کاربردهای فناوری نانو در صنعت ساخت و تولید گچ های ساختمانی

فناوری نانو، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستم‌هاي جديد با كنترل ابعاد در محدوده 100-1 نانومتر و استفاده از خواصی است كه در این سطوح ظاهر مي‌شود. در مقیاس نانومتری، ‌ذرات دستخوش تغییرات شده و خواص شیمیایی و فیزیکی ویژه‌ای از خود نشان می‌دهند.

در چند سال گذشته استفاده از علم نانو بسیار فراگیر شده و به‌سرعت درحال پیشرفت و گسترش است. همگام با توسعه فناوری نانو در صنايع مختلف، توجه به كاربردهای اين علم، درصنعت ساختمان سازی نیز منجر به پیشرفت‌هایی در این زمینه گردیده است. در سال‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی، نانو مواد به عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارند. به‌عنوان مثال، فناوری نانو از طریق به کارگیری نانوپودرها به‌عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان و گچ باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرایندپذیری این مصالح می‌شوند.

گچ و کاربردهای آن:

گچ از جمله مصالحی است كه در صنایع ساختمان سازی از اهمیت ویژه ای برخوردار می‌باشد و به‌علت ویژگی‌هایی كه دارد از زمان‌های قدیم در امر ساختمان سازی مورد استفاده بوده است. گچ از پختن و آسیاب كردن سنگ گچ به‌دست می‌آید. سنگ گچ از گروه مصالح ساختمانی كلسیم دار است كه به وفور در طبیعت یافت می‌شود و تقریباً در تمامی  نقاط  زمین وجود دارد. سنگ گچ با فرمول CaSO₄,2H₂O از سنگ‌های رسوبی است و به علت میل تركیبی شدیدی كه دارد به‌طور خالص یافت نمی‌شود و بیشتر به صورت تركیب با كربن یا اكسیدهای آهن یافت می‌شود. سنگ گچ یا به‌صورت سولفات کلسیم آبدار یافت می‌شود که به آن گچ خام هم گویند و یا به‌صورت سولفات کلسیم بدون آب (CaSO₄) به‌دست می‌آید که به آن آنهیدریت[1] گفته می‌شود. سنگ گچ پس از استخراج از معدن به کوره می‌رود و تا دمای نزدیک به ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد گرما می‌بیند تا شماری از مولکول‌های آب تبلورش را از دست بدهد و به فرم گچ قابل به‌کارگیری در مصالح ساختمانی و قالب سازی درآید.

گچ به علت خواص خود از اولین قدم در ایجاد یك بنا مانند ریختن رنگ ساختمان برای مشخص كردن اطراف زمین و پیاده كردن نقشه، ملات سازی و گچ وخاك تا آخرین مراحل ساخت بنا مانند سفید كاری، نصب سنگ، تیغه‌های آجری و حتی نقاشی ساختمان مورد نیاز است.

کاربرد نانو ذرات در گچ:

نانوذرات مختلف به‌منظور تغییر و یا بهبود خواص و ویژگی‌های مواد به آن‌ها اضافه می‌شوند. همچنین این نانوذرات در گچ می‌توانند باعث بهبود ویژگی‌های گچ و ایجاد خواص جدید در آن شوند. در زیر به توضیح مختصری در خصوص کاربرد نانوذرات در گچ پرداخته شده است.

• بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی:

 

• نانو ذرات سیلیس:

نانو ذرات سیلیس یکی از موادی است که استفاده از آن جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام مصالح ساختمانی نظیر سیمان، بتن و گچ به‌طور جدی مورد توجه قرار گرفته است. یکی از خواص عمده گچ ازدیاد حجم آن به هنگام سخت شدن و زمان سخت شدن (زمان گیرش)[2] بسیار سریع آن است. آزمایشات نشان می‌دهد که افزودن نانو ذرات سیلیس به گچ موجب کاهش جرم مخصوص^[3]، افزایش دوام و ثبات گچ، افزایش تخلخل ظاهری، افزایش زمان گیرش و مقاومت فشاری گچ می‌شود. در نتیجه کامپوزیت نانوسیلیکا- گچ برای کاربردهای با مقاومت بالا، تخلخل بالا و سبک وزن مناسب است و به‌دلیل هزینه کم، دارای ارزش اقتصادی بسیاری است]1[.

