کاربرد نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی

به گزارش می متالز، این تفاوت‌ها ویژگی‌های منحصربه‌فردی را مانند عملکرد بهتر و کارکرد چندمنظوره بودن به مواد و مصالح ساختمانی می‌دهد. منظور از کارکرد چندمنظوره، ظهور ویژگی‌های جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی است، به گونه‌ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه کنند. تولید انواع کامپوزیت‌ها، سطوح خودتمیزشونده، بتن‌ها و رویه‌های پیشرفته نمای ساختمان ازجمله کاربردهای فناوری نانو در تولید مصالح ساختمانی هستند.

نانو کامپوزیت‌ها

نانوکامپوزیت‌ها موادی هستند که ذراتی در مقیاس نانو را در قالب مواد استانداردی مانند پلیمرها ترکیب می‌کنند. پلیمر به جسمی گفته می‌شود که از ترکیب مواد مشابه و از تکرار واحدهای ساختمانی یکنواخت ایجاد شده باشد. با ترکیب نانوذرات می‌توان به ویژگی‌های خاصی دست یافت، یعنی می‌توان استحکام مکانیکی، دوام و رسانایی الکتریکی و گرمایی را برحسب نیاز تغییر داد. مزیت نانوذرات این است که حتی اضافه کردن مقدار زیادی از این مواد، وزن ماده موردنظر را نیم تا ۵ درصد افزایش می‌دهد که این مقدار تا حدی قابل‌چشم‌پوشی است. تاکنون نانوکامپوزیت‌های کمی وارد مرحله تجاری شده‌اند و بیشتر آنها هنوز در مرحله آزمایش و بررسی قرار دارند. نانوکامپوزیت‌هایی که شامل نانوذراتی مانند فیلترها، نانوتیوب‌ها و نانوفیبرهای کربنی و گرافیت می‌شوند، استفاده گسترده‌ای در صنعت پلاستیک دارند.

چگونگی کارکرد نانوکامپوزیت‌ها

در ذرات بسیار ریز در مقیاس نانو سطح ویژه یا نسبت سطح به حجم بسیار بزرگ‌تر از ذرات درشت بوده که در نتیجه آن ویژگی‌های منحصربه‌فرد این مواد به‌دست می‌آید. هرچه ذرات ریزتر باشند ویژگی‌ها بسته به هدف و کاربرد موردنظر به طور شگفت‌انگیزی می‌توانند بهبود یابند.

کاربرد کنونی نانوکامپوزیت

پلاستیک‌های نانوکامپوزیت موارد استفاده متفاوتی دارند برای نمونه می‌توان از خازن‌های لایه نازک در تراشه‌های کامپیوتری استفاده کرد. از الکترولیت‌های پلیمر جامد در انواع باتری‌ها، موتورهای خودرو، مخازن سوخت و بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود که در دو مورد آخر استفاده بیشتری دارند. اگر نانوکامپوزیت نسبت هزینه به کارآیی قابل‌قبولی داشته باشد می‌تواند نقش بنیادینی در صنعت خودروسازی ایفا کند.
برخی مزیت‌های استفاده ار نانوکامپوزیت به شکل تجاری به این شرح است:

• تولید مواد حجیم و وسیع‌ با هزینه کمتر
• تولید مواد با هزینه کمتر و کارآیی بیشتر
• توسعه سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر از روش‌های تحلیلی
• تسلط بر علم جریان و تغییر شکل ماده در کامپوزیت‌های پلیمری
• افزایش استحکام بدون افزایش حجم
• پیشگویی مدل‌سازی جهت-جریان

تاریخچه نانو کامپوزیت‌ها

مواد نانوکامپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری) نخستین‌بار در سال‌های ۷۰ معرفی شدند که از فناوری سول- ژل برای انتشار دادن ذرات نانوکانی درون ماتریس پلیمر استفاده شد. هرچند پژوهش‌های انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد از سوی شرکت تویوتا در ژاپن اواخر سال‌های دهه ۸۰ انجام شد ولی رشته نانوکامپوزیت پلیمر همچنان در آغاز راه به سر می‌برد. نانو آلومینا بهترین ساختار نانویی است که نویدبخش افق جدیدی در صنعت سرامیک است زیرا این مواد از نظر مکانیکی، الکتریکی و خواص حرارتی دارای تعادل بوده و در رشته‌های مختلف کاربرد دارد که می‌توان به دو نمونه اشاره کرد:

