Öntisztuló homlokzatok és más példák a nanotechnológia alkalmazására
A napfény UV-sugárzását elnyelő fotokatalitikus anyagok, titándioxiddal kezelt felületek, víztaszító és baktériumölő festékek, a lótuszvirág levelét utánzó falfestékek – néhány különleges eszköz, melyekkel megkönnyíthető a homlokzatok karbantartása. Szerzőnk átfogó képet ad a nanotechnológia elvén működő, homlokzatokon alkalmazható építőanyagokról.
Öntisztuló épülethomlokzatok (beton- és üvegfelületek)
A nanotechnológia építőiparban történő hasznosításának igen nagy területét fedi le a fotokatalizis elvén működő öntisztuló betonfelületek alkalmazása. Az eljárás lényege, hogy a titándioxid tartalmú cementtel készült betonfelületen a TiO2 fotokatalizátorként működve, elnyeli a napfény UV sugárzását. Ez az energia gerjeszti a titándioxid vegyértékelektronját, létrehozva a (e¯) negatív elektront és a (h+) pozitív lyuk párt, melyek a környezetükben levő vízzel és oxigénnel reakcióba lépve, hidrogént (H+) és szuperoxidot (O2¯) hoznak létre. További reakciókon keresztül, hidroxidionok (OH¯ és OH*) keletkeznek, melyek oxidációs közegként működve, felbontják a beton felületére lerakódott szerves anyagokat, széndioxidra és vízre. Ez a folyamat mindaddig működik, amíg a fényhatás tart.
Öntisztuló épülethomlokzatot eredményez a titándioxiddal való felületkezelés is, melynek lényege, hogy a légköri szennyeződés hatásának folyamatosan kitett épületszerkezetek beton- és üvegfelületét, nanovékony titándioxid réteggel vonják be. Ilyen anyag a Titan Shield bevonat, mely a napfény és nedvesség hatására, teljesen öntisztuló felületet ad. Elsősorban a nehezen hozzáférhető és tisztántartható épülethomlokzati felületeken alkalmazzák.
Fotokatalitikus betonból gyártott panelelemek, Misericordia Templom (Róma)
Az építőipar számára nehéz feladat a magas középületek üvegfelületeinek folyamatos karbantartása és tisztítása. Az üvegfelületek öntisztulóvá tehetők titándioxiddal való felületkezeléssel, melynek reakciója során keletkező szuperoxid (O2‾) csökkenti a víz felületi feszültségét, szuper hidrofillé téve az üvegfelületet, amin a víz cseppeket nem képezve, vékony vízhártyaként szétfut, és lemossa a szennyeződést.
Légszennyezettséget csökkentő épülethomlokzatok (környezetvédelem)
A kipufogó gázok által okozott légszennyezés csökkentésére fotokatalitikus cementet alkalmaznak, mely – a betonfelület öntisztítása mellett – csökkenti a légszennyezés mértékét. A cement titándioxid tartalma az UV sugárzás által aktiválva aktív szuperoxidot hoz létre, mely a levegőben lévő és az egészségre ártalmas nitrogénoxidokat (NOx) átalakítja nitráttá (NO3), mely a meszes betonfelületen lejátszódó további reakciókat követően, kalcium-nitráttá Ca(NO3)2, azaz műtrágyává alakul.
Európában eredményesen alkalmazzák a légszennyezettség csökkentésére az Ercole EcoActive márkanevű vékony védőbevonatot, mely fotokatalizis reakciója révén elősegíti a szerves és szervetlen szennyező anyagok lebomlását és ártalmatlanítását.
Eredményesen alkalmazzák a HeidelbergCement Group által gyártott TioCem titándioxid tartalmú cementet, mely fotokatalitikus hatása révén csökkenti a légszennyezés mértékét. Felhasználási területe: az épületek betonelemei és betonburkolatai. Pécsett 2012-ben lépcsősort és kilátói emelvényt építettek fotókatalitikus tulajdonságú – és ezáltal légtisztító – betonelemekből.
Környezetvédelmi célokat szolgálva ma már fotokatalitikus cementet alkalmaznak az Eternit Activa szálcement síkpalák gyártásához is.
