محصولات مبتنی بر فناوری نانو، دارای موادی در مقیاس نانومتری و دارای ویژگیهای خاصی هستند. امروزه تلاشهای فراوانی برای کاربرد این محصولات در مقیاس صنعتی انجام شده است. پیشرفت فناوری نانو بر روشها و فرآیندهای پوششدهی تأثیر چشمگیری داشته است. شناخت عملکردهای جدید نانوروکشها که به واسطه استفاده از نانومواد به دست آمده، امکان توسعه کاربردهای جدید را فراهم کرده است. نانوروکشها امکان تنظیم خواص را به محققین میدهند که این موضوع یک مزیت ویژه به شمار میآید. اصلاح رنگها به وسیلة نانومتری کردن ساختار آنها منجر به بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آنها شده، مقاومت در برابر حرارت و آتش را در آنها بالا میبرد.
شکل 1- شیشههای ضد حریق
مطلب حائز اهمیت به هنگام وقوع آتشسوزی، ایجاد شرایط لازم برای جلوگیری از توسعه حریق و کاهش خسارات جانی و مالی است. استفاده از محافظت کنندهها و اعمال آنها بر روی سازهها موجب به تاخیر انداخته شدن انتقال حرارت محیط به سطح سازه میگردد. با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه تولید نانومواد، تغییرات شگرفی در فرآیندهای پوششدهی و فرمولاسیون مواد پوشش دهنده به وجود آمده است. بهبود و پیشرفت حاصله در فرمولاسیون مواد پوشش دهنده مرهون امکان کنترل شاخصهایی چون اندازه نانوذرات، ویژگیهای شیمیایی سطح نانوذرات، پوششدهی سطح بیشتری از بستر توسط نانوذرات و همچنین فعالیت و واکنشپذیری بیشتر نانوذرات در مقایسه با مواد پوشش دهنده دیگر است. از جمله ویژگیهای مواد پوشش دهنده بر پایه نانوذرات میتوان به امکان تولید پوششهای سطحی خیلی نازک و شفاف اشاره نمود. امروزه از پوشش دهندههای بر پایه نانوذرات در مصارف مختلفی از جمله پوششهای ممانعت کننده خوردگی، پوششهای نوری، پوششهای مقاوم در برابر سایش و فرسودگی و پوششهای آماس کننده (متورم شونده)[1] اشاره کرد. از جمله روشهای بهبود خواص پوششهای آماس کننده میتوان به استفاده از ترکیبی از نانوذرات رس با پوششهای آتش گریز (تاخیر اندازنده آتشگیری[2]) اشاره نمود. از انواع پوششهای ضد حریق، میتوان از ملاتهای سیمانی نسوز، مواد خمیری اندود کننده و رنگهای ضد حریق به عنوان آخرین دستاوردهای علوم و فناوری نام برد. رنگهای ضد حریق، قابلیت ضد شعلهوری داشته و نیز مانع انتقال حرارت به لایههای زیرین اجسام میگردند ]1[.
مقاومسازي سازهها در برابر آتش یکی ازمقولههاي مهم در صنعت ساختمان میباشد. این امر در کنار تأمین سیستمهاي اعلام و اطفاء حریق میتواند تضمین کننده ایمنی ساختمان باشد. در صورتیکه به هر دلیل سیستم اطفاء، توانایی خود را در خاموش نمودن آتش از دست داده باشد، سازه مقاومسازي شده پایداري خود را براي مدتی حفظ خواهد نمود. بنابراین نیروهاي امدادرسانی زمان کافی براي خروج افرادي که در محاصره آتش قرار دارند را خواهند داشت. همچنین پیش از فروریزي ساختمان، امکان خاموش نمودن آتش فراهم میگردد. اهمیت این مسئله در ساختمانهاي مرتفع که عملا امکانات آتشنشانی به صورت مستقیم نمیتواند عمل نماید، نمود بیشتري پیدا میکند. البته این مقاومسازی دارای استانداردها و ضوابط تعریف شدهای از سوی سازمان آتش نشانی است که بایستی مطابق با آنها در مورد ساختمان عمل شود ]2[.
شکل 2- شمایی از ساختمان مقاوم در برابر حریق ]3[.
