Углеродные нанотрубки применение в строительстве

Углеродные нанотрубки: производство, применение, свойства

Энергетика является важной отраслью промышленности, которая играет огромную роль в жизни человека. Энергетическое состояние в стране зависит от работы многих ученых в данной отрасли. На сегодняшний день они занимаются поиском альтернативных источников энергии. Для этих целей они готовы использовать все что угодно, начиная солнечным светом и водой, заканчивая энергией воздуха. То оборудование, которое способно вырабатывать энергию из окружающей среды, очень ценится.

Общие сведения

Углеродные нанотрубки — это протяженные свернутые графитовые плоскости, имеющие цилиндрическую форму. Как правило, толщина их достигает нескольких десятков нанометров, с длиной в несколько сантиметров. На конце нанотрубок образуется сферическая головка, которая является одной из частей фуллерена.

Существуют такие типы углеродных нанотрубок: металлические и полупроводниковые. Главным их отличием является проводимость тока. Первый вид может проводить ток при температуре, равной 0ºС, а второй — только при повышенных температурах.

Углеродные нанотрубки: свойства

Большинство современных направлений, таких как прикладная химия или нанотехнологии, связаны с нанотрубками, которые имеют углеродную каркасную структуру. Что это такое? Под данной структурой подразумевают большие молекулы, связанные между собой только атомами углерода. Углеродные нанотрубки, свойства которых основаны на замкнутом виде оболочки, очень ценятся. Кроме того, данные образования имеют цилиндрическую форму. Такие трубки могут получаться путем сворачивания графитового листа, либо расти из определенного катализатора. Углеродные нанотрубки, фото которых представлены ниже, имеют необычную структуру.

Токсичность

В результате множественных исследований было выяснено, что углеродные нанотрубки могут вызывать такие же проблемы, как и асбестовые волокна, то есть возникают различные злокачественные опухоли, а также рак легких. Степень отрицательного влияния асбеста зависит от типа и толщины его волокон. Так как углеродные нанотрубки имеют маленький вес и размеры, они легко попадают в организм человека вместе с воздухом. Далее, они попадают в плевру и входят в грудную клетку, и со временем вызывают различные осложнения. Ученые провели эксперимент, и добавили в пищу мышей частички нанотрубок. Изделия малого диаметра практически не задерживались в организме, а вот более крупные — впивались в стенки желудка и вызывали различные заболевания.

Методы получения

На сегодняшний день существуют следующие методы получения углеродных нанотрубок: дуговой заряд, абляция, осаждение из газовой фазы.

Электродуговой разряд. Получение (углеродные нанотрубки описываются в данной статье) в плазме электрического заряда, который горит с применением гелия. Такой процесс может выполняться при помощи специального технического оборудования для получения фуллеренов. Но при данном способе используются другие режимы горения дуги. Например, плотность тока понижается, а также используют катоды огромных толщин. Для создания атмосферы из гелия необходимо повысить давление этого химического элемента. Углеродные нанотрубки получаются методом распыления. Чтобы их количество увеличилось, необходимо ввести в графитовый стержень катализатор. Чаще всего это смесь разных групп металла. Далее, происходит изменение давления и способа распыления. Таким образом, получается катодный осадок, где и образуются углеродные нанотрубки. Готовые изделия растут перпендикулярно от катода и собираются в пучки. Они имеют длину 40 мкм.

Аблясация. Такой способ был изобретен Ричардом Смалли. Суть его состоит в том, чтобы испарять разные графитовые поверхности в реакторе, работающем при высоких температурах. Углеродные нанотрубки образуются в результате испарения графита на нижней части реактора.

Основные виды

Углеродные элементы классифицируют по количеству слоев. Самый простой вид — одностенные углеродные нанотрубки. Каждая из них имеет толщину примерно 1 нм, причем их длина может быть намного больше. Если рассматривать строение, то изделие выглядит как обертывание графита с помощью шестиугольной сетки. В ее вершинах расположены атомы углерода. Таким образом, трубка имеет форму цилиндра, у которого нет швов. Верхняя часть устройств закрывается крышками, состоящими из молекул фуллерена.

Следующий вид — многослойные углеродные нанотрубки. Они состоят из нескольких слоев графита, которые сложены в форму цилиндра. Между ними выдерживается расстояние в 0,34 нм. Структуру данного типа описывают с помощью двух способов. По первому, многослойные трубки — это несколько вложенных друг в друга однослойных трубок, что похоже на матрешку. По второму, многослойные нанотрубки представляют собой лист графита, который несколько раз оборачивается вокруг себя, что похоже на свернутую газету.

