Aktualne wydanie

okladka SS-7-8 2018-do Internetu

20180123-BANNER-160X600-V3-PL FENSTERBAUEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 RODO

 

25575923 

  

480x100px RFT18 engl

 

abs banner 480x120 English

 

glass2018 480x120  

 lisec SS FastLAne

 

Nanotechnologia w nowoczesnym szkle
Data dodania: 28.05.08

Nanotechnologia w szerokim rozumieniu oznacza obszar nauki i technologii odnoszącej się do elementów o wymiarze poniżej 100 nm (100∙10-9 m) i towarzyszących im nanooddziaływań (zjawisk). 

 

Zakresy nano-
    W ciągu ostatnich 15 lat liczba publikacji zawierających w tytule lub w streszczeniu „nano” zwiększyła się na świecie 1000-krotnie [1], a liczba patentów amerykańskich 100-krotnie (rys. 1). W dorobku publikacyjnym udział Stanów Zjednoczonych wynosi  blisko 25%, Japonii i Chin po 10%, a krajów Unii Europejskiej 35%, w tym Polski 1%. Na rozwój nanotechnologii przeznacza się na świecie ponad 5 mld € rocznie, z czego w Europie ponad 2 mld € – z tendencją wzrostu.


    Rozwój w odniesieniu do podstawowych budowlanych materiałów konstrukcyjnych odbywa się przede wszystkim przez ich modyfikację. Nanotechnologia może umożliwić istotną poprawę właściwości takich materiałów, jak beton, stal, żelbet, drewno i tworzywa sztuczne.

 

Znaczenie praktyczne dla budownictwa już obecnie może mieć nanotechnologia oparta na technice „top down” („z góry na dół”) – polegająca na wprowadzaniu np. do mieszanki betonowej modyfikatorów o wymiarach nanoziaren – poniżej wymiaru pyłu krzemionkowego. Oznacza to przesunięcie zakresu badań inżynierii materiałów budowlanych na klasycznym wykresie „złożoność – wymiar” o dwa rzędy wielkości w dół.


    Pojęcie nanotechnologii zawdzięczamy tokijskiemu profesorowi Nori Toniguchi, który wyraził przekonanie, że będzie to dominująca technologia XXI wieku. Jest charakterystyczne, że na liście wydarzeń kreujących rozwój nanotechnologii jest więcej zdarzeń o charakterze organizacyjnym niż dokonań materialnych. Nowo powstała dyscyplina wymaga nowego przeanalizowania stanu wiedzy. Wśród dokonań materialnych, obok przełomowego odkrycia fulerenów, wymienia się – wyprzedzające je o kilkanaście lat – uzyskanie narzędzi badawczych, umożliwiających obserwacje na poziomie nano, takich jak wysokorozdzielcze mikroskopy skaningowe i mikroskopy sił atomowych [1].


    Fulereny zostały odkryte dość przypadkowo. Za inicjatora tego odkrycia uważa się Harolda Kroto, z Uniwersytetu Sussex, z południowej Anglii, który, badając w ramach swojej pracy doktorskiej przemiany związków węgla zachodzące w okolicach wygasłych gwiazd metodami spektroskopowymi, odkrył charakterystyczne wąskie linie spektralne, które odpowiadały aromatycznym związkom węgla. W mniej więcej w tym samym czasie zespół naukowy z Uniwersytetu Rice w Dallas, Teksas, USA, w skład którego wchodzili James Heath, Sean O’Brien, Robert Curl i Richard Smalley, opracował zestaw do syntezy związków organicznych w wyniku naświetlania promieniem lasera obracającej się tarczy grafitowej. Otrzymano w tych warunkach szereg bardzo nietypowych związków o budowie klatkowej. Wzbudziło to duże zainteresowanie Harolda Kroto, który zauważył, że warunki panujące podczas tych syntez są bardzo podobne do warunków jakie panują w gwiazdach. Nasunęło to myśl, by wykorzystać to do syntezy pochodnych węgla.


