„Małe jest piękne, ale duże więcej może” – dziś ostatecznie rozprawimy się z tym mitem. Postaramy się odpowiedzieć na kilka najważniejszych pytań, jakie stawia sobie budownictwo w związku z zastosowaniem nanotechnologii, m. in. Czym jest nanotechnologia? Skąd to się wzięło? Jak to działa? I … ile to kosztuje?
Skąd to się wzięło?
Aby móc zająć się tematem, trzeba sięgnąć trochę do historii i definicji pewnych pojęć. I choć część ta jest zwykle poza kręgiem zainteresowań inżynierów, w tym przypadku wydaje się być konieczna do zrozumienia działania nanotechnologii w budownictwie.
Nanotechnologia – to ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych (od 0,1 do 100 nanometrów), czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. (def. wg. Wikipedii – dla zainteresowanych: pl.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologia).
Twórcą nanoscience jest Richard Feynman, który w 1965 otrzymał Nagrodę Nobla za stworzenie relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej. To jemu zawdzięczamy rozwój tej dziedziny, aż po zeszłoroczne odkrycie grafenu.
Nanotechnologia obejmuje następujący zakres działań:
-
wytwarzanie nanomateriałów (właściwa nanotechnologia):
– „bottom-up” – od dołu do góry: samoorganizacja cząstek;
– „top-down” – z góry na dół; redukcja do nanocząstek;
-
modyfikacje materiałowe przez domieszki nanomodyfikatorów (nanomodyfikacja);
-
nanomonitorowanie rozmieszczenia modyfikatora w strukturze kompozytu (nanomonitoring);
-
modyfikacje powierzchni (nanomodyfikacja);
-
rozpoznawanie i opis nanostruktury (nanostructure);
-
badanie właściwości na poziomie nanostruktury (nanotest, nanoindentation).
Jak to działa?
Przemysł budowlany, zwłaszcza w zakresie chemii budowlanej znajduje coraz więcej zastosowań dla nanotechnologii. Dzieje się tak dlatego, gdyż zastosowanie już niewielkich domieszek nanoskładników, powoduje znaczne polepszenie właściwości materiałów budowlanych i wykończeniowych.
W chwili obecnej nanotechnologię najczęściej stosuje się w farbach i tynkach, wykorzystując biobójcze właściwości atomów srebra. Jony srebra wnikają w głąb komórki drobnoustroju i zaburzają jej podział komórkowy, tym samym niszcząc bakterie.
W ostatnim czasie wykorzystuje się także właściwości nanocząsteczek miedzi czy złota.
Materiały z zastosowaniem nanocząsteczek metali znajdują zastosowanie zwłaszcza w tych pomieszczeniach, gdzie w wyniku wilgoci i podwyższonej temperatury łatwo rozwijają się bakterie, grzyby i pleśnie, a więc w łazienkach i kuchniach. Stosowane są nie tylko w farbach i tynkach, ale również fugach, w celu zabezpieczenia powierzchni przed drobnoustrojami.
Nowością są także budynki o samoczyszczących elewacjach. Ditlenek tytanu, dodawany do tynków, w wyniku fotokatalizy uaktywnia się powodując odrywanie się zanieczyszczeń, które następnie dają się łatwo usunąć z deszczem. Dzięki tej technologii łatwiej pozbędziemy się także niechcianego graffiti z naszych ścian. Innym ciekawym rozwiązaniem są tynki zewnętrzne zawierające niewielki ładunek elektrostatyczny powodujący „odpychanie” zanieczyszczeń. Sprawia to, że elewacje nawet po kilku latach wyglądają świeżo i czysto.
TiO2 ma także inną ciekawą właściwość – pozwala pozbyć się nieprzyjemnych zapachów wewnątrz pomieszczeń. Z tego też powodu farby z dodatkiem ditlenku tytanu znalazły zastosowania również w pomieszczeniach, pomagając usunąć zapach dymu papierosowego.
