کاربرد نانو تکنولوژی در عمران

۱-کاربرد نانو فناوری در بتن:
یکی از جنبه های اصلی نانو تکنولوژی ماهیت میان رشته ای آن است. تعامل این علم با علم بتن می تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت و ساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد های بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است: تاریخچه، کاربرد ها، محاسن و معایب بتن، روش های سنتی اصلاح بتن، مزایا و معایب این روش ها و در نهایت شناخت نقاط ضعف و قوت بتن، سپس وارد دنیای نانو می شویم، بتن از دیدگاه نانو مشاهده می شود، ترکیبات، ساختارها و فرایند ها بازبینی می شوند سپس امکاناتی که این علم تا به امروز فراهم آورده بررسی می گردند و آینده نانو بتن ها ترسیم می شوند.

 معرفی:

بتن در مفهوم وسیع، به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد گفته می ‌شود. این ماده چسبنده عموما حاصل فعل و انفعال سیمان های هیدرولیکی و آب می‌ باشد. بتن از پر کاربرد ترین مصالح ساختمانی است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است. کاربرد بتن را می توان در تمامی کارهای عمرانی از قبیل ساختمان، مخازن و نیروگاه ها، سازه های دریایی مثل اسکله ها، جاده ها و راهها، مسیر های انتقال آب و سدها و … مشاهده کرد. تاکنون مطالعات زیادی در زمینه بهبود کیفیت بتن انجام شده است که اکثر آنها تغییر در ترکیب بتن (که به آن طرح اختلاط بتن گفته می شود) را بررسی کرده اند، با این حال استفاده از افزودنی ها و همچنین جایگزین کردن مصالح متداول مورد استفاده در بتن با مصالح جدید همیشه مورد توجه بوده است. یکسری از مواد جدید که توانسته اند خواص مکانیکی و فیزیکی بتن را ارتقا دهند، نانو مواد ها هستند. نانو مواد ها با توجه به خصوصیات شان در سطوح بسیار ریز میتوانند دنیای بتن را کاملا متحول کنند.
در این گردآوری سعی برآن شده که دید کلی از بتن نمایانده شود، تاریخچه ای در مورد این صنعت آورده شده، سپس مواد تشکیل دهنده بتن و از جمله افزودنی های متداول معرفی می شوند. برای ورود به عرصه نانو لازم است ساختار نانویی این ماده بررسی شود. همچنین در بخش نانو تکنولوژی در بتن، دو مسیر در تحقیقات نانو در بتن معرفی می شوند سپس آینده متصور شده برای نانو بتن ها ترسیم می شود و در نهایت چالش هایی که علم نانو در صنعت بتن مواجه است معرفی می شوند.

شکل ۱- صنعت بتن

تاریخچه:

کلمه “بتن” از ترجمه کلمه “concrete” و از ریشه لاتین “concertus” به معنای “متراکم و فشرده ” آمده است. رومی ها نوعی خاکستر آتشفشانی با نام پوزالان را با آهک مخلوط و ملاتی با مقاومت بالا تولید می کردند. بررسی های امروزی نشان داده است که مقاومت فشاری بتن های باستانی در مقایسه با بتن های امروزی تفاوت زیادی ندارند ولی مقاومت کششی آن ها بسیار کمتر است. بعد از روم باستان به نظر میرسد که راز ساخت بتن برای ۱۳ قرن مسکوت ماند تا در اوایل قرن ۱۶ میلادی دوباره مورد استفاده قرار گرفت. ترکیب دیگری شبیه بتن با نام ساروج از ابتکارات معماران ایرانی در دوران بسیار کهن است که جهت ساختن حوض، پل، آب انبار، برکه گرمابه و بنای خانه و سد کاربرد داشته ‌است. قدمت سازه های ساروجی تا ۷۰۰ سال تخمین زده شده است.
استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمیگردد. از حدود ۸۰ سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت گسترده ای در بتن های پایه سیمانی مورد استفاده قرار گرفته است. ثابت شده است که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن گردیده است، با این حال کمبود دانش و درک ضعیف از اثر ذرات فوق ریز و نانو ذرات در تکنولوژی بتن، تحقیقات فراوانی را در این زمینه می طلبد.

شکل ۲- معبد پانتئون رم به عنوان یکی از بزرگترین گنبدهای جهان جزو شگفتی‌های دنیای معماری، نمونه ای از سازه بتنی رومیان باستان.ضخامت گنبد ۱٫۵ متر و ارتفاع آن ۴۳٫۲ متر است.

شکل ۳- پل تاریخی سی وسه پل، در قسمت پی این پل از ساروج استفاده شده است.

مواد تشکیل دهنده متداول بتن:
بتن در کاربرد متداول ساختمانی به ماده ای تشکیل شده از شن (سنگ دانه های درشت دانه از ۰٫۵تا ۲٫۵ سانتیمتر است)، ماسه (سنگ دانه های کوچک تر از ۵/۲سانتیمتر است)، سیمان که در بتن نقش اتصال سنگ دانه ها را دارد و در ارتباط مستقیم با مقاومت بتن است و آب در بتن نقش روان کردن بتن برای کارایی بهتر و انجام عملیات هیدراتاسیون را داراست. در اثر واکنش شیمیایی سیمان و آب روند سخت شدن ادامه یافته و در نتیجه دانه ها (ماسه و شن) را بصورت تودﮤ سنگ مانندی به یکدیگر می چسباند. در عین حال بعضی مواد به عنوان مواد افزودنی در مرحله مخلوط کردن به بتن اضافه می‌شوند. این افزودنی ها به منظور افزایش مقاومت، کارایی، دوام و تغییر خاصیت های ظاهری بتن به آن اضافه می شود. مواد افزودنی به دو گروه مواد افزودنی‌های شیمیایی و مواد افزودنی‌های معدنی تقسیم می‌شوند. انواع معمول مواد افزودنی بتن به شرح زیر است:
– شتاب دهنده سرعت هیدراتاسیون بتن (سخت شدن)
– کاهش دهنده سرعت گیرش بتن.
– افزودنی های حباب زا باعث ایجاد حباب های با هندسه کروی و بسیار ریز درون بتن می شوند.اﻓﺰودﻧﯽ های ﺣﺒﺎب زا ﻋﻤﺪا ﺑﺮاﯼ اﻳﺠﺎد و ﺗﺜﺒﻴﺖ ﺣﺒﺎب های ﻣﻴﮑﺮوﺳﮑﻮﭘﯽ هوا در ﺑﺘﻦ اﺳﺘﻔﺎدﻩ ﻣﯽ ﺷﻮد.
– روان ساز بتن که به منظور کاهش دهنده مقدارآب بتن استفاده میگردد.
– مواد افزودنی که شامل رنگدانه ها که می تواند برای تغییر رنگ بتن و زیبایی استفاده گردد.
هرکدام از این روش ها می توانند یکی از ویژگی های بتن را ارتقا بخشند با این حال معمولا در ویژگی های دیگر بتن اثر منفی می گذارند و کیفیت بتن را به طور یکنواخت افزایش نمی دهند اما فناوری نانو این مزیت مهم را دارد که با اصلاح ضعف ها، مشکلاتی در زمینه دیگر ویژگی های بتن ایجاد نمی کند.
ساختار بتن:
بتن ماده ای با ساختار نانو، چند فازی و با اجزا مختلف است. این ساختار شامل فازهای نامنظم کریستالی از ابعاد میکرومتر تا نانومتر می باشد. فاز غیر بلوری و نانوساختار کلسیم-سیلیکات-هیدرات (C-H-S) باعث ایجاد چسبی می شود که اجزا بتن را به هم می چسباند.

شکل ۴- ساختار نانو مقیاس از کریستال [C-H-S3]

بتن در مقیاس نانو شامل ملکول ها، سطوح (دانه ها و فیبرها) و پیوندهای شیمیایی است. مشخصاتی که این مقیاس را توصیف می کنند شامل: ساختارهای ملکولی، گروه های عمل گر سطحی(surface functional groups) ، طول پیوندها، مقاومت (انرژی) و دانسیته می باشد. ساختار غیر بلوری و فاز های کریستالی و محدوده های میان فازی، در این مقیاس به وجود می آیند. مشخصات و فرایندها در مقیاس نانو، تعامل بین ذرات و فازها در مقیاس میکرو و اثرات بارهای اعمالی و کلا محیط پیرامون در مقیاس ماکرو، را تعریف می کند. به عبارت دیگر تمامی مشخصات مهندسی در یک توده بتن به فرایندهایی مربوط است که در نانو مقیاس اتفاق می افتد.

نانو تکنولوژی در بتن:
علم نانو و مهندسی نانو که گاهی با عبارت بهسازی نانویی در بتن بیان می شوند ، عناوینی هستند که برای توصیف دو مسیر در تحقیقات نانو تکنولوژی در بتن استفاده می شوند.
علم نانو مربوط است به اندازه گیری و توصیف ساختار مواد پایه سیمانی در مقیاس نانو و میکرو برای درک بهتر رفتار در مقیاس بزرگ (ماکرو) و عملکرد آن از طریق استفاده از تکنیک های پیشرفته توصیف و مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا ملکولی.
نانو مهندسی شامل تکنیک های دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده ال است و حتی میتوان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالاو … به وجود آورد.
فعالیت های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوشش های سیمانی و مشاهده تاثیرات آن ها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است.

شکل ۵- مقیاس اجزا مختلف بتن و یک کاربرد آن

آینده بتن:
در دنیای امروز بتن بعد از آب پر استفاده ترین ماده در جهان محسوب می شود. با استفاده از ویژگی های منحصر به فرد این ماده مثل: عمل آوری در دمای معمولی، خزش کم، قابلیت شکل گیری در قالب های پیچیده، مقاومت حرارتی تا دمای ۶۰۰ درجه سلسیوس، همساز بودن با انواع رشته ها و فیبرهای موجود، قابلیت استفاده با نانو مواد های موجود مثل نانو سیلیکا و مشخصات غیر سمی بتن، می توان به صورت موثر برای ساختن ماده ای جدید با قابلیت های فوق العاده به کار رود. به عنوان مثال می توان با نانو سیمان های فرآوری شده، پوسته هایی با ضخامت چند میکرون و با شکل های مختلف همچون استوانه ایجاد کرد و در اجزا الکترونیکی و سنسورهای حرارت بالا به کار برد. همچنین می توان از نانو لوله های کربنی هم برای افزایش مقاومت بتن و هم برای شکل دهی مدار های الکترونیکی استفاده کرد. یکی از کاربردهای مهم این مواد جدید برای پوشش بتن است، پوشش های پایه سیمانی موجود می بایست ضخیم بوده و برای بهبود چسبندگی آن ها نیاز به افزودن مواد پلیمری است. نانو سیمان ها یک الگوی جدید در این حیطه ارائه خواهند داد. می توان با مواد و تکنیک های جدید، پوشش های نانو متری با مشخصه های خاص مثل مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر حرارت و پوشش ها با خاصیت الکتریکی تولید کرد، همچنین می توان پوشش هایی ساخت که حرارت کمتری تولید کنند و در نتیجه اصطکاک کاهش یابد. پوشش ها می توانند خود تمیز شونده و خود ترمیم کننده باشند. سطوح بودن ترک دیگر یک آرزوی دور از دسترس نیست. با تکنولوژی نانو، تصور ما از بتن متحول خواهد شد.

