تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان
ازآنجاییکه محصولات ساختهشده از طریق تکنولوژی نانو دارای مشخصات منحصربهفردی هستند این تکنولوژی میتواند در بسیاری از فرایندهای ساخت و طراحی بهکاربرده شود. این مشخصات منحصربهفرد قادر هستند که مشکلات کنونی در ساختمانسازی را حل کرده و در فرایند ساخت تغییراتی را به وجود آورند. پیشرفت علم در حوزه نانو ذرات فلزی و دستاوردهای بزرگ در این زمینه باعث بهبود ویژگیهای فلزات ساختمانی ازجمله فولاد شده است. اضافه کردن نانو ذراتی مانند مس مولیبدن و وانادیم باعث بهبود خواص مکانیکی فولاد و کاهش هزینههای ساخت شده است. ساخت نانو کابلها نانو پوششهایی نظیر دیاکسید تیتانیوم و استفاده از فناوری نانو در ساخت و تولید پیچ و مهرهها تحول عظیمی را در سازهها ایجاد کرده است
مقدمه
فناوری نانو بهعنوان یک فناوری کلیدی و بینرشتهای، فرصتهای زیادی را جهت تقویت رقابت در صنعت ساختوساز نظیر ساختوساز سریعتر، منعطفتر، مطلوبتر، پایدارتر و مقرون بهصرفهتری را فراهم کرده است؛ و زمینههای کاربردی این فناوری، تقریباً در تمام بخشهای ساختمان شامل اسکلت، طراحی نما، مهندسی ساختمان (سیستمهای ساختمانی) و طراحی داخلی را شامل میشود. کنترل خواص مواد در مقیاس نانو و نیز کنترل اثرات فیزیکی و شیمیایی مربوطه، تولید مصالح ساختمانی چندمنظوره با کارایی بالا را ممکن میسازد که این امر باعث ایجاد ارزشافزوده، افزایش دوام، کیفیت و پایداری محیطزیست میشود. قابلذکر است این فناوری کاربرد وسیع و چشمگیری در احداث زیرساختهای اصلی نظیر سدها، راهها، پلها و کانالها و… دارد
ملزومات صنعت ساختمان
یکی از چالشهای اصلی در صنعت ساختوساز، بازسازی ساختمانهای تجاری و مسکونی موجود ازنظر کارایی انرژی است. بهعنوانمثال تقریباً ۸۰ درصد ساختمانهای موجود بیشتر از دو برابر ساختمانهای جدید گرما مصرف میکنند؛ بنابراین، نیاز به مدیریت انرژی و سیستمهای عایق حرارتی و همچنین منابع انرژی بهینه و تجدید پذیر (مانند فتوولتائیک) در سطح بالایی قرار دارد. چالشهای دیگری که صنعت ساختوساز در آینده با آنها مواجه میشود شامل موارد زیر است
م ۱- ترکیب عملکردها و حفظ ارزش بخشهای مختلف ساختمان، برای مثال نمای چندمنظوره که دما و نور مطلوب را ایجاد میکند و همزمان در برابر خوردگی، حملهی قارچ یا ضربات شدید از بنا محافظت میکند
م ۲- برطرف نمودن نیازهای رو به رشد مشتریان (آسایش مشتری) درزمینهی طراحی و آسایش مسکن و نیز حذف اختلالاتی همچون آلودگی، سروصدا، رطوبت یا بوی نامطبوع
م ۳- ایجاد سازههای ایمنی محور با توجه به افزایش خطرات زیستمحیطی
م ۴- صرفهجویی در انرژی و مواد اولیه با تولید مصالح ساختمانی ویژه و نیز ساختوساز و بهرهبرداری از زیرساختها و ساختمانهای مسکونی
م ۵- اختصاص اولویت به آموزش و تحصیلات تکمیلی بهعنوان پیشنیاز نوآور
فناوری نانو، میتواند مشارکت قابلتوجهی را در پاسخگویی به این نیازها داشته باشد
تأثیر فناوری نانو در صنعت ساختمان، عمدتاً در مراحل اولیه زنجیرهی ارزش بهویژه در حوزهی شیمی ساخت قابلتوجه است
مواد بتنی خود متراکم که بهواسطهی افزودنیهای بهینه بر پایه عاملهای پلیمر در مقیاس نانو ایجاد میشوند ♦
بتن با کارایی بالا (بتن فوق قوی) بهواسطهی بهینهسازی ساختار دانه ♦
سیستم عایقبندی کارآمد از جنس نانو مواد متخلخل با رسانایی گرمایی حداقل و با انعکاس یکنواخت ♦
رنگ نمای مقاوم در برابر کثیفی و آلودگی دارای ساختار نانو ♦
کاربرد نانو فناوری در صنعت بتن
یکی از جنبههای اصلی نانوتکنولوژی ماهیت میانرشتهای آن است. تعامل این علم با علم بتن میتواند نقطه عطفی در صنعت ساختوساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکردهای بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است. بتن از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. استفاده از نانوتکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمیگردد. ثابتشده که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن شده است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است کاربرد بتن را میتوان در تمامی کارهای عمرانی از قبیل ساختمان مخازن و نیروگاهها سازههای دریایی مثل اسکلهها جادهها و راهها مسیرهای انتقال