نوشته های مشابه
کاربرد نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی
تاریحچه نانوکاپوزیت ها
نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی بر پایه پلیمرها (ماتریس پلیمری) اولین بار در سالهای ۷۰ معرفی شدند که از فن آوری سول- ژل جهت انتشار دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شد. هرچند پژوهش های انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای دهه ۸۰ صورت گرفت، ولی رشته نانو کامپوزیت پلیمر همچنان در مرحله جنینی و در آغاز راه به سر می برد. نانو آلومینا بهترین ساختار نانویی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد. زیرا ا نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی 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 دو نمونه اشاره کرد:
- فن آورینانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری، الیاف نانویی آلومینا، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است.
- ذرات نانویی غیر فلز مانند: نانوسیلیکا، نانوزیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها
نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی
نانوکامپوزیت ها موادی هستند که ذراتی در مقیاس نانو را در قالب مواد استانداردی مانند پلیمر ها ترکیب می کنند. پلیمر به جسمی گفته می شود که از ترکیب مواد مشابه و از تکرار واحد های ساختمانی یکنواخت ایجاد شده باشد. با ترکیب نانو ذرات می توان به ویژگی های خاصی دست یافت، یعنی می توان استحکام مکانیکی، دوام و رسانایی الکتریکی و گرمایی را بر حسب نیاز تغییر داد. مزیت نانوذرات این است که حتی اضافه کردن مقدار زیادی از این مواد، وزن ماده مورد نظر را نیم تا ۵ درصد افزایش می دهد که این مقدار تا حدی قابل چشم پوشی است. تا کنون نانو کامپوزیت های کمی وارد مرحله تجاری شده اند و بیشتر آنها هنوز در مرحله آزمایش و بررسی قرار دارند. نانوکامپوزیت هایی که شامل نانو ذراتی مانند فیلترها، نانوتیوب ها ونانو فیبرهای کربنی و گرافیت می شوند، استفاده گسترده ای در صنعت پلاستیک دارند.
چگونگی کارکرد نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی
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 منحصربفرد این مواد بدست می آید. هر چه ذرات ریزتر باشند ویژگیها بسته به هدف و کاربرد مورد نظر به طرز شگفت انگیزی می توانند بهبود یابند.
کاربردهای کنونی نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی
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 مزیت های استفاده ار نانوکامپوزیت به شکل تجاری به شرح زیر است:
- توسعه موادی حجم وسیع تر با هزینه کمتر
- تولید موادی با هزینه کمتر و کارایی بیشتر
- توسعه سریع تر و کم هزینه تر از روش های تحلیلی
- تسلط بر علم جریان و تغییر شکل ماده در کامپوزیت های پلیمری
- افزایش استحکام بدون افزایش حجم
- پیشگویی مدل سازی جهت/جریان
بتن با کارآیی بالا (HPC1)
یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا(HPC) می باشد. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. بنابراین، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد. روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد. در مورد بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر، بتن با عملکرد بالای چند منظوره(MHPC)خواص اضافه دیگری را دارا می باشد، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و … را نام برد.
نانوسیلیس آمورف
در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا ایفا می کند. محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود ۱/۰ تا ۱ میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود ۹۰% می باشد. می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود. محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر یا بصورت ذرات خشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند:
- ضد سایش
- ضد لغزش
- ضدآتش
- ضد انعکاس سطوح
آزمایش ها نشان داده که واکنش مواد نانو سیلیس با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد. تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی در بخش اصلاح خواص ریولوژی، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است. آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده ۵ تا ۱۰۰ نانومتر می باشد.
نانوذرات رس
برخی از انواع نانوذرات درچسب های (ملات های) مختلف ونحوه تاثیر آنها برروی ویژگی های کلیدی مرتبط با فرسایش بتن، مانند ممانعت ازانتقال یون های کلر، مقاومت دربرابر دی اکسید کربن، پخش بخار آب، جذب آب وعمق نفوذ هدایت می شوند. نوعی حلال متشکل از رزین اپوکسی باوزن ملکولی پایین ونانوذرات رس، نتایج امیدوارکننده ای را در این زمینه نشان داده است .
نانوذرات اکسید آهن یا هماتیت
درصورت اضافه نمودن نانوذرات اکسید آهن به ماتریس بتن علاوه بر افزایش مقاومت بتن، پایش سطوح تنش بتن را ازطریق اندازه گیری مقاومت الکتریکی برشی امکان پذیر می سازد .
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم هم برای بهبود ویژگی های بتن در نمای ساختمان ها به عنوان پوشش بازتاب کننده مورد استفاده قرار می گیرد. این نانو ذرات ازطریق واکنش های فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده های آلی، ترکیبات آلی فرار وغشای باکتریایی هستند، به همین جهت برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان ها وشیشه ها اضافه می شوند. بتن حاوی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است و این درخشندگی رابطور موثری حفظ می نماید. درحالی که ساختمان های ساخته شده بابتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.
