Ugrás a tartalomhoz

Nanokompozitok

Hernádi Klára (2012)

Szegedi Tudományegyetem

Nanokompozitok az építőiparban

Nanokompozitok az építőiparban

A nanotermékeket folyamatosan tökéletesítik, évről évre egyre nagyobb az anyagok felhasználási köre. A termékek mára a gyakorlatban is bizonyították, hogy kiválóan alkalmazhatók üveg-, kerámia-, kő- és betonfelületekhez, vakolatokhoz, falazatokhoz is. A nanoeljárás egyik legjelentősebb alkalmazási területe az építészeti üvegek felületkezelése, tökéletes bevonatot jelent az összes külső és belső üvegfelületen. Magas épületeknél, az üveg- és függönyfalaknál a baktériumok, a mohák és az algák ellen is védelmet jelent a bevonat. Léteznek már nanotechnológiás építőipari ragasztók is, amelyek előnyös tulajdonságaik mellett szállítási és raktározási szempontból is kifizetődőek, hiszen kisebb kiszerelésben nagyobb felület burkolásához elegendő anyagot tartalmaznak. Homlokzati festékbevonatoknál is alkalmazható a technológia: ötvözik a szilikát és diszperziós festékbevonatok előnyeit, azok hátrányai nélkül, rugalmasak, jól tűrik a meleget, nem repedeznek, ugyanakkor vonzzák a vizet. Ezáltal az esőben az esetlegesen megtapadt szennyeződéseket a szétterülő vízcseppek lemossák a homlokzatról, valamint az eső elállta után a megtapadt vékony vízfilm nagyon gyorsan elpárolog, ez megakadályozza a penész- és algaképződést.

A nanokompozitok építőiparbeli felhasználását befolyásoló tényezők a költségek, a műszaki teljesítmény (a műszaki előírásoktól függ, hogy mennyire alapvető ez a szempont), valamint az iparág tájékozottsága. A nanotermékek jóval drágábbak mint a nem nanotechnológiát alkalmazó alternatívák, ez a költséges gyártási technológiának tulajdonítható. Az építőiparban ez azt jelenti, hogy már a termék kutatási és fejlesztési szakaszában leállítják a kezdeményezéseket, amikor az előrelátások szerint a gyártandó nanotermék ára soha nem lesz versenyképes. A kilogrammonkénti kis árkülönbségek ugyanis már hatalmas összegeket jelentenek egy egész épület elkészítésénél. Az építőanyag-gyártók vonakodnak a nanotermékek kifejlesztésétől, a kifejlesztett termékeket csak eseti igény esetén alkalmazzák: vonakodnak beton, habarcs, burkolóanyagok esetén, nem vonakodnak szigetelőanyagok, műépítészeti és üvegburkolók esetén (az éghajlatváltozást és az üvegházhatást okozó gázkibocsátások csökkentése miatt, az energiagazdálkodás feljavítására). A műszaki teljesítmény szempontjából meghatározó, mennyire szigorúak az előírások az összetételre vonatkozóan (beton esetén például szigorúak, üvegbevonatoknál kevésbé).

11.9. ábra - Napjainkban akár egy átlagos ház szinte minden részében jelen lehetnek nanotermékek.

Napjainkban akár egy átlagos ház szinte minden részében jelen lehetnek nanotermékek.

