بررسی کاربردهای فناوری نانو در صنعت عایق‌های حرارتی

قرن بیست و یکم قرن نانوفناوری به شمار می‌رود. در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی وبیولوژیکی ماده باخواص توده ماده متفاوت است. فناوری نانو تا کنون کاربرهای زیادی در حوزه ساخت و ساز و بخصوص عایق‌های ساختمانی پیدا کرده است. عایق‌های ساختمانی نقش قابل توجهی در صرفه‌جویی انرژی و همچنین افزایش آسایش و آرامش افراد ساکن در یک واحد مسکونی ایفا می‌کنند. استفاده از عایق‌های ساختمانی سال‌ها است که به عنوان یکی از ضروری‌ترین اجزای ساختمان‌ها مورد توجه قرار گرفته است. همچنین براساس مقررات ملی ساختمان، تمامی ساختمان هایی که ساخته می‌شوند باید به اندازه کافی عایق‌کاری شوند. عایق‌ها بسته به نوع و کاربردی که دارند، به انواع عایق‌های صوتی، حرارتی، رطوبتی و… تقسیم بندی می‌شوند که در طول زمان تکامل یافته و روز به روز انواع جدیدتری از آنها روانه بازار می شود.

فاکتوری مهم در انتخاب عایق‌ها، میزان مقاومت حرارتی آنها است. هر قدر این مقاومت بالاتر باشد عایق حرارت را کمتر از خود عبور می‌دهد و صرفه جویی که به همراه دارد افزایش می‌یابد، پس به جای ضخامت عایق ها، باید مقاومت حرارتی آنها با هم مقایسه شوند.

سقف‌ها، دیوارهای خارجی، کف واحد مسکونی و همچنین لوله‌های آبگرم مرسوم‌ترین و اصلی‌ترین مکان‌هایی هستند که باید عایق‌کاری روی آنها پیاده سازی شود. عایق‌کاری سقف‌ها مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش ساختمان را  تا %3۵ و عایق‌کاری دیوارهای خارجی مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش ساختمان را حدود %2۵ کاهش می‌دهد. همچنین عایق‌کاری در و پنجره مصرف انرژی را تا %15 و عایق‌کاری کف مصرف انرژی را در زمستان حدود %1۵ کاهش می‌دهد.

نانوعایق‌ها دسته ای جدید از عایق‌ها هستند که در نتیجه پیشرفت تکنولوژی و با گذشت زمان به بازار مصرف عرضه شده‌اند. نانوعایق‌ها قابلیت بیشتری در کاهش اتلاف انرژی داشته و همچنین خطرات زیستی کمتری دارند.

 

مبنای نانوعایق‌ها و انواع آنها

مبنای مواد عایق، بر دارا بودن تعداد زیادی از حفرات است که تا حد امکان بتوانند هوا را در میان خود نگه  دارند. مواد عایق، از خاصیت رسانش پایین هوا استفاده کرده و جلوی جریان آزاد هوا را می‌گیرند. بنابراین چگالی این مواد از اهمیت بالایی برخوردار است. هر چه چگالی کمتر باشد، هوای بیشتری درون ماده محدود شده و در نتیجه خاصیت عایق بندی آن افزایش می‌یابد. توانایی عایق بندی یک ماده مشخص همانند پشم شیشه را می توان با ضخیم کردن لایه عایق افزایش داد.

 

نانومواد به دلیل داشتن تخلخل‌های ریزتر و بیشتر، قابلیت بیشتری برای به دام انداختن هوا داخل ماده دارند و می‌توان با ضخامت‌های کمتری به خاصیت مطلوب رسید.

 

انواع نانوعایق‌ها به شرح زیر می‌باشند:

1.  آئروژل (Aerogel)

آئروژل یک جامد با چگالی بسیار پایین است و توسط فرایند سل-ژل (sol-gel) ساخته می‌شود. در واقع این ماده از یک ژل به دست می‌آید که در آن قسمت مایع ژل با گاز جایگزین شده‌است.  به این ماده دود منجمد، هوای جامد و یا دود آبی نیز می‌گویند. آئروژل سبک‌ترین جامد شناخته شده در دنیا به حساب می‌آید که چگالی سبک‌ترین نمونه ساخته شده از آن، تنها سه برابر هوا است. آئروژل در عین سبکی دارای استحکام بالایی نیز می‌باشد به گونه‌ای که قطعه‌ای از آن توان تحمل باری که حدود هزار برابر بیشتر از وزن خودش است را دارد. در واقع این مواد در برابر نیروهای زیاد ترد و شکننده هستند ولی از حداقل ملزومات مکانیکی (مقاومت و سختی) برای کاربردهای ساختمانی برخوردارند.

