Керамика в эпоху нанотехнологии

Химические нанотехнологии оперируют с хорошо известными химическими процессами, в которых участвуют хорошо известные органические или неорганические элементы и структуры. Но участвуют они лишь в "наноскопических" количествах. Если сравнить средние размеры наноэлемента с размерами обычного футбольного мяча, то их соотношение будет таким же, как у футбольного мяча с земным шаром! В результате, аккуратно выстраивая миниатюрные структуры из знакомых элементов таблицы Менделеева, сегодня можно получить материалы с удивительными свойствами, которые порою даже противоречат здравому смыслу. Некоторые современные материалы могут проявлять мощную клеящую способность, являясь, однако, репелентами. Другие демонстрируют высочайшую твердость, но остаются гибкими. Покрытия из таких тончайших материалов прозрачны, стойки к химическому воздействию, устойчивы к коррозии, поэтому область применения здесь поистине безгранична. Один из секторов практических достижений нанотехнологий - это получение прочных и стойких покрытий для керамики. Покрытий, которые самоочищаются от грязи, либо к которым грязь не пристает.

В 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из Саарбрюкена победила в тендере, объявленном концерном Duravit AG, на разработку самоочищающегося покрытия для керамики - WonderGliss. На выставке CEVISAMA 2000 в Испании был показан еще один продукт - покрытие для плитки Sekcid, разработанное фирмой в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid S.A. - одним из мировых лидеров в сфере производства фритов и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом Cleartec для душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.
Суть подхода Nanogate достаточно проста. Представьте себе дощечку, из которой торчит лес острых гвоздей, забитых изнутри. Или массажную щетку. Представьте себе клочок бумаги, который будет изображать пятно грязи.
Капля воды садится на плитку с покрытием "гидротект".
Капли воды соединяются и образуют равномерную пленку.
Водяная пленка равномерно стекает, унося все частички грязи.


Капля воды садится на плитку с покрытием "гидротект".
Капли воды соединяются и образуют равномерную пленку.
Водяная пленка равномерно стекает, унося все частички грязи.

Сила прилипания грязи обусловлена площадью поверхности их взаимного контакта. Если бы гвоздей не было и поверхность была бы гладкой, то площадь контакта оказалась бы значительной и грязь держалась бы прочно. Однако, из-за острых кончиков гвоздей площадь контакта минимальна, и грязь "парит на пуанте". Тоже самое происходит и с каплей воды. Она не может "растечься" по остриям и поэтому сворачивается в шарик.
Теперь, если слегка наклонить дощечку, то шарик воды покатится по остриям и встретится с пятном грязи.
Перед пятном "встает проблема выбора": либо продолжать неустойчиво балансировать на остриях, либо "слиться" с гладкой ровной поверхностью катящейся водяной капли. Естественно, выбор решается в пользу второго варианта. И капли воды, обволоченные повстречавшимися на пути хлопьями грязи, скатываются вниз, оставляя за собой чистую сухую поверхность.
Капля масла на плитке с покрытием "гидротект".
Капля масла медленно отрывается.
Капля масла отделяется.


Капля масла на плитке с покрытием "гидротект".
Капля масла медленно отрывается.
Капля масла отделяется.

Другой подход применили исследователи японского концерна TOTO. Они проводили эксперименты с фотокатализатором на основе двуокиси титана.
Под воздействием ультрафиолетовых лучей двуокись титана, модифицированная разработчиками на основе нанотехнологий, выделяет активный кислород из воды или атмосферного кислорода. Этот процесс подобен фотосинтезу, в котором хлорофилл использует солнечный свет, чтобы превратить воду и углекислый газ в кислород и глюкозу.Выделенного активного кислорода вполне достаточно, чтобы окислять и расчленить органические материалы или пахучий газ, убивать бактерии.




В результате исследований были созданы покрытия для керамических материалов с принципиально новыми свойствами - стерилизования, деодорирования помещений, разрушения частиц грязи. Особенно актуально это для медицинских учреждений или для помещений, где готовят пищу.
Дальнейшие эксперименты с фотокатализатором позволили открыть еще одно необычное явление. При воздействии света угол контакта поверхности с водой начинает постепенно уменьшаться. И через некоторое время поверхность начинает проявлять свойства супер-гидрофильности.
Другими словами, поверхность не отталкивает воду вообще, вода не может существовать в форме капли, она полностью растекается тонкой пленкой по всей поверхности, превращается в тонкую прозрачную пленку. Базовые решения найденные японцами, были запатентованы в 1998 году (всего было зарегистрировано более 350 патентов) и получили коммерческое название Hydrotect.

Эта технология была лицензирована германским концерном Deutsche Steinzeug, и в 2000 году на заводах AgrobBuchtal было начато серийное производство керамической плитки для облицовки фасадов KerAion Hydrotect.
Любая атмосферная влага - туман, утренняя роса, дождь - постоянно образует на поверхности плитки KerAion Hydrotect тонкую пленку воды, которая, стекая с вертикальных или наклонных плоскостей фасада, увлекает за собой грязь, не дает ей накапливаться. А активный кислород, выделяющийся под воздействием ультрафиолета, расщепляет органические загрязнители.
При этом ликвидируются и потенциальные источники биоразрушения зданий - плесень, грибок, мох и лишайник.

Технология нанесения покрытия Hydrotect в слой последнего обжига плитки позволяет получить износостойкую поверхность.
Плитка может эксплуатироваться и в качестве облицовки пола в зонах с интенсивным движением. Сегодня все плитки линии KerAion выпускаются с таким покрытием.
Здесь нужно отметить один важный момент. Самоочищающиеся поверхности рассматриваются сегодня прежде всего в общем контексте борьбы за снижения затрат и рабочего времени на обслуживание.
По данным ETCSC - японской комиссии по изучению поведения плитки в наружной облицовке - именно из-за неизбежного постепенного накопления грязи расходы на чистку фасадов, облицованных обычной плиткой, за первые восемь лет ежегодно возрастают примерно на 12,5%. В последующие восемь лет ежегодный рост расходов достигает 18% (с учетом появления затрат на ремонт). В случае же плитки с самоочищающейся поверхностью Hydrotect эти расходы так и остаются на постоянном уровне.