شکل ۶- پوشش خود تمییز شونده، ساخته شده با نانو ذرات

شکل ۷- برج MM در یوکوهامای ژاپن با سطح خود تمیز شونده

چالش های نانو تکنولوژی در صنعت بتن:
نانو تکنولوژی مانند تمامی تکنولوژی های نو نیاز به یک توجیه اقتصادی دارد، در حال حاضر هزینه های بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آن ها در صنعت می گردد، برای همین بهره برداری از نانو تکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل عرضه در بازار محدود گردیده است.
مشکل دیگر در زمینه استفاده از نانو مواد ها توزیع یکنواخت آن ها در ماتریس بتن است. معمولا این مواد در حین افزوده شدن به بتن به صورت کلوخه انباشته می شوند و در مخلوط به خوبی توزیع نمی شوند، البته برای این حل مشکل می توان از دستگاه های مخلوط کن 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 می کنند و ممکن است بر کارایی بتن تاثیر گذار باشد.
درنهایت چالش هایی هستند که باید قبل از گسترش استفاده از نانو فناوری در صنعت بتن حل شوند مانند: توزیع یکنواخت نانو مواد، سازگاری نانو مواد با سیمان، فرآوری، تولید، ایمنی، مسائل مربوط به حمل و نقل، تولید انبوه و هزینه ها، به علاوه معرفی کردن این مصالح جدید به جامعه از طریق زیرساخت های اجتماعی مستلزم افزایش و درک تاثیر آن ها روی محیط زیست و سلامت انسان ها می باشد، با این حال چیزی که واضح است این است که، اکنون، بعد از ۵۰ سال از مقاله مشهور فینمن(Feynman.R) ، نانو فناوری در حال تغییر دیدگاه دانشمندان و مهندسین در مورد یکی از قدیمی ترین ماده های ساخت بشر، بتن، است.

نتایج:

بتن در مقیاس بزرگ یعنی ماده ای که بشر امروز در تمامی زیر ساخت های مهم و حیاتی خود به کار برده است، بتن در مقیاس نانو یعنی ماده ای با فاز های نامنظم کریستالی، فاز های غیر کریستالی و نانو ساختارهای کلسیم-سیلیکات-هیدرات (C-H-S). استفاده از نانو فناوری در بتن نوید دهنده ایجاد یک کامپوزیت پایه سیمانی جدید، تقویت شده و پیشرفته با مشخصات منحصر به فرد مکانیکی، حرارتی و الکتریکی در آینده نزدیک است. غالب تحقیقات انجام شده تاکنون بر روی درک بهتر از هیدراسیون ذرات سیمان، نانو ذرات سیلیکا و سنسورها انجام شده اند. با این حال برای استفاده از علم نانو در صنعت بتن می بایست چالش های زیادی برطرف شود.

افزودنی ها موجود برای بتن همیشه تمامی مشخصات بتن را بهبود نمی بخشد. نانو فناوری نشان داده است که قابلیت بهبود عملکرد بتن را به صورت همه جانبه دارد. در این جا با تعدادی از کاربرد های نانو فناوری در بتن آشنا می شویم. ذرات نانو با توجه به ابعادشان می توانند نقش پر کننده حفرات را بازی کنند. همچنین می توانند با تشکیل نانو کریستال ها مشخصات بتن را ارتقا بخشند. میکرو سیلیس از جمله افزودنی های پرمصرف امروزی است با این حال مشاهده شده که استفاده از نانو سیلیس تاثیر بهتری روی رفتار بتن دارد. در ادامه بتن خود تمیز شونده، خود پایش، نانو مسلح کننده های بتن و نانو پوشش های بتنی معرفی می شوند.

نانو ذرات سیمان:
یکی از فواید کریستال های نانو مقیاس که با استفاده از نانو ذرات تشکیل شده است، پر شدن فضا ها و حفرات خالی ماتریس سیمان است. اضافه کردن نانو ذرات که منجر به تشکیل نانو کریستال ها می شود، باعث افزایش مقاومت فشاری، کششی و برشی می شود.
سیمان در صنعت به صورت پودر تولید و مصرف می شود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموما در حد میلی و میکرو هستند. اخیرا نانو ذرات سیمان برای بهبود عملکرد سیمان پیشنهاد شده است. دو روش برای ساخت نانو ذرات سیمان پیشنهاد شده است: ۱) خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیاب های پر قدرت (کل به جزء) و ۲) ترکیبات شیمیایی (جزء به کل). چسب های سیمانی که با استفاده از نانو ذرات سیمان به وجود می آیند، زمان عمل آوری کمتر و مقاومت فشاری اولیه بالاتری نسبت به سیمان های معمولی دارند.

نانو رس ها:
استفاده از ذرات نانو رس باعث بهبود رفتار مکانیکی مثل مقاومت در مقابل نفوذ کلرید ها، ایجاد بتن خود متراکم، کاهش نفوذ پذیری و کاهش افت در بتن می شود. رس و مشخصات رس که در ترکیب با سیمان تاثیر گذار می باشد در مقیاس نانو وجود دارد. ابعاد ذرات رس در طبیعت در حد میکرو و ریز تر از میکرو است. ساختار رس شامل لایه های کریستالی فیلوسیلیکات آلومینیوم با ضخامت تقریبی در حد یک نانو متر است.
تاثیر رس بر روی سیمان موضوع جدیدی نیست و در اکثر کاربرد ها از رس کلسینه (Calcined clay) شده استفاده می شود. با این حال در بازبینی های اخیر تمرکز بر روی امکانات مهندسی نانو در رس قرار گرفته است. اکثر این تحقیقات بر روی رس طبیعی (کلسینه نشده) انجام می شود. به دلیل آب دوست بودن (Hydrophilic) ذرات رس، کنترل مقدار آب مورد نیاز در کامپوزیت های رس-سیمان با اهمیت است.

نانو سیلیس:
میکروسیلیس یکی از موادی است که در دهه های اخیر استفاده از آن در بتن به طور جدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است. به دلیل خصوصیات بارز پوزولانی میکروسیلیس، استفاده از ان جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشور های پیشرفته رو به افزایش است. استفاده از ان در بتن دارای فواید بسیار زیادی از جمله : کاهش ترکهای ناشی از هیدراتاسیون سیمان، دوام بهتر در مقابل آسیب های سولفات ها و آب های اسیدی و دست یافتن به مقاومت های نهایی بالا با استفاده از انواع سوپر روان کننده های بتن می باشد. از دیگر مزایای مصرف میکروسیلیس کاهش تحرک یون های کلر و در نتیجه کاهش عمق نفوذ کلر در بتن بویژه در نواحی ساحلی جنوب ایران می باشد. از موارد مصرف آن می توان در بتن ریزی های مربوط به ساخت اسکله های دریائی، شمع ها، ستون ها و قطعات پیش ساخته، فونداسیون ماشین آلات و کلیه سازه های بتنی که در معرض حملات شیمیایی بویژه یون کلر و سولفات ها قرار دارند نام برد.
در سال های اخیر مطالعات بر روی نانو ذرات سیلیس متمرکز شده، با این هدف که بتوان با استفاده از این ماده، مشخصات بتن را بیش از پیش افزایش داد. افزودن نانو سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش و کاهش نفوذ پذیری آب درون بتن و همچنین مقاومت بالاتر در برابر حمله های شیمیایی می شود. آزمایشاتی که بر روی نانو سیلیس انجام شده، نشان داده اند که این ذرات نتنها برای محیط زیست مشکل ساز نیستند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکرو سیلیس ارائه می کنند. تحقیقات نشان داده است که اضافه کردن نانو سیلیس بیشتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت در بتن می شود. نانو سیلیس مخلوط شده با بتن در دراز مدت باعث حفظ سلامت کارگران، بتن و محیط زیست می شود. نانو سیلیس همچنین می تواند باعث کاهش مصرف سیمان، بهبود کیفیت بتن و افزایش کارایی آن شود.
اضافه کردن ۱۰ درصد نانو سیلیس باعث افزایش ۲۶ درصدی مقاومت فشاری بتن گردید در حالی که همین مقدار میکروسیلیس افزایش ۱۵ درصدی مقاومت فشاری بتن در را در بر داشت. حتی اضافه کردن مقدار اندک ۰٫۲۵ درصدی نانو سیلیس باعث ۱۰ درصد افزایش مقاومت فشاری و ۲۵ درصد افزایش مقاومت خمشی می گردد.

نانو ذرات اکسید آهن:
مشاهده شده است که استفاده از نانو ذرات اکسید آهن در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی و همچنین عامل ایجاد قابلیت خود-پایش (هوشمند بودن)(Self-sensing capabilities ) بتن می گردد. توده ملات سیمان که با نانو ذرات اکسید آهن مخلوط گردیده است، تحت اثر بارگذاری های مختلف، مقاومت الکتریکی متفاوتی نشان می دهد. وجود این قابلیت فوق العاده گرانبهاست و به خصوص برای سازه هایی که از حس گر های مدفون داخل سازه بهره مند نیستند قابل استفاده است. با توجه به این خاصیت منحصر به فرد همچنین می توان عملکرد حس گر های سنجش تنش را بهینه سازی کرد.
دی اکسید تیتانیوم:
خود تمیز شوندگی فوتو کاتالیتیک، یکی از مهم ترین موارد استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت ساختمان است. آلودگی های طبیعی و صنعتی مثل NOx، مونوکسید کربن، VOCها، کلروفنول ها و آلدهید های ناشی از اتومبیل ها و پساب های صنعتی، در اثر فوتوکاتالیزر و به کمک کاتالیزر بسیار فعال نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم تجزیه می شوند. برای فعال شدن اثر خود تمیز شوندگی در اکسید تیتانیوم، نور طبیعی روز، رطوبت هوا و اکسیژن مورد نیاز است. نحوه فعالیت فوتو کاتالیکتیک های بر پایه دی اکسید تیتانیوم را به صورت جامع می توان در مقاله مطالعه نمود. هم اکنون محصولات خود تمیز کننده و ضد آلاینده بتنی توسط شرکت های مختلف برای استفاده در نمای ساختمان ها و کف پوش های جاده ها تولید می شود و در اروپا و ژاپن بسیار استفاده شده اند که برای مثال می توان از کلیسای جوبلی در رم ایتالیا نام برد. محققان همچنین نشان داده اند که استفاده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خاصیت خود تمیز کنندگی، باعث افزایش سرعت هیدارسیون و کاهش زمان گیرش و همچنین باعث افزایش مقاومت خمشی و فشاری بتن نیز می شوند. یکی از معایب این روش کاهش کارایی تجزیه کنندگی آن با گذشت زمان است.

شکل ۱- کلیسای جوبلی، رم، ایتالیا.

در نمای این سازه از بتن با ترکیب نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده شده است.

نانو ذرات اکسید آلومینیوم:

اضافه کردن نانو ذرات اکسید آلومینیوم به مخلوط بتن باعث افزایش قابل ملاحظه در مدول الاستیسیته بتن می گردد. مشاهده شده است که با افزودن ۵ درصد نانو اکسید آلومینیوم، مدول الاستیسیته بتن تا ۱۴۳ درصد افزایش پیدا کرده است ولی تاثیر قابل ملاحظه ای روی مقاومت بتن نداشته است. تاکنون ویژگی خاص دیگری از این ماده در بتن گزارش نشده است.

نانو الیاف ها:

نانو لوله های کربنی (CNTs) و نانو رشته های کربنی (CNFs) به عنوان گزینه های اصلی نانو تکنولوژی برای مسلح کردن مصالح پایه سیمانی معرفی می شوند. مدول الاستیسیته و مقاومت بسیار بالای این نانو مواد ها ( در حدود ترا پاسکال TPa) در کنار مقاومت کششی عالی (در حدود گیگا پاسکال GPa) و مشخصات منحصر به فرد الکتریکی و شیمیایی، پتانسیل بالای نانو لوله ها/رشته های کربنی را در ایجاد نسل جدید مصالح پایه سیمانی نشان می دهد. استفاده از این نانو مواد ها باعث بهبود مشخصات مکانیکی، مقاومت در برابر پخش ترک ها، محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس و ایجاد قابلیت خود-پایش در مصالح پایه سیمانی می گردد. نسبت طول به عرض این نانو مواد ها بسیار زیاد است (۱۰۰۰ و بیش تر) و می توان آن ها را به مانند یک زنجیر طولانی فرض نمود. نانو لوله های کربنی تک جداره (SWCNTs) و چند جداره (MWCNTs) و نانو رشته های کربنی از گرافین های زنجیر وار با ساختارهای بسیار منظم و با مساحت بسیار زیاد تشکیل شده اند.