• فناوری نانو فلز آرتوناید که به تازگی به شکل تجاری الیاف نانویی آلومینا، انقلابی در رشته سرامیک به‌وجود آورده است.
• ذرات نانویی غیرفلز مانند نانوسیلیکا، نانوزیرکونیا و مواد دیگر اصلاح‌کننده سرامیک‌ها.

بتن با کارآیی بالا (HPC۱)

یکی از چالش‌هایی که در رشته مصالح ساختمانی به‌وجود آمده است، بتن با عملکرد بالا (HPC) است. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فلزی مرکب و پیچیده است. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانوساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را به‌وجود می‌آورد. بنابراین، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار بااهمیت است. روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا بیشتر شامل پارامترهایی ازجمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف است. درباره بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد بادوام و خواص مکانیکی بهتر، بتن با عملکرد بالای چندمنظوره (MHPC) دارای خواص دیگری است، ازجمله می‌توان خاصیت الکترومغناطیسی و قابلیت بکارگیری در سازه‌های اتمی (محافظت از تشعشعات) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمان‌ها و... را نام برد.

نانو سیلیس آمورف

در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروف‌ترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پرکنندگی بتن با عملکرد بالا ایفا می‌کند. محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکروسیلیکا است که دارای قطری حدود ۰.۱ تا ۱ میلیمتر و دارای اکسید سیلیس حدود ۹۰ درصد است. می‌توان گفت که میکروسیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانومتر برای افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می‌شود. محصول نانوسیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله‌ای بوده و با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر یا به‌صورت ذرات خشک پودر یا به‌صورت معلق در مایع محلول قابل انتشار هستند که مایع آن معمول‌ترین نوع محلول نانوسیلیس است، این نوع محلول در آزمایش‌های مشخص در بتن خودتراکم به کار گرفته شده است. نانوسیلیس معلق کاربردهای چندمنظوره مانند ضدسایش، ضدلغزش، ضدآتش و ضدانعکاس سطوح از خود نشان می‌دهد.

فناوری نانو در مرمت آثار تاریخی

آزمایش‌ها نشان داده که واکنش مواد نانوسیلیس با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکروسیلیکا بسیار سریع‌تر انجام شده و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکروسیلیکا را در سنین اولیه دارند. تمام کارهای انجام شده روی کاربرد مواد نانوسیلیس کلوئیدی در بخش اصلاح خواص ریولوژی، کارپذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است. آنچه در اینجا مطرح است نتیجه اولیه محصولات نانوسیلیس با قطری در محدوده ۵ تا ۱۰۰ نانومتر است.

نانو ذرات رس

برخی از انواع نانوذرات در چسب‌های (ملات) مختلف و نحوه تاثیر آنها بر ویژگی‌های کلیدی مرتبط با فرسایش بتن، مانند ممانعت از انتقال یون‌های کلر، مقاومت در برابر دی‌اکسیدکربن، پخش بخار آب، جذب آب و عمق نفوذ هدایت می‌شوند. نوعی حلال متشکل از رزین اپوکسی با وزن ملکولی پایین و نانوذرات رس، نتیجه امیدوارکننده‌ای را در این زمینه نشان داده است.

نانو ذرات اکسید آهن یا هماتیت

در صورت اضافه کردن نانوذرات اکسید آهن به ماتریس بتن علاوه بر افزایش مقاومت بتن، پایش سطوح تنش بتن را از طریق اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی برشی امکان‌پذیر می‌کند.

نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم

نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم هم برای بهبود ویژگی‌های بتن در نمای ساختمان‌ها به عنوان پوشش بازتاب‌کننده مورداستفاده قرار می‌گیرد. این نانوذرات از طریق واکنش‌های فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده‌های آلی، ترکیبات آلی فرار و غشای باکتریایی هستند، به همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضدعفونی‌کنندگی به رنگ‌ها، سیمان‌ها و شیشه‌ها اضافه می‌شوند. بتن حاوی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است و این درخشندگی را به‌طور موثری حفظ می‌کند. درحالی که ساختمان‌های ساخته شده با بتن معمولی بدون چنین ویژگی هستند.

