بخشی از مقاله
تاثیر ذرات نانو در مواد مصالح ساختمانی
چکیده
بهره گیری از خواص ماده در مقیاس نانو، نویدبخش فواید و منافعی می باشد که موجب تحولات اساسی در زندگی انسان می شود. صرفه جوئی در مصرف انرژی، صرفه جویی اقتصادی، صرفه جویی در زمان، تامین محصول بیشتر با هزینه کمتر، افزایش کیفیت محصول و در نتیجه افزایش کیفیت و استانداردهای زندگی، ایجاد زندگی سالم، کاهش وابستگی های اقتصادی به سایر تکنولوژی های پیشرفته و افزایش درآمدهای ملی از جمله فوایدی است که می توان در این خصوصنام برد. همچنین فناوری نانو در صنعت ساختمان نیز نقش بسزایی دارد، این فناوری در صنعت ساختمان توانسته به جلوگیری از هدر رفتن انرژی و مقاوم سازی ساختمان ها کمک کند. در اینراستا بیشترین سهم را صنایع فولاد، شیشه و بتن ایفا می کنند..این نقش بطور مثال در چگونگی پرداختن به این موارد که چطور می توان به کمک فناوری نانو، مواد و مصالحی با استحکام بیشتر،سبکتر و ارزانتر را نسبت به مواد فعلی در اختیار داشت؛ چگونگی مقاوم کردن بیشتر مواد و مصالح در برابر تغییرات جوی وباران های اسیدی و خوردگی های ناشی از واکنش های شیمیایی در حین اجرا و ساخت؛ عایق تر کردن مواد و مصالح در برابر گرما وسرما و صوت در جهت کاهش مصرف انرژی و اینکه فناوری نانو در این زمینه ها به چه دستاوردهایی رسیده و یا خواهد رسید،مورد بررسی قرار می گیرد.
واژههای کلیدی: : فناوری نانو ، نانوتکنولوژی ، عایق ، نانو مواد
-1مقدمه
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی در فنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان شده است. ولی اخیراً با توجه به تقویت کننده ها و استحکام نانویی در مصالح ساخت و ساز، موج جدیدی با شتاب فزاینده صنعت ساخت و ساز را در برگرفته است . در آینده نه چندان دور، در خانه های جدید آجر ها ممکن است هنگامی که ترکی در آنها ظاهر می شود خودشان را تعمیر کنند .دانشمندان بر این عقیده اند که اگر بتوانند آجر را اتم به اتم بسازند ، مولکولهایش را نیز می توانند طوری تعمیم دهند تا هنگامیکه ظاهرشدن ترک ،آن را تعمیر کنند یا اینکه با کم یا زیاد کردن تخلخل ، خود را با شرایط رطوب هوا وقف دهند . بهبود خواص فیزیکی ومکانیکی مصالح ساختمانی با استفاده از فناوری نانو پیشرفت های عظیمی را در صنعت ساختمان ایجاد نموده است و به طراحان و مهندسان امکان ایجاد ساختمانهایی پایدار و
همساز با طبیعت را داده است .
با توجه به گستردگی صنعت ساختمان و پیشرفت علم نانو و نانوتکتولوژی جای کار بسیاری در این زمینه وجود دارد به گونه ای که مهندسان نانو در هر قسمتی از ساختمان دستی در کار دارند . اهمیت استفاده از فناوری نانو زمانی آشکار تر می شود که میزان سرمایه گزاری کشور های توسعه یافته در این زمینه در نمودار فوق بررسی شود .از زمینه کار در فلزات وبتن وآجر گرفته شده که اهمیت ویژه ای در صنعت ساختمان دارد تا کاشی وسرامیک وسیستمهای برقی وشیشه ودیگر قسمتهای جزئی تا سیستمهای مدرن همچون خودسازی های اجزای مختلف وسیستم های حفظ انرژی و زیبا سازی و دیگر قسمت هایی که در یک ساختمان با آن روبرو هستیم .
در این تحقیق می خواهیم صورت کلی از نانو تکنولورژی در صنعت ساختمان را به تصویر بکشیم.
-2× تاریخچه فناوری نانو
در حدود 400 سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست.
