Mohamad
04-29-2011, 10:20 AM
خلاصه
مواد نانو (Nanoparticular) به موادي گفته مي شود كه حداقل يكي ازابعاد آن (طول , عرض , ضخامت ) زير 100nm باشد . مواد نانو ساختار با توجه بهرفتارهاي بارزي كه از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاياخير قرار گرفته اند . در اين ميان صنعت ساختمان با توجه به نيازهاي خود چه از نظراستحكام , مقاومت و دوام و نيز كارايي بالا از استفاده كنندگان مهم مواد نانوساختار (Nanostructure Materials ) به شمار مي رود
مقدمه:
مواد نانو به عنوان موادي كهحداقل يكي از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زير 100nmباشد تعريف شده اند ،يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از موي انسان است . به طوركلي ،در يك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانو مواد را مي توان به صورت هاي زير بيانكرد : · فيلمهاي نانو لايه ( Nano Layer Thin Films ) براي كاربردهاي عمدتاًالكترونيكي · نانو پوششهاي حفاظتي (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابرخوردگي ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي · نانو ذرات به عنوان پيش سازنده (Precursor) يا اصلاح ساز (Modifier) پديده هاي شيميايي و فيزيكي · نانو لوله ها (Nanotubes) منظور از يك ماده نانو ساختار يا واضح تر يك بدنه نانو ساختار ( Nanostructured Solid ) جامدي است كه در آن انتظام اتمي ، اندازه كريستالهاي تشكيلدهنده و تركيب شيميايي در سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد .
خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو (در شكل و فرمهاي متعددي كه وجوددارند ازجمله ذرات ، الياف ، گلوله و . . . ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپي تفاوت اساسيدارند . تغييرات اصولي كه وجود دارد نه تنها از نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواصجديد آنها در سطح مقياس نانو مي باشد .
هدف نهايي از بررسي مواد در مقياس نانو، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكرد بالا مي باشد ، كه آنها را مي توانبه عنوان مصالحي با عملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چندمنظوره ، ظهور خواصي جديد و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولي مي باشد به گونه اي كهمصالح بتوانند كاربردهاي گوناگوني را ارائه نمايند .
در مطالب بعدي كه خواهدآمد مواد نانو ساختاري معرفي خواهند شد كه با توجه به نوظهور بودن چنين موادي ميتوانند تحولي شگرف در صنعت ساختمان سازي و صنايع وابسته به آن ايجاد كنند
2. مواد نانو كمپوزيت :
مواد نانو كمپوزيت برپايه پليمر (ماتريس پليمري ) اولين بار در سالهاي 70 معرفي شده اندكه از تكنولوژيسول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو كاني درونماتريس پليمر استفاده شده است .
هرچند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشته برايتوسعه تجاري اين مواد توسط شركت تويوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورت گرفته است، ولي رشته نانو كمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه مي باشد .
دراين شرايط نانو آلومينا ، بهترين ساختار نانوئي است كه افق جديدي را در صنعت سراميكنويد مي دهد . زيرا كاربرد اين مواد پديده اي است كه از نظر مكانيكي ، الكتريكي وخواص حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف كاربرد دارد . ازجمله مي توان به چند نمونه اشاره كرد : · تكنولوژي نانو فلز آرتونايد كه اخيراً بهطور تجاري ، الياف نانويي آلومينا ، انقلابي در رشته سراميك بوجود آورده است . · ذرات نانويي غير فلز مانند : نانو سيليكا ، نانو زيركونيا و مواد ديگر اصلاح كنندهسراميك ها مي باشد.
3. بتن با عملكرد بالا ([1] (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fnano.ir%2Fprintpap er.php%3FPaperCode%3D151%23_ftn1)HPC) :
يكي از چالشهايي كه در رشته مصالحساختماني بوجود آمده است ، بتن با عملكرد بالا(HPC ) مي باشد . اين نوع بتنمقاوم از نوع مصالح كامپوزيت بوده و از نظر دوام جزو مصالح كامپوزيت و چند فازيمركب و پيچيده مي باشد . خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو ساختار مادهزمينه بتن و سيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي آورد .
بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختمانيجديد و كاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي باشد . روش معمولي براي توسعه بتن باعملكرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلحبا انواع مختلف الياف مي باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملكرد با دوامو خواص مكانيكي بهتر ، بتن با عملكرد بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافهديگري را دارا مي باشد ، از جمله مي توان به خاصيت الكترو مغناطيسي ، و قابليت بهكار گيري در سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات ) و افزايش موثر بودن آن در حفظانرژي ساختمانها و ... را نام برد.