A leggyakrabban alkalmazott nanorészecskék a következők. A szén-fluorid polimerek (CF-polimerek) víztaszítóvá és olajtaszítóvá teszik a felületeket, általában ablakfelületeken alkalmazzák. A titán-dioxidot (TiO2) védőrétegként használják az UV-degradáció ellen, segítségével lebonthatók a szerves szennyezőanyagok, például az algák, a policiklikus szénhidrogének és a formaldehid. Általában bármilyen UV-védett felülettípusra alkalmazzák, melyek így öntisztítókká válnak, vagy a légszennyezés csökkentéséhez járulnak hozzá. A szén nanocső (CNT) a mechanikai erősítést szolgálja. A cink-oxid (ZnO) a titán-dioxidhoz hasonló fotokatalitikus jellemzőkkel bír, ezért hasonló célokra alkalmazzák. A szilikapernye (amorf SiO2) tömöríti a betont, szilárdabbá és ellenállóbbá téve azt bázikus, például tengervízi környezetben. Betonhoz adagolva hézagkitöltő anyagok, például szállópernye stabilizálására, valamint tűzgátló anyagként is használható. Leggyakoribb alkalmazásai az UHPC (ultramagas szilárdságú beton), karcolásálló burkolatok létrehozása és a tűzálló üveg. Az ezüst (Ag) baktériumölő hatású. Az alumínium-dioxid (Al2O3) olyan burkolóanyagoknál használatos, melyek kölcsönhatásba lépnek a kötőanyaggal, magas karcállósággal ruházva fel azokat. Cementalapú és betonanyagok a TiO2 és a szilikapernye kompozitanyagok használatosak kis mennyiségben és kétrétegű rendszerekben, csak olyan esetekben, amikor ez a teljesítmény feljavítása érdekében kifejezetten szükséges Kiemelkedő a TiO2-tartalmú fotokatalitikus cement, melyet kötőanyagként használnak például külső falaknál, alagutaknál, betonfödémeknél, kövezetköveknél, burkolólapnál, tetőcserépnél, útburkolati jeleknek szánt festékanyagoknál, betonpaneleknél, gipszvakolatoknál és cementes festékanyagoknál.

A hollandiai Hengelo városkában épül az első olyan út, melyet légtisztító betonnal burkolnak. A kísérlet áttörést jelenthet a növekvő környezetszennyezés elleni küzdelemben, vélik a technológiát kifejlesztő kutatók. Az adalék napfény jelenlétében megköti az autók által kibocsátott káros nitrogénoxid-részecskéket, és ártalmatlan nitrátokká alakítja azokat. Jelmondatuk: „Egyetlen zápor mindent tisztára mos”. Az út egy 1000 négyzetméteres szakaszát ezzel az új légtisztító hatású betonnal burkolták le 2009 őszén, mellette viszont a régi, hagyományos útburkolatot alkalmazták azonos nagyságú területen. Az új anyag a nitrogénoxid-koncentrációját 25–45 százalékkal csökkenti, ezáltal valós körülmények között is hozza a laboratóriumban produkált eredményt. Működési elve röviden azon alapul, hogy a gépjárművek által kibocsátott nitrogén-oxidokat a beton titándioxid-tartalma egyszerű nitráttá alakítja, amelyet az eső lemoshat az útról. A nitrogén-oxid veszélyes anyag, hozzájárul a légszennyezéshez és a savas esők kialakulásához is. A kövek egyben az öntisztulásnak köszönhetően tovább ellenállnak a szennyeződéseknek és az algáknak, ráadásul alkalmazásuk a fejlesztők számításai szerint egy útburkolás teljes költségét mindössze 10 százalékkal emelné meg.

11.10. ábra - Az öntisztító utcakő.

Az öntisztító utcakő.

Az építőiparban a nanofestékeknek és a nanotechnológiát alkalmazó burkolóanyagoknak van a legnagyobb sikerük. A nanorészecskék jobban lépnek kölcsönhatásba az alapfelülettel, mint a nagyobb szemcseméretű megfelelőik, mivel mélyebbre hatolnak be, jobban lefedik azt és a burkolat–felület kölcsönhatás fokozottabb, ami tartósabb felületburkolást eredményez. A nanorészecskék a látható fény szempontjából átlátszók. Az átlátszóság lehetővé teszi újszerű adalékok használatát, melyek újabb jellemzőkkel – például nagy karcállósággal vagy UV-ellenállással, IR-elnyeléssel vagy -visszaveréssel, tűzállósággal, elektromos vezetőképességgel, baktériumölő és öntisztító jellemzőkkel – ruházzák fel a különben átlátszatlan burkolóanyagokat. A speciális burkolóanyagok között megtalálhatók a baktériumölő burkolók (Ag, TiO2, ZnO adalékolásával), a fotokatalitikus, öntisztuló burkoló (TiO2, ZnO adalékolásával), a tűzálló burkolók (SiO2 adalékolásával), a karcálló burkolók (SiO2, Al2O3 adalékolásával).