Czynione są próby zbrojenia betonu nanorurkami. Zważywszy, że wytrzymałość nanorurek na rozciąganie jest około 500 razy, a moduł sprężystości 20 razy większy od stali, byłoby to wysoce efektywne. Już niewielka ilość nanomodyfikatora powinna się okazać bardzo atrakcyjna. Trudności są co najmniej dwie: nanorurki mają tendencję do zbrylania i wykazują małą przyczepność do stwardniałego zaczynu cementowego. Barierę stanowi również wysoka cena, nawet do 200 euro za 1 g. Bardziej obiecujące wydają się siatki grafenowe. Grafeny, w przeciwieństwie do nanorurek nie tworzą aglomeratów (nie koagulują). Można oczekiwać, że będą znacznie tańsze od nanorurek, ze względu na prostą metodę otrzymywania – zdzieranie plastrem samoprzylepnym.
Grafen odznacza się wysoką wytrzymałością mechaniczną i nieprzepuszczalnością – jest nieprzenikalny nawet dla wodoru.
W polimerobetonach polimer jest najdroższym składnikiem. Nadaje to szczególny sens nanomonitoringowi rozmieszczenia polimeru. Polimer wprowadzony w sposób tradycyjny do mieszanki betonowej mostkuje potencjalne rysy na poziome mikrometrycznym. Wprowadzenie około 10% mas. polimeru w stosunku do cementu powoduje kilkakrotny wzrost wytrzymałości na rozciąganie.
Trudnością w naprawie konstrukcji betonowych jest umieszczenie materiału naprawczego w miejscu, w którym jest on potrzebny. I tutaj z pomocą przychodzi nam nanotechnologia.
Kompozyty epoksydowo-cementowe wykazują ciekawą właściwość samonaprawczą. W przypadku przeciążenia konstrukcji i pojawienia się mikrorys, mikrokapsułki z żywicą epoksydową uwalniają żywicę, która wypełnia rysy i ulega utwardzeniu, wypełniając ubytki.
Technologia ta jest już stosowana do konstrukcji, które mogą ulegać przeciążeniom.
Rozwiązania nanotechnologiczne mogą być też stosowane do materiałów drewnianych, zmniejszając ich łatwopalność. Efekt ten uzyskuje się przez naniesienie warstwy preparatu, który w przypadku pożaru pęcznieje i ulega szybkiemu zwęgleniu , powodując powstanie powłoki, która utrudnia dostęp do drewna i ogranicza dostęp tlenu do materiału.
Preparaty te w przypadku pożaru nie emitują też szkodliwych dla zdrowia związków.
Główne grupy materiałów z zastosowaniem nanotechologii:
-
tynki zewnętrzne, (właściwości samooczyszczające).
-
masy tynkarskie wewnętrzne, płyty gipsowo-kartonowe, gipsy, masy szpachlowe (właściwości biobójcze: grzyby i bakterie).
-
tynki ozdobne (właściwości samooczyszczające na zewnątrz i dezodoryzujące wewnątrz)
-
farby do wymalowań zewnętrznych i wewnętrznych (właściwości samooczyszczające na zewnątrz i dezodoryzujące wewnątrz).
-
farby do zastosowań specjalnych(właściwości samooczyszczające na zewnątrz i dezodoryzujące wewnątrz, właściwości biobójcze).
-
fugi, silikony i zaprawy klejowe ( właściwości biobójcze).
-
preparaty do wykonywania biobójczych powłok ochronnych do nakładania na praktycznie wszystkie rodzaje powierzchni.
-
preparaty do zabezpieczenia, czyszczenia i pielęgnacji powierzchni.
-
samoczyszczące szkła okienne.
-
bezpieczne systemy klimatyzacji i filtracji powietrza (właściwości biobójcze).
-
podłogi i wykładziny (właściwości biobójcze).
-
stolarka otworowa, okna, drzwi, fasady, ogrody zimowe(właściwości biobójcze).
