ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области строительства, а именно к производству строительных материалов, обладающих улучшенными свойствами для защиты их от вредного воздействия окружающей среды за счет фотокаталитического окисления вредных веществ.
Широко известно, что в результате фотокаталитической реакции происходящей на поверхности катализатора (чаще всего диоксида титана в наноразмерной форме) в присутствии кислорода и ультрафиолетового излучения, происходит разложение вредных органических соединений и микроорганизмов, плесени и т.п. до безвредных - например, углекислого газа и воды. (См. New challenges for photocatalysts, RSC, Advancing the Chemical Sciences, Jan 2010)
Это свойство широко используется в настоящее время для очистки воздуха и воды от органических загрязнений в специальных фильтрах и реакторах, и в последнее время разработаны строительные материалы, обладающие свойствами фотокаталитической очистки, например «самоочищающие стекла» и «поглощающие смог» цементы. Примером такого цемента, является продаваемый на рынке цемент марки ТХ Active фирмы Italcementi (Италия), который содержит наноразмерный порошкообразный диоксид титана, цемент наносится на внешнюю поверхность строительного изделия или архитектурной формы в результате чего на поверхности под воздействием ультрафиолетового излучения солнца, кислорода воздуха на частице катализатора происходит окисление органических загрязнений, находящихся в воздухе, которые периодически с поверхности смываются водой или дождем, чем обеспечивается чистота поверхности без изменения ее цвета (См. Фотокаталитический метод защиты поверхности бетона БИНТИ, №5 (по материалам Betonwerk-Technik, 2005 №1).
Применение вышеуказанного цемента с фотокатализатором из порошкообразного наноразмерного диоксида титана ограничено из-за высокой стоимости нанокатализатора, так, например, широко известный нанодиоксид титана марки Р25 фирмы Degussa стоит порядка 300-500 долларов США за килограмм, при этом стоимость одного килограмма цемента марки ТХ Active составляет 1,3 доллара за килограмм, что в десять раз дороже обычных марок цемента. Кроме этого, при износе покрытия освобождающиеся наноразмерные частицы диоксида титана могут проникать сквозь кожу человека и вызывать злокачественные заболевания.
Поэтому для устранения недостатков фотокаталитического строительного материала, имеются попытки заменить дорогостоящий нанопорошковый диоксид титана на катализатор, представляющий собой инертную подложку на поверхность которой нанесен слой нанодиоксида титана. В качестве такой подложки предложено использовать частицы метакалина размером 1-10 микрон (См. Журнал «Nanocon», 12-14.10. Olomouc, Ceska Republika).
Однако и это решение недостаточно эффективно в силу того, что покрытый фотокатализатором метакаолин располагается на поверхности строительного материала (обычно на плоской поверхности) и работает как катализатор под действием солнечных лучей только в плоскости покрытия, что недостаточно эффективно. Кроме этого введение метакаолина снижает прочность строительного покрытия материала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является покрытие для строительных материалов и конструкции, содержащее связующее и распределенные в нем полые микросферы из стеклокристаллического алюмосиликата. Микросферы, выделены из золы - унос тепловых электростанций, работающих на каменном угле. Данное покрытие является тепло-звукоизолирующим за счет отражательной способности микросфер (См. патент на полезную модель №102021 от 10.02.2010). Указанное решение выбрано в качестве прототипа для каждого из вариантов полезной модели.
Недостатком данного покрытия является отсутствие фотокаталитической активности, что приводит к его загрязнению со временем и изменению цвета (пожелтению) из-за воздействия органических загрязнителей воздуха, микроорганизмов (плесени), смога в окружающей среде.
Решаемая полезной моделью задача состоит в создании покрытия, обладающего фотокаталитическим эффектом для самоочищения поверхности, очистки окружающего воздуха и улучшенными фотокаталитическими свойствами за счет более рациональной формы фотокатализатора и его распределения в покрытии. При этом фотокаталитическая активность диоксида титана, нанесенного на сферическую поверхность микросфер проявляется и в отношении органических загрязнителей, и в отношении болезнетворных бактерий, а также в отношении выхлопных газов автомобилей и выбросов промышленных предприятий.