Углеродные нанотрубки: применение

Элементы являются абсолютным новым представителем класса наноматериалов.

Благодаря таким характеристикам, как прочность, изгиб, проводимость, используются во многих областях:

На протяжении многих лет углеродные нанотрубки, применение которых не ограничивается одной определенной отраслью, используются в научных исследованиях. Такой материал имеет слабые позиции на рынке, так как существуют проблемы с масштабным производством. Еще одним важным моментом является большая стоимость углеродных нанотрубок, которая составляет примерно 120 долларов за один грамм такого вещества.

Они применяются как основной элемент для производства многих композитов, которые используются для изготовления многих спортивных товаров. Еще одна отрасль —автомобилестроение. Функционализация углеродных нанотрубок в данной области сводится к наделению полимеров проводящими свойствами.

Коэффициент теплопроводности нанотрубок достаточно высок, поэтому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного массивного оборудования. Также из них изготавливают наконечники, которые присоединяются к зондовым трубам.

Важнейшей отраслью применения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи. При помощи их можно существенно уменьшить габаритные размеры самого компьютера, а также увеличить его технические показатели. Готовое оборудование будет в несколько раз превосходить нынешние технологии. На основе этих исследований можно создать высоковольтные кинескопы.

Со временем, трубки будут использоваться не только в электронике, но и медицинских и энергетических сферах.

Производство

Углеродные трубки, производство которых распределено между двумя их видами, распределено неравномерно.

Лидеры производства

На сегодня ведущее место в производстве углеродных нанотрубок занимают страны Азии, производственные возможности которых выше в 3 раза, чем в других странах Европы и Америки. В частности, изготовлением MWNT занимается Япония. Но другие страны, такие как Корея и Китай, никак не уступают в этом показателе.

Производство в России

Отечественное производство углеродных нанотрубок существенно отстает от других стран. На самом деле все зависит от качества проводимых исследований в данной области. Здесь не выделяется достаточно финансовых средств для создания научно-технологических центров в стране. Многие люди не воспринимают разработки в области нанотехнологий, потому что не знают, как это можно использовать в промышленности. Поэтому переход экономики на новую тропу проходит довольно сложно.

Поэтому президентом России был издан указ, в котором указываются пути развития различных областей нанотехнологий, в том числе и углеродных элементов. Для этих целей была создана особая программа развития и производства собственных технологий.

Как говорилось ранее, вся проблема состоит в привлечении средств. Большинство инвесторов не хотят вкладываться в научные разработки, тем более на длительное время. Все бизнесмены хотят видеть прибыль, но наноразработки могут идти годами. Именно это отталкивает представителей малого и среднего бизнеса. Кроме того, без государственного инвестирования не получится в полной мере запустить производство наноматериалов.

На сегодняшни день разработками в данной отрасли занимаются на химических факультетах различных университетов Москвы, Тамбова, Санкт-Петербурга, Новосибирска и Казани. Ведущими производителями углеродных нанотрубок являются фирма «Гранат» и тамбовский завод «Комсомолец».

Положительные и отрицательные стороны

Среди достоинств можно выделить особые свойства углеродных нанотрубок. Они являются прочным материалом, который под действием механических воздействий не разрушается. Кроме того, они хорошо работают на изгиб и растяжения. Это стало возможным благодаря замкнутой каркасной структуре. Их применение не ограничивается одной отраслью. Трубки нашли применение в автомобилестроении, электронике, медицине и энергетике.

Огромным недостатком является негативное воздействие на здоровье человека.

Существенной стороной является финансирование этой отрасли. Многие люди не хотят вкладываться в науку, так как для получения прибыли необходимо много времени. А без функционирования научно-исследовательских лабораторий развитие нанотехнологий невозможно.

Заключение

Углеродные нанотрубки играют важную роль в инновационных технологиях. Многие специалисты прогнозируют рост данной отрасли в ближайшие годы. Будет наблюдаться значительный рост производственных возможностей, что приведет к снижению стоимости на товар. С уменьшением цены, трубки будут пользоваться огромным спросом, и станут незаменимым материалом для многих устройств и оборудования.

Итак, мы выяснили, что собой представляют данные изделия.

Источник

Не вылететь в нанотрубку. Современные продукты из графена могут получить широкое применение в строительстве при условии, что удастся снизить их стоимость

Автор: Владимир Тен, Илья Безручко

Одностенные углеродные нанотрубки — продукт, который может кардинально изменить свойства материалов, в том числе и строительных. Если просто, то трубки — это лист графена, свернутый в полый цилиндр. Область применения углеродных нанотрубок исключительно широка — от медицины до строительства. Так, например, введение их в качестве модификатора в бетон придает последнему электропроводность, термостойкость и повышенную прочность. Добавление даже 0,01% нанотрубок в материал существенно меняет его свойства. Тесты по сверлению и истиранию материалов, модифицированных нанотрубками, проведенные в Европе, показали, что одностенные углеродные нанотрубки не покидают матрицу материала при его механическом повреждении.