نانو سيليس آمورف :
در صنعت بتن ، سيليس يكي از معروفترين موادي است كه نقش مهمي درچسبندگي و پر كنندگي بتن با عملكرد بالا (HPC) ايفا مي كند .
محصولمعمولي همان سليكيافيوم يا ميكرو سيليكا مي باشد كه داراي قطري در حدود 1/0 تا 1ميلي متر مي باشد و داراي اكسيد سيليس حدود 90% مي باشد . مي توان گفت كه ميكروسيليكا محصولي است كه در محدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزايش عملكردكامپوزيت مواد سيماني به كار برده مي شود .
محصول نانو سيليس متشكل از ذراتيهستند كه داراي شكل گلوله اي بوده و با قطر كمتر از 100nmيا بصورت ذرات خشكپودر يا بصورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي باشند ، كه مايع آن معمول تريننوع محلول نانو سيليس مي باشد ، اين نوع محلول در آزمايشات مشخص در بتن خودتراكم([2] (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fnano.ir%2Fprintpap er.php%3FPaperCode%3D151%23_ftn2)SCC) به كار گرفته شده است . نانو سيليس معلق كاربردهاي چندمنظوره از خود نشان مي دهد مانند :
· خاصيت ضد سايش
· ضد لغزش
· ضد حريق
· ضد انعكاس سطوح
آزمايشات نشان داده اند كه واكنش مواد نانو سيليس (Colloidal Silica ) باهيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكرو سيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقداربسيار كم اين مواد همان تاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميكرو سيليكا را در سنيناوليه دارا مي باشد .
تمام كارهاي انجام يافته بر روي كاربرد مواد نانو سيليسكلوئيدي (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ريولوژي ، كار پذيري ومكانيكي خمير سيمان بوده است . آنچه كه در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانوسيليس با قطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر مي باشد.
5. نانو لوله ها : (NANOTUBES)
همان گونه كه در مقدمه مقالهمطرح شد معمولاً الياف براي مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانيكي بتن بكار برده ميشوند . امروزه از الياف فلزي ، شيشه اي ، پلي پروپلين ، كربن و . . . در بتن برايمسلح كردن استفاده مي شود و ليكن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربني (Carbon Nanotubes ) انتشار نيافته است تا بتوان از نتايج آن براي مسلحكردن بوسيله نانو لوله ها استفاده كرد .
نانو لوله كربني توسطLIJIMAدرسال 1991 كشف شده است و كارهاي بسياري بر روي ساختار نانو در بخش فيزيك كوانتومانجام يافته است بطوري كه تحقيقات نوين بر روي تكنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهانينقش اساسي و اصلي بازي مي كند . كربن 60 و نانو لوله هاي نوين داراي ساختاري هستندكه آنها را از فولاد قوي تر و بسيار سبك مي كند بطوريكه مي توانند خميدگي و كشش رابدون شكستن تحمل نمايند و در آينده جايگزين الياف كربن خواهند شد كه در كامپوزيت هابه كار برده مي شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مركزتحقيقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ايران ) ، داراي مقاومت كششي بيش از هر نوعالياف بتني شناخته شده مي باشند و نيز نانو لوله ها خواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي والكتريكي از خود نشان مي دهند ، بطوريكه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابرالماس و هادي بودن الكتريكي آنها در حدود 1000 برابر فلز مس مي باشد .
نانولوله ها طبقه جديدي از محصولات مي باشند كه انقلابي جديد در زمينهمصالح و موادپيشرفته را بوجود آورده اند . يك نسل جديد از نانو كامپوزيت هاي چند منظوره ميتوانند به عنوان نانو لوله هاي كربني در نقش الياف مسلح كننده مناسب آن مواد مورداستفاده قرار گيرند . بنابراين نانو لوله هاي كربني از اجزاي كليدي بدست آوردن هدفاصلي ذكر شده در فوق به عنوان مصالح ساختماني با عملكرد بالاي چند منظوره , بازي ميكنند.
6. نتيجه گيري:
منظور از مقالهارائه شده نشان دادن مصالح جديد ساختماني و بيان مزاياي استفاده از اين نوع مواد درصنعت ساختمان مي باشد ، البته به دليل نو بودن اين نوع مصالح زمينه هاي فراوانيبراي كارهاي نظري و عملي در دانشگاههاي كشور وجود دارد كه اميد است كه با معرفيمصالح با ساختار نانو راه براي گامهاي بلندتر در اين زمينه باز شود.
7.شكر و قدرداني :
از زحمات و مساعدت هاي استادگرانقدرم جناب آقاي دكتر صادقي كه در طول نوشتن مقاله از هيچ كوششي در كمك به بندهدريغ نكردند كمال تشكر و قدرداني مي شود.