شکل ۲- نمای شماتیک گرافین

شکل ۳- نمای شماتیک نانو لوله های کربنی تک جداره و چند جداره

نانو رشته های کربنی برخلاف نانو لوله ها بسیار راحت تر در مخلوط سیمان توزیع می شوند، همچنین فرآوری آن ها راحت تر است، به طور هم زمان هم مشخصات مکانیکی و هم مشخصات الکتریکی را بهبود می بخشد، به کار گیری آن ها راحت تر و هزینه نهایی آن ها برخلاف نانو لوله ها بسیار پایین تر (تا ۱۰۰ برابر ارزان تر) و برای تولید انبوه بتن مفید است. در تحقیقاتی که تاکنون انجام شده، استفاده از نانو لوله ها/رشته های کربنی در کامپوزیت های پلیمری به صورت گسترده ای مطالعه شده اند ولی درباره استفاده آن ها در بتن و سیمان، مطالعات محدودی انجام شده است. بیش تر تحقیقات انجام شده، بر روی مقایسه تاثیر CNTs و CNFs بر ملات سیمان متمرکز شده است. یکی از اشکالات اصلی این افزودنی ها، عدم توزیع یکنواخت آن ها در مخلوط سیمان است و یک دلیل عمده این مسئله، آب گریزی بسیار بالای آن ها و دلیل دیگر آن جاذبه درونی بالای این نانو مواد است. یکی دیگر از مشکلات این نانو لوله ها/رشته ها عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است. برای ایجاد یک مخلوط همگن و هم زمان چسبندگی عالی بین CNTs/CNFs و ملات سیمان تحقیقاتی انجام شده است. یکی از روش های مطرح شده، اضافه کردن CNTs/CNFs به صمغ عربی ( یک صمغ با قابلیت حل شدن در آب که به عنوان عامل پراکنده ساز استفاده شده است) و بعد، اضافه کردن آن به سیمان است. در یک تحقیق نشان داده شد که اضافه کردن SWCNTs و یا MWCNTs به بتن با استفاده از پیش پراکنش با صمغ عربی، می تواند سختی و مدول الاستیسته سیمان را افزایش دهد در حالی که اضافه کردن آن ها بدون استفاده از صمغ عربی باعث تضعیف مشخصات مکانیکی سیمان می شود. یک روش دیگر برای توزیع یکنواخت نانو لوله های کربنی در خمیر سیمان، استفاده از انرژی فرا صوت و همچنین استفاده از سورفاکتنت ها ( موادی که اثر کشش سطحی را کاهش می دهند) است، در این حالت مشاهده شد که مقدار اندکی (CNTs 0.048 و ۰٫۰۸ درصد وزنی) تا ۵۰% باعث افزایش مدول الاستیسیته سیمان می شود.

در زمینه مسلح کردن بتن با نانو الیاف بحث بسیار گسترده ای وجود دارد که از حوصله این مبحث خارج است، روش های اضافه کردن این مواد به بتن، مزایا و معایب هر روش، نتایج بدست آمده از تغییر در مقاومت و کارایی بتن، صرفه اقتصادی، نحوه پراکنش نانو مواد در بتن، اتفاقاتی که در مقیاس نانو در پیوندهای بین نانو مواد و ذرات سیمان می افتد و بسیاری مباحث دیگر همچنان در حال بررسی هستند.

نانو پوشش ها:

محافظت و یا تقویت ساختمان های موجود و یا جدید به وسیله اصلاح پلیمری سطح و یا پوشش دهی با سطوح نفوذ ناپذیر و آب گریز امکان پذیر است. جلوگیری از نفوذ آب و آلودگی به بتن باعث افزایش کارایی سازه ای بتن می شود. این عمل از نفوذ مواد مضر برای بتن و فولاد به درون بتن جلوگیری می کند. همچنین باعث افزایش مقاومت در برابر یخ زدگی می شود. با این حال همچنان می بایست دوام دراز مدت این مصالح و سازگار بودن آن ها با پوشش زیرین و تاثیر آن ها روی بقیه مشخصات مکانیکی بررسی شود. بر اساس فرمول بندی این مواد، این اصلاح ها مکانیزم های متفاوتی دارند. الف) پوشش دهی و عایق بندی روی سطح بتن که باعث ایجاد یک سد غیر قابل نفوذ می شود. (پلی اورتان، اکریلیک و رزین های اپوکسی )(Polyurethane, acrylic and epoxy resins). ب) مواد آب-گریزی که روی سطح حفرات بتن کشیده می شوند و مانع از نفوذ آب می شوند. (سیلان، سیلوگسان، پلیمر های فلئوریناته ) (Silane, siloxane and fluorinated polymers). ج) پر کننده حفرات که درون بتن نفوذ می کند و حفرات را می بندد. (سیلیکات مایع و سیلیکو فلورایدهای مایع )(Liquid silicates and liquid silicofluorides)

بتن های خود ترمیم شونده:

یکی از نگرانی های مهندسین در مورد بتن، ترک خوردن آن است. ترک ها باعث نفوذ مواد مضر، کاهش عمر بتن و کاهش عملکرد سازه ای آن می گردد. اخیرا تحقیقاتی انجام شده که در آن ریز کپسول های حاوی پر کننده های ترک در مخلوط بتن قرار داده می شود. زمانی که در بتن ترک ایجاد می شود این کپسول ها شکسته شده و مواد داخل آن فضای ترک را پر می کند.

شکل ۴- نمونه هایی از فرایند های خود ترمیم شوندگی

۲- کاربرد نانو فناوری در سازه های فلزی:

از آن جایی که محصولات ساخته شده از طریق تکنولوژی نانو دارای مشخصات منحصر به فردی هستند، این تکنولوژی می تواند در بسیاری از فرآیندهای ساخت و طراحی به کار برده شود. این مشخصات منحصر به فرد قادر هستند که مشکلات کنونی در ساختمان سازی را حل کرده و در فرآیند ساخت تغییراتی را به وجود آورند. پیشرفت علم در حوزه نانو ذرات فلزی و دستاوردهای بزرگ در این زمینه باعث بهبود وبژگی های فلزات ساختمانی از جمله فولاد شده است. اضافه کردن نانو ذراتی مانند مس، مولیبدن و وانادیم باعث بهبود خواص مکانیکی فولاد و کاهش هزینه های ساخت شده است. ساخت نانو کابل ها، نانو پوشش هایی نظیر دی اکسید تیتانیم و استفاده از فناوری نانو در ساخت و تولید پیچ و مهره ها تحول عظیمی را در سازه ها ایجاد کرده است.

فناوری نانو و فولاد
فولاد یکی از مهمترین مواد ساختمانی می باشد. خواصی نظیر استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری آن در طراحی و ساخت بسیار مهم هستند. این قابلیت ها باعث شده که نقش فولاد در صنعت ساخت و ساز بسیار پر رنگ باشد.

موارد استفاده از فولاد در صنعت عمران:
– در ساختمان های اسکلت فلزی به عنوان تیر و ستون و بادبند و پلیت های کف، در ساختمان ها و سازه های بتنی به عنوان میلگرد
– پایه ها و کف پل ها، کابل های کششی پر مقاومت
– لوله های انتقال آب و گاز و نفت
– اجزای داخلی ساختمان ها مثل در و پنجره ها، پیچ ها و اتصالات،
– استفاده در نمای ساختمان

معایب فولاد:
خستگی و ترک خوردگی، خوردگی در مجاورت سیمان، آثار تبعی جوش کاری، نیاز به مقاومت های بالاتر، ضریب ارتجاعی بالاتر، نیاز به مقاومت بیش تر در مقابل خراشیدگی، از بین بردن آلودگی سطوح فلزی و…. .
کاربرد گسترده فولاد در صنعت ساختمان، مزایا و معایب این ماده و قابلیت های چشمگیر فناوری نانو، زمینه های متعدد تحقیقات در این صنعت را فراهم می آورد.

فولاد و نانو ذرات:
خستگی مساله بسیار حساسی است که می تواند منجر به شکست فولاد در سازه های تحت نیروی سیکلی (مانند پل و برج ها) گردد. این موضوع می تواند در تنش هایی کمتر از تنش تسلیم مواد رخ دهد و در نتیجه عمر مفید سازه را کاهش دهد. افزایش تنش باعث شروع ترک و متعاقباً شکست خستگی می شود. تحقیقات نشان داده است که افزودن نانو ذرات مس باعث کاهش ناهمواری های سطح فولاد گشته و در نتیجه ی آن تعداد تنش ها محدود شده و بنابراین ترک ناشی از خستگی کاهش می یابد. پیشرفت در این فناوری منجر به افزایش ایمنی، نیاز کمتر به نظارت و استفاده ی بهتر از مواد در ساخت و ساز های مستعد به مساله خستگی شده است.

فولاد Sanduk Nauoflex:
در سال ۱۹۹۲، اداره کل بزرگراه (FHWA) همراه با سازمان آهن و فولاد آمریکا و نیروی دریایی ایالات متحده، فولادی کم کربن- با عملکرد بالا (HPS) را برای پل ها تولید کردند. فولاد جدید مقاومت بالا در مقابل خوردگی و خاصیت جوش خوردگی بهتری را به خاطر وجود نانو ذرات مس در مرز دانه های فولاد از خود نشان می دهد. این فولاد به نام فولاد Sanduk Nauoflex معروف است. Sanduk Nauoflex یک فولاد زنگ نزن جدید است که خواصی از جمله استحکام فوق العاده بالا، فرم پذیری خوب و کیفیت سطح تمام شده ی خوبی دارد. به دلیل عملکرد بالای این فولاد ، می توان از آن در کاربردهایی که نیاز به مواد سبک و محکم دارند استفاده نمود. به دلیل استحکام و مدول الاستیسیته فوق العاده بالا، این فولاد حتی می تواند نازک تر و سبک تر از اجزایی که از آلومینیوم و تیتانیم ساخته شده اند باشد. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش خوب آن می تواند باعث کاهش هزینه های ساخت و نگهداری شود.

فولاد MMFX2:
MMFX2 یک فولاد اصلاح شده ی نانو ساختار دیگری می باشد که توسط شرکتی به همین نام ساخته شده است. در مقایسه با فولاد های معمولی، این نوع فولاد میکرو ساختار متفاوتی دارد: یک ساختار لایه ای تکه تکه شبیه به “تخته چند لایه”. این ساختار منحصر به فرد باعث شده که فولاد MMFX2 استحکام (سه برابر مستحکم تر)، انعطاف پذیری، چقرمگی و مقاومت به خوردگی قابل ملاحظه ای پیدا کند. از این نوع فولاد می توان در مسلح سازی سازه های بتنی استفاده نمود. از آنجایی که این فولاد مقاومت در مقابل خوردگی مشابه فولاد زنگ نزن را دارد، می تواند به عنوان جایگزین استفاده شود زیرا از لحاظ اقتصادی به صرفه تر می باشد. همانطور که در شکل ۱ در تصاویر گرفته شده به وسیله میکروسکوپ انتقال الکترونی (TEM) نشان داده شده است، ترکیب شیمیایی و فرآیند تولید این فولاد باعث شده است که میکرو ساختار آن به صورت نانو لایه های انتقال نیافته ی آستنیت در بین لایه های مارتنزیت باشد. این ساختار از تولید کاربید پیوسته جلوگیری می کند و در نتیجه ایجاد سلول های میکرو گالوانیک را کاهش می دهد. بنابراین با کاهش سلول های میکرو گالوانیک، فرآیند خوردگی به شدت کاهش می یابد. از این نوع فولاد در سازه های زیادی که در معرض خوردگی بوده اند استفاده شده است. شکل ۲ استفاده از فولاد MMFX 2 را در یکی از پل های ایالت اوکلاهوما در آمریکا نشان می دهد. از میلگرد MMFX 2 به عنوان رکاب در پیش ساخت تیرهای پل استفاده شده است.