• نانو ذرات سولفات کلسیم:

با استفاده از فناوری نانو در گچ می‌توان تیغه‌های دیواری سبک‌تر و بسیار مستحکم‌تری داشت. استحکام و پایداری مکانیکی گچ و مصالح سیمانی می‌تواند با استفاده از ذرات بسیار ریز نانومتری به طور مشخصی بهبود یابد. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که با استفاده از گچ حاوی نانو- آنهیدرات (نانو ذرات سولفات کلسیم بدون آب با اندازه ذرات20 تا 50 نانومتر)‌ خواص مکانیکی در مقایسه با گچ معمولی، بهبود یافته و محصول نهایی بسیار مطلوب‌تر است. نتایج آزمون اندازه‌گیری میزان سختی این نوع گچ به روش ویکرز^[4] نشان می‌دهد که سختی این نوع گچ 2 تا 3 برابر بیشتر از گچ متداول با ذرات میکرونی است که دلیل این بهبود ناشی از وجود سوزن‌های نانو[5] سولفات کلسیم است]2[.

شکل 1: (الف) تیغه‌های دیواری بسیار سبک، قابل حمل و با استحکام و دوام بالا. (ب) تصویر میکروسکوپی نانو گچ، دایره سفید رنگ پایین قرص پرس شده نانو گچ را نشان می‌دهد ]3[.

شکل 2:  مقایسه سختی گچ معمولی و گچ حاوی نانو سولفات کلسیم با مقادیر مختلف آب. با توجه به شکل مشاهده می‌شود که در همه نسبت‌های آب به پودر، برای گچ نانو مقدار سختی بیشتر از گچ معمولی است. برای گچ با مقدار کمتر آب این تفاوت حدود سه برابر و برای گچ با مقدار آب بیشتر تفاوت سختی حدود دو برابر است]2[.

ویژگی‌های گچ حاوی نانو ذرات سیلیس و سولفات کلسیم:

v    کنترل زمان گیرش گچ از چند دقیقه تا چند ساعت با توجه به میزان مصرف نانو مواد

v    افزایش 20 الی 80 درصدی مقاومت گچ

v     امکان کاهش نسبت آب به گچ ( ملات پرمایه )

v     امکان کاهش جذب آب گچ

v     افزایش زمان گیرش اولیه و نهایی گچ به صورت جداگانه

 

• آیروژل:

یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو در گچ، استفاده از آیروژل در آن است. آیروژل‌ با اندازه ذرات نانومتری و تخلخل بالا (>95%) از جمله مواد بسیار سبك با خصوصیات اپتیكى، حرارتى، صوتی و مكانیكى عالى است که از تركیب ماتریس فاز جامد و فضاهاى خالى در اندازه نانو، كه به وسیله‌ى هوا پرشده‌‌اند، ایجاد شده است. آئروژل‌ها طیف وسیعی از خواص فیزیکی برجسته مانند هدایت حرارتی پایین، خواص مکانیکی مناسب، وزن بسیار پایین و توانایی بالا در جذب انرژی را دارا می‌باشند. پودر آیروژل با ویژگی‌های عملکردی بالا، خواص و مزیت‌های بالایی را برای گچ، به‌عنوان یک محصول برتر که از لحاظ اقتصادی نیز به‌صرفه است، ایجاد می‌نماید.

شکل 3: مشاهده تصویر میکروسکوپی گچ آیروژلی و معمولی. اندازه ذرات متخلخل گچ معمولی حداقل 700 برابر بیشتر از ذرات  تشکیل دهنده گچ آیروژلی است]4[.

ویژگی‌های گچ آیروژلی:

• سبک وزن بودن
• مقاوم در برابر آتش
• بهبود میرایی صدا
• هدایت حرارتی پایین و مقاوم در برابر حرارت

 

• گچ با خاصیت آنتی‌باکتریال و ضد رطوبت:

یکی از مشکلات اساسی گچ‌ها، خاصیت جذب بالای آن‌هاست که موجب می‌شود این مواد بسترهای بسیار مناسبی برای آب، رطوبت و همچنین نوشته‌ها یا نقاشی‌هایی باشند که به زیبایی نمای ساختمان آسیب می‌زنند.

• پوشش‌های ضد رطوبت:

تمیز شدن یا خود تمیز شوندگی سطوح با دو  روشی که اساساً متفاوت با یکدیگر می باشند قابل دسترسی است.  در مکان هایی که اشعه های مافوق بنفش خورشید می تواند کثیفی های ارگانیک را بشکند، پوشش های فوتوکاتالیستی بر روی سطوح می تواند اعمال گردد. در همان زمان سطح به یک سطح آب دوست تغییر می یابد که آب در ان زمان به صورت یکنواخت  برر وی سطح پخش می شود و لکه های خشک شدن کمتری از چکه کردن آب بوجود خواهد آمد.

