Mechanical engineering | Air conditioning, HVAC » A nanotechnológia építőanyag-ipari alkalmazásai

MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1. ÉPÍTŐANYAG 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 nanotechnológia sikeres alkalmazásai a mikroelektronika, a mikrobiológia és az anyagtudományok területén. Ugyanakkor az építőipari alkalmazási eredményekről és lehetőségekről 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 nanoanyagok nem mindennapos tulajdonságait és jövőbeni alkalmazási lehetőségeiket az építőipar területén. Nanotechnológia, korunk egyik legdinamikusabban fejlődő iparága. Kutatási és

fejlesztési eredményei mindennapi életünk egyre szélesebb területeit szövik át az építő- és építőanyag-ipar számos területén is. Mára a „nano” szó egy márkává nőtte ki magát a köztudatA 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 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 alkalmazott makroméretűeket. Az ilyen méretű anyagok tulajdonságai elsősorban azon alapszanak, hogy

fajlagos felületük sokkal nagyobb, mint tömbi formában. Fő jellegzetességük, hogy méretük csökkenésével igen jelentősen növekszik kémiai reakcióképességük A nanotechnológiát az különbözteti meg az építőanyag-iparban alkalmazott más eljárásoktól, hogy a nanoméret tartományban végzett technológiai műveletek során, új anyagtulajdonságok 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- A fotokatalízis öntisztító hatásmechanizmusa 1. ábra felületek alkalmazása. Az eljárás lényege, hogy a titándioxidot tartalmazó felületen (pl. beton, üveg) a TiO2 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 (O2¯) hoznak létre. További reakciókon keresztül, hidroxil ionok (OH¯ és OH*) keletkeznek, melyek oxidációs közegként 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 meghonosodott alkalmazási területe az öntisztuló betonfelület, melyet fotokatalitikus tulajdonságú titándioxid tartalmú cementtel készítenek, és mint öntisztuló felületet alkalmazzák az építészetben. Gazdasági okokból a betonszerkezetnek csak a külső vékony betonrétegét készítik fotokatalitikus cementtel (1. kép) Falfelületek graffiti 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 Grafitadalékos expandált polisztirol (EPS) lemezek Nanoporózus aerogél hőszigetelő anyagok Nanotechnológiás hőszigetelő festékek és vékonybevonatok Nanotechnológiás vákuum hőszigetelések Fotokatalitikus betonból gyártott panelelemek (Misericordia-templom, Róma) 1. kép A levegőtisztítás hatásmechanizmusa MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1. ÉPÍTŐANYAG 3 2. ábra A festékbevonat nanoméretű részecskéinek fraktált felülete FOTOKATALITIKUSAN ÖNTISZTULÓ FELÜLETBEVONATOK Öntisztuló beton- és üvegfelületet eredményez a titándioxiddal való

felületkezelés is, melynek lényege, hogy a légköri szennyeződés hatásának folyamatosan kitett épületszerkezetek felületét, nanovékony átlátszó titándioxid réteggel vonják be. A Titan Shield®-bevonat fény és nedvesség hatására teljesen öntisztuló felületet ad. Elsősorban a nehezen hozzáférhető helyeken alkalmazzák, ahol szükséges a tartósan higiénikus és tiszta felület, például műtőkben, mivel a baktériumok nem tapadnak meg a kezelt felületen. Az építőipar számára nehéz feladatot jelent a magas középületek üvegfelületeinek folyamatos karbantartása és tisztítása. Az üvegfelületek öntisztulóvá tehetők, titándioxidos felületkezeléssel, melynek reakciója során keletkező aktív Szilikon vakolat makrostrukturált (fent) és NanoporTop vakolat mikrostrukturális (lent) felülete 2–3. kép Fotokatalitikus homlokzatfesték 4. kép oxigén (O2‾) a víz felületi feszültségét csökkenti, hidrofillé téve az

üvegfelületet, amin a víz cseppeket nem képezve szétfut és lemossa a szennyeződést. Ilyen fotokatalitikus és hidrofil 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 csökkentésére fotokatalitikus cementet alkalmaznak, mely a betonfelület öntisztítása mellett csökkenti a légszennyezés mértékét. A cement titándioxid tartalma az UV-sugárzás által aktiválva, aktív oxigénreagenst generál, mely a levegőben lévő és az egészségre veszélyes nitrogénoxidokat (NOx) átalakítja ártalmatlan nitrátokká (NO3‾) (2. ábra) Európában eredményesen alkalmazzák a légszennyezettség csökkentésére az Ercole EcoActive® márkanevű vékony védőbevonatot, mely