شکل ۱٫ تصاویر TEM از میکروساختار فولاد MMFX 2

شکل ۲٫ استفاده از فولاد MMFX2 در ساخت پل

فناوری نانو و جوشکاری:
نقاط جوشکاری شده و منطقه حرارت دیده ی مجاور جوش (HAZ) ترد و شکننده می باشند. هنگامی که این مناطق تحت نیروهای دینامیکی قرار می گیرند، منجر به شکست ناگهانی می شوند. چقرمگی جوش مساله ی قابل ملاحظه ای به خصوص در نواحی زلزله خیز می باشد. گسیختگی و شکست جوش و مناطق HAZ پس از واقعه ی زمین لرزه ی سال ۱۹۹۴ نورث ریج در لس آنجلس، منجر به ارزیابی مجدد اصول جوشکاری و اتصالات سازه ای فلزات شد. بر اساس این موضوع فلسفه کلی مبتنی بر انتخاب نقاطی از سازه که به عمد ضعیف شده اند بود تا بتوان تغییر فرمی کنترل شده به دور از مناطق اتصال ترد را به وجود آورد. با اتخاذ به این رویکرد همچنین از افزایش عمدی ابعاد سازه ای که باعث پایین نگه داشتن تنش ها می گردد نیز پیشگیری می شود. تحقیقات نشان داده اند که اضافه نمودن نانو ذرات منیزیم و کلسیم دانه های مناطق HAZ را در فولاد ساده ریزتر کرده ( حدود یک پنجم اندازه معمولی) که این امر موجب افزایش چقرمگی جوش می شود. افزایش چقرمگی در اتصالات جوش نه تنها باعث پایداری و بالا رفتن ایمنی سازه می شود، بلکه نیاز به منابع برای برقراری اتصالات را کاهش داده و در نتیجه باعث محدود شدن تنش ها در حد مجاز می شود.

پوشش ها ی نانو:
پوشش های شامل نانو ذرات یا نانو لایه ها برای اهداف به خصوصی به وجود آمده اند. در واقع این پوشش ها یکی از کاربردهای اصلی در تکنولوژی نانو در ساختمان سازی می باشند. به عنوان مثال پوشش دی اکسید تیتانیم به وسیله واکنش کاتالیتیکی قوی می تواند آلودگی های آلی را شکسته و متلاشی کند. عملکرد فتوکاتالیتیکی شامل دو فرایند هم¬زمان با شیوه های عمل متفاوت می باشد: ۱- فرایند فتوشیمی که در آن انرژی به وسیله ی تابش فراهم می شود. ۲- فرایند کاتالیتیکی که بر روی سرعت واکنش تاثیر می گذارد. در واقع فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیم با جذب تابشی که انرژی آن بیشتر یا برابر با شکاف انرژی آن است، باعث برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش می شود. در نتیجه حفره هایی در نوار ظرفیت ایجاد خواهند شد. بعد از برانگیختگی، الکترون و حفره¬ی جدا شده ممکن است وارد چندین مسیر متفاوت شوند. با مهاجرت الکترون ها و حفره ها به سطح دی اکسید تیتانیم، انتقال الکترون به مواد آلی یا معدنی که جذب سطحی شده اند و یا حلال صورت گیرد. همچنین انتقال الکترون می تواند از مواد آلی یا معدنی که جذب سطحی شده اند و یا حلال به سطح دی اکسید تیتانیم صورت گیرد. در نتیجه ی این جابه جایی الکترون، واکنش های کاهش و اکسایش بر روی سطح فتوکاتالیست انجام می شود. باید به این نکته اشاره کرد که در فتوکاتالیست ها هر چه اندازه ی ذرات کوچک تر باشد، چون سطح فعال فتوکاتالیست بیشتر می شود، بنابراین، این فتوکاتالیست ها فعال تر از فتوکاتالیست هایی با اندازه ی ذرات بزرگ تر عمل می نمایند. به دلیل آب دوست بودن اکسید تیتانیم،آب روی سطح این پوشش به صورت یکنواخت پخش شده و باعث زدودن آلودگی های متلاشی شده از سطح آن می گردد. شکل ۱ مکانیزمی از عملکرد فتوکاتالیست را نشان می دهد.

شکل ۳٫ مکانیزم عملکرد فتوکاتالیست

نانو کابل ها:

کابل های فولادی با استحکام بالا در ساخت پل ها به خصوص پل های معلق مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از کابل های قوی باعث کاهش هزینه ها و زمان ساخت سازه ها می شود. مطالعات و تحقیقات در زمینه اصلاح فاز سمنتیت (Fe3C) فولاد در ابعاد نانو باعث تولید کابل های قوی شده است.

نانو و پیچ و مهره ها:

سازه های بلند نیاز به اتصالات با استحکام بالا دارند که این موضوع به نوبه خود نیاز به پیچ و مهره های مستحکم را ضروری می کند. مقدار استحکام بالای پیچ و مهره ها معمولا از طریق کوئنچ (سرد کردن) و تمپر (بازپخت) تحقق می یابد. ریزساختار این گونه محصولات شامل مارتنزیت (ساختاری سخت از فولاد) تمپر شده است. هنگامی که استحکام کششی فولاد شامل مارتنزیت تمپر شده از MPa1200 بیشتر شود، حتی وجود مقدار کمی هیدروژن باعث ترد شدن مرز دانه ها شده و در نتیجه منجر به شکست مواد فولادی در حال استفاده می شود. این پدیده که معروف به شکست همراه با تاخیر است، مانع افزایش استحکام بیشتر پیچ و مهره های فلزی می شود. بالاترین مقدار استحکام آن ها در محدوده ی ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ مگاپاسگال می باشد. تحقیقات بر روی نانو ذرات وانادیم و مولیبدن نشان داده است که این مواد می توانند شکست تاخیری را در پیچ و مهره ها بهبود بخشند. در واقع نانوذرات با کاهش اثر تردی هیدروژنی و بهبود ریزساختار فولاد با کاهش فاز سمنتیت بین دانه ای باعث افزایش استحکام پیچ و مهره ها می شوند.

بحث و نتیجه گیری:

استفاده از فناوری نانو در سازه هایی مانند پل ها و برج ها باعث افزایش خواص مکانیکی این سازه ها شده است. استفاده از نانوذرات مس در ساخت فولاد باعث افزایش استحکام و نقطه ذوب آن می گردد. همچنین این نوع فولادها قابلیت انعطاف پذیری بیشتر و درخشش قابل توجه ای دارند. از فولادهای حاوی نانوذرات مس در ساخت پل ها استفاده ی بسیار زیادی می شود زیرا این نوع فولاد مقاومت به خوردگی قابل ملاحظه ای دارد. اشاره به این نکته ضروری است که نانوذرات در فولادها باعث افزایش نسبت استحکام به وزن می شوند. استفاده از فناوری نانوفلزات در ساختمان سازی باعث تولید کامپوزیت های سبک تر و مقاوم تر ساختمانی شده است. همچنین تولید نانوپوشش هایی که نیاز به نگهداری و تعمییر کمتری دارند. اضافه نمودن نانوذراتی مانند مولیبدن و وانادیم به پیچ و مهره های فولادی باعث افزایش استحکام این تجهیزات شده است.

۳- شیشه و نانوتکنولوژی:

از کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت ساخت شیشه می توان به محصولاتی مانند شیشه های خودتمیز شونده، شیشه های کنترل کننده انرژی و شیشه های محافظ در برابر آتش اشاره کرد. در ساخت شیشه های خود تمیز شونده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده می شود. این شیشه ها دارای خاصیت ضدلک و ضدعفونی کنندگی هستند. ساخت شیشه‌های خود تمیزشونده که حتی مشکل تمیزکاری پنجره‌ها بخصوص در ساختمان‌های بلند را از میان برمی‌دارد، با کمک فناوری نانو حاصل شده است. شیشه های محافظ در برابر آتش از طریق قرار دادن یک لایه شفاف محتوی نانوذرات سیلیس در میان دو صفحه شیشه ای ساخته می-شوند. شیشه های کنترل کننده انرژی سبب کاهش عبور امواج ماورای بنفش و مادون قرمز، و تنظیم عبور نور مرئی و هم چنین جلوگیری از اتلاف انرژی در بخش‌های مختلف و استفاده بهینه انرژی در ساختمان شده است. از طرفی به حفظ و نگهداری ساختمان برای مدت طولانی، و همچنین مقاوم‌سازی آن، حتی در برابر حوادث غیرمترقبه کمک بسیاری می کند.

شیشه و انواع آن:

برای استفاده از خواص فوق العاده نانو مواد ، در اکثر اوقات لازم است، تا بر روی یک بستر مستحکم قرار گیرند. انواع شیشه ها می توانند گزینه خوبی برای این منظور باشند. با ترکیب شیشه ها با خواص متفاوت به همراه نانو ذرات می توان خواص بسیار جالبی از ترکیب آنها بدست آورد. در این قسمت برخی از انواع شیشه های پرکاربرد به عنوان عنوان بستر معرفی خواهد شد. سپس با استفاده از نانو ذرات خواص شگفت انگیزی بر روی شیشه بوجود خواهد آمد.

شیشه ایمن( Safety glass)
دو نوع شیشه امن وجود دارد:
۱٫ لایه لایه ای (لامینت)
۲٫ حرارت دیده–حرارتی

شیشه ایمن لایه ای:
شیشه های ایمن یک لایه نازک انعطاف پذیر پلاستیک شفاف به نام پلی وینیل بوتیرال (pvb) است که در میان دو یا چند تکه از شیشه تحت فشار قرار می گیرد (ساندویچ می شود). غشاء پلاستیک شیشه را در زمان شکست در جای خود نگه می دارد که به کاهش جراحات ناشی از پرتاب شیشه کمک می کند. بانک ها از یک شیشه دو جداره ی لایه ایی به منظور جلوگیری از وارد شدن گلوله تفنگ استفاده می کنند. شیشه ی لایه ای در برابر بیرون افتادن از قاب در مواقع زلزله و طوفان نیز مقاومت می کند.

شکل ۲ – سارقین به راحتی قادر به عبور از شیشه های لمینت نیستند.

شیشه های ایمن لایه ای دو مزیت دیگر نیز دارند:

● انتقال صدا با فرکانس بالا را کاهش می دهد.
● ۹۷ درصد از اشعه UV، (ماوراء بنفش) را می گیرند.شیشه ایمن لایه ای در موارد زیر استفاده می شود.
● دما سنج ها، برای برداشتن دمای بدن
● صفحات برنده (Cutting boards)
● پنجره های گلخانه ها
● چهار دیواری دوش – حمام (Shower enclosures)
● پارتیشن های دفترشیشه ایمن حرارتی:
شیشه ایمن حرارتی تنها یک تکه از شیشه است که به وسیله عملیات حرارتی گرم می شود، سپس سریع سرد می شود و شیشه تبدیل به یک جسم سخت می شود. عملیات حرارتی مقاومت شیشه را تا ۱۰ برابر افزایش می-دهد. وقتی این نوع شیشه ضربه می خورد به تکه های تیز دندانه دار مثل ترکش های یک شیشه عادی یا یک آیینه تبدیل نمی شود. در عوض به تکه های شبیه به سنگریزه تبدیل می شود، بدون لبه های تیز. شیشه حرارتی در پنجره های کناری خودروها استفاده می شود. عینک هایی که از یک شیشه حرارتی استفاده می کنند به وسیله یک عملیات شیمیایی حرارت می گیرند.