Техническим результатом полезной модели является улучшение защитных свойств строительных материалов и конструкций от вредного воздействия окружающей среды за счет фотокаталитического окисления вредных веществ.
Для достижения технического результата в известном покрытии для строительных материалов и конструкций, содержащем связующее и распределенные в нем полые микросферы из стеклокристаллического алюмосиликата, согласно полезной модели по первому варианту, на микросферы нанесен наноразмерный фотокаталитический материал и микросферы расположены на поверхности покрытия.
Для достижения технического результата в известном покрытии для строительных материалов и конструкций, содержащем связующее и распределенные в нем полые микросферы из стеклокристаллического алюмосиликата, согласно полезной модели по второму варианту, на микросферы нанесен наноразмерный фотокаталитический материал и на внешней поверхности покрытия микросферы частично утоплены в связующем с образованием сферических линз.
В предлагаемом решении используются полые микросферы из алюмосиликата т.е. микросферы, выделенные из угольной золы. Эти микросферы имеют размер частиц в пределах 5-500 микрон и толщину стенки 5-10 микрон т.е. большую часть объема микросфер составляет полость внутри. Коэффициент упаковки микросфер составляет 60-65% т.е. при их введении в покрытие (связующее) доля связующего и других наполнителей составляет 35-40%. Наноразмерный катализатор расположен на внешней поверхности микросфер, толщина слоя катализатора составляет 0,5-1,5 микрон, при этом ультрафиолетовое излучение от солнца или искусственного источника всегда направлено на сферическую поверхность микросферы т.е. непосредственно на катализатор, таким образом, большие объемы покрытия - полости внутри микросфер, промежутки между микросферами, не содержат фотокатализатора, чем создается его экономия, при этом фотокаталитическая активность не снижается. Алюмосиликатные микросферы являются продуктом сгорания минеральной части угля и по фазовому составу состоят из аморфного стекла и кристаллического муллита (до 60%), причем муллит расположен в основном на внешней поверхности сферы и обладает очень высокой химической стойкостью. Это позволяет одновременно с фотокаталитическим эффектом, эффектом теплоизоляции (за счет наличия полых микросфер), повысить химическую стойкость покрытия к растворам солей, кислот, выхлопных газов и т.д., что существенно необходимо для строительных изделий.
Также эффективен вариант покрытия, при котором, на внешней поверхности, микросферы частично утоплены в связующем с образованием сферических линз. Выпуклая поверхность линз по площади больше плоской поверхности круга в ее основании и содержит большее количество нанесенного фотокатализатора, что повышает эффективность очистки. Кроме того, линзы легко омываются дождем для удаления разложившихся органических загрязнений. При этом выпуклая поверхность микросфер обладает отражательным эффектом т.е. свет отражаясь от сферической поверхности направляется на соседние линзы, чем увеличивается фотокаталитическая активность покрытия.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено предлагаемое покрытие в разрезе по первому варианту, на фиг.2 - предлагаемое покрытие в разрезе по второму варианту, на фиг.3 - график изменения концентрации окиси азота во времени.
2
2
3
2
3
Покрытие нанесено на основу строительного материала 1 и состоит из полых микросфер 2 и связки 3. Микросферы представляют собой застывший расплав алюмосиликатного материал (стеклокристаллический алюмосиликат), образовавшегося в результате сгорания минеральной части угля в котле электростанции. В предлагаемом примере микросферы выделены из золо-шлаковой смеси Троицкой ГРЭС. Микросферы имеют следующие параметры: химсостав SiO - 52-56%, АlО - 31-38%, FеO - 0,5-1,5% и незначительное количество окислов металлов (К, Na, Ca). Размер частиц - 10-500 микрон, плотность частиц - 0,7 г/см3, коэффициент упаковки - 60-65%. Наружная поверхность микросфер покрыта слоем фотокатализатора 4, в качестве которого использован наноразмерный диоксид титана, по фазовому составу в котором преобладает анатазная форма. Размер частиц диоксида титана составляет 20-80 нанометров и толщина слоя 0,5-1,5 микрона. Слой диоксида титана нанесен на поверхность микросфер широко известным золь - гель методом (См. US Patent 6110528 «Method for preparation of fine hollow glass spheres coated with titanium oxide».)