    Harlod Kroto dołączył do zespołu z Dallas w 1985 roku w ramach stażu podoktorskiego. Wspólnie z Richardem Smalleyem podjęli się badań nad otrzymaniem związków węgla o dużej masie cząsteczkowej. Już pierwszego dnia odkryto tajemniczy związek o masie cząsteczkowej 720 d, który występował w większym stężeniu niż wszystkie inne. Dokładne przemyślenia doprowadziły ich do struktury „piłki futbolowej”. Następnie na drodze obliczeń kwantowo-mechanicznych dowiedli, że związek taki powinien generować dokładnie jedną linię w widmie 13C NMR, ściśle odpowiadającą widmu związku uzyskanego przez Harolda Kroto i zespołu z Uniwersytetu Rice.


    Za odkrycie fulerenów zespół z Uniwersytetu Rice i Harold Kroto w 1996 roku otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny chemii. Harold Kroto kontynuował badania nad fulerenami na Uniwersytecie Sussex, m.in. wyodrębniając je w bardzo żmudny sposób z sadzy i rozpoczął badania ich własności chemicznych. W 1990 roku niemieccy badacze W. Kratschmar i D. Huffman po raz pierwszy opublikowali względnie tanią i wydajną metodę syntezy fulerenów poprzez kontrolowane spalanie węgla w łuku elektrycznym w atmosferze wodoru, która otworzyła drogę do praktycznego zastosowania tych związków, lecz nie zostali uwzględnieni w nagrodzie Nobla.


     Nazwa „fuleren” pochodzi od amerykańskiego architekta R. Buckminster Fullera, który wymyślił pokrycia hal w postaci tzw. kopuł geodezyjnych, opartych o kratownice pokryte płytami w kształcie wielokątów foremnych. Zgodnie z opowieściami Harolda Kroto, widok kopuły geodezyjnej skonstruowanej z pięcio- i sześciokątów, którą widział podczas Światowej Wystawy zainspirowała ich obu do wspólnego skonstruowania pierwszego modelu fulerenu C60 (rys. 2). Inni członkowie zespołu Smalleya zaczęli konstruować podobne modele kolejnych fulerenów sferycznych, a także zauważyli, że można na ich bazie konstruować rurki.


    Na cześć konstruktora kopuły w Dallas, od której zaczęła się cała historia, zaczęli oni między sobą nazwać w żartach tego rodzaju związki „Bucky balls” (czyli w wolnym tłumaczeniu „jaja Buckiego”), co zostało w pierwszej publikacji przerobione na bardziej poważnie brzmiącą nazwę „Buckminster fulleren”, z której to nazwy wywiedziona została nazwa dla całej klasy tego rodzaju związków.


    Powierzchnia fulerenów składa się z układu sprzężonych pierścieni składających się z pięciu i sześciu atomów węgla. Najpopularniejszy fuleren, zawierający 60 atomów węgla (tzw. C60) ma kształt dwudziestościanu ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. C70, natomiast, posiada dodatkowy pierścień atomów węgla.


    Kolejnymi znanymi fulerenami są C120 i C140. Oprócz tego na bazie fulerenów można otrzymywać nanorurki, które są długimi walcami uzyskanymi ze zwinięcia sześciokątnej, pozbawionej defektów płaszczyzny grafitowej, które można z obu stron domknąć połówkami C60. Najkrótszą nanorurką, z formalnego punktu widzenia, jest C70, najdłuższe zaś (na rok 2003) mają ponad 100 metrów długości.


    Do rodziny fulerenów zaliczamy: fulereny właściwe (C60, C70), nanocebulki (fulereny wielowarstwowe), fulereny olbrzymie (ilość atomów węgla powyżej 500), nanorurki [2].



Obszary badawcze w nanotechnologii

    Zakres badań w obszarze nano zasadniczo obejmuje:
● wytwarzanie nanomateriałów (właściwa na-notechnologia),
● modyfikacje materiałowe przez domieszki nanomodyfikatorów (nanomodyfikacja),
● nanomonitorowanie rozmieszczenia modyfikatora w strukturze kompozytu (nanomonitoring),
● modyfikacje powierzchni (nanosurface),
● rozpoznawanie i opis nanostruktury (nanostructure),
● badanie właściwości nanostruktury (nanotest, nanoindentation).