شکل ۳ – شیشه ایمن لامینت شده شکسته – شیشه ایمن حرارتی شکسته شده

کاربردهای شیشه های حرارتی ایمن:• مانیتورهای کامپیوتر
• نمایشگرهای کریستال مایع LCD
• نورگیرها
• قفسه های یخچال
• درهای کوره
• درهای مقاوم در برابر طوفاناگر شما عینک آفتابی قطبیده شده به چشم بزنید می توانید به راحتی شیشه ایمن حرارتی را در پنجره های عقب یک اتومبیل در روز آفتابی تشخیص دهید. سرتان را ۹۰ درجه کج کنید. شما یک طرح متقارن که در هنگام عملیات حرارتی شیشه ساخته شده است را خواهید دید.
به هر حال با ورود نانوتکنولوژی به هر حوزه ای می توان خواص و کاربردهای جدید در آن حوزه را انتظار کشید. صنعت شیشه نیز از این امر مستثنی نبوده و شاهد تغیراتی اساسی در تنوع و کارکردهای محصولات بوده که در زیر به چند مورد از آن اشاره خواهد شد.شیشه های ضد لک و آسان تمیز شونده:
پوشش های Nanoprotect AG که در صنعت خودرو سازی کاربرد دارد، موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده و به راحتی می توان سطح آن را تمیز کرد. این روکش همچنین ضدسایش بوده و علاوه بر مقاوم بودن در برابر پرتوهای فرابنفش، از دوامی طولانی برخوردار است. مشکل آلودگی سطوح مخصوصاً در مورد سطوح با انرژی بالا همانند شیشه یا فلز که تمایل به جذب مولکول¬های دیگر دارند، فراگیر است. راهبرد معمول برای حل این مشکل، کاهش انرژی آزاد سطحی این مواد بدون از بین رفتن ویژگی هایی همانند شفافیت است. برای رسیدن به سطوح آسان تمیزشونده باید به طریقی انرژی سطح را کاهش داد. یکی از مثال های آشنای این مورد، روکش های پرفلوئوره ( تفلون ) بر روی ظروف آشپزی نظیر تابه¬های نچسب است. معمولاً زمانی که زاویه تماس آب بالای۱۰۰ درجه است، ویژگی دفع روغن و آب افزایش می یابد.

شکل۴– استفاده از پوشش های ضداثرانگشت بر روی لوازم الکترونیکی

شکل۵ – شیشه های آسان تمیز شونده به راحتی و با فقط یک دستمال ساده تمام آلودگی خود را از دست می دهند.

شکل ۶ – a) زاویه ترشوندگی کوچک و خصلت آبدوستی بالا b) زاویه ترشوندگی بزرگ و خصلت آبگریزی بیشتر

نکته قابل تامل این است که این نوع پوشش های کاهنده انرژی سطحی بر روی موادی چون شیشه قابل استفاده نیست. زیرا اساس استفاده از شیشه، که شفافیت است را به شدت کاهش می دهد. برای رسیدن به شیشه با انرژی سطحی پایین باید از لایه های نازک بر روی سطح استفاده شود، تا شفافیت تغییر قابل ملاحظه ای نداشته باشد. در عین حال بتواند خواص جدید مورد نیاز را نیز تامین کند. برای این منظور می توان از مواد مختلفی استفاده کرد. این مواد باید به گونه ای انتخاب شوند که پس از نشستن بر روی سطح شیشه گروه های آبگریز آن ها ( نظیر متیل، اتیل و … ) به سمت خارج جهت گیری کند، تا ضمن کاهش جذب آلودگی به راحتر تمیز شدن آن نیز کمک کند.
شیشه های خودتمیزشونده با پوشش TiO2:
نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم، عضوی از خانواده بزرگ نانوذرات هستند که به سبب ایجاد خاصیت خودتمیزکنندگی برای سطوح، از ابتدای شکل گیری فناوری نانو، مورد توجه ویژه واقع شده اند. از این نوع فوتوکاتالیست می توان برای ساخت شیشه ها و آجرهای خود تمیز شونده در نمای ساختمان ها استفاده کرد. علاوه بر این با پوشش دهی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر زیرلایه های مناسب، می توان فیلترهای کارآمدی برای از بین برندن بو، تصفیه هوا و آب و فاضلاب ساخت.

پوشش هایی از ماده دی  اکسیدتیتانیوم را با استفاده از روش های گوناگون، بر روی شیشه لایه نشانی می کنند. این پوشش با توجه به خاصیت نیمه هادی اکسیدی دی اکسیدتیتانیوم طی دو مکانیزم متفاوت باعث به وجود آمدن دو خاصیت به شرح زیر می شود. زمانی که پوشش دی اکسیدتیتانیوم بر روی شیشه ها در معرض تابش UV (که بخش اعظم نور خورشید را تشکیل می دهد) قرار می گیرد، آلودگی هایی مانند گرد و غبار و ذرات همراه باران را که به مرور زمان بر روی شیشه باعث آلوده شدن و عدم دید خوب می شود، تجزیه می کند.
خاصیت دومی که این پوشش به شیشه می دهد خاصیت آب دوستی است به این ترتیب که آلودگی های تجزیه شده هیدروکربن های آلی بر روی شیشه، بر اثر بارش باران یا آبی که به صورت مصنوعی بر روی شیشه ریخته می شود، به صورت ورقه ای پایین می آید.

شکل ۷ – سطح ابر آبدوست دی اکسید تیتانیم و قطرات مایع که آلودگی را به راحتی پاک از بین می برند.

استفاده از این نانومواد برای ایجاد پوشش بر روی شیشه می تواند منجر به ویژگی های ذیل برای آن ها بشود:

• پس زدن آب و روغن از روی شیشه
• عدم چسبیدن آلودگی و کثیفی بر روی شیشه
• پاک شدن گل و لای بوسیله آب باران
• عدم رسوب گرفتن شیشه
• ممانعت از خوردگی
• افزایش استحکام و مقاومت شیشه در برابر خش افتادگی
• جلوگیری از تشکیل اثر انگشت روی شیشه

• روشن تر و شفاف تر شدن شیشه تا ۲۰%

• یکنواخت تر شدن سطح شیشه تا ۳۰%
• افزایش دید از طریق شیشه در شرایط بد آب و هوایی
• تمیز باقی ماندن شیشه تا مدت زمان طولانی
• ضد انعکاس

برای پوشش دهی شیشه ها موادی وجود دارد که علاوه بر قابلیت دفع آب و آلودگی، در برابر خش نیز مقاوم است. در ضمن در برابرشوینده های شیمیایی و اسیدهای ملایم نیز مقاوم بوده و تحمل حرارت تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد را دارد. قیمت شیشه ها با پوشش اکسید تیتانیوم حدود ۱۰ درصد بیشتر می شود.

روکش های ضد مه بر روی شیشه:

قرار دادن یک سطح خنک در یک محیط گرم تر موجب ایجاد مه می شود. این اثر غیر قابل اجتناب است، مگر اینکه سطح مورد نظر گرم شود. تشکیل مه در اثر ایجاد قطرات کوچک روی سطح آیینه ای است که موجب انعکاس ذره ای نور می شود. یک سطح ابرآبدوست می¬تواند از تشکیل این قطرات کوچک جلوگیری کند. این قطرات به سادگی با هم ادغام شده و یک لایه نازک آب را روی سطح آینه ای ایجاد می کنند که در این حالت، انعکاس پذیری سطح تغییر چندانی نمی کند. زمانی که روکش های فتوکاتالیزوری دی اکسید تیتانیوم در معرض مقدار مناسبی نور ماورای بنفش قرار گیرند، ابرآبدوست می شوند. در این حالت قطرات بخار آب هرگز روی سطح شیشه ها به صورت قطره جمع نمی شود بلکه به واسطه خصوصیت فوق آبدوستی سطح سریعاً روی سطح پخش شده و یک لایه سنگین آب روی سطح ایجاد می کند. این لایه به واسطه افزایش تدریجی وزن تمایل به سقوط دارد. در این کاربرد خاصیت آبدوستی شیشه توسط دو لایه SiO2 و TiO2 ایجاد می‌شود. ترکیب SiO2 در لایه خارجی قرار دارد و کشش سطحی بین آب و شیشه را کم می کند. دی اکسید تیتانیوم در لایه داخلی قرار دارد و نور خورشید را جذب نموده و مواد آلی را متلاشی می کند. با توجه به ساز و کار ذکر شده این لایه از خود خاصیت خود تمیز شوندگی نشان می‌دهد.

شکل ۹ – آینه هایی خودرو جدید با پوشش دی اکسید تیتانیوم با خاصیت ضدآلودگی و ضد مه و ضد انعکاس نور

شیشه های کم گسیل با پوشش نانویی جهت کاهش مصرف انرژی:

در این راستا می توان با استفاده از روکش های نانویی بر روی شیشه پنجره ها، آن ها عایق و تبادل حرارتی را بهینه کرد و اصطلاحاً به شیشه خاصیت کم گسیل (Low emission) اضافه کرد. در این صورت نقش آنها در کاهش مصرف انرژی غیر قابل انکار خواهد بود.

شکل ۸ – شیشه های کم گسیل باعث مدیریت انرژی می شوند

پوشش نانویی در شیشههای کم گسیل، اجازه عبور بخش مرئی طیف نور خورشید را می دهند، اما طیف حرارتی (امواج مادون قرمز) و امواج مضر (ماوراء بنفش) را منعکس و فیلتر می کنند. این شیشه ها انتقال حرارت ناشی از اختلاف دما که ترکیبی از پدیده های هدایت، جابجایی و تابش است را به مقدار زیادی کاهش می دهند و همچنین انتقال حرارت تابشی (کسب انرژی خورشید) را نیز تحت کنترل دارند.

با توجه به مشخصات مذکور، استفاده از این نوع شیشه، مزایایی از جمله آسایش حرارتی در زمستان و تابستان، کاهش هزینه سالانه انرژی، جلوگیری از ورود اشعه های مضر خورشید همراه با تأمین روشنایی مناسب برای ساختمان و در نتیجه کاهش هزینه مورد نیاز برای روشنایی، را در بر دارد.

شیشه های محافظت شده در برابر آتش:

در مورد جداره های شیشه ای نیز، فناوری نانو به بهبود عمل حفاظت در مقابل آتش کمک می کند. در زمینه مقابله با آتش، همیشه برای شیشه یک نکته منفی وجود دارد و آن شکنندگی، شعله ور شدن و نشر دود ناشی از ذوب شیشه در هنگام وقوع حریق است. با استفاده از نانو ذرات، می توان شیشه های ضد حریق به وجود آورد که در اثر حرارت، یک پوشش اسفنج مانند (فوم مانند) را تشکیل می دهند که محافظت بهتری را در برابر آتش انجام می دهد. این جداره ها در مقایسه با نمونه های قبلی (تکنیک های گذشته) تقریباً ۵۰ درصد سبکتر هستند و اثر ضد حریق آنها ۲ برابر است. بر مبنای این روش، یک نانو ژل شفاف ساخته می شود که فضای بین دو جداره خارجی از آن پر می شود و با قرارگیری در معرض حرارت یک فوم سرامیکی سخت و ریز حفره (ریز متخلخل) با خواص عایقی بالاتری تولید می کند. هنگام آتش سوزی، این ژل متورم شده و یک فوم مستحکم مات ایجاد می کند. نانوذرات سیلیکای پخش شده می توانند مدت زمان حفاظت در برابر آتش را افزایش دهند. مقاومت حرارتی این شیشه به گونه ای است که اگر شیشه ای به ضخامت دو سانتیمتر از این نوع وجود داشته باشد، می تواند حرارت را به گونه ای کنترل کند که اگر در یک سمت شیشه آتش وجود داشته باشد، می توان دست خود را به سمت دیگر چسباند. از کاربردهای این شیشه می توان به سپرهای حرارتی شفاف و مقاوم در برابر آتش اشاره کرد. این سپر ها برای آتش نشان ها بسیار ضروری است. کاربرد دیگر آن در ساختمانهای تجاری، اداری یا حتی منازل است. این نوع از شیشه ها در صورت آتش-سوزی از سرایت آن به مناطق دیگر جلوگیری می کنند. به دلیل کوچکی ذرات نانو موجود در ژل، پراکندگی نور کاهش می یابد و این امر سبب می شود تا شفافیت جداره های ضد حریق حفظ شود. شیشه های ضد حریق به طور آزمایشی در فرودگاه دبی استفاده شده اند. چند رسانه ای زیر به نحوه عملکرد شیشه های عایق حرارتی اشاره دارد.