نانو ریشه یونانی "نانس" به معنی کوتوله میباشد .فناوری نانو موج چهارم انقﻻب صنعتی، پدیدهای عظیم میباشد که در تمامی گرایشات علمی راه یافته است تا جایی که در یک دههٴ آینده برتری فرایندهها، وابسته به این تحول خواهد بود .ماهیت فناوری نانو توانایی کارکردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از آن در ابعتد بین 1 تا 100 نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها با استفاده از مواد، وسایل و سیستمهایی با تواناییهای جدید و با تغییر این ساختارها و رسیدن به بازدهی بیشتر مواد میباشد.فناوری نانو فرایند دستکاری مواد در مقیاس اتمی و
تولید مواد و ابزار، به وسیله کنترل آنها در سطح اتم ها و مولکولهاست. در واقع اگر همه مواد و سیستمها ساختار زیربنایی خود را در مقیاس نانو ترتیب دهند؛ آنگاه تمام واکنشها سریعتر و بهینهتر صورت میگیرد و توسعه پایدار پیش گرفته میشود. از جمله دستاوردهای فراوان این فناوری کاربرد آن در تولید، انتقال، مصرف و ذخیره سازی انرژی با کارایی بالاست که تحول شگرف را در این زمینه ایجاد میکند.از اینرو دستاندرکاران و محققان علوم نانو در تلاش اند تا با استفاده از این فناوری به آسایش و رفاه بیشتر در درون و برون ساختمان با یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا و صرفهجویی در هزینه ها بخصوص در مصرف منابع انرژی و در نهایت به توسعه پایدار دست یابند. فناوری نانو منجر به تغیرات شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد.
-3معرفی نانوتکنولوژی
نانوتکنولوژی توانایی ساخت، کنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتر است. اندازه ذرات در نانوتکنولوژی بسیار مهم است، چرا که در مقیاس نانویی، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است و خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم ها و مولکول ها با خواص توده ماده متفاوت است. این اندازه در مواد مختلف متفاوت است، اما به طور معمول مواد نانو به موادی که حداقل یکی از ابعاد آن ها کوچک تر از 100 نانو متر باشد گفته می شود. نسبت سطح به حجم باالی نانو مواد یکی از مهم ترین خصوصیات بر رفتار توده ای ماده غالب می شود. در ابعاد نانویی قوانین فیزیک کوانتوم، امکان تغییر خواص ماده مانند دمای ذوب، خواص مغناطیسی و رنگ را ایجاد می کند. روش های ساخت مواد نانویی را می توان به - نانومتر برابر یک میلیاردم یا 9-10 متر است.
دو روش کلی طبقه بندی کرد:
-روش باال به پایین: این روش عبارت است از کوچک کردن اندازه ساختارها از میکرومتر به نانومتر. در واقع این امکان وجود دارد که مواد را آن قدر تجزیه کنیم تا به حد نانومتری برسند. امروزه این عمل توسط شکست فیزیکی و شیمیایی انجام پذیر است.
- روش پایین به باال: این روش مبتنی بر در کنار هم قرار دادن توده های اتمی و مولکولی به صورت کنترل شده به منظور ساخت سیستم های بزرگ تر است. روش تولید پایین به باال را فقط برای ساخت مواد در مقیاس نانومتری می توان استفاده کرد؛ اما روش های تولید باال به پایین هم برای تولید مواد « نانو» و هم برای مواد «میکرو» کاربرد دارند.
-4 تاثیرات فناوری نانو در زندگی انسان
بهره گیری از خواص ماده درمقیاس نانو، نویدبخش فواید و منافعی می باشد که موجب تحولات اساسی در زندگی انسان می شود. صرفه جوئی در مصرف انرژی، صرفه جویی اقتصادی، صرفه جویی در زمان، تامین محصول بیشتر باهزینه کمتر، افزایش کیفیت
محصول ودرنتیجه افزایش کیفیت واستانداردهای زندگی، ایجاد زندگی سالم، کاهش وابستگی های اقتصادی به سایر تکنولوژی های پیشرفته وافزایش درآمدهای ملی از جمله فوایدی است که می توان نام برد.
بودجه صرف شده در فناوری نانو درسال 2008 مبلغ 6/8 میلیارد دلارواین بودجه برای سال 2015 به میزان یک تریلیون دلاروبرای سال 2020 چهاربرابراین رقم پیش بینی شده است.