   

Wytwarzanie nanomateriałów, zwłaszcza metodą „bottom up”, jest poza obecnymi możliwościami inżynierii materiałów budowlanych. Próby badawcze są podejmowane we wszystkich pozostałych obszarach, w szczególności są to sposoby modyfikacji betonu. Modyfikacje powierzchniowe mogą dotyczyć również innych materiałów budowlanych, np. szyby samozmywalne pokryte warstewką grubości 50 nm. W powłoce tej są rozprowadzone nanocząstki TiO2, które w wyniku efektu fotokatalitycznego – pod wpływem promieniowania świetlnego (UV) – pękają, naruszając złoża osiadającego kurzu.

 

Powierzchnia warstewki jest wysoce hydrofilowa; powoduje to równomierne zmywanie brudu podczas deszczu. Powłoki nanoceramiczne mogą powodować istotne zwiększenie odporności na ścieranie – dotychczas stosowane przede wszystkim na powierzchniach narzędzi metalowych. Powłoki malarskie zawierające ceramiczne piezoelektryki (Pb – Zr – Ti) nakładane na elementy mostowe mogą być wykorzystane jako wskaźnik wibracji. Rozpatruje się również antykorozyjne powłoki nano na stali zbrojeniowej w celu zwiększenia trwałości żelbetu.


    Wśród nanobadań można wyróżnić badania mające na celu rozpoznania nanostruktury materiału. Stosuje się tu, obok mikroskopów wysokiej rozdzielczości, takie metody badawcze, jak magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), spektroskopię, dyfraktometrię rentgenowską itp. W badaniach z zakresu chemii cementu metody te są dość powszechnie stosowane. Odrębną grupę badań stanowią badania mechaniczne (nanomechanika) mikropróbek, w tym badania nanotwardościomierzem. Badania te pozwalają wyznaczyć krzywe obciążenia – odkształcenie w zakresie przemieszczeń czujnika do kilkuset nano i na tej podstawie wyznaczać „lokalnie” moduł sprężystości. Wyniki wielu takich nieniszczących pomiarów pozwalają wnioskować o jednorodności struktury i odnosić ją do budowy atomowej materiału [1].



Szkło samoczyszczące: warstwa nano- na powierzchni szkła oraz zjawisko fotokatalizy
    Kiedyś mówiono, że szkło samoczyszczące to nierealny sen. Wyjątkowa formuła np. dual action wykorzystuje siły przyrody, aby zapobiec gromadzeniu się zanieczyszczeń organicznych na szkle, co daje praktyczną korzyść – bardziej przejrzyste, lepiej prezentujące się szkło, bez konieczności częstego mycia.
    Pod wpływem działania światła dziennego, w powłoce zachodzą dwa rodzaje reakcji chemicznych. Po pierwsze, rozkładane są skupiska zanieczyszczeń organicznych, po drugie, woda deszczowa spływając po szkle równą warstwą, zmywa uwolniony brud. Szkło oglądane pod pewnym kątem charakteryzuje się nieco większym efektem lustrzanym niż zwykłe szkło i ma lekko niebieski odcień.


    Powłoka dokładnie przylega do szkła – zostanie więc uszkodzona tylko w przypadku uszkodzenia powierzchni samego szkła, na przykład przez ostre przedmioty, ścierne środki czyszczące lub wełnę stalową.
    Wykorzystując proces fotokatalizy, powłoka reaguje z promieniami ultrafioletowymi naturalnego światła dziennego, rozkładając w ten sposób zanieczyszczenia organiczne. Druga część procesu ma miejsce, gdy o szkło uderza deszcz lub woda. Ponieważ szkło, na przykład Pilkington Activ™ lub SGG AQUACLEAN, ma powłokę hydrofilową, woda, zamiast kroplami, spływa po powierzchni równą warstwą, zabierając ze sobą zanieczyszczenia. W porównaniu ze zwykłym szkłem wysycha ono bardzo szybko, a woda nie pozostawia po sobie brzydkich zacieków.


