کاربرد نانوتکنولوژی در ساختمان

در این نوشتار برآنیم تا به معرفی کاربرد نانوتکنولوژی در تولید محصولات مورد استفاده در صنعت ساختمان بپردازیم.امروزه فناوری نانو فرصت های جدیدی را در صنعت ساختمان ایجاد کرده  است، مانند تولید مصالح ساختمانی و رنگ نانو بسیار بادوام، سبک و با عمر طولانی، عایق هایی بسیار مناسب در مکان هایی که عایق های معمول پاسخگو نیستند، استفاده در پردازش سطوح مانند شیشه، چوب و فلز و… . هدف از این امر بهبود عملکرد و افزایش طول عمر مصالح، عدم نیاز به پاک سازی سطوح و صرفه جویی در مصرف آب و انرژی است.

اگر چه موضوع این مقاله پیرامون اهمیت صنعت تازه توسعه یافته نانو است، اما واقعیت نشان می دهد که محصولات نانو در حال حاضر نقش جانبی ای در ساخت و ساز بازی می کنند و این نوآوری برای موفقیت در بخش تجاری نیاز به گذشت زمان دارد.

یکی از دلایل عدم رواج محصولات ساختمانی که برپایه نانوتکنولوژی هستند قیمت بالای آنهاست. در حال حاضر، مواد نانو و به عبارتی محصولات نانو هنوز هم به طور قابل توجهی گرانتر از سایر گزینه های محصولات دارای تکنولوژی است و از آنجایی که مصالح ساختمانی معمولا در مقادیر زیاد استفاده می شوند، با در نظر گرفتن کل حجم یک ساختمان یا سازه، یک تفاوت قیمتی کوچک می تواند در هزینه کل تاثیر قابل توجهی بگذارد. علاوه بر این، عملکرد فنی محصولات جدید باید ابتدا اثبات شود. به طور معمول طول عمر مفید ساختمان در محدوده 20 تا 30 سال محاسبه می شود. در نتیجه هنوز یک تجربه عملی دراز مدت با بسیاری از محصولات نانو وجود ندارد و اطلاعات کمی درباره عملکرد محصولات در دراز مدت در دست است . بنابراین، صنعت ساخت و ساز به محصولاتی که کارایی آنها اثبات شده است مانند مصالح معمول، تکیه می کند. همچنین وضعیت دانش ما درباره فراورده ها و محصولات صنعت نانو، امکانات و عملکردشان در صنعت ساخت و ساز در حال حاضر بسیار محدود است.

یک نظرسنجی که در سال 2009 انجام شده است نشان می دهد که اکثریت پاسخ دهندگان(75%) از چگونگی کارایی محصولات ساختمانی نانو در صنعت اروپا آگاه نبودند و افرادی که آشنایی نسبی داشتند این شناخت  را از برچسب های اجباری ای که در محصولات تجاری جهت بازاریابی و فروش بهتر استفاده می شود، به دست آورده بودند. کاربرد نانو اغلب به این معنا که ماده ای به نام نانو در مصالح استفاده شده است نیست در حالیکه مواد نانو ممکن است در مقادیر زیادی از مواد موجود درگیر باشند.

کلمه نانو صرفا به ساختارهایی که در محدوده اندازه نانو هستند، اشاره می کند ، مانند اندازه منافذ یک ماده خاص، یا اندازه ساختار ملات یک ماده. البته استفاده از فناوری نانو در طراحی و تبلیغات محصولات در سالهای اخیر کاهش یافته است و دلیل آن پتانسیل اسیب رسانی به محیط زیست یا خطرات آن برای سلامتی انسان است و به الگوی خرید محتاط تری از طریق رسانه ها تبدیل شده است. این مقاله یک نمای کلی از کاربردهای فناوری نانو و محصولات آن را در صنعت ساخت و ساز ارائه می دهد و بر روی مسائل و خطرات زیست محیطی و انسانی تمرکز نمی کند.

محصولات ساختمانی که با فناوری نانو ساخته می شوند

لیست محصولات ساختمانی که در آنها از فناوری نانو استفاده شده است شامل محصولات سیمانی(ملات، سیمان، تایل های سقف)، رنگ ها، روغن های جلادهنده و دیگر محصولات طراحی شده در پوشش سطح است. محصولات نانو در صنعت ساخت در حال حاضر در چهار بخش متمرکز هستند:

•  مصالح سیمانی ساخته شده با فناوری نانو
• عایق صوتی و حرارتی یا تنظیم کننده دما
• پوشش سطح برای بهبود عملکرد مصالح مختلف
• محصولات نانوتکنولوژی حفاظت کننده در مقابل آتش
• سلول های فتوولتاییک