 پنجره های هوشمند

حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره ها هدر می رود. به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها بر روی پنجره ها متمرکز شده است. مطالعات زیادی برای یافتن روش‌های ذخیره انرژی صورت گرفته و نیاز به ذخیره انرژی باعث شده تا انواع جدیدی از پنجره‌های شیشه‌ای در ساختمان‌ها و همچنین در دیوارهای سالن کنفرانس در اداره‌ها به‌کار برده شود. این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال شیشه¬ای را تصور کنید که قابلیت تغییر از حالت شفاف به حالت کدر، توسط یک کلید را داشته باشد. می توان از این شیشه برای پنجره خانه (در حالت نیاز به ایجاد عدم دید)، برای جلوی فروشگاه ها در شب و همچنین حمام استفاده کرد. با وجود اینکه استفاده از این شیشه خصوصی، هنوز متداول نشده است اما نمونه های زیادی در تمام دنیا وجود دارد. اما پنجره‌های هوشمند موجود، از پنجره های الکتروکرومیک گرفته تا پنجره های با ذرات معلق، همگی به کمک ما شتافته تا به طریق هوشمند به کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان ها و اماکن عمومی کمک کند.

تصور کنید که در یکی از گرم ترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقیماً به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هایی با شیشه های دودی برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک های فتوکرومیک دودی شوند.

شیشه های الکتروکروماتیک دسته ای از شیشه ها هوشمند از الکتروکروماتیک ها بهره می برند. الکتروکروماتیک ها موادی هستند که رنگ آنها در اثر جریان الکتریکی تغییر می کنند. جریان الکتریسته با ایجاد واکنش شیمیایی سبب تغییرات خصوصیات مواد می شود و کاری می کند تا آنها نور را جذب یا منعکس کنند. امروزه از صنعت الکترونیک در ساخت این نوع از شیشه های پنجره استفاده می شود.

نور خورشید به شیشه ها می تابد، اما از طرفی جریان الکتریکی برقرار شده، سبب می شود تا یون ها از لایه ذخیره یونی به سمت لایه هدایت یونی حرکت کرده و به لایه الکتروکروماتیکی رجعت کنند و شیشه را شفاف نمایند. با قطع الکتریسته فرآیند برعکس عمل کرده شیشه مجدداً تیره می شود. یکی از ویژگی مواد الکتروکروماتیکی قابلیت تنظیم آنهاست به طوری که می توان شدت کدری آنها را با تغییر مقدار جریان تنظیم کرد.

شکل۱- تصویر شبیه سازی شده از شیشه های الکتروکرومیک (انواع ذخیره سازهای یونی)

شیشه های هوشمند (نوع کریستال مایع):

ساختمان درونی این شیشه تشکیل شده از دو لایه شفاف قلع به عنوان الکترود می باشد که لایه ای از کریستال مایع بین آنها ساندویچ شده است.

شکل ۲ – از شیشه های الکتروکرومیک می توان برای داشتن محیط های مجزا استفاده کرد.

شکل ۳- نمایش نحوه عملکرد شیشه های الکتروکرومیک (انواع فیلم کریستال مایع)

با گذراندن جریان الکتریسیته از فیلم کریستال مایع شیشه شفاف می شود. با قطع جریان کریستال ها با جهت گیری تصادفی خود در فضا موجب پخش کردن نور ، و در نتیجه مات شدن شیشه می شوند. (شکل ۳)

این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال شیشه ای را تصور کنید که قابلیت تغییر از حالت شفاف به حالت کدر، توسط یک کلید را داشته باشد. می توان از این شیشه برای پنجره خانه (در حالت نیاز به ایجاد عدم دید)، برای جلوی فروشگاه ها در شب و همچنین حمام استفاده کرد. با وجود اینکه استفاده از این شیشه خصوصی هنوز متداول نشده است اما نمونه های زیادی از آن در تمام دنیا وجود دارد.

شکل ۴ – حالت کدر و شفاف برای شیشه الکتروکرومیک که با زدن یک کلید تغییر می کند.

امروزه در فروشگاه عرضه لباس، در اتاق های تعویض لباس از این نوع شیشه استفاده شده است. با این سیستم می توان میلیون ها دلار در گرمایش و سرمایش و نور پردازی فضاها صرفه جویی کرد. در حال حاضر پنجره‌های هوشمند در برخی ساختمان‌ها به‌ کار گرفته می‌شوند. این پنجره‌ها مصرف انرژی را کاهش می‌دهند؛ برای این کار، پنجره‌ها سرمای درون خانه را حفظ کرده و مقدار نور ورودی به داخل را کنترل می‌کنند. یکی از موارد مصرف این پنجره‌ها در موزه‌ها است؛ جایی که ورود بیش از حد نور خورشید می‌تواند موجب آسیب دیدن اشیاء قیمتی شود.

پنجره‌های هوشمند (آرایه‌های نانوسیمی پلی‌آنیلین):

شکل ۷ – عدم اجازه ورود به نور ماورا بنفش و مادون قرمز به درون ساختمان در یک روز گرم

دانشمندان همچنان به تلفیق اکسید قلع ایندیوم در شکل نانو بلور می پردازند. این بلورها در مایعات و حلال‌ها از هم جدا شده و می‌توان از آنها برای پوشش دادن به شیشه استفاده کرد. قلع به این ماده یک بار الکتریکی اضافی داده و الکترونهای آن مسؤول جذب نور مادون قرمز هستند. تغییر حالت جذب کنندگی مادون قرمز شیوه کاملا جدیدی محسوب می‌شود. این پنجره‌های هوشمند، نه تنها به زیبایی و راحتی محیطها کمک کرده، بلکه تاثیرات اقتصادی زیادی بر سرانه مصرف انرژی داشته است.

این نوع از پنجره ها با حفظ شرایط آب و هوایی داخل،‌ در روزهای داغ و سوزان تابستان، مانع ورود نور خورشید به داخل شده و در زمستان با تبدیل به حالت شفاف، اجازه عبور به نور خورشید را داده و انرژی گرمایی را ذخیره می‌کند.

شکل ۸ – تصویری از شیشه های منعکس کننده گرما

پنجره‌های هوشمند موجود، از پنجره های الکتروکرومیک گرفته تا پنجره های با ذرات معلق، با وجود مزایای زیادی که دارند، دارای معایبی نیز هستند که قیمت بالا، کاهش سریع بازدهی، به‌کارگیری مواد سمی و زیان‌آور در فرآیند ساخت از آن جمله است.

محققان در تلاش برای ساخت پنجره‌های هوشمندی که معایب مذکور را نداشته باشد، سیستم جدیدی را ابداع کرده‌اند که در آن از یک پلیمر و از یک حلال، مانند متانول استفاده شده است. این نوع از پنجره‌های هوشمند، ارزان قیمت بوده و در فرایند ساخت آنها از آلاینده‌های کمتری استفاده شده است؛ همچنین از استحکام بالایی نیز برخوردار هستند. از فواید دیگر پنجره‌های هوشمند جدید می‌توان به قابلیت تبدیل سریع و آسان از حالت کاملاً مات به حالت شفاف در چند ثانیه اشاره کرد. این رفتار در میان پنجره‌های هوشمند، بی‌نظیر است و روش جدیدی برای ذخیره‌سازی گرما، سرما و نور با هزینه کم و از طریق مدیریت نورهای عبور داده شده به داخل ساختمان است.

شکل ۹ – شیشه هایی که با اعمال پتانسیل شفافیت آنها تغییر می کند.

یکی از بهترین راههای کنترل اتلاف انرژی استفاده از پنجره های هوشمند است. پنجره‌های هوشمند طوری طراحی شده اند که می توانند با محیط تعامل و سازگاری داشته باشند، مثلاً گرمای بیش از حد را دفع خواهند‌کرد. چنین شیشه هایی در ماه‌های گرم که هزینه مصرف انرژی به خاطر تهویه‌ هوا بالا است مناسب هستند. پنجره‌های رنگی حساس به نور (فوتوکرومیک) که پرتوهای خورشید را دفع می‌کنند سالهاست ساخته شده اند. هم اکنون پوشش‌های نازک نانومتری دی‌اکسید وانادیوم مخلوط شده با فقط ۹/۱% فلز تنگستن در پنجره‌ها استفاده می شود و به عنوان انعکاس دهنده‌های گرما عمل کنند، در حالی‌که هم‌چنان تمام نور مرئی را از خود عبور می‌دهند. ضخامت نانومتری و مخلوط پوشش می‌توانند دقیقاً تعیین کنند که در چه دمایی، حرارت منعکس شود. این به این معنا است که ادارات و منازل می‌توانند بدون استفاده بیش از حد از سیستم های تهویه گران قیمت، خنک باقی بمانند و هزینه‌ها را هم به طور چشمگیری کاهش دهند.

۴- پوشش های کاربردی:

صنعت ساخت و ساز این قابلیت را دارد که از فناوری نانو به منظور کاهش هزینه های ساخت و تعمیر و نگهداری و کاهش هزینه های انرژی استفاده نماید. موادی که در ساخت ساختمان به کار می روند باید در مقابل نیروهای وارده حداکثر استحکام و مقاومت را داشته باشند و در طول زمان کارایی خود را حفظ کنند . ضمناً همواره مطلوبست که هزینه های ساختمان همزمان با افزایش کارایی مواد، کمتر شود. ایمنی ساختمان در برابر زلزله و میزان صرفه جویی در انرژی بسیار ضروری به نظر می رسد. وقتی که رقابت در بین سازندگان شدیدتر می شود می توان از فناوری نانو برای خلق قابلیت هایی مانند خودتمیزشوندگی، کنترل و کاهش اتلاف انرژی به کمک عایق ها، تامین و ذخیره انرژی، کنترل آلودگی های، جلوگیری از خوردگی و کاهش امواج صوتی مزاحم و … کمک گرفت. بنابراین در این قسمت به بررسی پوشش هایی با کاربرد ی در این زمینه ها می پردازیم. به عنوان مثال به بررسی روکش های مقاوم در برابر آتش سوزی خواهیم پرداخت، سپس به بحث کوتاهی در کاربرد نانوتکنولوژی در عایق کاری ساختمان ها می پردازیم. بعد از آن بحث روکش-های ضد سایش و خراش را با هم پی می گیریم و در نهایت به روکش هایی خواهیم پرداخت که می توانند بر روی پشت بام ها نصب گردند و با استفاده از نور خورشید الکتریسیته تولید کنند.

انواع روکش های کاربردی و کاربردهای آن در صنعت ساختمان
روکش های انسدادی مقاوم در برابر آتش

ثابت شده  است که افزودنی های نانو همچون نانوذرات رس ( Clay ) می توانند به عنوان عوامل ضدآتش در پلیمرها به کار رفته و یا عملکرد عوامل ضدآتش فعلی را بهبود بخشند. این نانوکامپوزیت ها در اثر سوختن، پوسته ای غیرقابل اشتعال تولید می کنند که به عنوان مانعی در برابر گازهای ناشی از حرارت عمل می کنند. به علاوه این افزودنی ها از چکیدن پلیمرهای در حال سوختن جلوگیری می کنند. و در نهایت با ایجاد یک لایه ضد نفوذ مانع رسیدن اکسیژن به بستر در حال سوختن می شوند. که هر سه مورد برای مهار آتش ضروری هستند.