آب و سدها و… مشاهده کرد. تاکنون مطالعات زیادی درزمینهٔ بهبود کیفیت بتن انجامشده است که اکثر آنها تغییر در ترکیب بتن را بررسی کردهاند. بااینحال استفاده از افزودنیها و همچنین جایگزین کردن مصالح متداول مورداستفاده در بتن با مصالح جدید همیشه موردتوجه بوده است. یک سری از مواد جدید که توانستهاند خواص مکانیکی و فیزیکی بتن را ارتقا دهند نانو موادها هستند. نانو موادها با توجه به خصوصیاتشان در سطوح بسیار ریز میتوانند دنیای بتن را کاملاً متحول کنند. استفاده از نانوتکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر بازمیگردد و کمبود دانش و درک ضعیف از اثرات فوقریز و نانو ذرات در تکنولوژی بتن تحقیقات فراوانی را در این زمینه میطلبد. نانو مهندسی شامل تکنیکهای دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری بهمنظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیتهای سیمانی با رفتار مکانیکی ایده ال است و حتی میتوان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین هوشمند بودن خود تمیزکننده خودترمیم کننده شکلپذیری بالا به وجود آورد
در حال حاضر هزینههای بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آنها در صنعت میشود، برای همین بهرهبرداری از نانوتکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابلعرضه در بازار محدودشده است
مشکل دیگر درزمینه استفاده از نانو موادها توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن بهصورت کلوخه انباشته میشوند و در مخلوط بهخوبی توزیع نمیشوند، البته برای این حل مشکل میتوان از دستگاههای مخلوطکن 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 میکنند و ممکن است بر کارایی بتن تأثیرگذار باشد
مصالح ساختمانی سیمانی
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سالهای اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد بهعنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق بهکارگیری نانو پودرها بهعنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیند پذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنشهای کاتالیستی میشود
ازجمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو میتوان به اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال دیاکسید سیلیکون کلوئیدی) یا کوپولیمرهای بلوکی که بهصورت تجاری تولید میشوند، اشاره نمود. با استفاده از دیاکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن بهطورمعمول در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش مییابد
نمای بیرونی و بام ساختمان
فناوری نانو روشهای زیادی برای بهبود خواص سطوح نمای ساختمان چه ازنظر عملکرد و چه زیبایی عرضه میکند. با استفاده از نانو مواد، خواص سطوح در برابر آب و ذرات گردوخاک (ذرات کثیف) با تنوع نسبتاً زیاد و بهصورت دلخواه قابل تنظیم است که از آن جمله میتوان به سطوح آبدوست ، سطوح آبگریز یا سطوح مقاوم در برابر روغن اشاره کرد
استفاده از پودر تیتانیم دیاکسید در مقیاس نانو، اثربخشی لایه را افزایش میدهد و با توجه به کوچکی ذرات، از پخش نور جلوگیری میشود، بنابراین با استفاده از آن در جداره پنجرهها شفافیت موردنیاز این پوشش تأمین میشود. در حال حاضر دامنه تولید سیستم پوششی فوتوکاتالیستی نسبتاً وسیع و شامل سطوح ابر آبدوست است که در مثالهای متنوعی چون آیینه، پنجرههای خود تمیز شونده، قاب پنجرهها یا آجر (سفال) استفاده میشود
عایق حرارتی
استفاده از عایق حرارتی در نمای خارجی، هم ازنظر هزینههای سرمایه گزاری برای ساختمانسازی جدید و بازسازی ساختمانها و هم ازنظر هزینههای عملیاتی از عوامل ضروری در اقتصاد ساختمان است. تنها در آلمان قریب به ۶ میلیارد مترمربع سطوح نما وجود دارد که تقریباً ۸۰۰ میلیون مترمربع از آن سطوح پنجره است و این در حالی است که بخش بزرگی از آن نیازمند بازسازی است. در اروپای غربی بازار عایق حرارتی در صنعت ساختمان تقریباً ۶ میلیارد یورو تخمین زده میشود
پنجرهها و جدارهها
از کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت شیشه میتوان به محصولاتی مانند شیشههای خود تمیز شونده، شیشههای کنترلکننده انرژی و شیشههای محافظ در برابر آتش اشاره کرد.