نانو در تولید حسگرها

حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو نیز می‌توانند کاربردهای زیادی در سازه‌های بتنی داشته باشند. برای کنترل کیفیت و دوام بتن، این حسگرها می‌توانند برای هدف‌های مختلفی مانند اندازه‌گیری چگالی، میزان افت بتن و پارامترهای موثر در دوام بتن نظیر دما، رطوبت، غلظت کلر، پی‌هاش، دی‌اکسیدکربن، تنش، خوردگی میلگردها و ارتعاش طراحی شوند.

نانو در صنعت فولاد

فولاد یکی از فلزات بسیار مهم در صنعت ساخت‌وساز است. پژوهش‌‌ها نشان داده است اضافه کردن نانوذرات مس به فولاد از ناهمواری‌های سطحی فولاد می‌کاهد و درنتیجه تعداد عوامل افزایش‌دهنده تنش و ترک‌خوردگی‌های ناشی از خستگی سازه‌هایی مانند پل‌ها که در آنها بارگذاری به طور متناوب انجام می‌شود را محدود می‌کند.

نانو در صنعت سیمان

تولیدکنندگان سیمان به‌تازگی دریافته‌اند که کاهش اندازه ذرات سیمان تا ابعاد نانومقیاس، موجب تسریع در سفت شدن آن می‌شود، ازاین‌رو گروهی از پژوهشگران سوئیسی با استفاده از روش فاز گازی و سنتز به شیوه تزریق شعله‌ای، به روشی برای آماده‌سازی مستقیم و تک‌مرحله‌ای نوعی سیمان نانوذره‌ای از جنس نانوذرات سیلیکات کلسیم (همان ترکیب سیمان پورتلند معمولی) دست یافته‌اند که واکنش‌پذیری اولیه آن ۱۰ برابر بیش از سیمان‌هایی است که به روش‌ معمولی تهیه شده‌اند، البته این سیمان بسیار متخلخل بوده و پایداری آن نسبت به سیمان‌های معمولی کمتر است و هنوز برای کارهای ساختمانی مدرن که مستلزم تحمل بار زیاد است، مناسب نیست.
این نانوسیمان برخلاف سیمان پورتلند معمولی، متناسب با دمای محیط، نانوذراتی با اندازه‌های مختلف (به‌طور متوسط یک‌سوم ذرات مشابه در سیمان معمولی) دارد، همچنین اندازه کوچک این ذرات موجب تغییر کامل رفتار هیدراسیون این سیمان شده و درنتیجه ضمن حفظ همان واکنش‌های ترمودینامیکی، واکنش‌های سینتیکی متفاوتی خواهد داشت.
هم‌اکنون از این نانوسیمان متخلخل در نوسازی یا عایق‌کاری در مواردی که نیاز چندانی به استحکام در برابر فشردگی ندارند و ترکیب آنها با مواد معمولی به بهبود سخت‌شوندگی آنها کمک می‌کند، استفاده می‌شود، همچنین این سیمان در کاربردهای هزینه‌بر کوچک‌مقیاس به‌ویژه اتصالات ساختمانی یا به‌صورت ترکیبی با فرمول‌های موجود که به تسریع کار آنها کمک می‌کند، کاربرد دارد.

نانو لوله‌ها

الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن به کار برده می‌شود. امروز از الیاف فلزی، شیشه‌ای، پلی‌پروپیلن، کربن و... در بتن برای مسلح کردن استفاده می‌شود. کربن ۶۰ و نانولوله‌های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی‌تر و بسیار سبک می‌کند به طوری‌که می‌توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل کنند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت‌ها به کار برده می‌شوند. نانولوله‌ها باتوجه به پژوهش‌های انجام شده در مرکز تحقیقات بتن، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده هستند. این نانولوله‌ها خواص ویژه قابل‌ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می‌دهند، به‌طوری‌که هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها حدود ۱۰۰۰ برابر فلز مس است. نانولوله‌ها طبقه جدیدی از محصولات هستند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را به‌وجود آورده‌اند. یک نسل جدید از نانوکامپوزیت‌های چندمنظوره می‌توانند به عنوان نانولوله‌های کربنی در نقش الیاف مسلح‌کننده مناسب آن مواد مورداستفاده قرار گیرند.