شکل ۱ – مقایسه دو بنای چوبی که یکی از آنها با پوشش های ضدحریق پوشش داده شده

روکش های عایق حرارتی:

مبنای مواد عایق، بر دارا بودن تعداد زیادی از حفرات است که تا حد امکان بتوانند هوا را در میان خود نگه  دارند. مواد عایق، از خاصیت رسانش پایین هوا استفاده کرده و جلوی جریان آزاد هوا را می گیرند. بنابراین چگالی این مواد از اهمیت بالایی برخوردار است. هر چه چگالی کمتر باشد، هوای بیشتری درون ماده محدود شده و در نتیجه خاصیت عایق بندی آن افزایش می یابد. توانایی عایق بندی یک ماده مشخص همانند پشم شیشه را می توان با ضخیم کردن لایه عایق افزایش داد.

شکل۲ – میزان و منابع اتلاف انرژی در ساختمان

در این عرصه، مواد نانوحفره ای ویژگی های بسیار جالبی ارائه می دهند. آئروژل های سیلیکایی پایین ترین رسانایی و چگالی را در میان مواد جامد دارا هستند. برخی این مواد را دود منجمد شده می نامند. رسانایی حرارتی آنها می تواند تا حد W/(m.K) 016/0 پایین بوده و چگالی ۰٫۰۰۵ – ۰٫۲ گرم بر سانتی متر مکعب داشته باشند.

شکل ۳ – نمایش قدرت عایق های حرارتی جدید بر پایه آیروژل های سیلیکایی

این مواد، با استفاده از فرایند سل ژل ( رجوع شود به بخش سنتز نانو مواد مقالات سنتز نانو ذرات به روش سل ژل ) تولید می شوند. با این حال آئروژل سیلیکایی بسیار شکننده بوده و تولید آن بسیار گران است. بنابراین، عایق های انعطاف پذیرتر و ارزان¬تری تولید شده اند که توانایی عایق بندی بسیار بالایی داشته و می توانند بسیار باریک تر از مواد عایق معمول باشند. از جمله این مواد می توان به فیبرهای عایق اشاره کرد.

عایق حرارتی نانویی به صورت رنگ:

یک نمونه ساده از اهمیت های غیر تفننی رنگ را می توان در میزان انرژی جذب و نشر متفاوت آنها دانست. رنگ یک طبیعت موجی دارد. امواجی که آنها را امواج الکترومغنطیسی می نامیم با طول موج های مختلف به سطح ماده ای که روی سطح ساختمان قرار گرفته اند برخورد می کند. ماده فقط امواجی با سطح انرژی های خاص را جذب می¬کند و موجهایی با سطوح انرژی دیگر را نمی پذیرد. رنگی که از ماده می بینیم از امواجی است که ماده آن را نپذیرفته یا جذب نکرده است. هر موجی صاحب مقدار معینی انرژی است. می توان با انتخاب رنگ مناسب در داخل و خارج خانه میزان تبادل انرژی را از داخل خانه به بیرون یا بالعکس را کنترل کرد.

شکل ۴ – امروزه رنگ ها تنها رنگ نسیتند!

عایق حرارتی نانو، ماده جدیدی از فناوری نانو می باشد که محافظ و عایق حرارتی مناسبی در مقابل هر سه نوع انتقال گرما شامل تابش، رسانش و همرفتی است. خصوصیت ویژه این محصول، مایع بودن آن است که امکان استفاده از آن را بر روی سطوح فلزی و غیر فلزی توسط پیستوله، برس و رول های نقاشی فراهم می کند و با صرف هزینه نسبتاً کمی، می توان حتی از آن در ساختمان های در دست بهره برداری نیز استفاده نمود و هیچ گونه تغییر ظاهری نیز در ترکیب ساختمان ایجاد نمی کند.

شکل ۵ – استفاده از رنگهای عایق حرارتی بر روی سطوح

شرکت آمریکایی Industrial Nanotech این امکان را فراهم کرده است که با رنگ کردن، عایق کاری صورت گیرد. این شرکت محصولی تولید کرده که برای عایق کاری تأسیسات، لوله ها و مخازن به کار می رود و هم چنین محصولات مشابهی برای مصارف خانگی به بازار عرضه کرده که با استقبال باورنکردنی مواجه شده است. این رنگ به روش های بسیار ساده اسپری، رول یا قلم مو اعمال می شود و از ورود و خروج گرما و سرما از مکانی به مکان دیگر جلوگیری می کند. لازم به ذکر است که ماده اصلی به کار رفته در بیشتر رنگهای عایق حرارتی پودر آیروژل است که به روش سل ژل تهیه می گردد. آیروژل ها دسته ای از مواد عایق هستد که به دلیل چگالی بسیار پایین و داشتن خلل و فرج بسیار بالا، بهترین عایق حرارتی شناخته شده تا کنون است. برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید به مقالات مرتبط با این موضوع مراجعه کنید. (رجوع شود به بخش سنتز نانومواد، مقالات سنتز نانو ذرات به روش سل ژل).

تولید کننده دیگری یک روکش سرامیکی متخلخل عایق حرارتی به صورت اسپری حرارتی از جنس زیرکونیوم پایدار شده با ایتریوم را برای موتورهای توربین گازی صنعتی و هواپیماها تولید می کند تا قطعات فلزی داغ را از گاز داغ جدا کند.

شرکت آمریکایی Mascoat Products از سرامیک های در ابعاد میکرو برای تولید عایق های حرارتی و ضدخوردگی که اسپری می شوند، استفاده می کند.

روکش های مقاوم در برابر خراشیدگی و سایش:

محافظت در برابر ساییدگی و ترک خوردگی:
با کاهش اصطکاک یا افزایش استحکام سطحی با استفاده از روکش ها می توان میزان ساییدگی یا ترک خوردگی سطحی در اثر تماس های مکانیکی را کاهش داد.

شکل ۶ – استفاده از نانو ذرات الماس در روغن های جدید مانع سایش می شود.

ضریب اصطکاک می تواند با استفاده از روکش های کربنی کاهش یابد. این روکش های بی شکل، سختی را تا حد۲۰ گیگاپاسکال افزایش می دهند. راهکار دیگری مثل سطوح شبه الماس (DLC) بر بافت سطحی مواد استوار است، که اصطکاک را تا حد زیادی کاهش می دهد.

محافظت در برابر خراشیدگی:

می توان با استفاده از نانوذرات سختی همچون دی اکسیدسیلیس، روکش های مقاوم در برابر خراشیدگی تولید کرد. به عنوان مثال، می توان این نانوذرات را در یک بستر آلی وارد کرده و مقاومت رنگ لاکی حاصل را در برابر خراشیدگی افزایش داد.

شکل ۷ – زمین های ورزشی که در معرض سایش و خراش قرار دارند

استفاده از فناوری نانو جهت ایجاد سقف ساختمان:

یکی از مهم ترین بخش های یک واحد ساختمانی که نقش به سزایی در عملکرد بهینه ساختمان دارد، سقف و پوسته ساختمان است. استفاده از تکنولوژی های برتر در این بخش، یکی از مزایای رقابتی پیمان کاران ساختمان ها است.

فناوری نانو با استفاده از آیروژل ها تاکنون در این بخش نوآوری هایی داشته و کمک هایی مانند مقاوم سازی، عایق سازی حرارتی و رطوبتی، خاصیت خودتمیزشوندگی و از بین بردن آلودگی ها را به این بخش از ساختمان داده است. از طرفی پیشرفت های به وجود آمده در کوچک کردن ابعاد و افزایش راندمان سلول های خورشیدی به وسیله فناوری نانو، زمینۀ استفاده از سطح وسیع سقف ساختمان ها جهت تأمین انرژی آنها را نیز فراهم کرده است.

شکل ۸ – استفاده از پوشش های عایق حرارتی در سقف ساختمان ها

امروزه پوشش هایی برای سقف ساختمان تولید می شود که در برابر عوامل تخریبی محیطی و شرایط بد آب و هوایی مقاوم بوده و همچنین از ایجاد میکروارگانیسم ها و خزه نیز بدون اینکه اثرات قارچ کش های متعارف را داشته باشد جلوگیری می نماید. ضمناً این پوشش حرارت خورشید را بازتاب می نماید و لذا در بهینه سازی مصرف انرژی نیز تأثیرگذار است.

شرکت Nanosolar تکنولوژی سریع و آسان چاپ سلول های خورشیدی را با استفاده از نانوذرات و نقاط کوآنتومی توسعه داده است. باتوجه به اینکه این سلول ها به راحتی روی فویل های فلزی منعطف به ابعاد دلخواه چاپ می شوند، می توانند با نصب مدارهای لازم، بر روی سقف ساختمان ها استفاده شده و بخشی از انرژی آن را تأمین کنند.

شکل ۹ – استفاده از سلول های خورشیدی در جهت تامین انرژی مورد نیاز

امروزه تولیدکنندگان زیادی از رس قطعات سفالی سقف را ساخته که خودتمیزشونده هستند. با استفاده از نانوذرات فوتوکاتالیست، وقتی این قطعات در پشت بام استفاده می شوند از سطح آنها ذرات خاک، چربی، دوده، جلبک و خزه با کمک نور خورشید از بین رفته و با اولین باران به سادگی پاک و تمیز می شود.

روکش های فتوولتائیک به عنوان سقف ساختمان:

دی اکسید تیتانیوم یک ماده معمول برای روکش های فتوولتائیک است. این ماده یک پخش کننده غیراختصاصی نور و یک جاذب نور ماورای بنفش است. ویژگی اول موجب می شود که دی اکسید تیتانیوم یک ماده بسیار خوب برای رنگ سفید باشد و ویژگی دوم نیز موجب ایجاد ویژگی خودتمیزشوندگی و محافظت در برابر نور ماوری بنفش می گردد.

شکل ۱۰ – استفاده از سلول های خورشیدی بر روی سقف ساختمان های امروزی

دی اکسید تیتانیوم یک ترکیب نیمه رسانا است که در سه شکل شیمیایی وجود دارد: آناتاز، روتیل و بروکیت. فقط دو نوع اول این ماده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. با وجودی که شکاف باند آناتاز کمی بزرگ تر از شکاف باند روتیل است، ( ۳٫۲ الکترون ولت در برابر ۳ الکترون ولت) فعالیت فتوولتاییکی آن بیشتر است. به همین دلیل، آناتاز معمولاً به عنوان فتوکاتالیست، و روتایل به عنوان رنگ دانه سفید مورد استفاده قرار می گیرند.

فعالیت فتوکاتالیستی این ماده مبتنی بر جذب نور ماورای بنفش در محدوده بالاتر از ۳٫۲ الکترون ولت است که معادل طول موج های کمتر از ۳۸۸ نانومتر می باشد.

در اثر جذب نور ماورای بنفش، الکترون ها به باند رسانایی منتقل شده و در نتیجه یک حفره در لایه والانس ایجاد می شود. در مواد غیرفتوولتاییک حامل های بار (الکترون و حفره) بلافاصله دوباره با هم ترکیب می شوند. اما اگر زمان بازترکیب مجدد به اندازه کافی طولانی باشد، الکترون ها و حفره ها می توانند موجب ایجاد رادیکال های آزاد شوند. در نتیجه می توان از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم برای تولید پیل های خورشیدی انعطاف پذیر استفاده کرد. روکش دهی سطوحی همچون سقف ساختمان ها و روی شیشه ها با این پیل های خورشیدی امکان تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید را فراهم می آورد. امروزه این روکش ها به صورت پیش ساخته قابل خریداری و نصب بر روی سقف ساختمان ها است. که در انواع مختلف قابل عرضه می باشد.