کاربرد نانو در تولید حسگرها
حسگرها ی مبتنی برفناوری نانو نیز می توانند به نوبه خودکاربردهای زیادی در سازه های بتنی داشته باشند، برای کنترل کیفیت ودوام بتن، این حسگرها می توانند برای هدف های مختلفی نظیر، اندازه گیری چگالی، میزان افت بتن، پارامترهای موثر دردوام بتن مانند، دما، رطوبت، غلظت کلر، پی هاش، دی اکسیدکربن، تنش، خوردگی میلگردها وارتعاش طراحی شوند.
کاربرد نانو در صنعت فولاد
فولاد یکی از فلزات بسیار مهم در صنعت ساخت وساز است. تحقیقات نشان داده است اضافه نمودن نانو ذرات مس به فولاد از ناهمواری های سطحی فولاد می کاهد و درنتیجه تعداد عوامل افزایش دهنده تنش ودر نهایت ترک خوردگی های ناشی از خستگی سازه هایی مانند پل ها و برج ها، که در آنها بارگذاری به طور متناوب انجام می گیرد رامحدود می سازد.
کاربرد نانو در صنعت سیمان
اخیراً تولیدکنندگان سیمان دریافته‌اند که کاهش اندازه ذرات سیمان تا ابعاد نانو مقیاس، موجب تسریع در سفت شدن آن می‌شود، لذا گروهی از محققان سوئیسی با استفاده از روش فاز گازی و سنتز به شیوه تزریق شعله‌ای، به روشی برای آماده‌سازی مستقیم و تک مرحله‌ای نوعی سیمان نانوذره‌ای از جنس نانوذرات سیلیکات کلسیم (همان ترکیب سیمان پورتلند معمولی) دست یافته‌اند که واکنش‌پذیری اولیه آن ده برابر بیش از سیمان‌هایی است که به روش‌های معمولی تهیه شده‌اند، البته این سیمان بسیار متخلخل بوده و پایداری‌اش 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 واکنش، نانوذراتی با اندازه‌های مختلف (به‌طور متوسط یک سوم ذرات مشابه در سیمان معمولی) دارد، همچنین اندازه کوچک این ذرات موجب تغییر کامل رفتار هیدراسیون این سیمان شده و در نتیجه ضمن حفظ همان واکنش‌های ترمودینامیکی، واکنش‌های سینتیکی متفاوتی را خواهد داشت. دانشمندان امیدوارند به‌رغم تخلخل بالای این مواد، بتوانند با توجه به واکنش‌پذیری اولیه بسیار خوب آنها، کاربردهای جدیدی را به‌ویژه در مواردی که کوتاه بودن زمان سفت شدن حائز اهمیت است به وجود آورند. هم‌اکنون از این نانوسیمان متخلخل در نوسازی یا عایق‌کاری کاربردهایی که نیاز چندانی به استحکام در برابر فشردگی ندارند و ترکیب آنها با مواد معمولی به بهبود سخت شدگی آنها کمک می‌کند، استفاده می‌شود، همچنین این سیمان در کاربردهای هزینه‌بر کوچک‌مقیاس به‌ویژه اتصالات ساختمانی یا به‌صورت ترکیبی با فرمو‌ل‌ها موجود که به تسریع کار آنها کمک می‌کند نیز کاربرد دارد .
نانولوله ها
معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند. امروزه از الیاف فلزی، شیشه ای، پلی پروپلین، کربن و . . . در بتن برای مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن به وسیله نانو لوله ها استفاده کرد . نانو لوله کربنی توسط سومیو لیجیما در سال ۱۹۹۱ کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می کند. کربن ۶۰ و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند به طوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند. نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند، به طوریکه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود ۱۰۰۰ برابر فلز مس می باشد. نانو لوله ها طبقه جدیدی از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره، بازی می کنند.
نانوپوشش های سنگ وچوب
این نانوپوشش 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 و سایر آلودگی ها را از سطح دفع می کنند. ضمناً نانو پوشش های سنگ وچوب برای سطوح 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 اس ت وذرات آنها تا ۳۰۰درجه سانتیگراد مقاوم هستند.
مزیت های نانوپوششهای سنگ و چوب
- پوشش دهی به سطوح منفذ دار
- حفظ تنفس سطوح
- حفظ سطوح در برابرعوامل محیطی
- امکان تمیز شدن لک ها ازجمله چربی ها وروغن ها با آب
- جلوگیری از ایجاد کپک جلبک و مشابه آنها و محافظت سطوح ازتاثیرنم وکثیفی ها