fotokatalízis reakciója révén elősegíti a szerves és szervetlen szennyező anyagok lebomlását és ártalmatlanítását. A HeidelbergCement Group által gyártott TioCem® titándioxid tartalmú cement, (forgalmazója 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 karbantartására és öntisztítására fejlesztették ki az ActiveTM Clean Air bevonatot, mely titándioxid (TiO2), ezüst (Ag) és alumíniumoxid (Al2O3) nanorészecskéket tartalmaz. A kerámialapokra felhordott bevonati réteg fotokatalízis reakciói során keletkező aktív oxigén és hidroxidion a kerámia felületét szuper hidrofillé teszi, így a víz lefut a felületről, eltávolítva a szenynyeződést. Az öntisztuló bevonat különösen alkalmazása Pécsen 5. kép alkalmas a szerves

szennyezőanyagok lebontására és a városi levegő egészségkárosító nitrogénoxid tartalmának csökkentésére. Az ezüst nanorészecskék reakciójának köszönhetően pedig, antibakteriális és gombaölő tulajdonságokkal is rendelkezik. FOTOKATALITIKUSAN ÖNTISZTULÓ VAKOLATOK ÉS FESTETT FELÜLETEK A nanotechnológia legújabb eredményeit is felhasználva, 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 homlokzatfestékekből. Ilyen termék a StoPhotosan Color homlokzatfesték, vagy a szilikongyanta alapú Caparol Amphi Silan, melynek knowhow

megoldása szerint, egy rendszeren belül érvényesül a titándioxid tartalmú pigmentek fotokatalitikus hatása, valamint a festékbevonat nanorészecskéiből képzett fraktált felületet hidrofób tulajdonsága. A festékbevonat minimális a vízfelvételét nem egy tömör és vízhatlan felületi réteg adja, hanem a festék pórusszerkezete és a megfelelően tagolt felszínének hidrofób tulajdonsága, ezért a homlokzatfesték a szilikát ásványi anyagokhoz hasonló páraáteresztő képességgel rendelkezik. A festékréteg fotokatalitikus hatású pigmentjei biztosítják a szerves szenynyeződések lebontását, a hidrofób tulajdonságú pórusszerkezete pedig a felületről való eltávolítását. Az öntisztuló falfesték felülete könnyen tisztítható, az ezüsttartalmú biocid hatóanyagoknak köszönhetően pedig baktériumölő hatással is rendelkezik (4. kép) A falfelületek higiéniája javítására fejlesztették ki a Caparol CapaSan beltéri

falfestéket, vala- MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1. ÉPÍTŐANYAG 4 A Sto Lotusan festékréteg felületének A lótuszlevél felületi struktúrája a cellakiemelkedésekkel (balra), és szennyeződés a cellakiemelkedéseken (jobbra) mint a StoPhotosan Color fotokatalitikus homlokzatfestéket, mely a fotokatalitikus hatásával a szerves szennyeződéseket lebontja és csökkenti a baktériumok és mikroorganizmusok számát a falon és a levegőben is (5. kép) LÓTUSZ-EFFEKTUS ELVÉN MŰKÖDŐ ÖNTISZTULÓ FELÜLETEK A lótuszvirág levelén megfigyelhető „lótuszeffektus” a mikrostrukturált, hidrofób (víztaszító) fraktált felületek „öntisztuló” képessége alapján működik. A levélfelületet mikroszkopikus cellakiemelkedések alkotják, amelyeken kisebb hegyes képződmények is elhelyezkednek szabályos elrendezésben. A kiemelkedések 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 feszültsége 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 védőrétegnek 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- 6–7. kép tuló hatást. A fraktált felületű bevonati réteget vegyi úton állítják elő, ehhez kb. 100 nm átmérőjű gyöngyöket gyártanak szilikátokból, majd a gyöngyök felületére trimetoxi-fenil-szilán folyadékot hordanak fel, mely réteg megszilárdulva fraktált felületet ad (5. ábra) A Sto Lotusan és a

Caparol CarboSol öntisztuló homlokzatfestékeknek igen jelentős a környezeti hatásokkal szembeni ellenállása. A megfelelő páraáteresztő képességgel rendelkező festékréteg felülete kefével, de akár magas nyomású folyadékkal is tisztítható. Alkalmazási 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 ellenálló 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 betoncserepeket a gyártásuk utolsó fázisában, folyadékimpregnálással egy nanoméretű bevonati réteggel látják el. A szárítás után a cserepek felületére felhordott réteg véd a savas és lúgos kémhatás ellen,

hidrofobizálva vízle- Szennyeződés eltávolítása a felületről (balra), öntisztulás, vízlepergető hatással (jobbra) 3–4. ábra fraktált struktúrája Felületkezelt tetőcserepek 5. ábra 9. kép pergető, és színtartást ad a betoncserép felületének (9. kép) A fotokatalitikus anyaggal kezelt Rollstar napárnyékoló 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 víztaszítóvá, hogy a falszerkezet megtartja páraáteresztő képességét. Az impregnáló anyag, nanoméretű szilícium alapú vegyület. NANOTECHNOLÓGIÁS ANTIGRAFFITI BEVONATOK Nem kis feladatot jelent az építőipar számára az építmények falfelületén kéretlenül megGraffiti „alkotás” a falfelületen

