok
Fotokatalízis reakcióval öntisztuló beton- és üvegfelületek
Fotokatalízis reakcióval öntisztuló vakolt- és festett felületek
Öntisztuló mikrostrukturált festékfelületek (Lótusz-effektus
Falfelületek graffi ti elleni nanotechnológiás védelme
UV-sugárzás elleni védelem nanobevonatos üvegfóliával
2. Betontechnológiai alkalmazások
Nanotechnológiás beton-adalékszerek alkalmazása
Betonok vízzáróságának fokozása nano adalékanyagokkal
Betonok szilárdságának növelése nanocsövekkel
Habarcsok tulajdonságainak javítása nanotechnológiával
Nanocementtel előállított nagy teljesítőképességű betonok
3. Hatékony hőszigetelő anyagok előállítása
Grafi tadalékos expandált polisztirol (EPS) lemezek
Nanoporózus aerogél hőszigetelő anyagok
Nanotechnológiás hőszigetelő festékek és vékonybevonatok
Nanotechnológiás vákuum hőszigetelések
A fotokatalízis öntisztító hatásmechanizmusa 1. ábra
Fotokatalitikus betonból gyártott panelelemek (Misericordia-templom, Róma) 1. kép
MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.
3
FOTOKATALITIKUSAN ÖNTISZTULÓ
FELÜLETBEVONATOK
Öntisztuló beton- és üvegfelületet eredményez a titándioxiddal való felületkezelés is, mely-nek lényege, hogy a légköri szennyeződés hatásának folyamatosan kitett épületszerkeze-tek felületét, nanovékony átlátszó titándioxid réteggel vonják be. A Titan Shield®-bevonat fény és nedvesség hatására teljesen öntisztuló felületet ad. Elsősorban a nehezen hozzáfér-hető helyeken alkalmazzák, ahol szükséges a tartósan higiénikus és tiszta felület, például műtőkben, mivel a baktériumok nem tapad-nak meg a kezelt felületen.Az építőipar számára nehéz feladatot jelent a magas középületek üvegfelületeinek folyama-tos karbantartása és tisztítása. Az üvegfelületek öntisztulóvá tehetők, titándioxidos felületkeze-léssel, melynek reakciója során keletkező aktív
oxigén (O2‾) a víz felületi feszültségét csök-
kenti, hidrofi llé téve az üvegfelületet, amin a víz cseppeket nem képezve szétfut és lemossa a szennyeződést. Ilyen fotokatalitikus és hidrofi l réteget képez a TiPE® öntisztuló nanobevonat, melynek alkalmazásával lehetővé válik a kezelt felület vízcseppmenetesen tartása, valamint az antibakteriális és penészgátló tulajdonságok mellett a folyamatos öntisztulása is.
FOTOKATALITIKUS BEVONATOK
KÖRNYEZETVÉDELMI ALKALMAZÁSA
A kipufogó gázok okozta légszennyezés csök-kentésére fotokatalitikus cementet alkalmaz-nak, mely a betonfelület öntisztítása mellett csökkenti a légszennyezés mértékét. A cement titándioxid tartalma az UV-sugárzás által akti-válva, aktív oxigénreagenst generál, mely a levegőben lévő és az egészségre veszélyes nit-rogénoxidokat (NO
x) átalakítja ártalmatlan
nitrátokká (NO3‾) (2. ábra).
Európában eredményesen alkalmazzák a légszennyezettség csökkentésére az Ercole EcoActive® márkanevű vékony védőbevo-natot, mely fotokatalízis reakciója révén elő-segíti a szerves és szervetlen szennyező anyagok lebomlását és ártalmatlanítását. A HeidelbergCement Group által gyártott TioCem® titándioxid tartalmú cement, (for-galmazója a DDC) mely fotokatalitikus hatása révén, csökkenti a légszennyezés mértékét. Felhasználási területei a beton termékek, térkő betonelemek, járdaszegélyek, hangszigetelő betonelemek és zajvédő falak.Az épületek kerámiaburkolatainak karban-tartására és öntisztítására fejlesztették ki az ActiveTM Clean Air bevonatot, mely titándio-xid (TiO
2), ezüst (Ag) és alumíniumoxid (Al
2O
3)
nanorészecskéket tartalmaz. A kerámialapokra felhordott bevonati réteg fotokatalízis reak-ciói során keletkező aktív oxigén és hidroxi-dion a kerámia felületét szuper hidrofi llé teszi, így a víz lefut a felületről, eltávolítva a szeny-nyeződést. Az öntisztuló bevonat különösen
alkalmas a szerves szennyezőanyagok lebontá-sára és a városi levegő egészségkárosító nitro-génoxid tartalmának csökkentésére. Az ezüst nanorészecskék reakciójának köszönhetően pedig, antibakteriális és gombaölő tulajdonsá-gokkal is rendelkezik.