استفاده از فناوری نانو در ساخت بتن

کاربرد نانوتکنولوژی در مصالح ساختمانی با پایه سیمان

ساخت بتن با کارایی بسیار بالا بوسیله نانوتکنولوژی (UHPC)

بتن یک نوع سنگ مصنوعی ساخته شده از سیمان، سنگدانه(شن، ماسه، اهک) و آب است. سالانه بیش از ده میلیارد تن بتن در سرتاسر جهان تولید می شود، می توان گفت ساخت این ماده در این مقیاس،تا کنون بزرگترین ساخته دست بشر در صنعت ساختمان است. قدرت بتن را می توان به مواد سوزنی شکلی(کلسیم سیلیکات هیدرات) در ساختارش نسبت داد که طی فرایند سخت شدن بتن به یکدیگر می چسبند. از میکروسکوپ های الکترونی برای به تصویر کشیدن و مطالعه ساختارهای به مقیاس نانو شامل تجزیه و تحلیل بین ساختار مواد نانو و ویژگی های آن  استفاده می شود. استفاده از فناوری نانو باعث ایجاد یک بهینه سازی هدفمند در مصالح ساختمانی برای یک ویژگی خاص می شود. در چند سال اخیر این موضوع به پیشرفت های جدید و بهبود مواد منجر شده است.

مواد چسبنده در مقیاس نانو که به بتن افزوده می شود خواص جدید در کارایی، قدرت و ماندگاری آن ایجاد می کنند. اضافه کردن ذرات سیلیکون دی اکسید در مقیاس نانو حفره های بتن را پر می کند و سبب سخت تر و متراکم تر شدن آن می شود. همچنین بتن با عملکرد بالا شامل الیاف فولادی می شود، که خاصیت کششی بتن را بهبود می بخشد. این نوع بتن مقاومت فشاری بیشتر از فولاد را نیز داراست. پلیمرهای افزوده شده (به عنوان مثال رزین های مصنوعی) به روانی و گیرش بتن کمک می کند. که در بتن های خود متراکم استفاده می شود. جرم مخصوص و قدرت بالای این نوع بتن سبب شده است از آن در سازه های مانند پل ها استفاده شود.

کاربرد نانوتکنولوژی در تهیه ملات ترمیم کننده بتن

تاثیرات خارجی، مانند نمک ها، هوای مرطوب، یخ زدگی، باد و باران، بارهای وارده و … سبب آسیب رسانی به سازه های بتنی مانند ترک خوردن و یا پوسته پوسته شدن سطح بتن می شود. با توجه به هزینه های صرف شده بالا در صنعت ساختمان، ملات تعمیرکننده بتن که مشخصات آن مبتنی بر فناوری نانو است، سبب بهبود ویژگی هایی مانند افزایش وزن مخصوص ، مقاومت فشاری، خمشی و کششی و مقاومت در برابر یخ زدگی می شود، همچنین به حداقل رساندن اسیب های بتن نیز کمک می کند.

ساخت محصولات و پوشش های بتنی اکتیو و کاتالیستی با فناوری نانو

تحت تاثیر اشعه UV و رطوبت، ذرات تیتانیم دی اکساید در مقیاس نانو واکنش های شیمیایی را تسریع می کند که آن تولید رادیکال اکسیژن می کند و سبب تجزیه مواد آلی می شود. این فرایند، به عنوان کاتالیست شناخته می شود و در صنعت ساخت و ساز و معماری، مصالح ساختمانی خود تمیزشونده نامیده می شوند و الودگی هوا را نیز کاهش می دهد.

زمانی که این نوع سیمان در یک لایه بتن به کار برده شود، فعالیت کاتالیستی نانو به تجزیه مواد آلی تشکیل شده بر روی آن کمک می کند و اغلب هنگام باران سطح بتن شسته می شود، در نمای بیرونی ساختمان ، نگهداری و حفظ ظاهر اصلی ساختمان برای دوره های طولانی حائز اهمیت است. به عنوان مثال رنگ سفید بتن در  کلیسای جابلی رم ساخته شده در سال 2003 نشان دهنده مقابله با اثرات خاک طی سالیان گذشته بوده است.

یک امکان دیگر محصولات بتنی کاتالیست، تصفیه هوا است. در مناطق شهری، سطح بالای نیتروژن اکساید ناشی از تردد وسایل نقلیه یک مشکل اساسی است. محصولات بتنی به کار رفته در بام و سنگ فرش ها با خاصیت فوتوکاتالیستی طراحی شده اند تا از طریق تبدیل نیتروژن اکساید هوای اطراف به نیترات سبب بهبود کیفیت هوا شود. یک امکان بلقوه دیگر در این بتن ها استفاده در  دیوارهای کاهش دهنده صدا یا سطوح جاده ها است که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشد.