فناوری نانو در صنایع ساختمان هم نقش بسزایی دارد، در این راستا بیشترین سهم را صنایع فولاد، شیشه وبتن ایفا میکنند. کاربرد نانو ذرات در صنعت ساختمان که مهمترین آن هانانولولههای کربنی ودی اکسید تیتانیوم هستند،عموماًدر سازههای اصلی باعث افزایش خواص مکانیکی نمونهها شده و در بخش نازک کاری نیز کاربرد نانو پوششها در نمای داخلی وخارجی ساختمانها نیز از اهمیت ویژهای برخورداراست. نانو پوششهای ساختمان ضمن اینکه باعث دفع آب شده وجذب کثیفی را به حداقل می رسانند، نمای ساختمان را در مقابل اشعه یو وی مقاوم می سازند. این نانو پوششهادر سطوحی از جمله؛ سیمان، آجر، سفال، سنگ معمولی، کاشی، مرمر، چوب، سرامیک، شیشه، فولاد وبتن به کار میروند.
ساخت بتن تقویت شده، خود تعمیر کننده و خود تمیز شونده، شیشههای خود تمیز شونده، مقاوم در برابر آتش وکنترل کننده انرژی ودر نتیجه صرفه جویی درمصرف انرژی، استفاده از رنگهای حاصل ازعلم نانوکه باعث عدم نفوذ باکتریها به ساختمانهای اداری، مسکونی، بیمارستان هاوغیره شده وبه آنهاعمری طولانی، محیطی عاری از باکتری و ماهیتی غیر قابل کثیف شدن وفرسودگی میبخشند نیز از دیگر کاربردهای مهم فناوری نانو در صنعت ساختمان است. بدین ترتیب به راحتی میتوان تشخیص داد که ما با دنیای تازهای به نام فناوری نانو روبروهستیم. برای مثال، گل رس وسرامیک را میتوان به ابعاد نانو درآورده وبه صورت پودر با نانو پلیمرها مخلوط کرده ودر محیطی خنثی مصالحی سخت ومقاوم را که نمونه آن تا به حال دیده نشده بوجود آورد.
-5رابطه نانو تکنولوژی و معماری
گستره حوزه نانو تکنولوژی، معماری و ساختمان سازی را نیز در بر می گیرد. اساسا نانو تکنولوژی خود نوعی ساختن و بنا کردن است و از این حیث شباهت زیادی به معماری در مقیاس انسانی دارد.
شاید مهمترین فرق تنها در مقیاس نانو ساختارها با ساختارهای معماری باشد.فن آوری نانو، فن آوری طبیعت است و در پی حقارت مقیاس انسان در فضا یا دگرگونی انسان در طبیعت نیست. این موضوع اثر مستقیم روی فرهنگ کاربران خواهد داشت.
-6 فناوری نانو وپوششهای ساختمانی
نانو پوششهای ساختمان درسطوح داخلی وخارجی ساختمان ها ازجمله: سطوح شیشهای، پلاستیکی، چوبی، فولادی، سنگی، آجری، کاشی، سرامیکی، سیمانی و بتنی و... استفاده میشوند. دراین سطوح (سطوح هوشمند) کهعموماً فوق آبدوست و یا فوق آبگریزهستند واکنشها برروی سطح صورت میگیرد. لازم به ذکر است که نانوپوششها ساختمان آنتی باکتریال بوده وبرای سلامتی انسان بی ضررهستند.
1-6 پوشش های بتنی
پوشش های بتن بطور معمول به عنوان یک لایه محافظ در برابر خراشیدگی ، حمله مواد شیمیایی ، تغییرات آب و هوا و دما و همچنین به منظور ایجاد جذابیتهای بصری بیشتر به کار می روند .اغلب پوشش های ضخیمی با ابعاد نانومتر تولید نمود که دوام و
پایداری بیشتری دارند و در نتیجه اصطکاک ، دما کمتری تولید می کنند. این پوششها می توانند خود پاک کننده و خود تعمیر شونده باشند . در اغلب موارد عملکرد این پوششها با استفاده از تکنیکهای تجربی ارزیابی می شود .پارامتر های عمده این ارزیابیها شامل پایداری و دوام پوششها در شرایطی که به صورت نمایان قرار می گیرند ، مقاومت در برابر سایش ،مقاومت در برابر اصطکاک ،مقاومت حرارتی بالا و خواص الکتریکی آنها می باشد. عملکرد لایه پوشش و سطح در تماس و ماده زیرین آن نقش بسیار مهمی در پایداری و دوام کل محموعه ایفا می کنند.