Коэффициент прочности одностенных углеродных нанотрубок — 50 ГПа, стали — 1 ГПа.

«Прелесть нанотрубок еще и в их чрезвычайно низких концентрациях, необходимых для кардинального изменения свойств материалов, — говорит академик РАН Михаил Предтеченский. — Например, одного килограмма нанотрубок хватит, чтобы улучшить километр асфальтированной трассы — срок службы асфальта будет в четыре раза длиннее».

Еще одно из возможных направлений применения модифицированных с помощью нанотрубок бетонных смесей: защита трубопроводов на морских шельфах, на дне рек, в обводненной и болотистой местности, в промерзающем грунте. Российской компанией «БТ СВАП» уже накоплен опыт при строительстве подводных переходов в Охотском, Черном и Каспийском морях, через Куйбышевское водохранилище, на Сахалине и Ямале. Директор фирмы по науке и технологиям Сергей Меликов отмечает, что применение углеродных нанотрубок улучшило характеристики защитных и утяжеляющих покрытий трубопроводов: прочность, водонепроницаемость, удобство при укладке. При этом за счет улучшенных характеристик наномодифицированной бетонной смеси удалось снизить стоимость самого защитного покрытия. Попутно заметим, что бетонные смеси для защитного и утяжеляющего универсального бетонного покрытия с добавлением одностенных углеродных нанотрубок компании «БТ СВАП» получили европейский сертификат соответствия. Дело за малым — утверждение российских стандартов применения наноматериалов для обычных бетонов, композитов, пластиков, металлов, массово используемых в строительстве. Применение углеродных нанотрубок в составах бетонных смесей было рекомендовано Фондом инфраструктурных и образовательных программ по результатам их сертификации в Системе сертификации продукции наноиндустрии «Наносертифика».

По мнению проректора по научной работе МГСУ, одного из ведущих специалистов в области новых материалов для строительства Андрея Пустовгара, применение нанотрубок для модификации строительных материалов является действительно перспективным направлением. Правда, оговаривается эксперт, только в том случае, если мы не сведем это только к простому добавлению нанотрубок в бетонную смесь с целью повысить прочность при сжатии на 30% или даже 50%, не принимая во внимание стоимость бетона.

«Применение нанотрубок, на мой взгляд, эффективно, прежде всего, при создании покрытий и материалов с управляемыми магнитными, электрическими и теплотехническими свойствами, — говорит Андрей Пустовгар. — Данный подход позволит создавать интеллектуальные здания, в которых функцию нейронной управляющей сети будут выполнять покрытия, модифицированные нанотрубками и другими нанообъектами». Изменение проводимости различных участков покрытий, например, ограждающих конструкций, позволит наделить их функцией отслеживания координат нажатия, превратив их в (Touch Panel) — визуальное устройство, которое позволяет пользователю управлять системами освещения и инженерными системами зданий и сооружений путем нажатия на его поверхность.

Получится, что системы электроснабжения будут «нарисованы» на стене, а включение и выключение инженерного оборудования станет возможным осуществлять путем нажатия на выделенный цветом участок стены. «Создание „умных“ покрытий строительных конструкций — это одно из основных направлений, на котором нужно сконцентрировать научные и прикладные исследования применения нанотрубок в строительных материалах, — уверен профессор МГСУ. — Это открывает перспективы создания когнитивных систем зданий и сооружений, в которых покрытия будут обладать способностью к пониманию процессов, происходящих внутри и снаружи здания и адекватно реагировать на них».

Научный консультант ФАУ ФЦС Минстроя России Александр Цернант подтверждает, что нанотрубки применяются для модифицирования материалов, в которых благодаря им образуются матрицы. К таким модифицируемым материалам, в частности, относятся бетоны и полимерные композиты. «Этот вопрос подробно изучен наукой, ЦНИИС имеет патенты на применение углеродных нанотрубок для повышения качества матрицы различных бетонов, — рассказывает Александр Цернант. — Модификация бетона на наноуровне придает конструкциям более высокие потребительские свойства. Это доказано. Сейчас, когда технология изготовления наноструктур освоена, ее применение становится естественным процессом. Ключевым критерием остается стоимость такой модификации, поэтому их применение должно быть обосновано с технической и с экономической точек зрения».

Источник

Оцените статью
Строительство: баня и сауна
Adblock
detector