نخبگان جوان
مواد نانو (Nanoparticular) به موادي گفته مي شود كه حداقل يكي ازابعاد آن (طول , عرض , ضخامت ) زير 100nm باشد . مواد نانو ساختار با توجه بهرفتارهاي بارزي كه از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاياخير قرار گرفته اند . در اين ميان صنعت ساختمان با توجه به نيازهاي خود چه از نظراستحكام , مقاومت و دوام و نيز كارايي بالا از استفاده كنندگان مهم مواد نانوساختار (Nanostructure Materials ) به شمار مي رود
مقدمه:
مواد نانو به عنوان موادي كهحداقل يكي از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زير 100nmباشد تعريف شده اند ،يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از موي انسان است . به طوركلي ،در يك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانو مواد را مي توان به صورت هاي زير بيانكرد : · فيلمهاي نانو لايه ( Nano Layer Thin Films ) براي كاربردهاي عمدتاًالكترونيكي · نانو پوششهاي حفاظتي (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابرخوردگي ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي · نانو ذرات به عنوان پيش سازنده (Precursor) يا اصلاح ساز (Modifier) پديده هاي شيميايي و فيزيكي · نانو لوله ها (Nanotubes) منظور از يك ماده نانو ساختار يا واضح تر يك بدنه نانو ساختار ( Nanostructured Solid ) جامدي است كه در آن انتظام اتمي ، اندازه كريستالهاي تشكيلدهنده و تركيب شيميايي در سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد .
خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو (در شكل و فرمهاي متعددي كه وجوددارند ازجمله ذرات ، الياف ، گلوله و . . . ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپي تفاوت اساسيدارند . تغييرات اصولي كه وجود دارد نه تنها از نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواصجديد آنها در سطح مقياس نانو مي باشد .
هدف نهايي از بررسي مواد در مقياس نانو، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكرد بالا مي باشد ، كه آنها را مي توانبه عنوان مصالحي با عملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چندمنظوره ، ظهور خواصي جديد و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولي مي باشد به گونه اي كهمصالح بتوانند كاربردهاي گوناگوني را ارائه نمايند .
در مطالب بعدي كه خواهدآمد مواد نانو ساختاري معرفي خواهند شد كه با توجه به نوظهور بودن چنين موادي ميتوانند تحولي شگرف در صنعت ساختمان سازي و صنايع وابسته به آن ايجاد كنند
2. مواد نانو كمپوزيت :
مواد نانو كمپوزيت برپايه پليمر (ماتريس پليمري ) اولين بار در سالهاي 70 معرفي شده اندكه از تكنولوژيسول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو كاني درونماتريس پليمر استفاده شده است .
هرچند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشته برايتوسعه تجاري اين مواد توسط شركت تويوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورت گرفته است، ولي رشته نانو كمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه مي باشد .
دراين شرايط نانو آلومينا ، بهترين ساختار نانوئي است كه افق جديدي را در صنعت سراميكنويد مي دهد . زيرا كاربرد اين مواد پديده اي است كه از نظر مكانيكي ، الكتريكي وخواص حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف كاربرد دارد . ازجمله مي توان به چند نمونه اشاره كرد : · تكنولوژي نانو فلز آرتونايد كه اخيراً بهطور تجاري ، الياف نانويي آلومينا ، انقلابي در رشته سراميك بوجود آورده است . · ذرات نانويي غير فلز مانند : نانو سيليكا ، نانو زيركونيا و مواد ديگر اصلاح كنندهسراميك ها مي باشد.
3. بتن با عملكرد بالا ([1] (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fnano.ir%2Fprintpap er.php%3FPaperCode%3D151%23_ftn1)HPC) :
يكي از چالشهايي كه در رشته مصالحساختماني بوجود آمده است ، بتن با عملكرد بالا(HPC ) مي باشد . اين نوع بتنمقاوم از نوع مصالح كامپوزيت بوده و از نظر دوام جزو مصالح كامپوزيت و چند فازيمركب و پيچيده مي باشد . خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو ساختار مادهزمينه بتن و سيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي آورد .
بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختمانيجديد و كاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي باشد . روش معمولي براي توسعه بتن باعملكرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلحبا انواع مختلف الياف مي باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملكرد با دوامو خواص مكانيكي بهتر ، بتن با عملكرد بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافهديگري را دارا مي باشد ، از جمله مي توان به خاصيت الكترو مغناطيسي ، و قابليت بهكار گيري در سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات ) و افزايش موثر بودن آن در حفظانرژي ساختمانها و ... را نام برد.