نانو پوشش‌های سنگ و چوب

این نانوپوشش‌های آنتی‌باکتریال، مقاوم در برابر آب، هوا، مواد ارگانیک و غیرارگانیک هستند و یکی از پوشش‌های اصلی صنعت ساختمان به‌شمار می‌روند. نانوپوشش‌های سنگ و چوب ترکیباتی هستند که ضمن حفظ ظاهر اصلی سطح باعث ایجاد نشدن چسبندگی در سطح شده و آب، چربی و سایر آلودگی‌ها را از سطح دفع می‌کنند. نانوپوشش‌های سنگ و چوب برای سطوح سنگی نفوذپذیر که خاصیت مکندگی دارند نیز موارد استفاده بسیاری دارند. ترکیبات این نانوپوشش‌ها شامل الماس، نقره، شیشه و سرامیک است و باتوجه به موارد مصرف ممکن است متفاوت باشند اما در بیشتر آنها فاز حامل آب و الکل است و ذرات آنها تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد مقاوم هستند.

کاربرد نانوپوشش‌های سنگ و چوب

این نانوپوشش‌ها علاوه بر استفاده در سطوح چوبی معمولی برای سطوح چوبی جلادار و رنگ شده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در سطوح چوبی جلادار ۳ ماه پس از اعمال جلا این نانونپوشش‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند و برای سطوح چوبی رنگ شده از نانوپوشش‌های چندمنظوره استفاده می‌شود.
ساختمان‌هایی که با سیمان‌های الیافی ساخته می‌شوند پس از مدتی به منبع لکه و کثیفی تبدیل می‌شوند. سیمان استفاده شده در نمای ساختمان‌ها، کثیفی‌ها و کپک‌ها را مکیده و با تاثیر نور خورشید آنها را به خوبی در داخل ماتریس جایگزین می‌کند. بکارگیری نانوپوشش‌های سنگ و چوب در نمای ساختمان باعث جلوگیری از نفوذ کثیفی‌ها، باکتری‌ها و... به داخل بافت پوشش نما شده و ظاهر اولیه نما را به خوبی حفظ می‌کند.
درخت‌های بزرگ اطراف ساختمان‌ها با به‌جاگذاشتن آثار خود روی سطوح ساختمان‌ها باعث می‌شوند نمای ساختمان‌ها به مرور زمان رنگ سبز درختان را به خود گرفته و برای تمیز کردن آنها باید از ابزار تمیزکننده با فشار پاشش بالا استفاده شود که باعث ایجاد حالت چسبندگی در سطح ساختمان پس از چند ماه می‌شود که درنتیجه سریع‌تر و آسان‌تر از گذشته کثیفی‌ها را جذب می‌کند. در این‌گونه موارد نیز استفاده از نانوپوشش‌های سنگ و چوب ضروری به‌نظر می‌رسد. بتن گازی و ماسه سنگ‌هایی که ساختار سفیدرنگی دارند و بیشتر در آتلیه‌ها و ایوان‌ها به کار می‌روند، کثیفی‌ها و چربی‌ها را جذب کرده و ظاهر آنها خیلی سریع به شکل نامطلوبی تغییر می‌کند. در این شرایط استفاده از تمیزکننده‌های با فشار بسیار قوی نیز کارساز نیستند. در صورت استفاده از نانوپوشش‌های سنگ و چوب هم به سطح اجازه تنفس داده می‌شود و هم از نفوذ مواد به سطح جلوگیری می‌شود و بدین ترتیب رنگ و ساختار اصلی سطح حفظ می‌شود. همچنین استفاده ازنانوپوشش‌های سنگ و چوب باعث حفاظت ساختمان‌ها و مجسمه‌ها از تاثیرات محیطی شده و مانع از تغییر رنگ تدریجی در گذر زمان می‌شود.

