نانو و پوشش های کاربردی۱
روکش های انسدادی
مقاومت 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. [۱]
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
چندرسانه ای ۱: کاربرد نانوفناوری در TBC های سرامیکی عایق حرارتی
شکل ۳ – نمایش قدرت عایق های حرارتی جدید بر پایه آیروژل های سیلیکایی [۲]
چندرسانه ای ۲: کاربرد نانوفناوری درعایق های حرارتی آئروژلی
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!
شکل ۵ – استفاده از رنگهای عایق حرارتی بر روی سطوح
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.
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.
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
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
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
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
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.
منابـــــع :
- ۱٫ابوالقاسم کوچکی، علی عباسی، حامد افشاری، حسین شکی، عمادالدین هرات یفر، امیرحسین میردامادیان، فناوری نانو در صنعت ساختمان و کاربردهای آن ، چاپ دوم، دبیرخانه ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
- ۲٫نرم افزار نانو کاوش، ایروژل
- ۳٫نانوکاوش، نانو مواد، مواد عایق، TBC های سرامیکی
- ۴٫ماهنامه فناوری نانو، سال دهم، مهر ۹۰، شماره ۷، صفحه
- ۵۰
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
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
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
شکل ۵ – استفاده از روکش های بازدارنده از خوردگی بتن می تواند سرعت خوردگی بتن را به صورت قابل ملاحظه ای کاهش دهد.
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
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.
مشکل اصلی گچ ها، آجرها، یا سیمان های معمول، خاصیت جذب بالای آنهاست که موجب می شود این مواد بسترهای بسیار خوبی برای نوشته ها یا نقاشی ها باشند. روش معمول برای غلبه بر این مشکل، مبتنی بر یک روکش پلی اورتان است که محافظتی دایمی ایجاد کرده و از نفوذ رنگ به داخل دیوار جلوگیری می کند. این روکش از دو جزء تشکیل می شود که پس از اعمال شدن روی دیوار، باهم واکنش می دهند.
شکل ۸ – سطوح دارای پوشش ضد دست نوشته به آسانی پاک می شوند
نگهداری آثار باستانی و میراث فرهنگی با پوشش های نانویی
آثار باستانی و بناهای تاریخی به عنوان سازه های بارز و میراث هر کشوری به شمار می روند. لذا لازم است که این بناها در مرحله اول به خوبی مرمت و بازسازی شوند و در مرحله بعدی از آن ها محافظت دائمی به عمل آورد.
فناوری نانو با ایجاد پوشش های پیشرفته جهت محافظت سطوح ابنیه، می تواند آنها را از تخریب با عوامل محیطی و تخریب توسط بازدیدکنندگان، به طور دائمی محافظت کند.
شکل ۹ – با استفاده از نانو پوشش ها می توانیم بنا های تاریخی را از آسیب حفظ کنیم. ( سی و سه پل – اصفهان )
امروزه محصولات ضددست نوشته زیادی وجود دارد که به صورت شیمیایی مواد معدنی ابنیه باستانی ترکیب شده و در برابر خراش و شرایط بد آب و هوایی نیز مقاوم است. این مواد که در برابر اشعه UV نیز مقاومند، اجازه چسبیدن رنگ و دیگر ذرات آلاینده را به سطح بنا نمی دهند.بازار نانو روکش ها در صنعت ساخت و ساز
شرکت ها به این موضوع پی برده¬اند که با استفاده از نانوذرات روی سطح، لایه های نازک پیوندهای قوی تر و منعطف تری با زیر لایه ها ایجاد خواهند کرد. این پوشش ها نرم تر، قوی تر و با دوام تر هستند. صنایع رنگ و پوشش، اولین کسانی خواهند بود که از مزایای این قابلیت ها استفاده خواهند کرد. امروزه کارخانجات تولید پوشش مجبور هستند انتظارات مشتریان را برآورده کنند، ولی این کار با شیمی پلیمری مرسوم و موجود معمولاً قابل انجام نیست. قبلاً نشان داده شده است که نانوذرات غیرآلی می توانند بهبود قابل ملاحظه ای در مقاومت در برابر خراشیدگی ایجاد کنند. انتقال این ویژگی ها به پوشش های پلی اورتان همیشه ممکن نیست و علت آن نبود نانوذرات فعال در حلال های مناسب و نیز مشکلات مربوط به سازگاری است. توانایی کنترل پوشش های سطوح در مقیاس نانو، از عوامل مهم توسعه صنعتیِ فناوری نانو به شمار می رود. در حال حاضر، روش های فیزیکی و شیمیایی زیادی برای ساخت نانولایه ها و نانوروکش ها و کنترل نانومتری ساختار و گروه های عاملی وجود دارد. ولی با این حال، افزایش مقیاس برای این روش ها همچنان یک چالش جدی است.
بازار نانوروکش ها در سال۲۰۰۷ در صنعت ساخت و ساز حدود ۴۸ میلیون دلار آمریکا بود. سیستم های پوشش دهنده مبتنی بر نانومواد قسمت اعظم این بازار را تشکیل می دهند. برای مثال پوشش های ضدباکتری، حفاظت کننده و رسانا از این جمله هستند. با این حال سیستم های شکلی و پوشش های با قابلیت تغییر خاصیت آب گریزی آب دوستی و پوشش های حاوی ذرات ترموکرومیک در حال توسعه هستند که در چند سال آینده به بازار خواهند آمد. جدول زیر تخمین درآمد حاصل از بازار نانوروکش ها در صنعت ساخت و ساز را بین سال های ۲۰۰۶ تا ۲۰۱۵ نشان می دهد.
سال | ۲۰۰۶ | ۲۰۰۷ | ۲۰۰۸ | ۲۰۰۹ | ۲۰۱۰ | ۲۰۱۱ | ۲۰۱۲ | ۲۰۱۳ | ۲۰۱۴ | ۲۰۱۵ |
بازار ساخت و ساز | ۳۵ | ۴۸ | ۷۲۱ | ۱۵۱ | ۲۴۵ | ۳۳۰ | ۴۶۰ | ۵۶۳ | ۶۲۵ | ۷۵۰ |
منابـــــع :
- ۱٫ابوالقاسم کوچکی، علی عباسی، حامد افشاری، حسین شکی، عمادالدین هرات یفر، امیرحسین میردامادیان، فناوری نانو در صنعت ساختمان و کاربردهای آن ، چاپ دوم، دبیرخانه ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
- ۲٫“Anti-Corrosive Graphene Coatings: An Active-Passive Alternative to Hexavalent Chromium Coatings” Robert V. Dennis, Vincent Lee, Lasantha Viyannalage, Steven M. Henderson and Sarbajit Banerjee, Department of Chemistry, University at Buffalo.
- ۳٫۵۰ years corrosion-free steel from a single solvent-free coating, www.hockway.com & http://www.hockway.com/product-data-sheets.asp
پاسخ دهید