A nanotechnológia alkalmazásával a Graboplast kifejlesztette a Grabo Silver Knight rugalmas padlóburkolót, amely megoldást nyújt az egészségügy legsürgetőbb problémájára, a kórházakban terjedő fertőzésekre. A kórházi fertőzéseket vírusok, gombák és baktériumok okozzák, s ezek közül a „szuperbaktériumoknak” nevezett kórokozók a legveszélyesebbek. Mára ugyanis a kórokozó baktériumoknak olyan törzsei fejlődtek ki, melyek szinte minden használatban lévő antibiotikummal szemben ellenállóak (rezisztensek). Ilyenek lehetnek például a Gram-pozitív baktériumok (mint például a staphylococcusok vagy enterococcusok), amelyek tüdőgyulladásért és más, sokszor halálos kimenetelű betegségekért felelősek. A legveszélyeztetettebbek az idős vagy legyengült immunrendszerű, intenzív és rehabilitációs osztályokon fekvő betegek. Ezek multirezisztens kórokozók, tehát a gyógyszertári forgalomban kapható antibiotikumok többségére nem reagálnak. Csak néhány, nagyon drága gyógyszerre érzékenyek, így az általuk előidézett betegségek kezelése hosszadalmas, nehézkes és rendkívül költséges. A szuperbaktériumok jelentette fenyegetés hatására az egészségügyben már megjelentek az antibakteriális orvosi műszerek, gyógyászati segédeszközök, illetve egyéb berendezési tárgyak, például falburkolók, kilincsek. Önfertőtlenítő felület például a nanoezüst és nanotitándioxid részecskék alkotta kettős védelmi rendszer. Az ezüst antibakteriális tulajdonsága már több mint 3000 éve ismert, melyre jó példa az ezüst evőeszközök és edények használata. Az orvosok a 19. század vége óta fertőtlenítőszerként is használják az ezüstöt. Az antibakteriális hatás tehát mindenféle vegyszer használata nélkül érhető el, hiszen az ezüstionok blokkolják a sejtcella-osztódást, és megszakítják az enzimek anyagcseréjét. Az első védelmi vonal, azaz a nanoezüst alkalmazásával a baktériumok ugyan elpusztulnak, de a felületen maradva ezek egy „biofilmet” képezhetnek, mely viszont táptalaja lehet új baktériumok növekedésének. A második védelmi vonal ezt akadályozza meg: a nano-titándioxid, amely fotokatalitikus, fénnyel történő aktiválás révén fejti ki hatását, vagyis hasonló elven működik, mint a növények klorofillja. A titán-dioxid hatására lejátszódó kémiai oxidációs folyamat a kórokozókat, valamint a szerves szennyeződéseket ártalmatlan összetevőikre bontja. A felületről eltűnnek, eloxidálódnak a kórokozók, valamint a szerves szennyeződések is. A folyamathoz mindössze normál nappali fényre, oxigénre és a levegőben lévő páratartalomra van szükség. Az öntisztuló felület a következőket jelenti: jelentősen könnyebb tisztítás, kevesebb tisztítószer használata, a környezeti egyensúly fokozása, meghosszabbodott tisztítási időintervallum, a legmagasabb fokú tisztaság a termék környezetében. A fotokatalitikus öntisztuló felületek viszonylag új jelenségnek számítanak, amelyek felülmúlják az „easy-to-clean”, azaz könnyű takaríthatóság tulajdonságát. Ez természetesen nem azt jelenti, hogy a padlóburkolót egyáltalán nem kell takarítani, megfelelő karbantartás, tisztítás továbbra is szükséges, viszont könnyebbé válik a felület tisztán tartása. Elegendő fény hatására ugyanis a nanoméretű TiO2 megnöveli a felületi feszültséget, így a felszín hidrofil tulajdonságúvá válik. Más szóval a burkolat nem taszítja a vizet, így az nem cseppformában jelenik meg, hanem szétterül rajta, ezáltal a felületen a szennyeződések kevésbé tapadnak meg, könnyebben eltávolíthatók. A Grabo Silver Knight öntisztuló tulajdonsága következtében az egészségügyi intézmények takarítási ciklusai jelentősen ritkulnak, kevesebb tisztítószer használata mellett a padlóburkolatok is kevésbé használódnak el. A nanotitándioxid használata további pozitív tulajdonsággal ruházza fel a Grabo Silver Knightot, lehetővé teszi ugyanis a levegő minőségének javítását is, hiszen a fotokatalízis segítségével a kellemetlen szagok, vagy például a nikotin és a formaldehid is semlegesíthetők. A Grabo Silver Knight speciális padló teljesen új utat nyit az egészségügy területén, hatékonyságát laboratóriumi vizsgálatok sora bizonyította. Kórházi eredetű baktériumok, vírusok és gombák következtében évente közel százezer ember hal meg szerte a világon. Magyarországon egy 2006-os adat szerint több mint 3000 ember halála hozható összefüggésbe korházi fertőzésekkel. A Grabo Silver Knight padlóburkoló alkalmazásával kevesebb betegekre fordítandó költség mellett, rövidebb kórházi tartózkodással, alacsonyabb kórházi halálozási kockázatot, vagyis biztonságosabb kórházi környezetet tudunk teremteni.