    Po zainstalowaniu szkła, powłoka na szkle aktywuje się przez około pięć dni. Powłoka działa, nawet jeśli szkło jest mocno zabrudzone. Jeśli jednak powierzchnia jest na tyle brudna, że promienie ultrafioletowe nie docierają do szkła, proces samoczyszczenia nie zachodzi. Należy wtedy szkło wyczyścić miękką szmatką i ciepłą wodą z mydłem, a po kilku dniach proces się znów uaktywni.


    Do aktywacji powłoki potrzebne jest niewielkie natężenie promieniowania UV. Powłoka działa więc również w pochmurne dni, a efekt rozpływania się wody po szkle utrzymuje się zawsze kiedy pada deszcz [3], [4].
    Dwutlenek tytanu tworzy trzy odmiany polimorficzne występujące w przyrodzie: tetragonalne rutyl i anataz oraz rombowy brukit (brookit). Dwie ostatnie przechodzą w najtrwalszy rutyl powyżej temperatury 800-900°C.
    Dwutlenek tytanu jest najpowszechniejszym i najtrwalszym tlenkiem tytanu. Jest to biały proszek o temperaturze topnienia ok. 1830°C i temperaturze wrzenia ok. 2500°C. Ma właściwości amfoteryczne – reaguje ze stężonym kwasem siarkowym, a stapiany z wodorotlenkami, węglanami lub tlenkami innych metali przechodzi w tytaniany. Nie jest rozpuszczalny w wodzie.


    W układzie tytan-tlen istnieje szereg niższych tlenków o ogólnym wzorze TinO2n–1 dla n = 4÷10 (Fazy Magnèliego).
    Długoletnie badania wykazały, iż TiO2 charakteryzuje się:
● pasmem walencyjnym utworzonym przez funkcje falowe 2p jonów tlenu,
● przerwą energetyczną wynoszącą 3-3,2 eV,
● pasmem przewodnictwa utworzonym przez funkcje falowe 3d tytanu,
● wysokim współczynnikiem załamania światła w granicach 2,616÷2,903 (wyższy niż dla diamentu),
● niską absorpcją optyczną w zakresie widzialnym,
● dobrą stabilnością chemiczną,
● dużą odpornością chemiczną,
● wysoką twardością wynoszącą około 6 w skali Mohsa,
● wysoką stałą dielektryczną (120 dla rutylu),
● wysoką rezystancją.

    Fotokataliza to termin oznaczający przyśpieszenie reakcji chemicznej pod wpływem światła. Dwutlenek tytanu (TiO2), odpowiednio rozdrobniony do wielkości nanocząstek, ma wyjątkowe właściwości fotokatalityczne (w jego obecności pod wpływem światła szybciej zachodzą reakcje chemiczne) i właśnie dlatego spośród wielu fotokatalizatorów jest tym najczęściej stosowanym. Zjawisko to zostało odkryte w latach siedemdziesiątych, a w ostatnich latach, dzięki nanotechnologii (a dokładnie zdolnościom uzyskiwania wyjątkowo małych cząstek TiO2 rzędu paru nanometrów), rozpropagowane i szeroko zastosowane w przemyśle.


     Światło o długości fali w zakresie poniżej 400 nm (ultrafioletowe UV, pasmo światła widzialnego to zakres fali o długości 380~780 nm) powoduje w nanocząstkach półprzewodnika, jakim jest dwutlenek tytanu, wybijanie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys. 3). Szerokość przerwy energetycznej w przypadku TiO2 wynosi 3,2eV.


    Dzięki temu na powierzchni dwutlenku tytanu powstają elektrony, które łączą się z tlenem z powietrza formując aktywny tlen oraz dziury elektronowe, łączące się z parą otaczającego powietrza lub wodą i tworzą rodniki wodorotlenowe z wody. Ten proces jest podobny do fotosyntezy, w której chlorofil wyłapuje światło słoneczne ażeby zmienić wodę i dwutlenek węgla w tlen i glukozę.