فناوری نانو روشهای متنوعی را برای توسعه مواد ضد آتش (ضد حریق) و بهبود خواص آنها ارائه داده است. این مواد جدید به عنوان جایگزین مواد آلایندهای که قبلا به عنوان مواد ضد حریق، استفاده میشدند، مطرح شدهاند. نقطه عطف این پژوهشها، ذرات آلومینوسیلیکاتی نانوساختار هستند (نانو رس[3]) که به عنوان پرکننده پلیمرها و برای بالا بردن خواص ضد آتش و مقاومت در برابر حرارت استفاده میشود ]4[.
- در ساختمان، پلیمرها در پوشش کابلها، نقش مهمی را ایفا میکنند. این کاربرد عمومی در فیوز، پریز برق و محفظه لامپها مشاهده میشود. خاصیت ضد حریق کامپوزیتهای نانورس، نشانگر این مسأله است که با استفاده از این نانومواد، در مواقع آتشسوزی اتلاف حرارت و توسعه دود به طور قابل توجهی کاهش مییابد و هم زمان ایجاد جرقه نیز به تعویق میافتد ]4[.
- از دیگر جنبههای کاربردی پوششهای ضد حریق، استفاده از آنها برای چوب، فلز، پلاستیک یا بتن است. توسعه آتش در این مصالح به وسیله این نوع پوششها به تأخیر میافتد و مانع گسترش کنترل نشده آتش میشود. در این بخش از نانومواد پوششی که میتوانند مایع یا پلاستیکی باشند، برای محافظت مصالح استفاده میشود ]4[.
شکل 3- مصالح ضد آتش ]5[
- با استفاده از اتصالات غیر سمی بر پایه سطوح اصلاح شده حاوی نانوذرات SiO2 میتوان خواص ضد حریق پشم را به عنوان عایق بام به طور قابل توجهی افزایش داد. این قابلیت در مورد سایر الیاف آلی طبیعی و سبک مانند کاه و کنف نیز وجود دارد ]4[.
- در مقابله با آتش، شیشه یک نقطه ضعف مهم دارد و آن شکنندگی، شعله ور شدن و نشر دود ناشی از ذوب شیشه در هنگام وقوع حریق است. شيشههاي محافظ در برابر آتش نيز يكي ديگر از دستاوردهاي فناوري نانو است. این محصول، از طریق قراردادن یک لایه شفاف حاوی نانوذرات سیلیس در میان دو صفحه شیشهای ساخته میشود. در هنگام گرم شدن شیشه، این لایه شفاف تبدیل به محافظی سخت، تیره و مقاوم در برابر آتش میشود ]6[. با استفاده از نانوذرات، میتوان شیشههای ضد حریقی را به وجود آورد که در اثر حرارت، یک پوشش اسفنج مانند را تشکیل میدهند. این پوشش محافظت بهتری در برابر آتش انجام میدهد. این جدارهها در مقایسه با نمونههای قبلی (تکنیکهای گذشته) تقریباً 50 درصد سبکتر هستند و در برابر حریق، 2 برابر مقاومتر هستند ]4[.
شکل 4- ایجاد ساختار فوم مانند میان جدارههای شیشه جهت محافظت در برابر آتش ]7[
- شرکت I-can nano، رنگهایی را بر پایه فناوری نانو عرضه کرده است که موجب به تاخیر انداختن آتش میشوند. از این رنگها به عنوان لایه نهایی محافظ و یا به تنهایی به صورت تاپ کوت[4] برای دستیابی به سطح بالایی از محافظت در برابر آتش استفاده میشود. این رنگها برای دیوارههای ضد حریق، سقفها و دیگر ساختارها مناسب هستند. استفاده از رنگهای ضد حریق که به عنوان تاخیر انداز شعله نیز از آنها نام برده میشود، به کنترل خطرات و آسیبهای آتش ایجاد شده توسط مواد قابل اشتعال مانند سوخت، الکتریسیته، چوب، کاغذ و…کمک میکند ]8[.
شکل 5- نانو رنگهای ضد حریق ]8[
- به تازگی نانورنگهای جدیدی به بازار عرضه شدهاند که دارای خاصیت ضد حریق هستند و در آنها ماده صابونی که از آن برای پایدار کردن لاتکس در رنگهای امولسیونی استفاده میشود، با پوششی از نانورس جایگزین شده است. کاربرد لاتکس در رنگهای متداول به این دلیل است که پس از تبخیر آب، با چسبیدن ذرات به هم جامد میشود و بنابراین، میتوانند فیلمهایی را بدون برجایگذاری حلالهای آلی سمی در محیط شکل دهند. در این لاتکسها، به عنوان پایدار کننده از صفحات دیسکی نانورس از نوع لاپونیت استفاده میشود. هنگامی که هسته پلیمری حاوس پوسته نانورس آتش میگیرد، شبکهای از کرات توخالی به هم متصل نانومتری از نانورسها تشکیل میشود که مساحت سطحی مفید زیادی را در یک فضای بسیار کم ایجاد میکند. به این ترتیب یک لایه محافظ در برابر آتش بر روی سطح تشکیل میشود. ]9[.