A nanobevonatok számos előnnyel rendelkeznek. Ezeket általában (belső és külső) falburkolatok, fahomlokzatok, üveg és különböző útburkoló anyagok esetében használják. A bevonat nagy ellenállóképességet biztosít fa-, kő- és homlokzati felületeken, miközben teljes mértékben pH-semleges, nem mérgező, antibakteriális és antiallergén hatású. Az anyag ellenáll az UV-sugárzásnak, egyben páraáteresztő is. Antigraffiti-hatását a speciális tapadásgátló védelmének köszönheti. A különféle kültéri burkolatok szerkezetébe nem jut be a víz, ezáltal fokozza a fagyállóságot. Kül- és beltéri burkolatnak fokozott kopás- és karcállóságot biztosít, ezzel a burkolatokkal szemben támasztott szinte összes követelménynek megfelel. Jelentős tulajdonsága még a korrózióvédelem és további hozzáadott értéket jelent, hogy az anyaggal kezelt felületek esztétikusak, fényesek lesznek általa.

Az égésgátolt polimerek alkalmazása elengedhetetlen a közlekedésben és az építőiparban. A bányászatban és a vegyiparban antisztatikus műanyag szerkezeteket (csővezetékek, szivattyúk stb.) kell alkalmazni az elektrosztatikus feltöltődés megakadályozása, ezáltal a robbanás elkerülése érdekében. Fontos alkalmazásokat jelentenek a habképző tűzvédelmi festékek, a tűzgátló alapfesték. A tűzgátló alapfestéknél montmorillonit és szepiolit nanoadalékok kedvezően befolyásolja a habmagasság és a habszilárdság alakulását. A montmorillonit a hab hőszigetelő-képességét nem növeli, de a szepiolit részarányának növelésével javulás várható. Segíti a gyanta szenesedését, és ezen keresztül gyorsítja hőszigetelést, valamint a kokszos habréteg kialakulását.