به دلیل ساختار متخلخل آئروژل، نیمه شفاف است. به طوری که می‌توان از یک طرف آن، طرف دیگر را دید. صفحه‌های متخلخل آئروژل معمولا بیشتر از 75 درصد شفافیت دارند.

قطعه‌ای از آئروژل. حالت شفاف آئروژل در این تصویر مشخص می‌باشد.

 

یک قطعه آجر 5/2 کیلوگرمی روی تکه‌ای ۲ گرمی از آئروژل گذاشته شده‌است.

برخلاف اسم آئروژل، این ماده کاملا جامد است و حالت ژل گونه ندارد. به دلیل ساختار فوق متخلخل و گاز محبوس شده درون آن، آئروژل ماده‌ای ایده‌آل برای عایق‌کاری محسوب می‌شود و عمده کاربری آئروژل‌های تجاری نیز، در عایق‌کاری حرارتی است. ضریب انتقال حرارت بسیار کم، سبکی فوق العاده، حالت شفاف و نسبت خواص مکانیکی به چگالی عالی، آئروژل را برای بسیاری از کاربردهای عایقکاری، عایقی بی نظیر معرفی می‌کند. در تصویر زیر، یک شاخ-ه گل برروی بلوکی از آئروژل قرار داده شده و برروی شعله حرارت می‌بیند. ضریب انتقال حرارت آئروژل بقدری پایین است که گل هیچ آسیبی نمی بیند.

گلی که بر روی تکه‌ای از آئروژل حرارت دیده معلق گردیده؛ آئروژل عایق حرارتی بسیار خوبی است٬ چنان که گل از حرارت شعله هیچ آسیبی ندیده است.

آئروژل بلنکت[1] یا پتویی، کامپوزیتی از آئروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده است. آئروژل پتویی بسته به نوع و مقدار الیاف تقویت کننده، ماتریس آئروژل سیلیکا و مواد افزودنی دیگر، خواص مکانیکی و حرارتی مختلفی دارد. پتوهای آئروژلی به خاطر انعطاف­پذیر بودن، کارایی بسیار بالایی نسبت به آئروژل سیلیکای خالص داشته و در عایق­کاری ساختمانها، لوله­های انتقال مواد، مخازن دمای بالا و سایر تجهیزات دمای بالا یا دمای پایین بسیار پرکاربرد است.

 

آئروژل پتویی (کامپوزیتی است از آئروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده)

کاربردهای آئروژل در ساختمان به شرح زیر است:

می‌توان از پانل‌های شیشه‌ای دوجداره که فضای میانی آنها انباشته از آئروژل است برای نماسازی و همچنین در فضاهای داخلی (مانند تیغه‌ی احاطه کننده‌ی سالن کنفرانس در فضاهای اداری) استفاده کرد.

پانل‌های نیمه شفاف عایق حرارتی آئروژل در نماهای بیرونی و داخلی ساختمان‌ها.

عایق های پتویی آئروژل که به صورت کامپوزیتی از آئروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده هستند، از سال 2000 به صورت تجاری ساخته شده‌ و در عایق‌کاری استفاده می شوند. این عایق‌ها در مقابل شوکهای حرارتی مقاوم بوده و دماهای بسیار بالا را تحمل می‌کنند و غیرقابل اشتعال هستند. این کامپوزیتها می‌توانند در عایق کاری دیوارها، سقف‌ها و لوله‌ها استفاده شود.

استفاده از آئروژل پتویی برای عایق‌کاری دیوارها

 

از آئروژل دانه‌ای به عنوان عایق فله‌ای معمولا در عایق کاری نورگیرها و شیشه های سقفی استفاده می‌گردد.

2. پوشش‌های عایق (رنگ‌ها و اسپری‌ها)

کیفیت عایق بودن مواد و مصالح را همچنین می‌توان با استفاده از نانوروکش‌ها که بطور مستقیم بر سطح بیرونی مواد کشیده می‌شوند، ارتقا داد. مواد عایق می‌توانند بصورت رنگ یا اسپری روی سطوح پوشش داده شوند. این پوشش‌ها از موادی ساخته شده‌اند که در حد ملکولی هوا را به دام می‌اندازند و ضخامت خیلی کمی از آنها می‌تواند اثر زیادی روی عایق‌کردن داشته باشد. لازم به ذکر است که ماده اصلی به کار رفته در رنگ‌ها و پوشش‌های عایق حرارتی، مواد متخلخلی مثل نانوذرات تیتانیا یا زیرکونیا هستند که توانایی به دام انداختن هوا را داشته باشند. کاربرد رنگ‌ها‌ی نانویی همانند رنگ‌های معمولی است و به همان شیوه‌ها‌ روی سطوح اعمال می‌شوند.