- کاهش اتلاف حرارت و توسعه دود، به تعویق انداختن جرقه زنی:
با استفاده از نانوکامپوزیتهای خاک رس در ساختمان، اتلاف حرارت و توسعه دود به طور قابل توجهی کاهش مییابد و هم زمان ایجاد جرقه به تعویق میافتد. پوششهای پلیمری بر روی کابلها و سیمهای برق و فیوزها مستعد استفاده از این فناوری هستند ]4[.
- تاخیر توسعه آتش در مصالح ساختمانی:
توسعه آتش در مصالح به وسیله نانوپوششها به تأخیر میافتد. در صورت بروز آتش در طول چند ثانیه یک پوشش سرامیکی شکل میگیرد. این پوشش به شکل یک عایق حرارتی عمل میکند و در نتیجه از گسترش دود به شدت جلوگیری میشود. استفاده از نانوپودرها منجر به تسریع در ایجاد این پوشش سرامیکی میشود. به طوری که همزمان با تولید گازهای به دام افتاده، محصولات احتراقی و حبابهای آب، به عنوان عایق حرارتی ثانوی عمل مینماید ]4[.
- انطباق خوب با محیط زیست به علت عدم وجود هالوژنها:
از جمله مزیتهای دیگر سیستم ضد حریق، انطباق خوب آن با محیط (بدون-هالوژن، Halogen-free) و مقاومت بالا در برابر نور و سایش است ]4[.
- کاهش قابلیت اشتعال الیاف آلی:
با استفاده نانومواد، میتوان قابلیت مقاومت در برابر اشتعال را در الیاف آلی طبیعی همچون ابریشم، کاه و کنف افزایش داد. این موضوع منجر به توسعه نسل جدیدی از مواد سبک ضد حریق میشود ]4[.
- افزایش محافظت در برابر آتش در عین کاهش وزن در شیشهها:
استفاده از فناوری نانو در جدارههای شیشهای، منجر به بهبود محفاظت در مقابل آتش میشود.
- حفظ شفافیت جدارههای شیشه ضد حریق به دلیل کوچکی اندازه ذرات:
ژلهای ضد آتش مبتنی بر نانوذرات اصلاح شده، خاصیت ضد آتش جدارهها را به طور قابل توجهی افزایش میدهند. با استفاده از این ژلها، در هنگام وقوع حریق یک لایه اسفنجی پایدار به وجود میآید که از سطح شیشه جدا نمیشود. به دلیل کوچکی نانوذرات موجود در ژل، پراکندگی نور کاهش مییابد و این امر سبب میشود تا شفافیت جدارههای ضد حریق حفظ شود. نمونهای از این شیشههای ضد حریق به طور آزمایشی در فرودگاه دبی استفاده شده اند ]4[. .[
نانوسیلیس و نانورس موادی هستند که به طور عمده در اینگونه پوششها و سازهها مورد استفاده قرار میگیرند. ثابت شده است که افزودنیهای نانومتری همچون نانوذرات رس میتوانند به عنوان عوامل ضدآتش در پلیمرها به کار رفته و یا عملکرد عوامل ضدآتش فعلی را بهبود بخشند. این نانوکامپوزیتها در اثر سوختن، پوستهای غیرقابل اشتعال به عنوان مانعی در برابر گازهای ناشی از حرارت تولید میکنند. به علاوه این افزودنیها از چکیدن پلیمرهای در حال سوختن جلوگیری میکنند و در نهایت با ایجاد یک لایه ضد نفوذ مانع رسیدن اکسیژن به بستر در حال سوختن میشوند. هر سه سازوکار بیان شده برای مهار آتش ضروری هستند ]11[.
نانوسیلیس:
نانوسیلیس از ذرات کروی و با قطر کمتر از 100 نانومتر تشکیل شده است. این نانوذرات به صورت خشک یا ذرات معلق با قابلیت نفوذ در محلول مایع وجود دارند. نوع بسیار رایج آن، محلول سیلیکای نانومتری است که در شکل 7 نمایی از آن مشاهده میشود ]10[.
