کاربرد نانو فناوری درصنعت ساختمان (بخش دوم)
چکیده
فناوری نانو یک حوزه میان‌رشته‌ای است. این فناوری در تولید بتن‌هایی با کیفیت بالاتر می‌تواند نقش ایفا کند.همین طورهم ایجاد لایه‌های نانومتری خودتمیزشونده بر روی کاشی‌ها سبب زیبایی بیشتر فضای شهری و کاهش هزینه‌ها نظافت می‌گردد.
تعداد کلمات 1200 زمان مطالعه 6 دقیقه
فناوری نانو یک حوزه میان‌رشته‌ای است. این فناوری در تولید بتن‌هایی با کیفیت بالاتر می‌تواند نقش ایفا کند.همین طورهم ایجاد لایه‌های نانومتری خودتمیزشونده بر روی کاشی‌ها سبب زیبایی بیشتر فضای شهری و کاهش هزینه‌ها نظافت می‌گردد.
تعداد کلمات 1200 زمان مطالعه 6 دقیقه
رضیه برجیان
مقدمه
نانوتکنولوژی عنوانی است که برای اولین بار دکتر اریک درکسلر در سال 1986 در کتاب موتورهای آفرینش به کار برد.نانوتکنولوژی به مجموعه اقداماتی اطلاق می‌شود که طی آن بشر قادر است ساختار و خواص مواد را به‌دقت کنترل کند. [1]
یکی از جنبه‌های اصلی نانوفنّاوری ماهیت میان‌رشته‌ای آن است. نانو فناوری می‌تواند در عرصه‌های مختلفی به کمک صنعت بیاید. یکی از این عرصه‌ها صنعت ساختمان است. در این مقاله ما به دو بخش مهمی که فناوری نانو می‌تواند در صنعت ساختمان نقش ایفا کند ، می‌پردازیم.
یکی از جنبه‌های اصلی نانوفنّاوری ماهیت میان‌رشته‌ای آن است. نانو فناوری می‌تواند در عرصه‌های مختلفی به کمک صنعت بیاید. یکی از این عرصه‌ها صنعت ساختمان است. در این مقاله ما به دو بخش مهمی که فناوری نانو می‌تواند در صنعت ساختمان نقش ایفا کند ، می‌پردازیم.
کاربرد نانو فناوری در صنعت بتن
تعامل این علم با صنعت تولید بتن می‌تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت‌وساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد‌های بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است. بتن از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد. ثابت‌شده که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن شده است.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به‌کارگیری نانو پودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی می‌شود.
از جمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو می‌توان به اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی) یا کوپولیمرهای بلوکی که به صورت تجاری تولید می‌شوند، اشاره نمود. با استفاده از دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به‌طورمعمول در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌یابد.
با استفاده از نانوسیلیس در بتن، برخی مواد افزودنی قلیایی مضر برای محیط‌زیست منسوخ خواهد شد و بتن با کیفیت و مقاومت بهتری به وجود خواهد آمد. این روش برای اجرا در ساختمان نیز مورد تأیید است. هم‌اکنون نانو سیلیس در ساخت بتن‌های مقاوم‌به‌اسید برای بر‌ج‌های خنک‌کننده نیروگاه نیز به کار گرفته‌شده که باعث بهبود ساختار و خواص شیمیایی بتن شده است. برای استفاده از بتن‌های مقاوم‌به‌اسید این بتن‌ها می‌توانند با هزینه معمول و پوشش‌های نگهدارنده آلی تولید شوند.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد.
در بتن الیافی، مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته و انتقال نیرو و مقاومت اتصالات بین الیاف و ماتریس سیمان کاملاً افزایش می‌یابد. مقاومت ساختاری (مقاومت بار) و طول عمر این ترکیب با اثرات متفاوت پوشش به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. بدین ترتیب استفاده از آن در ساخت پل‌های دارای دهانه بزرگ، سالن‌ها، ساز‌ه‌های پوسته‌ای، ستو‌ن‌های متحمل بار زیاد و در زیرساخت‌های ساز‌ه‌ای امکان می‌یابد.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به‌کارگیری نانو پودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی می‌شود.
از جمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو می‌توان به اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی) یا کوپولیمرهای بلوکی که به صورت تجاری تولید می‌شوند، اشاره نمود. با استفاده از دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به‌طورمعمول در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌یابد.
با استفاده از نانوسیلیس در بتن، برخی مواد افزودنی قلیایی مضر برای محیط‌زیست منسوخ خواهد شد و بتن با کیفیت و مقاومت بهتری به وجود خواهد آمد. این روش برای اجرا در ساختمان نیز مورد تأیید است. هم‌اکنون نانو سیلیس در ساخت بتن‌های مقاوم‌به‌اسید برای بر‌ج‌های خنک‌کننده نیروگاه نیز به کار گرفته‌شده که باعث بهبود ساختار و خواص شیمیایی بتن شده است. برای استفاده از بتن‌های مقاوم‌به‌اسید این بتن‌ها می‌توانند با هزینه معمول و پوشش‌های نگهدارنده آلی تولید شوند.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد.
در بتن الیافی، مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته و انتقال نیرو و مقاومت اتصالات بین الیاف و ماتریس سیمان کاملاً افزایش می‌یابد. مقاومت ساختاری (مقاومت بار) و طول عمر این ترکیب با اثرات متفاوت پوشش به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. بدین ترتیب استفاده از آن در ساخت پل‌های دارای دهانه بزرگ، سالن‌ها، ساز‌ه‌های پوسته‌ای، ستو‌ن‌های متحمل بار زیاد و در زیرساخت‌های ساز‌ه‌ای امکان می‌یابد.
