>> Công nghệ nano trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng (P1)


Phân tích về tổ chức nghiên cứu

Trường Đại học tổng hợp quốc gia Đagestan (Nga) là tổ chức đứng đầu với 15 sáng chế đăng ký, chủ yếu tập trung về sự phát triển bền nhiệt và cường độ nén cao của vật liệu bê tông. Công ty dịch vụ năng lượng Halliburton (Mỹ) chiếm vị trí thứ hai với 14 sáng chế đăng ký tập trung về xi măng giếng khoan cho dầu, khí hoặc giếng nước sử dụng vật liệu kết dính nano. Các tổ chức nghiên cứu dẫn đầu  khác hoặc là các trường đại học hoặc các công ty từ Trung Quốc. Trong số tất cả các tổ chức nghiên nghiên cứu thì các công ty chiếm 60% (tức 221 sáng chế) trong tổng số sáng chế về công nghệ vật liệu nano trong công nghiệp xi măng trên khắp thế giới, cho thấy tỷ lệ thương mại hóa cao và nghiên cứu phát triển R & D ở phạm vi lớn, trong khi các trường đại học và viện, học viện  chỉ có 24% (tức 89 sáng chế); và phần còn lại là của các nhà sáng chế cá nhân.

Phân tích công nghệ

Việc đưa vật liệu cỡ nano vào chất kết dính đã khởi đầu giải pháp hứa hẹn để tăng cường các đặc điểm và tính năng của các vật liệu kết dính. Danh sách của một số vật liệu nano được bổ sung vào chất kết dính như vật liệu độn-filler kèm theo các hiệu quả của chúng đến các đặc điểm của chất kết dính được nêu trong Bảng 1.

Vật liệu nano	Hiệu quả đến thuộc tính	Tổng số sáng chế
Silica nano	Giảm phát thải CO2, giảm độ xốp và độ thấm, tăng độ bền lâu, bền nứt, cường  độ  cao	125
Ống  nano cacbon	Cải thiện cường độ nén, cường độ uốn, ứng suất uốn, độ bền lâu, tính điện môi,  bền  nổ, khả năng nhạy cảm (sensing ability)	70
Compozit  polymer/sét nano	Tăng cường độ uốn, giảm  độ thấm oxy, tăng bền nhiệt	62
CaCO3  nano	Tăng độ cứng, cường độ nén, giảm thời gian thủy hóa của C3S	42
Alumina nano	Tự làm sạch hiệu quả, phân hủy Nox, bền xâm thực, bền ngọn lửa, bền mài mòn	38
Titania nano	Tăng modul đàn hồi, cường độ nén, bền sốc nhiệt, khả năng chịu thay đổi nhiệt  độ  nhanh	32
ZnO nano	Tăng cường độ nén, bền lão hóa	16
Cellulose nano	Tăng cường độ liên kết, modul đàn hồi, giảm hút ẩm	5

​​Các sáng chế được phân loại theo các đặc điểm tính năng mà các vật liệu nano đem lại và được thể hiện trong biểu đồ nêu trong Hình 3. Tỷ lệ phần trăm của số lượng các sáng chế được thể hiện thông qua kích thước của các quả bóng, tức là kích thước lớn hơn thể hiện số lượng sáng chế lớn hơn. Phân tích cho thấy rằng vật liệu nano chủ yếu được đưa vào chất kết dính  nhằm tăng một số tính chất cơ học.

 Việc bổ sung ống nano cacbon (CNTs) trong chất kết dính tạo sự cải thiện  một số đặc tính cơ học và tính chất nhạy cảm-sensing của chất kết dính. Tuy nhiên, sự phân bố kém của các ống nano cacbon-CNTs là trở ngại quan trọng  để đạt các tính chất cơ học tốt trong chất kết dính compozit. Các phương pháp phân tán hiệu quả các ống nano cacbon-CNTs như  siêu âm hoặc sử dụng các chất hoạt động bề mặt cũng đã được thực hiện để chế tạo xi măng cường độ cao.