    Uformowany rodnik wodorotlenowy jest silnym utleniaczem i jest dostatecznie mocny, aby utleniać i rozkładać różnego rodzaju zabrudzenia organiczne, np.: ptasie odchody, tłuszcze, oleje, spaliny, gazy zapachowe, bakterie. Po tych reakcjach zabrudzenia same odpadają lub łatwo dają się spłukać wodą (np. deszczem) tym bardziej, że powłoki z TiO2 wykazują też silne właściwości hydrofilowe. Część zanieczyszczeń w kolejnych reakcjach przekształci się w wodę i dwutlenek węgla. Aktywny tlen wyzwala zaś reakcje redukcji.


    Powyższe procesy zachodzą w powłokach w pełnym wymiarze po pewnym czasie aktywacji, potrzebnym na dostarczenie dawki energii ze światła. Po pierwszym okresie aktywacji proces zachodzi też w nocy, gdyż nagromadzona w ciągu dnia energia oddawana jest w nocy. Fotokatalizie z udziałem TiO2 nie przeszkadza też brak bezpośredniego nasłonecznienia czy pochmurna pogoda, promieniowanie UV przenika przez chmury (chmury nieco osłabiają intensywność promieniowania).


    Prace nad uzyskaniem powłok powodujących samooczyszczanie powierzchni szkła trwają od kilku lat i prowadzą je niezależnie właściwie wszyscy znaczący producenci. W tym czasie, wraz ze zbieranymi doświadczeniami i możliwościami technologicznymi, zmianom ulegały koncepcje działania takiej powłoki. Pierwszym krokiem na drodze do uzyskania szkła samoczyszczącego było wykorzystanie powłok hydrofobowych, czyli niezdolnych do zwilżania i przyłączania cząsteczek wody. Podczas deszczy woda zbiera się na takiej powłoce w postaci okragłych kropel, które dzieki zminimalizowaniu powierzchni ich styku ze szkłem spływają pod własnym ciężarem.


    Doświadczenia z tego typu szkłem przy zastosowaniach w budownictwie wykazują jednak, ze pozostaje na nim zbyt dużo kropel, które po wyschnięciu pozostawiają ślady nawet bardziej widoczne niż na szkle klasycznym. Tak naprawdę nie jest to więc szkło samoczyszczące, ale tzw. easy-to-clean, co oznacza, że zabrudzenia nie przyklejają się do jego powierzchni i są łatwe do usunięcia. Niemniej jednak szkło o właściwościach hydrofobowych jest interesujące dla niektórych zastosowań. Ułatwia to na przykład czyszczenie kabin prysznicowych, jest też stosowane w szybach samochodowych [5], [6].


    Dzięki nowym rozwiązaniniom na bazie nanotechnologii i nie tylko, na przykład szkło samoczyszczące Pilkington Activ zyskało nowe zastosowanie. Wprowadzone modyfikacje pozwoliły stworzyć Pilkington Planar Activ, które można stosować w konstrukcjach o dużych powierzchniach przeszkleń, jak np. w biurowcach, czy centrach handlowych.


     Rozwiązaniem, które umożliwiło wprowadzenie Pilkington Planar Activ na rynek (rys. 4), było opracowanie specjalnego uszczelniacza, który rozwiązał problem olejów silikonowych, wyciekających na powierzchnię szkła, co powstrzymywało efekt samooczyszczenia. Opracowane silikonowe uszczelnienia pomiędzy poszczególnymi panelami szkła, dają ponadto gwarancję wodoszczelności przeszklonej przegrody.


    System Planar pozwala na uzyskanie idealnie gładkiej powierzchni fasady, dzięki zastosowaniu walcowo-stożkowych otworów, śrub i płytek sprężystych ze stali nierdzewnej. Całość szklanej fasady mocowana jest do niezależnej konstrukcji nośnej, zamiast do tradycyjnego systemu ramowego. W rezultacie powstaje fasada o gładkiej powierzchni, zminimalizowanej konstrukcji nośnej i zmaksymalizowanej przejrzystości.