Связка 3 в предлагаемом решении может быть как неорганической, так и органической. Использование неорганической связки предотвращает ее разложение под действием ультрафиолетовых лучей и фотокатализатора и обеспечивает долговечность покрытия, т.е. покрытие на протяжении всего срока службы остается постоянной толщины. В этом случае микросферы 2 с фотокатализатором 4 на основе диоксида титана должны находиться на поверхности покрытия с целью получения фотокаталитической реакции. Микросферы же находящиеся в толще покрытия как фотокатализатор не работают, однако придают покрытию некоторые дополнительные свойства - теплозвукоизоляцию, химическую стойкость. При использовании неорганической связки предпочтительней вариант покрытия, в котором микросферы частично утоплены в связке 3 и образуют на поверхности сферические линзы 5. В этом случае большая (по сравнению с плоской) поверхность линз, образующиеся на поверхности загрязнения, остатки микроорганизмов, плесень и т.п. легко смываются дождем, и поверхность всегда остается чистой (так называемое самоочищающееся покрытие), также происходит очистка воздуха, окружающего покрытие от выхлопных газов, вредных летучих соединений и т.п. Аналогичный эффект очищения происходит и при использовании органической связки, если микросферы находятся на поверхности покрытия, однако в этом случае под действием ультрафиолетовых лучей и фотокатализатора происходит постепенное разложение связки и толщина покрытия уменьшается, т.е. микросферы с поверхности покрытия перемещаются в окружающую среду, обнажая на поверхность микросферы, лежащие ранее в толще покрытия, которые также начинают работать как фотокатализатор. Толщина покрытия ежегодно уменьшается примерно на 1-2 микрон, что обеспечивает долговечность покрытия 20-25 лет. Однако, в этом случае, освобожденные микросферы с прочно нанесенным диоксидом титана, не являются веществом, угрожающим здоровью людей т.к. частицы (микросферы) достаточно велики и не могут проникнуть сквозь кожу человека, что имеет место при использовании порошка наноразмерного диоксида титана.
В описываемом примере связкой является полиметилакрилат, но точно такой же эффект достигается и при использовании неоганическиой связки, например, цементный состав, поскольку технический эффект обусловлен только наличием и расположением микросфер с фотокатализатором. Органические связки предпочтительнее с точки зрения эстетичности.
2
3
3
Для сравнения известного и предлагаемого покрытия в лаборатории Южно-Уральского Государственного университета были произведены испытания. Изготовлены два образца цементной плитки (цементно-песчанная основа) толщиной 10 мм, на поверхность одной из плиток был нанесен фотокаталитический слой толщиной 1 мм. Слой состоял из 60% микросфер покрытых диоксидом титана и 40% связки (полиметилакрилат). Другая плитка имела традиционную поверхность (без ТiO). Каждая из плиток была помещена в стеклянную камеру объемом 0,45 м, ультрафиолетовая лампа устанавливалась на высоте 50 см над плиткой, камера заполнялась смесью воздуха и окиси азота, начальная концентрация 200 ппб (мм/м) и для циркуляции внутри был установлен вентилятор. Для измерения концентрации внутри камеры расположен люминисцентный анализатор окиси азота. Оба образца подвергались ультрафиолетовому облучению в одинаковых условиях. Проведенные исследования показали, что при использовании плитки с предлагаемым фотокаталитическим покрытием за период 7-8 часов можно снизить содержание окиси азота в воздухе до 91% от начальной, в то время как концентрация окиси азота при использовании известного покрытия за это время практически не изменилась (см. фиг.3). При цене фотокатализатора в виде покрытых микросфер от 100 до 120 тыс. рублей за тонну и стоимости традиционной плитки порядка 500 руб. за квадратный метр, стоимость плитки с фотокаталитическим покрытием составит около 600-700 руб. за квадратный метр.