راه دیگر برای تولید سطوح خود تمیزشونده (بیونیک)، بر طبق اثر لوتوس (اثر نیلوفری)  می باشد که  در این جا سطح به یک سطح ابر آبگریز تبدیل می شود. ابگریزی سطح با اندازه گرفتن زاویه تماس آب تعیین می شود. زاویه تماس بیشتر از 90 درجه به طور معمول آبگریز نامیده می شود. یک سطح آبگریز زمانی بدست می آید که شیمی سطح با زبری سطح مناسب ترکیب گردد. یک سطح ابر آبگریز قادر به دفع کامل قطرات آب می باشد. این گونه سطوح برای قطرات آب، زاویه تماس بالای 150 درجه و یا حتی بیشتر را نشان میدهند.

پوشش های ابر ابگریز و لایه نازک دارای طیف وسیع از کاربردهای گوناگون می باشد.  از آنها نه تنها برای مقاومت در برابر آب و میعان مه  استفاده می شود بلکه برای جلوگیری از الودگی نیز استفاده می شود. زاویه تماس قطرات آب بر روی یک سطح صاف ابگریز بین 100 تا 120 درجه متغییر می باشد. اضافه شدن زبری یا ریز بافت به یک سطح آبگریز به بهبود آبگریزی آن کمک میکند و زاویه تماس به 160 تا 175 درجه افزایش می یابد.

 

شکل 4: نفوذ آب و رطوبت به داخل گچ باعث ایجاد پوسته شدن و ظاهر نامناسب گچ می شود.

• پوشش‌های ضد نوشتار:

پوشش‌‌های نازک با خاصیت ضد نوشتار، قدرت چسبندگی اسپری‌های رنگ و مواد گرافیتی را بر روی سطح کاهش می‌دهند. این مواد که دارای سطح آب‌گریزی هستند با فشار اندک آب و شوینده‌های مناسب باعث از بین رفتن رنگ و نوشته‌های روی سطح پوشش می‌شوند. این پوشش‌ها ماندگار و دائمی هستند و پس از زدودن مکرر نقش‌ها و نوشته‌ها از روی سطح، بدون اینکه هیچ‌گونه تغییری در عملکرد و ظاهر پوشش به‌وجود آید در محل خود باقی خواهند ماند. این پوشش‌ها را می‌توان به صورت اسپری کردن و به صورت رنگ آمیزی روی سطوح مورد نظر اعمال کرد.

شکل 5 : مقایسه قدرت چسبندگی رنگ بر روی یک سطح معمولی و سطح با پوشش ضد نوشتار. به علت قدرت چسبندگی پایین سطح ضد نوشتار، مواد رنگی به راحتی از روی این سطوح قابل پاک شدن هستند]5[.

• نانو ذرات سیلیکا با اندازه ذرات بسیار کوچک و سطح تماس زیاد کاربرد فراوانی در پوشش‌های آب‌گریز دارند و گزینه مناسبی برای ضد رطوبت و ضد نوشتار کردن گچ است.

 

• پوشش‌های آنتی‌باکتریال:

پوشش‌های آنتی‌باکتریال از تشکیل باکتری‌ها، رشد جلبک‌ها و میکروب‌ها روی سطح جلوگیری می‌کنند. با استفاده از پوشش‌های آنتی‌باکتریال بر روی سطوح گچی و سیمانی، به شکل قابل توجهی امکان انباشتگی آلودگی بر روی این سطوح کاهش می‌یابد.

نانو ذرات نقره، به دلیل داشتن خصوصیات ضد میکروبی، یکی از پرکاربرد‌ترین ذرات در حوزه ‌فناوری نانو هستند و در ابعاد نانو متری خاصیت میکروب‌کشی این ذرات بیش از 99 درصد است و قادرند بیش از 650 گونه باکتری، ویروس و قارچ را نابود سازند.

نانوذرات تیتانیا نیز برای آنتی باکتریال کردن گچ و کامپوزیت‌های گچ گزینه بسیار مناسبی هستند. این نانو ذرات از طریق واکنش‌های فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده‌های آلی وغشای باکتریایی هستند. این نانو­ذرات با جذب نور ماورای بنفش در حضور مولکول‌های آب، می‌توانند اجزای اکسیژن فعال تولید کنند که این اجزا قابلیت تجزیه مولکول‌های آلی و آلودگی‌های متصل شده به سطح و حذف مؤثر باکتری‌ها و میکروب‌ها را دارا می‌باشند.