-
szeroki asortyment wyrobów i galanterii budowlanej z PCV, PP, PE, PS i innych polimerów (właściwości samooczyszczające, właściwości biobójcze i hydrofobowe)
Na polskim rynku w nanotechnologii w chwili obecnej są dostępne preparaty zarówno do malowania i zabezpieczania powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych, zabezpieczania materiałów drewnianych, fugowania, a także tynki, cementy, podkłady, grunty o różnych właściwościach w zależności od wykorzystanego materiału i technologii.
W 2007 roku międzynarodowy zespół pod kierunkiem P. J. M. Bartosa opublikował „zrównoważone” przewidywania w tym obszarze. Prognoza obejmuje okres 25 lat, począwszy od roku 2004, tzn. sięga do roku 2030.
W tych latach przewidywany jest rozwój pięciu grup materiałów budowlanych z zastosowaniem nanotechnologii. Przewidywane jest poprawienie odporności stali na korozję, stworzenie nowych mieszanek betonowych oraz nowych technologii zbrojenia rozproszonego betonu, czy też stworzenie nowych technologii w zakresie wykorzystania drewna w budownictwie.
Nanomodyfikacja może się okazać skutecznym sposobem kształtowania właściwości takich materiałów, jak: beton, stal, żelbet, drewno i tworzywa sztuczne, zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju, tzn. – jako wyroby o dobrze zdefiniowanych właściwościach do danego zastosowania, przy zachowaniu minimum energii podczas ich pozyskiwania i minimum negatywnego oddziaływania na środowisko.
Warto również zauważyć ruch przeciwny nanotechnologii: Say No to Nanotech. Przeciwnicy podnoszą argument, iż nie jest jeszcze dokładnie zbadany wpływ nanoskładników na zdrowie człowieka, a nauka ta jest na tyle młoda, że konsekwencje stosowania jej na szeroką skalę możemy poznać dopiero za kilkanaście czy kilkadziesiąt lat.
Producenci materiałów budowlanych zapewniają jednak o ich bezpieczeństwie, a nawet działaniu na korzyść, z powodu biobójczych właściwości nanododatków.
Ile to kosztuje?
Zakup materiałów z nanokompozytami nie jest inwestycją tanią, dlatego warto przestrzegać kilku zasad i dokładnie przyglądać się składowi i właściwościom produktów.
Farby silikonowe z dodatkiem nanosrebra i TiO2 kształtują się na poziomie 300 – 800 zł za 5 litrowe opakowanie. Jednak farby te mają znacznie lepsze właściwości kryjące niż tradycyjne farby.
Ceny tynków z zastosowaniem nanotechnologii kształtuje się na poziomie od 100 do 300 zł za 25 kg opakowanie.
Jak widać, w porównaniu do tradycyjnych materiałów są one znacznie droższe. Jest to jednak inwestycja, która ze względu na swoje właściwości może zwrócić się w czasie użytkowania. Dodatkowo może nam zaoszczędzić wydatków na dodatkowe środki bakteriobójcze i grzybobójcze.
Jeżeli preparat, przedstawiany jako nanotechniczny jest wyjątkowo tani warto sprawdzić czy określenie nano nie jest tylko chwytem marketingowym producenta, w celu podniesienia sprzedaży produktu. W takim przypadku, po użyciu produktu niestety nie jesteśmy w stanie sprawdzić czy ma on swoje właściwości, deklarowane przez producenta. Na efekty będziemy musieli czekać kilka lat, bez pewności czy zapłaciliśmy za nową technologię czy tylko padliśmy ofiarą marketingowego bubla.
Autor: Barbara Jackowska
Opracowanie: EcoSquad
Bibliografia:
Łukowski P., Adamczewski G., Samonaprawa kompozytu epoksydowo-cementowego; ocena możliwości. Przegląd Budowlany
Prof. Dr hab. Inż. Lech Czarnecki, Politechnika Warszawska
“Nanotechnologia w budownictwie”, Przegląd Budowlany nr 1/2011
Bartos P. J. M., Nanotechnology in construction: a roadmap for development. In “Nanotechnology in Construction 3”, Springer, Berlin – Heidelberg, 2009
infografika Atlas Studio Graficzne
www.nano-technologie.pl
Eco&Dom, nr 1/2011