مشکلات توسعه استفاده از نانو ذرات در ساخت بتن
در حال حاضر هزینه‌های بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آن‌ها در صنعت می‌شود، برای همین بهره‌برداری از نانو تکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل‌عرضه در بازار محدودشده است.
مشکل دیگر درزمینهٔ استفاده از نانو مواد توزیع یکنواخت آن‌ها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به‌صورت کلوخه انباشته می‌شوند و در مخلوط به‌خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل می‌توان از دستگاه‌های مخلوط‌کن قوی استفاده کرد.
اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می‌کنند و این ممکن است بر کارایی بتن تأثیرگذار باشد.[2]
مشکل دیگر درزمینهٔ استفاده از نانو مواد توزیع یکنواخت آن‌ها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به‌صورت کلوخه انباشته می‌شوند و در مخلوط به‌خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل می‌توان از دستگاه‌های مخلوط‌کن قوی استفاده کرد.
اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می‌کنند و این ممکن است بر کارایی بتن تأثیرگذار باشد.[2]
نمای بیرونی و بام ساختمان
فناوری نانو رو‌ش‌های زیادی برای بهبود خواص سطوح نمای ساختمان چه از نظر عملکرد و چه زیبایی عرضه می‌کند. با استفاده از نانو مواد، خواص سطوح در برابر آب و ذرات گردوخاک (ذرات کثیف) با تنوع نسبتاً زیاد و به‌صورت دلخواه قابل تنظیم است، که از آن جمله می‌توان به سطوح آبدوست (Hydrophilic)، سطوح آب‌گریز (Hydrophobic) یا سطوح مقاوم در برابر روغن (Oleophobic) اشاره کرد.
یکی از عوامل تعیین‌کننده در میزان تر شوندگی یک سطح، زاویه تماسی مایع با آن است. زاویه تماس برای یک مایع (قطره) در فصل مشترک فاز جامد و مایع، در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می‌شود. هر چه زاویه تماس به صفر نزدیک‌تر باشد تر شوندگی بیشتر می‌شود و با افزایش زاویه تماس میزان تر شوندگی سطح کاهش می‌یابد.
زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس نانومتری باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی سطح قرارگرفته است، افزایش‌یافته و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیداً کم می‌شود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می‌گیرد و امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین می‌برد. به‌طورکلی برای دستیابی به خاصیت آب‌گریزی در یک سطح، می‌توان از رنگ‌ها و پوشش‌های آب‌گریز استفاده کرد. در استفاده از رنگ‌ها و پوشش‌ها، شرایط یکسانی برای دستیابی به آب‌گریزی سطح وجود دارد.
برخلاف سطوح آب‌گریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب برای اثر خودتمیزشوندگی استفاده می‌کنند، در سطوح آبدوست، ساختار شیمیایی آلودگی‌های ارگانیک و سایر ناخالصی‌ها که روی پوشش قرار دارد به‌وسیله جذب نور شکسته شده و به همراه آب از روی سطح جدا می‌شوند. یکی از مواردی که کاربرد زیادی به‌عنوان سطوح خودتمیزشونده آبدوست دارد، دی‌اکسید تیتانیوم است. با کاهش ابعاد ذرات و افزایش نسبت سطح به حجم، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی ذرات افزایش پیدا می‌کند. به همین دلیل، معمولاً از نانو ذرات اکسید تیتانیوم به‌عنوان سطوح ابر آبدوست استفاده می‌شود.
قبل از تابش نور UV، زاویه تماس قطرات آب با سطح بیش از ۹۰ درجه است. با تابش نور، تجزیه و زدایش آلودگی از روی سطح به دلیل خاصیت فوتوکاتالیستی اتفاق می‌افتد. این زاویه به‌تدریج کم می‌شود (صفر درجه) و آب به همراه آلودگی‌های روی سطح به پایین ریخته می‌شود.
در مقایسه‌ای بین دو کاشی معمولی و فوق آبدوست کاشی باروکش آبدوست بیش از ۳۰۰۰ ساعت بدون هیچ تغییری سالم باقی ماند و توانایی خود تمیز شوندگی خود را حفظ کرد، به‌عبارت‌دیگر خاصیت خود تمیز شوندگی این کاشی در شرایط محیطی معمول بیش از ۱۰ سال دوام دارد. [3]همچنین تعدادی از ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون که به‌منظور آب‌بندی پنلهای آلومینیوم و پنجره ها استفاده می‌شود، با آب باران شسته شده و موجب کثیف شدن دیوارها می‌شوند اما ایجاد پوشش‌های فوق آبدوست مانع از کثیف شدن دیوارها به‌وسیله ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون می‌شوند.
علاوه بر جلوه زیبای سطحی، محیط‌زیست از نظر گازهای سمی تصفیه‌شده و همچنین نمای بیرون ساختمان همواره تمیز باقی می‌ماند.
پی نوشت
[1] چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه‌ای بر نانوتکنولوژی، ص6.
[2] nanoproduct.ir
[3] مجموعه گزارش های صنعتی فناوری نانو.
منابع
چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه‌ای بر نانوتکنولوژی، ایمان فرح‌بخش، امین نعیمی، عبدالحسین موحدی، امیر جواد احرار، محسن مظفری، نیره صحتی، موسسه انتشارات یزد،1385.
nanoproduct.ir
مجموعه گزارش های صنعتی فناوری نانو.