FOTOKATALITIKUSAN ÖNTISZTULÓ
VAKOLATOK ÉS FESTETT FELÜLETEK
A nanotechnológia legújabb eredményeit is fel-használva, a Baumit kifejlesztette az öntisztuló Baumit NanoporTop vakolatot, mely egyesíti a szilikát vakolatok jó páraáteresztő képességét a fotokatalitikus öntisztulással. Az UV sugárzás és az eső tisztító hatása mellett a NanoporTop vakolat sima felülete is nehezíti a szennyeződés megtapadását a felületen, ezért állandóan tiszta és szép a vakolt falfelület (2–3. kép).
Széles a kínálat a fotokatalitikus hatású öntisztuló és baktériumölő homlokzatfes-tékekből. Ilyen termék a StoPhotosan Color homlokzatfesték, vagy a szilikongyanta alapú Caparol Amphi Silan, melynek know-how megoldása szerint, egy rendszeren belül érvényesül a titándioxid tartalmú pigmentek fotokatalitikus hatása, valamint a festékbevo-nat nanorészecskéiből képzett fraktált felüle-tet hidrofób tulajdonsága.A festékbevonat minimális a vízfelvételét nem egy tömör és vízhatlan felületi réteg adja, hanem a festék pórusszerkezete és a megfele-lően tagolt felszínének hidrofób tulajdonsága, ezért a homlokzatfesték a szilikát ásványi anyagokhoz hasonló páraáteresztő képesség-gel rendelkezik. A festékréteg fotokatalitikus hatású pigmentjei biztosítják a szerves szeny-nyeződések lebontását, a hidrofób tulajdon-ságú pórusszerkezete pedig a felületről való eltávolítását. Az öntisztuló falfesték felülete könnyen tisztítható, az ezüsttartalmú biocid hatóanyagoknak köszönhetően pedig baktéri-umölő hatással is rendelkezik (4. kép). A falfelületek higiéniája javítására fejlesztették ki a Caparol CapaSan beltéri falfestéket, vala-
ÉPÍTŐANYAG
A levegőtisztítás hatásmechanizmusa 2. ábra
Szilikon vakolat makrostrukturált (fent) és NanoporTop
vakolat mikrostrukturális (lent) felülete 2–3. kép
A festékbevonat nanoméretű részecskéinek
fraktált felülete 4. kép
Fotokatalitikus homlokzatfesték
alkalmazása Pécsen 5. kép
MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.
4
mint a StoPhotosan Color fotokatalitikus hom-lokzatfestéket, mely a fotokatalitikus hatásával a szerves szennyeződéseket lebontja és csök-kenti a baktériumok és mikroorganizmusok számát a falon és a levegőben is (5. kép).
LÓTUSZ-EFFEKTUS ELVÉN MŰKÖDŐ
ÖNTISZTULÓ FELÜLETEK
A lótuszvirág levelén megfi gyelhető „lótusz-
effektus” a mikrostrukturált, hidrofób (vízta-
szító) fraktált felületek „öntisztuló” képessége
alapján működik. A levélfelületet mikroszko-
pikus cellakiemelkedések alkotják, amelyeken
kisebb hegyes képződmények is elhelyezked-
nek szabályos elrendezésben. A kiemelkedé-
sek olyan távolságra vannak egymástól, hogy
a por- és piszokszemcsék megakadnak rajtuk,
de nem érnek a levél felületéhez (6–7. kép).
Amikor eső éri a levelet, a víz felületi feszült-
sége révén a fraktált felületen cseppeket alkot,
és könnyen lepereg, miközben magával ragadja
a por- és piszokszemcséket (3–4. ábra).
A „lótusz-effektus” elvén működő Sto Lotusan
öntisztuló festékbevonat, több rétegből épül fel.