10. kép MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1. ÉPÍTŐANYAG 5 Felhasznált irodalom Nanotechnológia. (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 Graffiti eltávolítása a falfelületről 13. kép Az UV-sugárzás reflexiója a védőfólia Lotusan mit Lotus-Effekt. (Jürgen Angermeier Sto) termékismertető előadás pps. titánfém rétegén 7. ábra Esztétikus és díszítő üvegfelületek építészeti alkalmazása 13. kép A termékeket gyártó cégek internetes honlapjai és termékismertetői. jelenő graffitik eltávolítása, illetve e „művészi” alkotások létesítésének megakadályozása. Számos antigraffiti módszer

létezik, melyeknek egy csoportja csak ideiglenes megoldást ad. Ezek az „áldozati” típusúak, például a paraffin bevonat, melyet a graffitival együtt eltávolítanak, majd újra felhordják a védendő falfelületre. Az állandó és tartós antigraffiti bevonatok megakadályozzák a graffiti tapadását a falfelületre. Ezeket csak egyszer kell felhordani, és a festék a felületre nem kötődik, oldószerrel eltávolítható (10. kép) A fluorozott szénhidrogén antigraffiti nanobevonat működése azon alapszik, hogy a felületre felhordott fluor, mint elektronegatív elem, csökkenti a bevonat felületi energiáját és kapcsolatot a grafiti festékkel. Taszítja a festéket, mint a teflonbevonat a vizet és az olajt. A szilicium alapú sziloxán antigraffiti nanobevonat működése azon alapszik, hogy a falfelületre sziloxán réteget visznek fel, melynek felszínén a kolloidális oldatban bevitt nano méretű szilika részecskék hidrofóbbá

(víztaszító) és oleofóbbá (olajtaszítóvá) teszik a bevonat felszínét. Sem a vizes-, sem az olajos alapú festékekkel nem festhető a sziloxán bevonati réteg (11–12. kép) A poliuretán antigraffiti védelem, egy oldószermentes térhálósított Emcephob NanoPerm poli- Molekuláris vastagságú fémréteg beágyazása a fóliába 6. ábra uretán bevonati réteg, melynek térhálósodása nanoanyagok adagolásával történik, létrehozva a víz- és olajtaszító falfelületet. A tömörfelületű polimer, nem fogadja be a festéket, a kezelt falfelület víz- és szennyeződéstaszítóvá, valamint UV fény és időjárásállóvá válik (13. kép) NANOTECHNOLÓGIÁVAL KEZELT ÜVEGFELÜLETEK A napfény, bőrünk barnításáért is felelős ultraibolya (UV) sugarai egyre agresszívebben károsítják a bőrszöveteinket. Az üvegfelületek mögötti anyagok kifakulnak, a berendezések pedig károsodnak a nagyenergiájú UV-sugaraktól. A SolarGuard® UV-védő

fóliával bevont üveg, az ultraibolya sugárzás 99 százalékát kiszűri, így a lakásberendezések és kárpitok nem fakulnak ki. A fóliára egy speciális katódporlasztásos „Sputter Coating” eljárással, több rétegben, d < 400 nm őszvastagságú, Ti és Cu atomokból álló fémréteget ágyaznak be, mely bevonattal szabályozható a fényáteresztés – anélkül, hogy a látható fényt kizárnák (6. ábra) Graffiti eltávolítása (balra), Graffiti eltávolítása vízsugárral (jobbra) 11–12. kép A poliészter fóliára több rétegben felhordott (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 reflexió árnyékolási elvén alapszik (7. ábra) A nano vastagságú titánfém rétegben lejátszódó 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 hullámhosszára van hangolva (szelektív szűrés), de a szűrőrendszer más hullámhosszra is hangolható. A speciális nanoréteggel bevont üvegfelületek alkalmazásával, olyan fény-árnyék hatások 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 üvegek, amelyek vékony fémoxid rétegük segítségével vezetik az áramot. Ezek felületén apró világítódiódák helyezhetők el, amelyek a szemnek szinte láthatatlan módon, kisfeszültséggel üzemeltethetők, s akár számítógéppel vezérelhetők. szerző