2-6 نانو پوشش های سنگ وچوب
این نانو پوشش ها ی آنتی باکتریال، مقاوم در برابر آب، هوا، مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی هستند و یکی از پوشش های اصلی صنعت ساختمان به شمار می روند. نانو پوشش های سنگ وچوب ترکیباتی هستند که ضمن حفظ ظاهر اصلی سطح باعث عدم ایجاد چسبندگی در سطح شده و آب، چربی وسایرو آلودگی ها را از سطح دفع می کنند. ضمناً نانو پوشش های سنگ وچوب برای طوحس سنگی نفوذ پذیرکه خاصیت مکندگی دارند نیز موارد استفاده بسیاری دارند. ترکیبات این نانو پوشش ها معمولاً شامل الماس، نقره، شیشه و سرامیک می باشند و باتوجه به موارد مصرف ممکن است متفاوت باشند، اما در اکثرآن ها فاز حامل آب والکل است وذرات آنها تا 300 درجه سانتیگراد مقاوم هستند.
مزیت ها: پوشش سطوح منفذ دار، حفظ تنفس سطوح، حفظ سطوح در برابرعوامل محیطی، امکان تمیز شدن لک ها ازجمله؛ چربی ها وروغن ها با آّب، جلوگیری از ایجاد کپک، جلبک و مشابه آنها و محافظت سطوح ازتاثیرنم وکثیفی ها..
موارد مصرف: -7سطوح چوبی
نانوپوشش های سنگ وچوب، علاوه بر استفاده در سطوح چوبی معمولی برای سطوح چوبی جلادار وسطوح چوبی رنگ شده هم مورد استفاده قرارمی گیرند. درسطوح چوبی جلادارسه ماه پس ازاعمال جلا مورد استفاده قرارمی گیرند وبرای سطوح چوبی رنگ شده ازنانوپوشش های چند منظوره استفاده می شود.
شکل))1
-8 آجرها وسرامیکها
درختهای بزرگ اطراف ساختمان ها با به جا گذاشتن آثار خود برروی سطوح ساختمانها باعث میشوند نمای ساختمانها به مرور زمان رنگ سبز درختان رابه خود گرفته وبرای تمیز کردن آنها میبایست ازابزارتمیزکننده بافشارهای قوی استفاده شود، اما این
عمل نیز باعث میشود پس از چند ماه درسطح ساختمان چسبندگی بیشتری ایجاد شود و سریع تر وراحت تراز قبل کثیفیها رابه خود جذب کنند دراین گونه موارد نیز استفاده از با نانوپوششهای سنگ وچوب ضروری به نظر میرسد.
-9 ماسه سنگها و بتن گازی
بتن گازیوماسه سنگهایی که ساختار سفید رنگی دارند واغلب در آتلیهها و ایوانهابه کار میروند، کثیفیها وچربیها را جذب کرده وظاهر آنها خیلی سریع به صورت نامطلوبی تغییرمی کند. در این شرایط استفاده ازتمیز کنندههای بافشار بسیار قوی نیز کارساز نمیباشد. اما در صورت استفاده از نانو پوششهای سنگ وچوب درحالی که به سطح اجازه تنفس داده میشود، باعث عدم نفوذ مواد به سطح میشوند، بدین ترتیب رنگ وساختار اصلی سطح حفظ میشود.
-10 کاشیها و لوحهای سنگی
استفاده ازنانوپوششهای سنگ وچوب باعث میشوند ساختمانها همراه با باغچهها و مجسمههای اطراف آنها از تاثیرات محیطی محفوظ مانده و به مرورزمان در رنگ آنها تغییری ایجاد نشود.
-11شیشه
نانو پوشش های شیشه در صنایع ساختمان واتومبیل بیشترین کاربرد را دارند، در ادامه به برخی ازکاربرد های آنها در صنایع ساختمانی اشاره شده است.