شکل 7- تصویر میکروسکوپی از نانوذرات سیلیس ]10[
- ساخت شیشههای ضد آتش یکی از کاربردهای نانوسیلیس است. شیشههای حاوی نانوسیلیس دارای وزنی سبک، ویژگیهای اپتیکی مناسب، عایق خوبی در برابر صوت مقاومت زیادی در برابر آتش (در حدود 120 دقیقه در برابر دمای 1000درجه سانتیگراد) دارند.
- از نانوسیلیس در مصالح ساختمانی از جمله بتن نیز استفاده میشود. استفاده از نانوسیلیس در بتن، خواص گوناگون مکانیکی و فیزیکی آن را به شدت بالا برده و موجب بهبود کارآیی آن میشود. از جمله این خواص بهبود یافته میتوان به خاصیت ضد حریق و ضد سایش آنها اشاره نمود. عمده این خواص به علت مقاومت حرارتی بالای سیلیس است که در هنگام افزوده شدن به سایر مواد، این خاصیت را به ترکیب نهایی میبخشد.
- نانوسیلیس تعلیقی علاوه بر کاربرد ضد حریق، کاربردهای چند منظورهای از خود نشان میدهد که از این میان میتوان به کاربردهای ضد اصطکاک، کاربردهای ضد لغزش و کاربردهای ضد انعکاس سطحی اشاره نمود.
نانو رس:
نانورسها آلومینوسیلیکاتهایی با ساختار لایهای هستند. کائولینیت، بنتونیت و مونتموریلونیت مثالهایی از این مواد هستند. نانوذرات رس به شکل صفحهای به ضخامت 1 نانومتر و طول 70 تا 1000 نانومتر هستند (شکل 8). نانوذرات رس ویژگیهای منحصر به فردی دارند و اضافه کردن مقدار کمی از نانورس میتواند روی خواص پوشش تأثیر زیادی داشته باشد. به دلیل کوچک بودن ذرات نانورس، اضافه کردن این ماده شفافیت پوششها را از بین نمیبرد.
شکل 8- تصویر میکروسکوپی از نانورس ]10[
این نانوذره معمولا در قالب نانوکامپوزیتهای خاک رس با ماتریسهای گوناگون، مورد استفاده قرار میگیرد. افزودن نانورس به ماتریسهای پلیمری و استفاده از نانوکامپوزیت خاک رس در مواد ساختمانی، مزایایی از قبیل بهبود خواص مکانیکی، افزایش سختی بدون کاهش پلاستیسیته، افزایش مقاومت در برابر حرارت و عوامل شیمیایی، توانایی تاخیر اندازی شعله و مقاومت در برابر آتش و مقاومت در برابر عبور گاز را به دنبال دارد.
توانایی تاخیر اندازی شعله، موجب استفاده از این مواد در پوششهای ضد آتش در محصولاتی چون کفپوشها، عایقها، پانلها و اجزای ساختمانی و فومهای ماشینها، کشتیها، هواپیماها و در صنایع نظامی شده است. انتقال کم گازهای مختلف مانند اکسیژن، بخار آب و دیاکسید کربن، مزیت دیگر استفاده از این نانوکامپوزیتها است ]10[.
- از پژوهشهای مرتبط در دست اقدام در گروه رنگ پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران میتوان به “تهيه و بررسي خواص پوششهاي نانوكامپوزيتي ضد حريق متورم شونده بر پايه رزين فوراني اصلاح شده با نانو ذرات POSS[5] و قير طبيعي” اشاره نمود ]12[.
- همچنین پژوهشهای متنوعی به استفاده از نانوذرات رس در انواع مختلفی از زمینههای ترموست و ترموپلاستیک اختصاص داده شده است.
- گروه تخصصی و مهندسی نوین البرز، نانوماده ضدحریق چوب را با رنگي شفاف و جهت اعمال روي سطوح مختلف با ضخامت بسيار اندك ( در حدود چند صد ميكروني) و مقاوم در برابر شعله و آتش، ارائه مینماید. اين نانوماده پس از اعمال روي سطوح قابل اشتعال همانند چوب، كارتن و… از آتش گرفتن آنها جلوگيري مينمايد ]13[.
- شرکت شیمیایی بلژیکیDevan chemicals از نانوذرات سیلیکات لایه دار شده به صورت لایههای کریستالی مشبک جهت بهبود قابلیت تاخیر در آتشگیری در پوششهای متورم شونده استفاده نموده است. در این مواد ساختار مشبک و ضخیم پوششها به صورت مانعی در برابر آتشگیری و انتقال حرارت و گرما رفتار میکنند ]14[.