پوشش های کاربردی

فناوری نانو در عمران و ساختمان سازی می تواند باعث استحکام بیشتر، ظاهر بهتر، کنترل فرسایش، کاهش مصرف و کاهش اتلاف انرژی و پاک و پاک کننده بودن یک خانه برای محیط زیست گردد. در این مقاله سعی بر آن است تا تعدادی کاربردهای نوین نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان معرفی گردد تا بتوان با استفاده از آن تحولی عظیم، را در صنعت ساخت و ساز کشور شاهد باشیم.

کاشی‌های تغییر رنگ دهنده برای جلوگیری از هدررفتن انرژی

اگر تا‌به‌حال در یک روز آفتابی با پای برهنه به پشت‌بام خانه‌ی خود رفته‌باشید، با سوزش پای خود متوجه این پدیده می‌شوید که سطوح تیره گرما را جذب می‌کنند. این پدیده در زمستان می‌‌تواند برای ما خوب باشد؛ چرا که باعث کاهش هزینه‌ی سوخت می‌گردد. اما در تابستان با گرم‌ترکردن خانه، باعث استفاده‌ی بیش‌از‌حد از سیستم خنک‌کننده گردیده و خوشایند نمی‌باشد. دلیل این‌که بیشتر مردم تمایل به پشت‌بام‌های به رنگ سفید دارند، این است که از نظر بهینه سازی مصرف انرژی، مناسب‌تر می‌باشند. مسئله‌ی هدررفتن انرژی، مسئله کوچکی نیست که بتوان آن را نادیده گرفت.

استیو چو، وزیر انرژی امریکا، که از طرفداران سرسخت رنگ سفید برای پشت‌بام ساختمان‌ها می‌باشد، در این رابطه می‌گوید:

در‌صورتی‌که پشت‌بام‌های تمام ساختمان‌های دنیا به رنگ سفید درآید، انتشار گازهای گلخانه‌ای در طول بیست سال را به اندازه‌ی یک سال تولید جهانی کاهش می‌دهد. اما برخی دیگر معتقدند که مثلاً در شهرهای شمالی و سردسیر دنیا، اتلاف زمستانی می‌تواند مهم‌تر از بهره‌ی تابستانی باشد. بنابراین راه حل ایده آل، آن است که در گرما از رنگ سفید و در سرما از رنگ مشکی برای پشت بام استفاده شود.

شکل ۱ – امروزه آلودگی هوا یکی از مهمترین دغدغه های بشر است

دانشجویان دانشگاه MIT ، کاشی‌هایی را ابداع کرده اند که بر مبنای تغییر دما، تغییررنگ می‌دهد؛ یعنی به هنگام گرم‌شدن، سفید شده و بخش اعظم گرمای خورشید را منعکس می‌کنند و موقع سردشدن نیز سیاه شده و گرما را جذب می‌کنند.

در این طرح از محلول آبی نوعی پلیمر تجاری که معمولاً در ژل‌های مخصوص مو به کار می‌رود، استفاده شد. نمونه‌ی اولیه‌ی این محلول، در محفظه‌ای بین لایه‌های شیشه و پلاستیک و نمونه‌های بعدی بین لایه‌های پلاستیکی انعطاف‌پذیر با یک لایه‌ی سیاه در پشت محفظه قرار داده شد.

زمانی‌که دما از حدی پایین‌تر باشد (با تغییر فرمولاسیون می توان این دمای حدی را، تغییر داد)، پلیمر به صورت محلول باقی‌مانده و سطح سیاه از میان آن رویت می‌شود، و می تواند نور خورشید را بهتر جذب ‌کند. اما هنگامی‌که دما بالا می‌رود، پلیمر متراکم شده و به قطرات کوچکی تبدیل می‌گردد که این قطرات به دلیل کوچک بودن، نور را پخش نموده و سطح سفیدی را ایجاد می‌کنند که گرمای خورشید را بازمی‌گرداند.

شکل ۲ – کاشی هایی با روکش پلیمری که متناسب با دمای هوا تغییر رنگ می دهند

هم‌اکنون سعی بر آن است تا بتوان محلول پلیمری را در محفظه‌های کوچک‌تری با حفظ خاصیت تغییر رنگ‌پذیری‌شان، قرار داد تا قابلیت پوشش‌دهی هر سطحی به صورت اسپری یا حتی با قلم مو، مثل یک رنگ معمولی، فراهم شود. دراین‌صورت با هزینه‌ی کمتری می‌توان این کپسول‌های کوچک را بر روی هر سطحی به کار برد.

روکش های ضد خوردگی فولاد:

یکی از معضلات اصلی در رابطه با به کارگیری قطعات از جنس فولاد ضدزنگ، مسأله خوردگی است. این مقوله به خصوص در محیط های ساحلی و رطوبت خیز، اغلب باعث ایجاد تغییر رنگ قطعه به قهوه ای یا جلبکی می شود. چراکه در شرایط مرطوب و ساحلی، آلودگی نمک در ساحل باعث خوردگی لایه آخر فولاد شده و لایه های بعدی به رشد لکه های جلبکی کمک می کنند. البته ممکن است که این زنگ زدگی ساحلی در کوتاه مدت روی ساختار یا طول عمر این مواد تأثیرگذار نباشد. اما حداقل روی زیبایی بصری طراحی سازه های ساحلی مؤثر است.

شکل ۳ – شدت خوردگی فولاد در محیط های ساحلی با غلظت رطوبت بالا، بسیار شدیدتر است

شکل ۴ – نمایش تهیه، و شبیه سازی های مربوط به روکش دهی فولاد

استفاده از ممانعت کننده ها و بازدارنده های خوردگی بتن نیز به دو دهۀ اخیر برمی گردد. مصرف بعضی از این مواد، همچون نیترات کلسیم و نیترات سدیم جنبه تجارتی یافته است. به هرحال، عملکرد این مواد در تاخیر انداختن خوردگی در تحقیقات آزمایشگاهی و نیز در محیط های واقعی مناسب بوده است.

شکل ۵ – استفاده از روکش های بازدارنده از خوردگی بتن می تواند سرعت خوردگی بتن را به صورت قابل ملاحظه ای کاهش دهد.

بازدارنده های دیگری از نوع آندی و کاتدی مورد آزمایش قرار گرفته اند. ولی به دلیل گرانی زیاد، هنوز کاربرد صنعتی پیدا نکرده اند. برای محافظت بیشتر آرماتور و کم کردن نفوذپذیری، روکش های مختلف سطحی نیز، روی بتن آزمایش و به کار گرفته شده است. این روکش ها که اغلب پایه سیمانی و یا رزینی دارند، با دقت روی سطح بتن اعمال می گردند. عملکرد دوام این روکش ها، به شرایط محیطی وابسته است. روی هم رفته، روکش های با پایه سیمانی، هم ارزان تر بوده و هم به علت سازگاری با بتن پایه، پیوستگی و دوام بهتری در محیط های خورنده و گرم نشان می دهند.

به عنوان مثالی از کاربرد مواد نانوروکش در بتن، می توان به مورد زیر اشاره کرد، که یک نوع روکش آبگریز است که مانع نفوذ آب به درون بتن می شود. این مواد می تواند شامل ترکیبات دی آلکوکسی های اکسید های سیلسیم باشند. این روکش آبگریز همچنین، خاصیت ضد سایش دارد و در برابر تغییرات دمایی مقاوم است. این پوشش همچنین، با آّب یا شوینده های معمولی پاک نمی شود.

شکل ۶ – روکش های ضد آب مانع ورود رطوبت به داخل بتن و خوردگی فولاد و در نتیجه ترک خوردن بتن می شود

ترکیبات نانویی نظیر بنزوتری‌‌آزول توانسته اند با ایجاد خواص ضدخوردگی و دافع رطوبت، این معضل را حل کرده و هزینه های تعمیر و نگهداری این سازه ها را که به علت خوردگی و زنگ زدگی تحمیل می شوند، را کم کنند. فناوری Liquid nanotechnology پوششی است که اخیرا در آمریکا توسعه داده شده است و سطوح فلزی را در برابر اشعه UV مقاوم می کند و در نتیجه لایه رویی فلز خورده نمی شود.
اخیرا روکش هایی به بازار عرضه شده اند که در دمای اتاق و به راحتی و بدون زیرسازی به عنوان پوشش روی فلزاتی از جمله فولاد، روی و آلومینیم می توان به کار گرفته شود. یک دسته ویژه از این نانو روکش ها از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در بستری از پلیمرهای باردار نظیر پلی‌اتیلن آمین و یا سولفانات پلی‌استایرن بدست می آید. استفاده از این پوشش باعث افزایش فوق العاده مقاومت در برابر خوردگی می شود. برخی از این روکش ها بدون مواد نفتی بوده و ضمن از بین بردن همه لکه ها و خوردگی ها، سطح را بسیار صیقلی کرده و از خوردگی و ایجاد لک ها تا چندین سال جلوگیری می کند.افزایش ماندگاری چوب با استفاده از فناوری نانو:
قطع بی رویه درختان و دسترسی کمتر به چوب، در کنار شرایط آب و هوایی خاص، مانند گرم و مرطوب و دیگر عوامل محیطی که در طی گذشت زمان ممکن است باعث از بین رفتن کارایی چوب گردد، ما را به استفاده از فناوری های نوین که باعث بهبود این مواد و افزایش طول عمر آنها می شود، ناگزیر می کند.

شکل ۷ – نانو روکش بر روی کفپوش های چوبی می توانند آنها را ضد آب و در برابر پوسیدگی، آلودگی و خراش حفاظت کند.

پیش بینی درآمد جهانی نانوروکش ها در صنعت ساخت و ساز برحسب میلیون دلار ۲۰۰۶ تا ۲۰۱۵

۵- سطوح آنتی باکتریال و کاربرد آن در ساختمان:

صنعت ساختمان ارتباط بسیار نزدیکی با سلامت جامعه دارد. از نانو ذرات نقره و نانو ذرات مس با توجه به خاصیت آنتی-باکتریال آنها می توان در صنعت ساختمان سازی استفاده نمود و خصوصیات منحصر بفردی به سطوح ساختمانی بخشید. این ماده در مقایسه با دیگر روشهای آنتی باکتریال کردن دیگر مثل استفاده از مواد شیمیایی و شوینده بسیار موثر تر عمل می کند. فرآیندهای فعلی گندزدایی عوامل زیستی پیچیده، طاقت فرسا، و گران هستند. برای فرار از انجام این فرآیندها روکش های جدیدی ساخته شده که به صورت مداوم می تواند سطوحی را که در معرض عوامل زیستی همانند هاگ ها قرار دارند را ضدعفونی کند. می توان از این روکش ها در محدوده وسیعی از کاربردهای نظامی و امنیتی نیز استفاده کرد. این روکش ها با استفاده از روش های معمول، روی سطح اعمال می شود.
افزودنی های روکش ها در مقیاس نانومتری طراحی می شوند، تا اجزای ضد میکروبی در سطح تماس هوا قرار گرفته و بهترین برهمکنش را با عوامل بیماری زا داشته باشند. این افزودنی ها حاوی مقدار بسیار کمی اجزای ضدمیکروبی هستند. میزان تاثیر این مواد به میزان سطح تماس آنها با محیط وابسته است. در این حالت آلودگی و مواد روغنی روی سطح، با تابش نور خورشید به سطح تجزیه شده و از بین می رود. این ماده می تواند دی اکسید تیتانیوم باشد.

برچسب ها : بتن های خود ترمیم شونده, شیشه و نانوتکنولوژی, فناوری نانو و جوشکاری, فناوری نانو و فولاد, کاربرد نانو فناوری در بتن, نانو الیاف ها, نانو پوشش ها, نانو ذرات سیمان, نانو کابل ها, نانو و پیچ و مهره ها