 

    Opisywany system jest odporny na działanie warunków atmosferycznych, a jednocześnie zachowuje samoczyszczące właściwości szkła (rys. 5). To odporne na warunki pogodowe szczeliwo, może być również wykorzystywane ze szkłem Pilkington Activ do innych zastosowań, na przykład do łączenia szyb na styk. Szkło Planar Activ dostępne jest w kombinacji zarówno jeśli chodzi o konkretne zastosowania praktyczne, jak i poszukiwane walory estetyczne [3], [7].


     W doświadczeniach technologicznych grupy Saint-Gobain [4] uzyskano szkło samoczyszczące Bioclean, które proponuje się łączyć (w systemach oszklenia) z taflami innego rodzaju szkła, aby uzyskać odpowiednie parametry termiczne w pomieszczeniach (rys. 6). Współczesne rozwiązania pozwalają na dowolne kreowanie warunków temperaturowych, przenikania promieni UV, uzyskanie ochrony przed hałasem itd. Ale stworzenie możliwości technicznych do tego, aby tafla szkła była w stanie się samooczyszczać wydaje się być najzanamienitsze.



Podsumowanie
    Nanotechnologia w odniesieniu do inżynierii materiałów budowlanych stanowi zarówno wyzwanie intelektualne, jak i może się okazać obiecującym kierunkiem dalszego rozwoju, zwłaszcza w technologii betonu. Poznanie, zarówno na podstawie wykreowanych modeli, jak i w „bezpośredniej obserwacji”, zjawisk w skali nano- powinno umożliwić lepsze zrozumienie mechanizmu synergii (współdziałania składników) i jego wykorzystania w modyfikowaniu właściwości kompozytów budowlanych.


    Koncepcja betonu z mikrokapsułkami wypełnionymi żywicą epoksydową to idea betonu samonaprawialnego według prof. Y. Ohama i współpracowników. W mieszance  betonowej przez intensywne mieszanie rozprowadza się żywicę epoksydową. W przypadku zarysowania żywica z kapsuły uwalnia się i stykając się z powierzchniami utworzonej rysy, pod wpływem alkalicznego środowiska, utwardza się, konsolidując rysy. Jako nanomodyfikator „vivoaktywny” mogą być potraktowane bakterie „Baccillus Pasteurii”, które osadzone w rysie zaleczają beton , wytrącając węglan wapnia.


    W przypadku betonów polimerowo-cementowych, ze względu na znaczny koszt polimeru, bardzo ważne jest jego racjonalne rozmieszczenie w betonie. Temu służy nanomonitoring. W tej samej grupie zagadnień można rozważać badania nad modelem przemiany perkolacyjnej, rozumianym jako przejście „nieciągłość-ciągłość” podczas formowania sieci polimerowej w betonie [1].


    Nanotechnologia przyczynia się do rozwoju materiałów budowlanych. Jest i będzie to szczególnie widoczne w technologii nowoczesnych betonów, ale również dzięki temu kierunkowi powstaje szkło, które na pewno spełnia oczekiwania użytkowników. Kto nie chce mieć zawsze czystych przeszkleń, dobrego widoku na teren przyległy, estetycznej elewacji?

    Czyste, atrakcyjne przeszklenia są swoistym otwarciem budynków na zewnątrz, do części ogrodowej, zapewniają pełnię światła, są elementem niezwykle ciekawym  architektonicznie (rys. 7 i 8). Dzięki dobrze zaprojektowanym systemom oszklenia, zastosowaniu dodatkowo wewnątrz np. klimatyzacji, mogą stać się ulubionymi częściami domów, hoteli, biur.

dr inż. Beata Stankiewicz
Politechnika Opolska


Literatura
[1] Czarnecki L.: Nanotechnologia – wyzwaniem inżynierii materiałów budowlanych. „Inżynieria i Budownictwo”, vol. 9/2006 str. 465-469.
[2] www.pl.wikipedia.org
[3] www.pilkington.com
[4] www.saint-gobain.com
[5] www.oknosystem.com.pl 
[6] www.tworzywo.com.pl
[7] www.technology.com 

więcej informacji: Świat Szkła 5/2008

 

 

 

01 chik
01 chik