- شرکت آلمانی Hensel گروههای مختلفی از رنگهای ضد حریق را برای سطوح متفاوت از جمله سطوح فلزی، چوبی، کابلهای برق و … ارائه مینماید که گروهی، نقش پف کننده را داشته و گروهی نقش دیرسوز کننده را دارا میباشند ]1[.
- رزین اپوکسی پایه آب: نسل جدید پوشش ©Nansulate با نام ©Nansulate EPX به دلیل بهرهمندی از فناوری نانو انقلابی در صنعت پوششهای محافظتی در سطح جهان پدید آورده است. این پوششها دارای ویژگیهای منحصر به فردی همچون عایقکاری حرارتی و برودتی، ضد خوردگی، ضد آتش، مقاومت شیمیایی در برابر اسیدها و بازها و مواد سوختی میباشد ]15[.
- شرکت Nano Green world در حوزه نانومواد سبز فعالیت میکند. بخشی از این پوششها، پوششهای تاخیر انداز شعله در فضای داخلی و خارجی ساختمانها و وسایل نقلیه مانند کشتی و …، پوششهای تاخیر انداز شعله در حوزه کاغذ و عایقهای صنعتی، الیاف و منسوجات ضد حریق و … میباشد. هدف این شرکت ایجاد کاربردهای جدید و حفظ منابع موجود در راستای حفظ منابع برای نسلهای آینده میباشد ]16[.
جمع بندی
مقاومسازي سازهها در برابر آتش یکی ازمقولههاي مهم در صنعت ساختمان میباشد. علاوه بر استفاده از سیستمهای اطفاء، مقاومسازی سازهها در برابر حریق منجر به افزایش پایداري آنها در هنگام آتشسوزی میشود. استفاده از فناوری نانو در رنگها و روکشها و همچنین سازهها، نسل جدیدی از مواد ساختمانی را با امکان کنترل و تنظیم خواص به وجود آورده است. این قابلیت در مورد مواد دیرسوز یا به تاخیر اندازه شعله نیز به خوبی به دست آمده است. اصلاح رنگها و پوششها به وسیلة نانومتری کردن ساختار آنها منجر به افزایش مقاومت در برابر حرارت و آتش در آنها میشود. این محصولات نوین شرایط لازم برای جلوگیری از توسعه حریق و کاهش خسارات جانی و مالی را فراهم میکنند. همگام با توسعه فناوریهای مرتبط با این موضوع در دنیا، امروزه دانش فنی توسعه این دسته از مواد در کشور وجود دارد.
مراجع
- http://www.hensel-electric.de/en/
- مقررات و الزامات مقاوم سازي سازههاي فولادي در برابر حریق توسط مواد پاششی معدنی، سازمان آتش نشانی و خدمات ایمنی تهران
- http://www.pgco.co/index.php/fa/fire-proofing
- کاربردهای فناوری نانو درصنعت ساخت و ساز(در کشور آلمان)،مجموعه گزارشهای رصد فناوری نانو 1391
- http://www.architectureanddesign.com.au/suppliers/schott-australia/glass-solutions-with-fire-resistance-hightened-pri
- حميد ثامري، محمدكاظم محمدي، فناوري نانو و صنعت ساختمان
- http://jiahao.glassinchina.com/sell/showsell_413108.html
- http://www.icannanopaints.com/nanoFireRetardantPaints.html
- http://news.softpedia.com/news/Nanotechnology-Creates-Fireproof-Paint-61208.shtml
- Basic. Appl. Sci. Res., 3(8)509-519, 2013
- ابوالقاسم کوچکی، علی عباسی، حامد افشاری، حسین شکی، عمادالدین هراتیفر، امیرحسین میردامادیان، فناوری نانو در صنعت ساختمان و کاربردهای آن ، چاپ دوم، دبیرخانه ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
- http://www.ippi.ac.ir
- http://nalborzco.ir/?cat=94http://nalborzco.ir/?cat=94
- Devan.net
- nansulate.ir
- nanogreenworld.com
[1] Expanding coatings
[2] Fire retardant
[3] nanoclay
[4] Top coat
[5] polyhedral oligomeric silsesquioxane
———————————————————————
- مدیر طرح و تهیه کننده گزارش:
گروه ترویج صنعتی کامپوزیت و پلیمر
(مبنا پژوهان فناوریهای نوین آتیه)
نگارش:
زهرا صدرالدینی احمدیانی، امیر دارستانی فراهانی
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