Silica nano được sử dụng rộng rãi để thay thế silica micro trong công nghiệp xi măng. Do hoạt tính cao và bản chất  siêu mịn, silica nano thường được sử dụng trong hỗn hợp bê tông  với số lượng lớn, do vậy có thể làm giảm tỷ lệ sử dụng xi măng đến 40% kết quả là giảm phát thải CO2 và giảm ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng silica nano trong hồ xi măng đem lại các đặc tính cơ học tăng cường, độ xốp và độ thấm thấp - các yếu tố quan trọng để tăng độ bền.

Titania nano được biết như chất ổn định hóa học và độ độc hại thấp. Ngoài ra, titania nano hoạt động như tác nhân oxy hóa tại bức xạ cận UV. Bê tông có chứa titania nano thể hiện các thuộc tính tự làm sạch và nó được sử dụng  như thành phần chủ yếu trong vữa xi măng polymer có khả năng phân hủy quang xúc tác NOx  và các chất ô nhiễm khác.

Alumina nano được sử dụng rộng rãi trong vữa xi măng để tăng modul đàn hồi của chất kết dính. Sản phẩm bê tông chịu lửa chứa nanomulit có cường độ cao, bền rửa trôi, bền xâm thực, bền sốc nhiệt cao và có thể chịu thay đổi nhiệt độ nhanh.

Việc bổ sung  CaCO3 nano cho vật liệu compozit gốc xi măng làm tăng độ cứng và mài mòn của bê tông. Cường độ nén của cấp phối chứa CaCO3 nano được tăng tối thiểu 25% và thể hiện cải thiện 40% tổn thất độ chảy so với phối liệu  không chứa CaCO3 nano. CaCO3 nano cũng được sử dụng như chất biến tính nano để giảm thời gian thủy hóa của C3S và làm tăng độ bền nhiệt độ cao của bê tông.

Compozit sét nano/polyme thể hiện  khả năng làm tăng các đặc tính cơ học và đặc tính chống thấm của xi măng nano.

Silica nano, ống nano cacbon, CaCO3 nano, titania nano, alumina nano  và compozit sét nano/polymer là các loại vật liệu nano thường được sử dụng. Các vật liệu nano này được sử dụng chủ yếu để gia tăng một số thuộc tính cơ học  của vật liệu kết dính  như bền nứt, bền xâm thực, cường độ uốn  và cường độ nén.

Kết luận

Sáng chế đầu tiên về xi măng nano được công bố năm 1996 và từ đó, các hoạt động sáng chế được liên tục phát triển với tốc độ số mũ kể từ năm 2007. Trung Quốc hiện có đóng góp lớn nhất  trong lĩnh vực này với 41% tổng số sáng chế liên quan toàn cầu tính đến giữa năm 2012. Điều thú vị nhận thấy là 60% các sáng chế được thực hiện với sự hợp tác thể hiện xu hướng rõ ràng của mức độ thương mại hóa cao. Sự xuất hiện của công nghệ nano trong công nghiệp xi măng chỉ ra tác động đáng kể của các thuộc tính cơ học của các chất kết dính với các sản phẩm thương mại đăng ký sáng chế như Cor-Tuf®, Huber Crete®, Alpol, Nycon-G Nano,… hiện có trên thị trường. Các sản phẩm này thể hiện sự cải thiện đáng kể  ở cường độ uốn, bền xâm thực, bền nứt, bền nhiệt, cường độ cao và các thuộc tính cơ học khác của vật liệu kết dính. Ngoài ra, công nghệ nano còn có thể giúp giải quyết các thách thức môi trường chủ yếu phải đối mặt khi sử dụng các vật liệu kết dính truyền thống, làm chúng trở nên thân thiện hơn với môi trường với việc giảm phát thải khí CO2 và kéo dài độ bền lâu. Mặc dù ứng dụng của công nghệ nano trong công nghiệp xi măng là lĩnh vực mới, nhưng dữ liệu các sáng chế cho thấy xu hướng thích nghi thương mại của công nghệ đã hoàn toàn bắt đầu và trong tương lai gần, xi măng nano sẽ mở cho công nghiệp xi măng một con đường lớn để phát triển.