Egy ultravékony TiO2-ot tartalmazó védőréteg-
nek köszönhető a bevonati réteg UV-állósága és
stabilitása, valamint fagy- és hőállósága. Erre
épül felszíni rétegként a nanorészecskék alkotta
fraktált felület, mely biztosítja a tapadásgátló
tulajdonságot és a hidrofób vízlepergető öntisz-
tuló hatást. A fraktált felületű bevonati réteget
vegyi úton állítják elő, ehhez kb. 100 nm átmé-
rőjű gyöngyöket gyártanak szilikátokból, majd
a gyöngyök felületére trimetoxi-fenil-szilán
folyadékot hordanak fel, mely réteg megszilár-
dulva fraktált felületet ad (5. ábra).
A Sto Lotusan és a Caparol CarboSol öntisz-
tuló homlokzatfestékeknek igen jelentős a
környezeti hatásokkal szembeni ellenállása.
A megfelelő páraáteresztő képességgel rendel-
kező festékréteg felülete kefével, de akár magas
nyomású folyadékkal is tisztítható. Alkalma-
zási területei az épülethomlokzatok, valamint
üveg- és textilfelületek képzése (8. kép).
NANOTECHNOLÓGIÁS
FELÜLETKEZELÉSEK ÉS BEVONATOK
Az anyagok tulajdonságai széles körben
módosíthatók nanoanyagú impregnálásokkal
és bevonatokkal, mely után fokozottabb ellen-
álló képességgel, UV-állósággal és öntisztuló
képességgel rendelkeznek. A leggyakrabban
használt bevonati anyagok, a nano-TiO2 és a
nagy fajlagos felületű nano-SiO2.
A Bramac Római Protector Plus betoncse-
repeket a gyártásuk utolsó fázisában, folya-
dékimpregnálással egy nanoméretű bevonati
réteggel látják el. A szárítás után a csere-
pek felületére felhordott réteg véd a savas és
lúgos kémhatás ellen, hidrofobizálva vízle-
pergető, és színtartást ad a betoncserép felü-
letének (9. kép).
A fotokatalitikus anyaggal kezelt Rollstar nap-
árnyékoló ponyvák jól tűrik a napot és az esőt,
mivel a speciális anyagszerkezetű textílián, ha
meg is tapad a szennyeződés, az nem képes
behatolni a szövet elemi szálai közé, és az eső
egyszerűen lemossa azt a felületről.
A porózus burkolóanyagok Höpner homlokzati
impregnáló anyaggal kezelve, úgy válnak víz-
taszítóvá, hogy a falszerkezet megtartja pára-
áteresztő képességét. Az impregnáló anyag,
nanoméretű szilícium alapú vegyület.
NANOTECHNOLÓGIÁS
ANTIGRAFFITI BEVONATOK
Nem kis feladatot jelent az építőipar számára
az építmények falfelületén kéretlenül meg-
ÉPÍTŐANYAG
A Sto Lotusan festékréteg felületének
fraktált struktúrája 5. ábraA lótuszlevél felületi struktúrája a cellakiemelkedésekkel (balra), és szennyeződés a cellakiemelkedéseken (jobbra) 6–7. kép
Szennyeződés eltávolítása a felületről (balra), öntisztulás, vízlepergető hatással (jobbra) 3–4. ábra
Felületkezelt tetőcserepek 9. kép
Graffi ti „alkotás” a falfelületen 10. kép
MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.
5
jelenő graffi tik eltávolítása, illetve e „művé-
szi” alkotások létesítésének megakadályozása.
Számos antigraffi ti módszer létezik, melyek-
nek egy csoportja csak ideiglenes megol-
dást ad. Ezek az „áldozati” típusúak, például
a paraffi n bevonat, melyet a graffi tival együtt
eltávolítanak, majd újra felhordják a védendő
falfelületre. Az állandó és tartós antigraffi ti
bevonatok megakadályozzák a graffi ti tapadá-
sát a falfelületre. Ezeket csak egyszer kell fel-
hordani, és a festék a felületre nem kötődik,
oldószerrel eltávolítható (10. kép).
A fl uorozott szénhidrogén antigraffi ti nano-be vo nat működése azon alapszik, hogy a felü-letre felhordott fl uor, mint elektronegatív elem, csökkenti a bevonat felületi energiáját és kap-csolatot a grafi ti festékkel. Taszítja a festéket, mint a tefl onbevonat a vizet és az olajt.A szilicium alapú sziloxán antigraffi ti nano-be vo nat működése azon alapszik, hogy a fal-felületre sziloxán réteget visznek fel, mely-nek felszínén a kolloidális oldatban bevitt nano méretű szilika részecskék hidrofóbbá (víztaszító) és oleofóbbá (olajtaszítóvá) teszik a bevonat felszínét. Sem a vizes-, sem az ola-jos alapú festékekkel nem festhető a sziloxán bevonati réteg (11–12. kép).