Fotokatalitikus cementtel készült betonfelület. (Pécs, 2012)
Eternit Activa tetőfedő síkpala levegőtisztítási mechanizmusa
Eternit Activa síkpala fedésű épülethomlokzat és tetőfelület
Öntisztuló vakolt és festett falfelületek
A nanotechnológia legújabb eredményeit is felhasználva a Baumit kifejlesztette az öntisztuló Baumit NanoporTop vakolatot, mely egyesíti a szilikát vakolatok jó páraáteresztő képességét a fotokatalitikus öntisztulással. A NanoporTop TiO2 fehércementet tartalmazó vakolat, de az UV sugárzás és az eső tisztító hatása mellett sima felülete is nehezíti a szennyeződés megtapadását a felületen, ezért állandóan tiszta és szép a vakolt épülethomlokzat.
Széles a kínálat a fotokatalitikus hatású öntisztuló és baktériumölő homlokzatfestékekből. Ilyen termék a StoPhotosan Color homlokzatfesték, valamint a szilikongyanta alapú Caparol Amphi Silan, melyeknek know-how megoldása szerint, egy rendszeren belül érvényesül a titándioxid tartalmú pigmentek fotokatalitikus hatása, valamint a festékbevonat nano részecskéiből képzett fraktált felületének hidrofób tulajdonsága. A páraáteresztő festékréteg fotokatalitikus hatású pigmentjei biztosítják a szerves szennyeződések lebontását, a hidrofób tulajdonságú pórusszerkezete pedig a felületről való eltávolítását. A festék nano ezüstöt is tartalmaz, mely által kifejtett biocid hatás következtében a falfelület baktériumölő is.
Felületkezelt tetőfelületek és épülethomlokzatok
Az anyagok tulajdonságai széles körben módosíthatók nano anyagú felületkezelésekkel és bevonatokkal, mely után fokozottabb ellenálló képességgel, UV állósággal és öntisztuló képességgel rendelkeznek. A leggyakrabban használt bevonati anyagok, a TiO2 és a nagy fajlagos felületű nano SiO2.
Az épületek kerámiaburkolatainak karbantartására és öntisztítására fejlesztették ki az ActiveTM Clean Air & Antibacterial Ceramic bevonatot, mely titándioxidot, valamint ezüst (Ag) és alumíniumoxid (Al2O3) nano részecskéket tartalmaz. A bevonati rétegben lejátszódó fotokatalitikus reakció öntisztulóvá teszi a felületet, a keletkező szuperoxid hatására vízlepergető lesz felület, valamint a légszennyeződést is csökkenti. A nano ezüst részecskék pedig antibakteriális és gombaölő tulajdonságot biztosítanak.
A Bramac Római Protector Plus betoncserepeket a gyártásuk utolsó fázisában, folyadékimpregnálással egy nanoméretű bevonati réteggel látják el. A szárítás után a cserepek felületére felhordott védőréteg véd a savas és lúgos kémhatás ellen, hidrofobizálva vízlepergető, és színtartást ad a betoncserép felületének.
Az AgrobBuchtal Hydrotect homlokzatburkoló kerámia lapjai a gyártásuk utolsó fázisában TiO2 rétegbevonatot kapnak, és ez által fotokatalitikusan öntisztulóvá válnak.
Római Protector Plus cserepekkel fedett tetőszerkezet
Hydrotect kerámialapokkal burkolt épülethomlokzat
A lótuszeffektus elvén működő öntisztuló falfelületek
A lótuszvirág levelén megfigyelhető „lótuszeffektus" a mikrostrukturált, hidrofób (víztaszító) fraktált felületek „öntisztuló" képessége alapján működik. A levélfelületet mikroszkopikus cellakiemelkedések alkotják, amelyek olyan távolságra vannak egymástól, hogy a por- és piszokszemcsék megakadnak rajtuk, de nem érnek a levél felületéhez. Amikor eső éri a levelet, a víz a fraktált felületen cseppeket alkot, és könnyen lepereg, miközben magával ragadja a por- és piszokszemcséket.
A lótuszeffektus elvén működő Sto Lotusan öntisztuló festékbevonatok több komponenst tartalmaznak, és több rétegből épülnek fel. A felületre való felhordáskor a festékréteg alkotói egymásra rendeződnek. A falfelületre elsőként a tapadóhidat képező réteg kerül a 100 nm méretű szilikát gyöngyökkel együtt, majd ezt követően egy ultra vékony TiO2 -ot tartalmazó UV álló védőréteg tapad a felületre. Végezetül ezen a felületen utólagos kristályosodással a festék trimetoxi-fenil-szilán komponenséből alakul ki a nano részecskék által alkotott fraktált felület, ami biztosítja a hidrofób vízlepergető öntisztuló hatást.