شیشه به دلیل شفافیت و مقاومت بالا با هر شکل و رنگی بهعنوان مصالح ساختمانی برای پنجره و نما شناختهشده است. البته لکهدار شدن سریع، انعکاس نامطلوب و عملکرد بد آن بهعنوان یک عایق حرارتی، از نکات منفی آن است. پوششهای نانویی این خواص منفی را بهطور قابلملاحظهای کاهش میدهند و بدینوسیله زمینههای عملکردی جدیدی را برای نمای شیشهای به ارمغان میآورد
(Low- E) بهبود حفاظت از حرارت با استفاده از پوششهای ذخیره کنندهی انرژی ♥
(شیشه ضد آفتاب (حفاظت در برابر آفتاب) با استفاده از شیشههای رنگ متغیر (الکتروکرومیک ♥
بهبود استفاده از نور روز با بهکارگیری آرایش یکنواخت میکرو آینهای ♥
خود تمیز شوندگی با استفاده از پوشش فوتوکاتالیستی ♥
SiO2 پوششهای ضد انعکاس با استفاده از لایهی نانو حفره ♥
پوششهای ضد انعکاس
از پیشرفتهای فناوری نانو در صنعت ساختمان و قابلعرضه در بازار، پوششهای ضد انعکاس برای شیشههای مسطح است که افزایش انتقال نور بیشتری دارند و برای نمونه در کلکتورهای خورشیدی و یا جداره شیشههای ساختمان کاربرد دارند. انتظار میرود که با این روش اتلاف انعکاسی نور (نوری که بهوسیلهی بازتابش به بیرون منعکس میشود) در پانلهای شیشهای بهطورمعمول از ۸ درصد به ۲ درصد کاهش مییابد
پنجرههای هوشمند
واژهی پنجره هوشمند به پانل شیشهای اطلاق میشود که بسته به نوع تأثیرات محیطی، خواص خود را خصوصاً در مورد انتقال نور میتواند تغییر دهد. بدین منظور از مواد کروموژنیک استفاده میشود که رنگ یا شفافیت خود را میتواند با توجه به محرکهای (عوامل) برگشتپذیر فیزیکی یا شیمیایی تغییر دهد
اینگونه شیشهها میتوانند بهعنوان جایگزین برای انواع سیستمهای سایه از قبیل سیستمهای ضد تابش و پردهها در نظر گرفته شود. شیشههای هوشمند از طریق فناوریهای مختلفی تولید میشوند که این فناوریها تا حد زیادی مبتنی بر استفاده از نانو مواد و سیستمهای پوششی نانومقیاس است
انرژی و تکنیکهای نورپردازی
فناوری نانو گزینههای متعددی برای افزایش بهرهوری و توسعه روشهای جدید تولید انرژی و تکنیکهای نورپردازی در ساختمان ارائه میکند که برخی از این نمونهها به شرح زیر است
(الف- دیودهای نوری بهعنوان تکنیک نورپردازی با بازده انرژی بالا برای کاربردهای ویژه در ساختمان (نورپردازی نما، نورهای راهنما، نورهای رنگی
ب- مواد ارگانیک با توانایی بالا برای استفاده در تکنیک نورپردازی بر روی زیر لایههای انعطافپذیر
ج- سلولهای خورشیدی رنگی با ویژگی شفافیت و زیبایی (تزیینی)، برای مثال در نماهای شیشهای بهعنوان جایگزینی برای سلولهای خورشیدی پایه سیلیکون
د- پوستههای (غشا) نانو ساختار و کاتالیزورها، برای بازده بیشتر پیلهای سوختی در بخش الکتریسیته و گرما و با استفاده از گاز طبیعی
با توجه به مصرف کم انرژی، رنگ زیبا و ابعاد بسیار کوچک ال ای دی که مبتنی بر پوششهای نیمههادی در مقیاس نانو است، معماران قادرند هنر خود را در نورپردازی ساختمان و طراحی نما در معرض عموم قرار دهند
حفاظت در برابر آتش
فناوری نانو روشهای متنوعی برای توسعه مواد ضد آتش (ضد حریق) و بهبود خواص آن و بهعنوان جایگزین مواد آلاینده که در این زمینه استفاده میشده، عرضه میکند. نقطه عطف پژوهشها، ذرات سیلیکات نانو ساختار هستند (نانو رس) که بهعنوان پرکننده پلیمرها و برای بالا بردن خواص ضد آتش و مقاومت در برابر حرارت استفاده میشود. در ساختمان، پلیمرها در پوشش کابلها، نقش مهمی را ایفا میکنند. برای مثال در فیوز، پریز برق و محفظه لامپها و …. خاصیت ضد حریق کامپوزیتهای نانو رس نشانگر این مسئله است که هم اتلاف حرارت و توسعه دود بهطور قابلتوجهی کاهش مییابد و همزمان ایجاد جرقه (جرقهزنی) به تعویق میافتد. از دیگر جنبههای کاربردی پوشش ضد حریق برای چوب، فلز، پلاستیک یا بتن است که توسعه آتش در مصالح بهوسیله این نوع پوشش به تأخیر میافتد و مانع گسترش کنترل نشده آتش میشود
در مورد جدارههای شیشهای نیز، فناوری نانو به بهبود عمل حفاظت در مقابل آتش (مقابله با آتش) کمک میکند
دکوراسیون داخلی
در دکوراسیون داخلی، فناوری نانو برای هر نوع کارکردی، سطوح مناسب آن را ایجاد میکند. با استفاده از نانو ذرات اصلاحشده، پوششهای متنوعی را ميتوان توليد کرد که به شرح زیر است
پوشش ضد گردوغبار ♦
پوششهای آبگریز ♦
پوششهای ضد اثرانگشت ♦
پوششهای ضد خراش ♦
پوششهای آنتی باکتریال ♦
پوششهای چندمنظوره ♦