hasti-m
06-10-2009, 11:28 AM
چکیده:
مواد نانو (Nanoparticular) به موادي گفته می شود که حداقل یکی از ابعاد آن ) طول , عرض , ضخامت) زیر 100 nm باشد . مواد نانو ساختار با توجه به رفتارهاي بارزي که از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاي اخیر قرار گرفته اند . در این میان صنعت ساختمان با توجه به نیازهاي خود چه از نظر استحکام مقاومت و دوام و نیز کارایی بالا از استفاده کنندگان مهم مواد نانو ساختار (Nanostructure Materials) به شمار می رود .
مواد نانو آلومینا به عنوان نمونه اي از مواد نانو ساختار به علت خواص ممتازي که از نظر خواص مکانیکی و حرارتی از خود نشان می دهند در سرامیک سازي به صورت گسترده اي مورد استفاده قرار می گیرند .
از مهمترین پیشرفتهاي بوجود آمده در صنعت مصالح ساختمانی ، بتن با عملکرد بالا می باشد ، براي درك بهتر رفتار این نوع مصالح باید ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو مورد بررسی قرار گیرد و نیز بتوان با کاربرد مصالح نانو ، بتن با عملکرد بالا و چند منظوره ساخت که داراي خاصیت الکترو مغناطیسی بوده و قابلیت به کار گیري در سازه هاي اتمی ( محافظت از تشعشعات ) را داشته باشد و نیز در سازه هاي ساختمانی تاثیر به سزایی در حفظ انرژي ساختمان ایفا کند .
در این مقاله با توجه به جدید بودن علم نانو تکنولوژي آنچه که مد نظر است معرفی مواد نانو ساختار و نیز بیان مزایاي استفاده از این مواد در صنعت ساختمان سازي با توجه به نتایج آزمایشگاهی می باشد .
1. مقدمه :
مواد نانو به عنوان موادي که حداقل یکی از ابعاد آن )طول ، عرض ، ضخامت ( زیر 100 نانومتر باشد تعریف شده اند ، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موي انسان است به طور کلی ،در یک تقسیم بندي عمومی ، محصولات نانو مواد را می توان به صورت هاي زیر بیان کرد:
- فیلمهاي نانو لایه ( Nano Layer Thin Films ) براي کاربردهاي عمدتاً الکترونیکی
- نانو پوششهاي حفاظت ( Nano Coating) براي افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی
- نانو ذرات به عنوان پیش سازنده (Precursor) یا اصلاح ساز(Modifier) پدیده هاي شیمیایی و فیزیکی
- نانو لوله ها (Nanotubes)
منظور از یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختارNanostructured Solid ) ) جامدي است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستالهاي تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متري گسترده شده باشد .
خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهاي متعددي که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف ، گلوله و . . . ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند . تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد .
هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدي از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد ، که آ نها را می توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملکرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه اي که مصالح بتوانند کاربردهاي گوناگونی را ارائه نمایند .
در مطالب بعدي که خواهد آمد مواد نانو ساختاري معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادي می توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازي و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند .
2. مواد نانو کمپوزیت :
مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمري ) اولین بار در سالهاي 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژي سول-ژل(Sol-Gel) جهت انتشار(Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .
هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه تجاري این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورت گرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .
در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدي را در صنعت سرامیک نوید می دهد . زیرا کاربرد این مواد پدیده اي است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف کاربرد دارد . از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد :
1- تکنولوژي نانو فلز آرتوناید:
که اخیر اً به طور تجاري ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجودآورده است .
2- ذرات نانویی غیر فلز مانند :
نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .
3-بتن با عملکرد بالا (HPC):
یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا (High Performance Concrete) می باشد . این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازي 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 براي توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد . روش معمولی براي توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهاي 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 بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگري را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی ، و قابلیت به کار گیري در سازه هاي اتمی (محافظت از تشعشعات ( افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمانها و ... را نام برد .