کاربرد نانوتکنولوژی در ساخت عایق های حرارتی،صوتی و تنظیم کننده دما

یکی از بزرگترین چالش ها در بخش ساخت و ساز  اصلاح سیستم حرارتی ساختمان های موجود و سازه های صنعتی است. امروزه مصالح عایقی که بر پایه فناوری نانو هستند توانسته اند سهم به سزایی ایجاد کنند. امروزه مصرف انرژی نسبت به گذشته به طور پیوسته در حال افزایش است. به عنوان مثال میزان مصرف انرژی در اتریش در سال 2009 ، 80 درصد بالاتر از سال 1970 بوده است و حدود 30 درصد این انرژی در راستای گرمایش ساختمان ها استفاده می شود. در نتیجه در این بخش پتانسیل زیادی جهت صرفه جویی وجود دارد.

محصولات نوآورانه نانو می تواند به عنوان عایق حرارتی در ساختمان های معمولی و قدیمی استفاده شود. به طور مثال در اکثر ساختمان ها با نما و سازه قدیمی عایق های رایج با ضخامت 20 سانتیمتر در دیوارهای خارجی پاسخگو نمی باشد و با استفاده از نانو می توانیم به عایقی مناسب با ضخامت مورد نظر دست یابیم.

شیشه های خودتمیز شونده

شیشه خودتمیزشونده(سمت راست)-شیشه معمولی (سمت چپ)

کاربرد نانوتکنولوژی در ساخت پوشش های سطوح

در صنعت ساخت و ساز، محصولاتی که بر پایه فناوری نانو است، می تواند بر سطوح مختلفی که هم اکنون در بازار موجود است، تاثیر بگذارد. دلیل اصلی استفاده از محصولات نانو در سطوح جهت دفع آب و خاک با پوشاننده های خود تمیزشونده است، که موارد مصرف آن شامل رنگ های نانو ، شیشه های در و پنجره، تایل های پوشاننده  بام، محافظت کننده سطوح مواد ساختمانی در مقابل نفود آب، خزه، جلبک و کپک، و پوشش های ضد گرافیتی و ضد اثر انگشت است.

تولید رنگ ساختمان با تکنولوژی نانو خواص ویژه ای به رنگ ها می دهد از این جمله می توان به عایق جرارتی شدن رنگ و خودتمیزشوندگی رنگ های نما نام برد.

کاربرد نانوتکنولوژی در تولید رنگ های ساختمانی

کاربرد نانوتکنولوژی در ساخت مواد ضدحریق

شیشه های ویژه مقاوم در برابر آتش شامل دو جام شیشه به ضخامت 3 میلیمتر است که درون آن انباشته  از ذرات sio2 در مقیاس نانو است و در صورت وقوع آتش تبدیل به کف می شوند. این شیشه ها می تواند تا دمای بیش از 1000 درجه سانتیگراد در 120 دقیقه در برابر آتش مقاومت کند؛ مزایای دیگر این نوع شیشه شفافیت بالا و ضخامت کم آن است. لازم به ذکر است پوشش نانو این شیشه ها به سختی قابل دیدن است و فراتر از کاربردهای ساختمانی، از این شیشه ها در کشتی سازی و صنایع دریایی نیز استفاده می شود.

از ذرات سیلیکات نانو  می توان جهت بهینه سازی ویژگیهایی اعم از ضد شعله ور شدن در مصالح پلاستیکی استفاده کرد. همچنین مصالح نانو کامپوزیت در کابل ها و نازک کاری داخلی نیز مصرف می شوند.

ساخت سلول های فتوولتاییک با فناوری نانو

کاربرد نانوتکنولوژی در پنل های فتوولتاییک

سیلیکون ماده غالب در پنل های فتوولتاییک است، اما یک فناوری در حال ظهور، شامل TiO2 در مقیاس نانو و حساس به رنگ است. سطح وسیع این ماده در پنل های فتوولتاییک به افزایش بازدهی آن کمک می کند. همچنین نسبت به سلول های خورشیدی معمول، قیمت کمتری می تواند داشته باشد.

لوله های نانو کربنی در بتن مسلح

کاربرد های در حال توسعه نانو تکنولوژی 

امروزه تولید لوله های نانو کربنی جهت استفاده در بتن مسلح، در حال توسعه می باشد، این محصول سبب کاهش وزن بتن و بهبود خواص مکانیکی آن، از جمله افزایش مقاومت کششی و فشاری می شود.

آیا موارد دیگری برای کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان می شناسید؟

  منبع:  nanowerk

تحریریه کلینیک ساختمان بیلدینگ پلاس