بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تاثیر نانو ذرات اکسید آهن، اکسید آلومینیوم، اکسید سیلیس و اکسید تیتانیوم بر خواص مکانیکی بتن
چکیده
رشد بی رویه ی جمعیت، بالا رفتن تقاضا در زمینه ی ساخت و ساز انسان ها را بر آن داشته تا به دنبال استفاده از فناوری های جدیدی در جهت ساخت و ساز باشند. در این میان فناوری نانو به دلیل قابلیت های منحصر به فرد خود توانسته جایگاه مهمی را در این عرصه اشغال کند .امروزه در صنعت ساخت و ساز، این فناوری از پتانسیل کاربردی مناسبی برخوردار است و ویژگی هایی چون افزایش مقاومت کششی، قابلیت خود تمیز شوندگی، مقاومت در برابر آتش و...را به همراه دارد. ابدلی یزدی و همکاران در سال 2011، در ارتباط با بررسی تاثیر افزودنی نانو ذرات اکسید آهن بر خواص مرفولوژی و ساختاری ملات سیمان، اکسید آهن با نسبت 1، 3 و 5 درصد نسبت به سیمان به بتن افزوده شده و پس از بررسی نتایج نشان داده است خواص مکانیکی بتن حاوی 1 و 5 درصد بهبود یافته است.طبق مطالعه سلیمانی در سال 2011 ، در ارتباط با بررسی تاثیر نانو ذرات SiO2 بر استحکام خمشی بتن، اکسید سیلیس با نسبت0,5، 1، 1,5 و 2 درصد نسبت به سیمان به بتن افزوده شده و پس از بررسی نتایج نشان داده است خواص مکانیکی بتن حاوی بهبود یافته است . جلالی و همکاران در سال 2012، در ارتباط با بررسی تاثیر خواص حرارتی نانو ذرات TiO2 بر کامپوزیت سیمان، نتایج نشان داده است خواص خود تراکمی سیمان بهبود یافته است.عارفی و همکاران در سال 2011، به منظور مطالعه اثر افزودن نانوذرات Al2O3 بر روی خواص مکانیکی و ریزساختار سیمان ، اکسید آلمینیوم با نسبت 1، 3 و 5 درصد نسبت به سیمان به بتن افزوده شده و پس از بررسی نتایج نشان داده است خواص مکانیکی بتن حاوی 1 و 3 درصد بهبود یافته است.
کلمات کلیدی: نانوذرات، بتن، Fe2O3، Al2O3، TiO2
.1 مقدمه
رشد بی رویه ی جمعیت، بالا رفتن تقاضا در زمینه ی ساخت و ساز انسان ها را بر آن داشته تا به دنبال استفاده از فناوری های جدیدی در جهت ساخت و ساز باشند. در این میان فناوری نانو به دلیل قابلیت های منحصر به فرد خود توانسته جایگاه مهمی را در این عرصه اشغال کند. این تکنولوژی به دلیل توانایی در متحول ساختن ویژگی های بنیادین مواد مورد توجه قرار گرفته است. امروزه در صنعت ساخت و ساز، این فناوری از پتانسیل کاربردی مناسبی برخوردار است و ویژگی هایی چون افزایش مقاومت کششی، قابلیت خود تمیز شوندگی، مقاومت در برابر آتش و...را به همراه دارد.[1] فناوری نانو، واژهای است کلی که به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. این
باور که نانوتکنولوژی عصر دیگری از علوم است و تلفیقی از مهندسی و زیست شناسی، شیمی، پزشکی و فیزیک میباشد را عموم دانشمندان پذیرفتهاند.[9] منظور از مقیاس نانو، ابعادی در حدود 1 تا 100 نانومتر میباشد.
1
بررسیها نشان داده است که هر چه اندازه نانوذرات کوچکتر باشد، خصوصیات و فعالیتهای جدید و متفاوت تری از خود نشان میدهند.[8] اندازه ذره میتواند ویژگی های فیزیکی B شیمیایی نانو ماده را تغییر دهد و احتمال تغییر در خواص محصولات را افزایش دهد.در این مقاله به بررسی اثر نانو ذرات Fe2O3، Al2O3، TiO2 و SiO2بر خواص مکانیکی بتن پرداخته خواهد شد.
.2 روش های سنتز نانو ذرات
با توجه به گستردگی کاربردهای نانوذرات روشهای گوناگونی برای تولید آنها به کار گرفته می شود که نوع روش بستگی به نوع ماده مورد نظر و نیز کاربرد آ نها دارد. اصولا برای تهیه نانوذرات دو راه کلی وجود دار د:
-1روش بالا به پائین یا روش فیزیکی: در این روش برای تهیه محصول از یک ماده کپه ای استفاده می شود. این کار بیشتر ونه همیشه شامل حذف قسمتی از مواد به شکل ضایعات است.