4. نانو سیلیس آمورف :
در صنعت بتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادي است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC)ایفا می کند .
محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که داراي قطري در حدود 0.1 تا 1 میلی متر می باشد و داراي اکسید سیلیس حدود 90 % می باشد . می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود .
محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که داراي شکل گلوله اي بوده و با قطر کمتر از nm 100 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 SCC (Self Compacting Concrete) به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهاي چند منظوره از خود نشان می دهد مانند :
- خاصیت ضد سایش
- ضد لغزش
- ضد حریق
- ضد انعکاس سطوح
آزمایشات نشان داده اند که واکنش مواد نانو سیلیس ( Colloidal Silica) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالاي میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد .
تمام کارهاي انجام یافته بر روي کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدي ( Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژي ، کار پذیري و مکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر می باشد .
5. نانو لوله ها(NANOTUBES):
همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولا الیاف براي مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند . امروزه از الیاف فلزي ، شیشه اي ، پلی پروپلین ، کربن و . . . در بتن براي مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی ( Carbon Nanotubes ) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن براي مسلح کردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .
نانو لوله کربنی توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهاي بسیاري بر روي ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوري که تحقیقات نوین بر روي تکنولوژي و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازي می کند . کربن 60 و نانو لوله هاي نوین داراي ساختاري هستند که آنها را از فولاد قوي تر و بسیار سبک می کند بطوریکه 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 ) وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ( ، داراي 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 ، بطوریکه هادي بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادي بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد .
نانو لوله ها طبقه جدیدي از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت هاي چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله هاي کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیر ند . بنابراین نانو لوله هاي کربنی از اجزاي کلیدي بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالاي چند منظوره ، بازي می کنند .
6. نتیجه گیري :
منظور از مقاله ارائه شده نشان دادن مصالح جدید ساختمانی و بیان مزایاي استفاده از این نوع مواد در صنعت ساختمان می باشد ، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه هاي فراوانی براي کارهاي نظري و عملی در دانشگاههاي کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه براي گامهاي بلندتر در این زمینه باز شود
مواد نانو (Nanoparticular) به موادي گفته می شود که حداقل یکی از ابعاد آن ) طول , عرض , ضخامت) زیر 100 nm باشد . مواد نانو ساختار با توجه به رفتارهاي بارزي که از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاي اخیر قرار گرفته اند . در این میان صنعت ساختمان با توجه به نیازهاي خود چه از نظر استحکام مقاومت و دوام و نیز کارایی بالا از استفاده کنندگان مهم مواد نانو ساختار (Nanostructure Materials) به شمار می رود .
مواد نانو آلومینا به عنوان نمونه اي از مواد نانو ساختار به علت خواص ممتازي که از نظر خواص مکانیکی و حرارتی از خود نشان می دهند در سرامیک سازي به صورت گسترده اي مورد استفاده قرار می گیرند .
از مهمترین پیشرفتهاي بوجود آمده در صنعت مصالح ساختمانی ، بتن با عملکرد بالا می باشد ، براي درك بهتر رفتار این نوع مصالح باید ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو مورد بررسی قرار گیرد و نیز بتوان با کاربرد مصالح نانو ، بتن با عملکرد بالا و چند منظوره ساخت که داراي خاصیت الکترو مغناطیسی بوده و قابلیت به کار گیري در سازه هاي اتمی ( محافظت از تشعشعات ) را داشته باشد و نیز در سازه هاي ساختمانی تاثیر به سزایی در حفظ انرژي ساختمان ایفا کند .
در این مقاله با توجه به جدید بودن علم نانو تکنولوژي آنچه که مد نظر است معرفی مواد نانو ساختار و نیز بیان مزایاي استفاده از این مواد در صنعت ساختمان سازي با توجه به نتایج آزمایشگاهی می باشد .