1-11 شیشه های خود تمیز شونده :
از جمله کاربرد های فناوری مرتبط با تولیدات شیشه ای ، می توان به پوشش های خود تمیز شونده و جلوگیری کننده از تشکیل مه اشاره داشت .مشکل آلودگی سطوح مخصوصا در مورد سطوح با انرژی بالا همانند شیشه که تمایل به جذب مولکول های دیگر دارند.راهبرد ارائه شده توسط فناوری نانو ، نانوکامپوزیت های آلی / معدنی هستند که ویژگی های پلیمر های پرفلوئوره (همانند تفلون ) ایجاد می کنند .معمولا زمانی که زاویه تماس آب بالای 100 درجه است ، ویژگی دفع روغن و آب افزایش می یابد .این ویژگی در سطوح نچسبی همانند تابه های نچسب ( تفلون ) مورد استفاده قرار گرفته است . مشکل آلودگی سطوح مخصوصا در مورد سطوح با انرژی بالا همانند شیشه که تمایل به جذب مولکول های دیگر دارند.راهبرد ارائه شده توسط فناوری نانو ، نانوکامپوزیت های آلی / معدنی هستند که ویژگی های پلیمر های پرفلوئوره (همانند تفلون ) ایجاد می کنند .معمولا زمانی که زاویه تماس آب بالای 100 درجه است ، ویژگی دفع روغن و آب افزایش می یابد .این ویژگی در سطوح نچسبی همانند تابه های نچسب ( تفلون ) مورد استفاده قرار گرفته است این نوع نانو پوشش ها، باضخامت چند نانومتر در سطح شیشه یک فیلم آب دوست تشکیل می دهند، سطح هیدروفیل آنها از تاثیر نور خورشید یک فوتوکاتالیست تشکیل داده وآب جمع شده در سطح، درمقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب/ هوا را برروی خود افزایش داده وبدین ترتیب آب جمع شده در سطح تماماً پخش شده وبخودی خود امکان تمیز شدن رابوجود می آورد. نانوپوشش های استفاده شده برروی شیشه پس از شش هفته خاصیت خود تمیزشوندگی را از خود نشان می دهند. بنا به گفته متخصصین نانوذرات TiO2 موجود در این نانو پوشش ها دارای دو خاصیت است ؛ یکی از آن ها فوق العاده هیدروفیل بودن آن است، دیگر آن که دارای خاصیت ضد عفونی کنندگی است، زیرا TiO2 قادربه
شکستن وتجزیه آلاینده های آلی است. این تاثیرپس ازگذشت چند هفته در شیشه ایجاد می شود، زیرا تیتانیوم دی اکساید باید در داخل ماتریس شیشه جایگزین شده، و شیشه ها را از کثیفی های موجود رها کرده وسپس کثیفی های محیط رابه صورت کاتالیتیک تجزیه نموده واز بین ببرد. خاصیت پخش شوندگی مساوی آ ب در سطح باعث می شود بدون اینکه لکهای باقی بماند سطح ازکثیفیها عاری شود.
2-11 شیشه های کنترل کننده انرژی
این نوع شیشه ها ضمن دارابودن تنوع دررنگ وسایر خصوصیات، قادرند باکاهش شدید امواج ماوراء بنفش ومادون قرمز عبوری وتنظیم عبور نورمرئی، در زمستان تا 85درصد ودر تابستان تا 80درصد از هدر رفتن انرژی داخل ساختمان جلوگیری کرده ودر صرفه جوئی مصرف انرژی، نقش بسزائی داشته باشند.
3-11 شیشه های محافظ در برابر آتش
شیشه های محافظ دربرابر آتش نیز یکی دیگراز دستاوردهای فناوری نانو است. این محصول از طریق قراردادن یک لایه شفاف محتوای نانو ذرات سیلیس (SiO2) درمیان دو صفحه شیشه ای ساخته می شود که در هنگام گرم شدن شیشه این لایه شفاف تبدیل به محافظی سخت، تیره ومقاوم دربرابر آتش می شود.
-12 مواد نانوکامپوزیت
مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری ) اولین بار در سالهای 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول- ژل((Sol-Gel جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای 80 صورت گرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد . زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد . از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد : تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است . ذرات نانویی غیر فلز مانند : نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .
1-12 کاربردهای کنونی نانوکامپوزیت
پلاستیک های نانوکامپوزیت موارد استفاده متفاوتی دارند برای مثال می توان از خازن های لایه نازک در تراشه های کامپیوتری استفاده کرد . از الکترولیت های پلیمر جامد در انواع باطری ها ، موتور های اتومبیل ، مخازن سوخت و بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود که دو مورد آخر موارد استفاده بیشتری دارند . اگر نانوکامپوزیت نسبت هزینه به کارایی قابل قبولی داشته باشد می تواند نقش بنیادینی در صنعت خودرو سازی ایفا کند .برخی از نکات موجود در استفاده ار نانوکامپوزیت به شکل تجاری به شرح زیر است :