A festékréteg vízlepergető hatású fraktált struktúrája
A következőkben szóba kerülő nanotechnológiás felületkezelések szintén az épületek homlokzatával kapcsolatosak, de elsősorban azok védelméről szólnak, úgymint graffiti elleni védelem, hővédelem és UV sugárzás elleni védelem.
Épülethomlokzatok védelme antigraffiti bevonatokkal
Nem kis feladat az építőipar számára az építmények falfelületén kéretlenül megjelenő graffitik eltávolítása, illetve e „művészi" alkotások létesítésének megakadályozása. Számos antigraffiti módszer létezik, melyek megakadályozzák a graffiti festékanyagának a tapadását a falfelületre. Ezeket csak egyszer kell felhordani, és ezentúl a festék a falfelületre nem kötődik, oldószerrel eltávolítható.
A szilícium alapú Sziloxán antigraffiti nanobevonat működése azon alapszik, hogy a falfelületre sziloxán réteget visznek fel, melynek felszínén a kolloidális oldatban bevitt nanoméretű szilika részecskék hidrofóbbá és oleofóbbá (olajtaszítóvá) teszik a bevonat felszínét. Sem a vizes, sem az olajos alapú festékekkel nem festhető a sziloxán bevonat.
A poliuretán antigraffiti védelem, egy oldószermentes térhálósított Emcephob NanoPerm poliuretán bevonati réteg, melynek térhálósodása nanoanyagok adagolásával történik, ily módon létrehozva a víz- és olajtaszító falfelületet. A tömör felületű polimer nem fogadja be a festéket, a kezelt falfelület víz- és szennyeződéstaszítóvá válik. A lefestett falfelület légáteresztő és könnyen tisztán tartható.
Graffiti alkotás eltávolítása a falfelületről
Épülethomlokzatok utólagos hőszigetelése
A hőszigetelő vékonybevonatok, mint például a ThermoShield, Protektor és TSM hőszigetelő festékek mikroméretű üreges kerámia gömböket tartalmaznak, rétegvastagságuk kb. 0,3÷0,6 mm, és hőszigetelő festékként alkalmazzák őket az építőiparban, elsősorban épülethomlokzatok hőszigetelésére. Alkalmazásukkal 25%-os fűtési-, és akár 50%-os hűtésienergia-megtakarítás is elérhető.
Az üreges gömböket magas hőmérsékletű üvegolvadékból állítják elő, és lehűlésüket követően a belsejükben vákuum alakul ki. Ezekben a vákuumterekben már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő vezetésével kapcsolatos törvényszerűségek. A festékréteg hővezetési tényezője: l(névleges) = 0,014 W/mK.
A vékonybevonat hővezető képességét befolyásoló tényezők:
1. A kerámiagömbök a hősugárzás 60-80 %-át a felületről visszatükrözik.
2. Hővezetés: a gömbök között kicsik az érintkezési felületek.
3. Hőáramlás: a vákuum térben minimális a konvekciós hőáramlás.
4. A belső kerámiafelület „hőtükörként" működve, a hősugárzást visszatükrözi.
A hőszigetelő festékréteg megfelelő UV állósággal és páraáteresztő képességgel rendelkezik.
Hőtranszport-folyamatok a hőszigetelő festékben
Homlokzati üvegfelületek UV sugárzás elleni védelme
A napfény nagyenergiájú ultraibolya (UV) sugarai hatására az üvegfelületek mögötti anyagok kifakulnak, a lakberendezések pedig károsodnak. A Bruxafol UV-védő fóliával bevont üveg, az ultraibolya sugárzás 99%-át kiszűri, így a lakásberendezések nem fakulnak ki.
A fóliára speciális katódporlasztásos eljárással, több rétegben, d < 400 nm őszvastagságú, Ti és Cu atomokból álló fémréteget ágyaznak be, mely bevonattal szabályozható a fényáteresztés – anélkül, hogy a látható fényt kizárnák. A nano vastagságú titánfém rétegben lejátszódó interferenciajelenségek, a fémtükrökre jellemző „csapdázódással" csökkentik az UV sugárzás intenzitását.
Az UV sugárzás reflexiója a védőfólia rétegén
A védőfóliára felhordott fém nanoréteg paraméterei (pl. vastagság) az UV-A és B sugárzás hullámhosszára vannak hangolva (szelektív szűrés), de a szűrőrendszer más hullámhosszra is hangolható.
Dr. Orbán József
főiskolai tanár, Pécsi Tudományegyetem