مواد نانو در تولید شیشه

نانوپوشش‌های شیشه در صنایع ساختمان و خودرو بیشترین کاربرد را دارند. برخی از کاربردهای مواد نانو در صنایع شیشه عبارتند از:

شیشه‌های خودتمیز شونده

این نوع نانوپوشش‌ها، با ضخامت چند نانومتر در سطح شیشه یک فیلم آبدوست (هیدروفیل) تشکیل می‌دهند که متاثر از نور خورشید یک فوتوکاتالیست تشکیل داده و در نتیجه آب جمع شده در سطح، درمقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب هوا را روی خود افزایش داده و بدین ترتیب آب جمع شده در سطح پخش شده وبه‌خودی‌ خود امکان تمیز شدن را به‌وجود می‌آورد.
نانوپوشش‌های استفاده شده روی شیشه پس از ۶ هفته خاصیت خودتمیزشوندگی را نشان می‌دهند. بنا به گفته متخصصان نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم موجود در این نانوپوشش‌ها دارای دو خاصیت است:

•  ویژگی آبدوست بودن بسیار بالا
• -خاصیت ضدعفونی‌کنندگی

نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم قادر به شکستن و تجزیه آلاینده‌های آلی است. این تاثیر پس از گذشت چند هفته در شیشه ایجاد می‌شود زیرا تیتانیوم دی‌اکساید باید در داخل ماتریس شیشه جایگزین شده و شیشه‌ها را از کثیفی‌های موجود رها کرده و سپس کثیفی‌های محیط را به صورت کاتالیتیک تجزیه کرده و از بین می‌برد. خاصیت پخش‌شوندگی مساوی آب در سطح باعث می‌شود بدون اینکه لکه‌ای باقی بماند سطح ازکثیفی‌ها عاری شود.

شیشه‌های کنترل‌کننده انرژی

این نوع شیشه‌ها ضمن دارابودن تنوع در رنگ و سایر خصوصیات، می‌توانند با کاهش شدید امواج ماوراء بنفش و مادون قرمز عبوری و تنظیم عبور نور مرئی، در زمستان تا ۸۵ درصد و در تابستان تا ۸۰ درصد از هدر رفتن انرژی داخل ساختمان جلوگیری کرده و در صرفه‌جویی مصرف انرژی، نقش بسزائی داشته باشند.

شیشه‌های محافظ در برابر آتش

شیشه‌های محافظ در برابر آتش نیز یکی دیگر از دستاوردهای فناوری نانو است. این محصول از طریق قراردادن یک لایه شفاف محتوای نانوذرات سیلیس در میان دو صفحه شیشه‌ای ساخته می‌شود که هنگام گرم شدن شیشه این لایه شفاف تبدیل به محافظی سخت، تیره و مقاوم در برابر آتش می‌شود.

 رنگ نانو عایق

رنگ نانو عایق محصولی است که با کمک فناوری نانو ضمن برآورده کردن مسائل زیست محیطی، عایق‌کاری حرارتی با پوشش لایه نازک را به همراه محافظت از خوردگی و مقاومت در برابر رطوبت و رشد کپک و قارچ، یکجا به ارمغان آورده است. استفاده از رنگ نانو عایق در ساختمان می‌تواند تا ۴۰درصد موجب کاهش هزینه‌ تجهیزات گرمایشی و سرمایشی شود. همچنین رنگ نانوعایق موجب افزایش عمر تاسیسات ساختمان می‌شود و در یک دوره میان‌مدت باعث کاهش هزینه‌های ساختمان ازجمله رنگ‌آمیزی دوباره، هزینه‌های ناشی از صدمات رطوبت، نم و رشد کپک و قارچ و درنهایت هزینه‌های مربوط به مصرف انرژی می‌شود.

نانو عایق پتویی

نانو عایق پتویی انقلابی در عایق‌کاری صنعتی است. این عایق قابل‌انعطاف بوده و ظاهری شبیه پتو دارد و از الیاف ویژه و سلیکاژل در فرآیندی خاص، در دما و فشار بحرانی و با استفاده از فناوری نانو تهیه شده است.