До последнего времени для ее создания требовалось столько же энергии, как и для выплавки алюминия. По словам экспертов, решение этой проблемы может привести к революции в строительной отрасли, так как легкие панели из целлюлозы сопоставимы по прочности со сталью и не горючи. Однако массовое применение нового материала начнется только в том случае, если он окажется выгоднее привычного бетона и других классических аналогов, предупреждают специалисты.
Что такое наноцеллюлоза
Специалисты Института химии Дальневосточного отделения РАН разработали экономически выгодную технологию производства материала из наноцеллюлозы. Этот композит по своей прочности превосходит сталь и абсолютно пожаробезопасен. До последнего времени ее получение требовало больших затрат энергии, которые сопоставимы с выплавкой алюминия. Однако его массовому применению мешала высокая стоимость — она достигала сотен долларов за грамм.
Подход российских ученых позволяет снизить затраты по меньшей мере в десятки раз, что открывает возможности создания экологически безвредных материалов на основе древесных волокон для строительства в виде теплоизолирующих панелей, а также в качестве сорбционных, медицинских, гидрофобных, электротехнических и люминесцентных изделий.
Разработка ученых позволит впервые в мире начать промышленное производство материала, который, кроме строительства, можно использовать в качестве сорбентов, а также для медицинских, гидрофобных, электротехнических и люминесцентных устройств.
— Производство наноразмерной целлюлозы не может быть дешевым, потому что это трудоемкий процесс с большими затратами энергии. Но нам удалось снизить стоимость и упростить его за счет того, что мы не доводим целлюлозу до конечного наноразмерного состояния, а получаем материал с нужными свойствами, включающий только небольшие количества наноцеллюлозы. Благодаря этому стоимость снизилась на порядок, — сказал завлабораторией коллоидных систем и межфазных процессов Института химии ДВО РАН Юрий Щипунов.
Наноразмерную нанокристаллическую целлюлозу получают путем обработки обычной целлюлозы, вырабатываемой, например, из древесных опилок или при вторичной переработке бумаги. Ее пропускают через гомогенизатор — устройство для создания водных дисперсий, которое разбивает крупные частицы на более мелкие — вплоть до нанокристаллов. При переходе к наноразмерному состоянию принципиальным образом меняет свойства хорошо известных веществ, в том числе и целлюлозы.
В ходе исследований ученые выяснили, что нанокристаллы плохо подходят для практического применения. Во время продолжительных исследований было установлено, что лучше использовать промежуточную смесь из нано- и микрофибрилл — нитевидных структур, из которых состоят целлюлозные волокна. Из этих компонентов они получили прочный и одновременно эластичный аэрогель — высокопористый материал, 90−99% объема которого заполнено воздухом. Добавки различных наполнителей позволяют получать материалы с нужными характеристиками и функциями. Например, прочные и легкие строительные блоки, не подверженные воздействию бактерий, не горючие и не выделяющие вредных веществ.
Они обладают более низкой теплопроводностью, чем древесина, что важно для сохранения тепла в доме. Пока предлагаемая технология реализуется только в стенах лаборатории, однако при промышленном производстве и широком распространении она станет значительно дешевле, а теплоизолирующие панели смогут заменить блоки из синтетических полимеров, которые легко возгораются и при этом выделяют токсичные газы. Они также не разлагаются, загрязняя окружающую среду.
— В качестве сырья для производства аэрогелей можно использовать мощности предприятий, которые изготавливают бумагу. В настоящее время они частично простаивают из-за резкого сокращения ее потребления. Из древесины они готовят дисперсию волокон в воде (пульпу) — промежуточный продукт. Фактически, это нужное нам сырье: волокна, очищенные от других компонентов, содержащихся в древесине. Их нужно механически обработать. Мы сейчас делаем это в лаборатории, и у нас достаточно компетенций для разработки эффективной промышленной технологии. Но это возможно только при использовании подходящего оборудования, — сказал Юрий Щипунов.
Использование наноцеллюлозы в строительстве
Число исследований в области синтеза и применения наноцеллюлозы увеличивается с каждым годом. Однако разрыв между лабораторными исследованиями и промышленным внедрением в этой области все еще не преодолен, пояснила заведующая лабораторией кафедры Строительного материаловедения НИУ МГСУ Виктория Швецова. Строительная отрасль — один из самых материалоемких секторов экономики, поэтому возможность производить готовый продукт в нужном объеме и в заданные сроки остается важнейшем условием широкого применения новых материалов.
— Нанокристаллы целлюлозы обладают высокой жесткостью, с модулем упругости, эквивалентным или даже превышающим модуль упругости некоторых марок стали, сохраняя при этом малый вес, биоразлагаемость и большую площадь поверхности. Это делает их идеальными кандидатами для армирования различных полимерных матриц. Дополнительно свойства композитов могут быть улучшены, а стоимость снижена за счет применения многоуровневого дисперсного армирования, например, совместно с минеральным или полимерными волокнами. При достижении высокой термической стабильности нанокристаллической целлюлозы она может быть использована в качестве огнестойких покрытий для строительных конструкций, — сказала она «Известиям».
Использование наноцеллюлозы в строительстве могло бы стать прорывом в области. Преимущества таких материалов очевидны: высокая прочность, износостойкость, пожаробезопасность и экологичность. С такими характеристиками материал был бы широко востребован для создания легких и долговечных конструкций, полагает заведующий кафедрой технологий строительства и конструкционных материалов в Российском университете дружбы народов Сердар Языев.
— Однако ключевой вопрос здесь — экономическая целесообразность. Снижение энергозатрат на производство — это, безусловно, хорошие новости. Но сможет ли материал конкурировать с бетоном, сталью или композитными элементами? Оптимизация производства этих материалов за многие годы достигло высочайших показателей, и любым новичкам на этом рынке очень нелегко завоевать свою нишу, — сказал он.
Есть еще один немаловажный аспект — возможность масштабирования полученной технологии. Получить отличный результат в лаборатории — это лишь первый шаг к массовому производству. Огромное количество многообещающих разработок так и не смогло перейти на следующий этап. Однако при успешной реализации проекта Россия может стать мировым лидером в этой сфере. Для этого потребуются серьезные инвестиции, а также поддержка со стороны государства и бизнеса, добавил эксперт.