نانو سيليس آمورف :
در صنعت بتن ، سيليس يكي از معروفترين موادي است كه نقش مهمي درچسبندگي و پر كنندگي بتن با عملكرد بالا (HPC) ايفا مي كند .
محصولمعمولي همان سليكيافيوم يا ميكرو سيليكا مي باشد كه داراي قطري در حدود 1/0 تا 1ميلي متر مي باشد و داراي اكسيد سيليس حدود 90% مي باشد . مي توان گفت كه ميكروسيليكا محصولي است كه در محدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزايش عملكردكامپوزيت مواد سيماني به كار برده مي شود .
محصول نانو سيليس متشكل از ذراتيهستند كه داراي شكل گلوله اي بوده و با قطر كمتر از 100nmيا بصورت ذرات خشكپودر يا بصورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي باشند ، كه مايع آن معمول تريننوع محلول نانو سيليس مي باشد ، اين نوع محلول در آزمايشات مشخص در بتن خودتراكم([2] (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fnano.ir%2Fprintpap er.php%3FPaperCode%3D151%23_ftn2)SCC) به كار گرفته شده است . نانو سيليس معلق كاربردهاي چندمنظوره از خود نشان مي دهد مانند :
· خاصيت ضد سايش
· ضد لغزش
· ضد حريق
· ضد انعكاس سطوح
آزمايشات نشان داده اند كه واكنش مواد نانو سيليس (Colloidal Silica ) باهيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكرو سيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقداربسيار كم اين مواد همان تاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميكرو سيليكا را در سنيناوليه دارا مي باشد .
تمام كارهاي انجام يافته بر روي كاربرد مواد نانو سيليسكلوئيدي (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ريولوژي ، كار پذيري ومكانيكي خمير سيمان بوده است . آنچه كه در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانوسيليس با قطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر مي باشد.
5. نانو لوله ها : (NANOTUBES)
همان گونه كه در مقدمه مقالهمطرح شد معمولاً الياف براي مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانيكي بتن بكار برده ميشوند . امروزه از الياف فلزي ، شيشه اي ، پلي پروپلين ، كربن و . . . در بتن برايمسلح كردن استفاده مي شود و ليكن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربني (Carbon Nanotubes ) انتشار نيافته است تا بتوان از نتايج آن براي مسلحكردن بوسيله نانو لوله ها استفاده كرد .
نانو لوله كربني توسطLIJIMAدرسال 1991 كشف شده است و كارهاي بسياري بر روي ساختار نانو در بخش فيزيك كوانتومانجام يافته است بطوري كه تحقيقات نوين بر روي تكنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهانينقش اساسي و اصلي بازي مي كند . كربن 60 و نانو لوله هاي نوين داراي ساختاري هستندكه آنها را از فولاد قوي تر و بسيار سبك مي كند بطوريكه مي توانند خميدگي و كشش رابدون شكستن تحمل نمايند و در آينده جايگزين الياف كربن خواهند شد كه در كامپوزيت هابه كار برده مي شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مركزتحقيقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ايران ) ، داراي مقاومت كششي بيش از هر نوعالياف بتني شناخته شده مي باشند و نيز نانو لوله ها خواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي والكتريكي از خود نشان مي دهند ، بطوريكه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابرالماس و هادي بودن الكتريكي آنها در حدود 1000 برابر فلز مس مي باشد .
نانولوله ها طبقه جديدي از محصولات مي باشند كه انقلابي جديد در زمينهمصالح و موادپيشرفته را بوجود آورده اند . يك نسل جديد از نانو كامپوزيت هاي چند منظوره ميتوانند به عنوان نانو لوله هاي كربني در نقش الياف مسلح كننده مناسب آن مواد مورداستفاده قرار گيرند . بنابراين نانو لوله هاي كربني از اجزاي كليدي بدست آوردن هدفاصلي ذكر شده در فوق به عنوان مصالح ساختماني با عملكرد بالاي چند منظوره , بازي ميكنند.
6. نتيجه گيري:
منظور از مقالهارائه شده نشان دادن مصالح جديد ساختماني و بيان مزاياي استفاده از اين نوع مواد درصنعت ساختمان مي باشد ، البته به دليل نو بودن اين نوع مصالح زمينه هاي فراوانيبراي كارهاي نظري و عملي در دانشگاههاي كشور وجود دارد كه اميد است كه با معرفيمصالح با ساختار نانو راه براي گامهاي بلندتر در اين زمينه باز شود.
7.شكر و قدرداني :
از زحمات و مساعدت هاي استادگرانقدرم جناب آقاي دكتر صادقي كه در طول نوشتن مقاله از هيچ كوششي در كمك به بندهدريغ نكردند كمال تشكر و قدرداني مي شود.
نخبگان جوان