شکل 6: مقایسه سطح گچی معمولی با سطح گچی آنتی‌باکتریال. در سطح آنتی باکتریال هیچ نشانی از رشد کپک و آلودگی دیده نمی‌شود]6[.

شکل 7: ایجاد پوشش‌ نازک نانومتری بر روی سطح با خاصیت آنتی‌باکتریال]7[.

 

ویژگی پوشش‌های آب‌گریز و آنتی‌باکتریال:

• مقاوم در مقابل رطوبت و گازهاي جوي
• مقاومت در برابر تابش نور خورشيد
• محافظت و جلوگيري از تغيير رنگ مصالح به‌كاربرده شده در نماي ساختمان
• دارای ماندگاري طولاني در موضع اجرا شده
• خاصيت ضد گرد و غبار و ضد دوده نمودن سطح
• خاصيت خود تمیز شوندگي سطوح

 

 

به کمک فناوری نانو و استفاده از پوشش‌های آب‌گریز بر روی سطوح گچی، محافظت دائمی در برابر نفوذ آب، رطوبت، رنگ، باکتری‌ها و میکروب‌ها به داخل سطح ایجاد می‌شود. نانو پوشش فوق نازکی که به این روش ایجاد می‌شود، منفذهای مویین گچ را بدون اینکه آن‌ها را مسدود کند و باعث تغییر در رنگ و شکل ظاهری شود، می‌پوشاند.

 

 

 

 

 

آینده و بازار فناوری نانو در گچ:

با ورود فناوری نانو به تمام بخش‌های ساختمانی و رشد قابل توجه این فناوری، کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند فناوری نانو در چند سال آینده بازار بزرگی را در صنعت ساخت‌و‌ساز به خود اختصاص دهد. همچنین با توجه به اهمیت و استفاده گچ در صنعت ساخت‌و ساز بازار رو به رشدی برای آن انتظار می‌رود. پیش بینی می‌شود بازار جهانی گچ ساختمانی با رشد ده درصدی سالانه خود تا سال 2023 به ارزش حدود 8/3 میلیارد دلار برسد و دور از انتظار نخواهد بود که چنین بازار رو به رشدی بستری مناسب برای ورود فناوری ‌نانو و سرمایه‌گذاری در آن باشد و فناوری نانو بتواند سهم بزرگی از بازار را به خود اختصاص دهد]8[.

شکل 8 :  در آمد از نانو پوشش های ضد رطوبت از سال 2010- 2025، دلار امریکا

شکل 9 – درآمدهای پوشش­های ضد خزه و آسان تمیزشونده 2010 تا 2025 (میلیون دلار)

 

معرفی تعدادی از شرکت‌های سازنده گچ نانو:

در جدول زیر اسامی تعدادی از شرکت‌های فعال داخلی و خارجی تولید کننده گچ بر پایه فناوری نانو آورده شده است.

نام شرکت	نام محصول	وبسایت
کیا عمران	1- دیر گیر گچDGAR202 : افزودنی جهت کنترل زمان گیرش اولیه و نهایی گچ 2- MGAR 106G: مکملی جهت افزایش مقاومت گچ	WWW.gatch.ir
تیکو آریا	1- پوشش نانو جهت گچ و کناف- SurfaPore F 2-افزودنی نانو به انواع ملات سیمان و گچ-SurfaMix C	WWW.ticoarya.ir
پارس پوشش نانو پارس	نانو پوشش گچ با خاصیت ضد رطوبت	www.nanotejarat.com
Pacific Nanotechnology	نانو پوشش‌های آب‌گریز و آنتی باکتریال	www.pacificnanotech.co.nz
JIOS Aerogel	گچ آیروژلی	www.jiosaerogel.com

 

منابع

1- Wen LEI, Yu-he DENG, Mei ZHOU, Ling XUAN, Qian FENG,‌ Mechanical properties of nano SiO₂ filled gypsum particleboard, 2006.

2- Neil Osterwalder, Stefan Loher, Robert N. Grass, Tobias J. Brunner, Ludwig K. Limbach, Samuel C. Halim,   Wendelin J. Stark, Preparation of nano-gypsum from anhydrite nanoparticles: Strongly increased Vickers hardness and formation of calcium sulfate nano-needles, 2006.

3-Elvin G., Nanotechnology for Green Building, Green  Technology Forum, Published by Wiley and Princeton Architectural, (2007).

4- www.jiosaerogel.com/aerogel-gypsum-board

5- www.irannano.org

6- www.ticoarya.ir

7- www.pacificnanotech.co.nz

8- www.smithersapex.com

[1] anhydrite

[2] Setting time

[3] bulk density

[4] Vickers

[5]  nano-needle