1. مقدمه :
مواد نانو به عنوان موادي که حداقل یکی از ابعاد آن )طول ، عرض ، ضخامت ( زیر 100 نانومتر باشد تعریف شده اند ، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موي انسان است به طور کلی ،در یک تقسیم بندي عمومی ، محصولات نانو مواد را می توان به صورت هاي زیر بیان کرد:
- فیلمهاي نانو لایه ( Nano Layer Thin Films ) براي کاربردهاي عمدتاً الکترونیکی
- نانو پوششهاي حفاظت ( Nano Coating) براي افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی
- نانو ذرات به عنوان پیش سازنده (Precursor) یا اصلاح ساز(Modifier) پدیده هاي شیمیایی و فیزیکی
- نانو لوله ها (Nanotubes)
منظور از یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختارNanostructured Solid ) ) جامدي است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستالهاي تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متري گسترده شده باشد .
خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهاي متعددي که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف ، گلوله و . . . ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند . تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد .
هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدي از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد ، که آ نها را می توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملکرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه اي که مصالح بتوانند کاربردهاي گوناگونی را ارائه نمایند .
در مطالب بعدي که خواهد آمد مواد نانو ساختاري معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادي می توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازي و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند .
2. مواد نانو کمپوزیت :
مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمري ) اولین بار در سالهاي 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژي سول-ژل(Sol-Gel) جهت انتشار(Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .
هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه تجاري این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورت گرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .
در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدي را در صنعت سرامیک نوید می دهد . زیرا کاربرد این مواد پدیده اي است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف کاربرد دارد . از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد :
1- تکنولوژي نانو فلز آرتوناید:
که اخیر اً به طور تجاري ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجودآورده است .
2- ذرات نانویی غیر فلز مانند :
نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .
3-بتن با عملکرد بالا (HPC):
یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا (High Performance Concrete) می باشد . این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازي 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 براي توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد . روش معمولی براي توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهاي 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 بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگري را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی ، و قابلیت به کار گیري در سازه هاي اتمی (محافظت از تشعشعات ( افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمانها و ... را نام برد .
4. نانو سیلیس آمورف :
در صنعت بتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادي است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC)ایفا می کند .
محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که داراي قطري در حدود 0.1 تا 1 میلی متر می باشد و داراي اکسید سیلیس حدود 90 % می باشد . می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود .
محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که داراي شکل گلوله اي بوده و با قطر کمتر از nm 100 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 SCC (Self Compacting Concrete) به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهاي چند منظوره از خود نشان می دهد مانند :
- خاصیت ضد سایش
- ضد لغزش
- ضد حریق
- ضد انعکاس سطوح
آزمایشات نشان داده اند که واکنش مواد نانو سیلیس ( Colloidal Silica) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالاي میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد .
تمام کارهاي انجام یافته بر روي کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدي ( Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژي ، کار پذیري و مکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر می باشد .
5. نانو لوله ها(NANOTUBES):
همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولا الیاف براي مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند . امروزه از الیاف فلزي ، شیشه اي ، پلی پروپلین ، کربن و . . . در بتن براي مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی ( Carbon Nanotubes ) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن براي مسلح کردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .
نانو لوله کربنی توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهاي بسیاري بر روي ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوري که تحقیقات نوین بر روي تکنولوژي و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازي می کند . کربن 60 و نانو لوله هاي نوین داراي ساختاري هستند که آنها را از فولاد قوي تر و بسیار سبک می کند بطوریکه 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 ) وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ( ، داراي 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 ، بطوریکه هادي بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادي بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد .
نانو لوله ها طبقه جدیدي از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت هاي چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله هاي کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیر ند . بنابراین نانو لوله هاي کربنی از اجزاي کلیدي بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالاي چند منظوره ، بازي می کنند .
6. نتیجه گیري :
منظور از مقاله ارائه شده نشان دادن مصالح جدید ساختمانی و بیان مزایاي استفاده از این نوع مواد در صنعت ساختمان می باشد ، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه هاي فراوانی براي کارهاي نظري و عملی در دانشگاههاي کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه براي گامهاي بلندتر در این زمینه باز شود