A poliuretán antigraffi ti védelem, egy oldószer-mentes térhálósított Emcephob NanoPerm poli-
uretán bevonati réteg, melynek térhálósodása nanoanyagok adagolásával történik, létrehozva a víz- és olajtaszító falfelületet. A tömörfelületű polimer, nem fogadja be a festéket, a kezelt fal-felület víz- és szennyeződéstaszítóvá, valamint UV fény és időjárásállóvá válik (13. kép).
NANOTECHNOLÓGIÁVAL KEZELT
ÜVEGFELÜLETEK
A napfény, bőrünk barnításáért is felelős ult-raibolya (UV) sugarai egyre agresszívebben károsítják a bőrszöveteinket. Az üvegfelü-letek mögötti anyagok kifakulnak, a beren-dezések pedig károsodnak a nagyenergiájú UV-sugaraktól. A SolarGuard® UV-védő fóli-ával bevont üveg, az ultraibolya sugárzás 99 százalékát kiszűri, így a lakásberendezések és kárpitok nem fakulnak ki. A fóliára egy spe-ciális katódporlasztásos „Sputter Coating” eljárással, több rétegben, d < 400 nm őszvas-tagságú, Ti és Cu atomokból álló fémréteget ágyaznak be, mely bevonattal szabályozható a fényáteresztés – anélkül, hogy a látható fényt kizárnák (6. ábra).
A poliészter fóliára több rétegben felhor-dott (sputterezett) 200÷400 nm vastagságú (Ti és Cu) fémréteg bevonat, a látható fény akadálytalan átengedése mellett, hatásosan csillapítja a nagyfrekvenciás UV-sugárzást. A védőfólia szűrőhatása, a refl exió árnyéko-lási elvén alapszik (7. ábra).A nano vastagságú titánfém rétegben leját-szódó interferencia jelenségek, a fémtükrökre jellemző „csapdázódással”, csökkentik az UV sugárzás intenzitását. A védőfóliára felhordott fém nanoréteg paraméterei (pl. vastagsága < 400 nm) az UV sugárzás λ < 388 nm hul-lámhosszára van hangolva (szelektív szűrés), de a szűrőrendszer más hullámhosszra is han-golható. A speciális nanoréteggel bevont üvegfelüle-tek alkalmazásával, olyan fény-árnyék hatá-sok hozhatók létre, amelyeknek köszönhetően csökkenthető az épületek energiaköltsége. Az üvegfelületekre nanorétegben felhordott fényvezető részecskékkel pedig a napfény azonnal villamos energiává alakítható. Érdekes optikai hatást kínálnak azok az üve-gek, amelyek vékony fémoxid rétegük segít-ségével vezetik az áramot. Ezek felületén apró világítódiódák helyezhetők el, amelyek a szemnek szinte láthatatlan módon, kisfe-szültséggel üzemeltethetők, s akár számító-géppel vezérelhetők.
szerző
ÉPÍTŐANYAG
Felhasznált irodalomNanotechnológia. (Dr. Mojzes Imre – Molnár László Milán) Budapest, 2007, Műegyetemi Kiadó.
Nanotechnológiák az európai építőiparban. Vezetői összefoglaló. (F. A. van Broekhuizen – J. C. van Broekhuizen) State of the art 2009, Amszterdam.
TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview
and Future Prospects. (Kazuhito Hashimoto; Hiroshi Irie) Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44.
Lotusan mit Lotus-Effekt. (Jürgen Angermeier Sto) termékismertető előadás pps.
A termékeket gyártó cégek internetes hon-lapjai és termékismertetői.
Graffi ti eltávolítása (balra), Graffi ti eltávolítása vízsugárral (jobbra) 11–12. kép
Graffi ti eltávolítása a falfelületről 13. kép
Molekuláris vastagságú fémréteg
beágyazása a fóliába 6. ábra
Az UV-sugárzás refl exiója a védőfólia
titánfém rétegén 7. ábra
Esztétikus és díszítő üvegfelületek
építészeti alkalmazása 13. kép