-2روش پائین به بالا: در این روش اتم ها و ملکولها بطور خیلی دقیق کنار همدیگر قرار می گیرند تا به اندازه نانو به رسیم. در این روش معمولا ضا یعاتی وجود ندارد. بطورکلی روشهای پائین به بالا برحسب فاز مواد اولیه به سه روش چگالش از فاز بخار، چگالش از فاز مایع و سنتز از فاز جامد تقسیم می شوند.
نانوذرات به علت ویژگیها ی منحصر بفرد خود بیشتر از روشهای پائین به بالا تهیه می گردند. در این روش علاوه بر ضایعات کمتر، باعث استحکام ماده تولیدی به علت پیوند های قوی بین ذرات می شود.
یکی از روش هایی که بیشتر برای اکسید فلزات بکار می رود روش همرسوبی می باشد که در ادامه به این روش پرداخته ایم.
1-2 روش همرسوبی
این روش شامل رسوب یک یا چند جزء از ماده از یک محلول و تبدیل و احیاء شیمیایی فاز مایع است. در این روش دو نوع ذره امکان تشکیل دارند .یکی ذرات درشت که دارای ابعاد میلیمتری بوده و به راحتی رسوب می نمایند. و دیگری ذرات کلوئیدی به اندازه میکرون و نانو بوده و به سختی رسوب می نمایند. این روش یکی ازمهمترین و اقتصادی ترین روش ها در تهیه پودرهای سرامیکی بس ریز است. رسوبی که از یک واکنش بدست می آید باید به راحتی صاف و شسته شود و بتوان ناخالصی های آن را جدا نموده و نیز انحلال پذیری آن بسیارکم و با اتمسفر واکنش ندهد و پس از عملیات گرمایش و خشک شدن ترکیب مشخصی داشته باشد. معمولا محصولی که از یک واکنش رسوبی بدست می آید، تمام ویژگی ها را نداشته و بهینه حالت با تغییر دادن متغیر ها و شرایط آزمایش بدست می آید. رسوب ذرات شامل دو مرحله است:
الف-هسته زایی که یونها دور هم جمع شده و یک ذره پایدار (هسته) تشکیل میدهند.
ب- نمو ذره که کاتیونها و آنیونها با هسته پیوند شیمیایی انجام داده و ذرات جامد را تشکیل می دهند.
اگر هسته زایی بر نموذره چیره نماید رسوب دارای ذرات کلوئیدی واگر نموذره بر هسته زایی چیره کند رسوب دارای ذرات درشت خواهد بود. از برتری های این روش باتوجه به اینکه مخلوط سازی محلولها همگن تر ازمخلوط سازی پودرها انجام می شود رسوب حاصل بسیار همگن تر و نیز به علت عدم نیاز به آسیاب کاری آلودگی کمتر بوده ودر مصرف انرژی
2
صرفه جویی می شود. ضمنا در این روش می توان با تغییر پارامترهای واکنش اندازه ذرات را کنترل نمود. عوامل موثر بر اندازه ذرات طبق قانون ون ویمارن1 به دما غلظت مواد واکنش دهنده انحلال پذیری رسوب و آهنگ مخلوط سازی مواد واکنش دهنده بستگی دارد. طبق این قانون داریم :
که دراین رابطه 4 غلظت مواد واکنش دهنده و6 انحلال پذیری رسوب بوده ومطابق این رابطه با افزایش غلظت وکاهش دما که باعث کاهش انحلال پذیری می شود می توان رابطه مذکور را افزایش داده و در نتیجه اندازه ذرات را کاهش داد. ضمنا با افزایش آهنگ مخلوط سازی نمو هسته برنموذره چیره و اندازه ذرات کوچکتر می شود. برای تهیه مقدار انبوه نانوذرات همرسوبی و واکنش های حالت جامد اقتصادی ترند.
2-2 روش تهیه پودر نانومتری Fe2O3
برای تولید Fe2O3 نانوساختار ابتدا مواد مورد نظر به نسبت 3 :1 با توجه به رابطه استوکیومتری زیر ، به ترتیب از مواد ، FeCl3 , 6H 2 O و NaOH از شرکت مرک مورد استفاده قرار گرفت، مواد اولیه را به صورت محلول در آورده و به روش شیمیایی همرسوبی ماده مورد نظر ساخته شده است
پس از تشکیل رسوب لازم است تا یون ها و نمک های اضافی موجود در رسوب خارج شوند که به این منظور باید رسوب چندین مرتبه شست وشو شود. برای شست و شو ابتدا تا جایی که حجم ظرف اجازه می دهد بر حجم محلول، آب مقطر اضافه می گردد تا محلول رقیق شود. سپس آب روی مواد را دکانته کرده و این عمل را چندین مرتبه انجام می دهیم. مشابه اکسید آهن بقیه اکسید ها به روش شیمیایی تهیه می شود.[ 8, 5-3]