3. عایق‌های لایه‌نازک (شیشه‌های عایق)

 

شیشه‌ی عایق حرارتی

موادی که بتوانند روی انتقال انرژی و گرما کنترل ایجاد کنند، می‌توانند بر روی شیشه‌ها به عنوان عایق حرارتی پوشش داده شوند. شیشه‌هایی که روی آنها چنین پوشش‌هایی ایجاد شده باشد می‌تواند کارایی بهتری از شیشه‌های چندجداره داشته باشد و جای‌گزین آنها شود. برای مثال اگر روی شیشه‌ها پوشش‌هایی ایجاد شود که توانایی جذب اشعه ماورأبنفش و مادون قرمز را داشته باشد، این شیشه‌ها می‌توانند تا حد زیادی مانع عبور اشعه ماورأبنفش و مادون قرمز شوند ولی در عین حال نور مرئی را عبور دهند. در واقع این شیشه‌ها با جذب اشعه‌های ماورأبنفش و مادون قرمز مانع از ورود و خروج انرژی حرارتی می‌شوند و می‌توانند به عنوان عایق حرارتی استفاده شوند ولی چون نور مرئی را عبور می‌دهند تأثیری روی عبور روشنایی ندارند.

4. پانل‌های عایق خلأ (Vacuum Insulation Panels)

پانل‌های عایق خلأ[2] با امکان ایجاد لایه‌های عایقی نازکتر از عایق‌های معمولی برای کاربرد ساختمانی بسیار مناسب است. در این پانل‌ها هوای بین دو جداره‌ی عایق مکیده می‌شوند تا از قابلیت انتقال حرارتی آن کاسته شود. اما عایق‌های ساختمانی مسطح هستند به تنهایی تحمل فشار ناشی از ایجاد خلأ را ندارند. برای حل این مشکل از مواد پرکننده‌ی بسیار ریزی استفاده می‌کنند که دارای تخلخلی در مقیاس نانو و حفره‌هایی در حدود 100 نانومتر باشد و در عین حالی که هوای آن‌ها مکیده می‌شود، می‌تواند در برابر فشار نیز مقاومت کند. ماده‌ای که معمولاً نقش پرکننده‌ی بین این نوع پانل‌ها را ایفا می‌کند آئروژل است. به طور معمول ضخامت این پانل‌های عایق بین 2 تا 40 میلی‌متر است. این پانل‌ها هم در ساختمان‌های جدید و هم بازسازی و نوسازی ساختمان‌های فرسوده، در دیوار و کف و همچنین عایق‌کاری لوله‌کشی قابل کاربرد است. این پانل‌ها به این شکل ساخته می‌شوند که ابتدا یک پوسته‌ی نازک از ورق پلاستیکی انعطاف‌پذیر (که معمولاً دارای پوششی از جنس آلومینیوم است) یا ورقی از فولاد ضد زنگ، مصالح میانی که در خلأ هواگیری می‌شوند را در بر می‌گیرند.

شکل شماتیک پانل‌های عایق خلأ و پانل‌های عایق خلأ

مزایای استفاده از نانوعایق‌ها

 به منظور بهبود کارایی عایق‌هایی که بطور سنتی استفاده می‌شوند مثل پشم سنگ، پشم شیشه و یونولیت باید ضخامت آنها افزایش یابد که در بسیاری از کاربردها افزایش ضخامت امکان پذیر نیست. همچنین افزایش ضخامت باعث افزایش ماده‌ی مصرفی و هزینه‌ی تمام شده می‌شود. همچنین استفاده از عایق‌های سنتی در ساختمان‌ها محدودیت‌هایی از لحاظ ایمنی ایجاد می‌کند. برای مثال این مواد به هنگام آتش سوزی باعث ایجاد گازهای سمی می‌شوند. مواد عایق حرارتی مدرن (نانوعایق‌ها) بسیار مقاوم، سبک و باکیفیت هستند، به دلیل هدایت حرارتی پایینW/(m.°K) 020/0-004/0، به مقدار 6-2 برابر بازده بیشتری نسبت به عایق‌های سنتی دارند و همچنین فضای کمتری را اشغال می‌کنند. در شکل زیر مقاومت حرارتی یا توان عایق‌سازی آئروژل در مقایسه با عایق‌های سنتی مقایسه شده است. این عایق‌ها به دلیل مقاومت حرارتی فوق العاده‌ای که دارند می‌توانند به طرز چشم گیری از هزینه‌های گرمایش و سرمایش ساختمان بکاهند.

مقاومت حرارتی یا توان عایق سازی آئروژل در مقایسه با عایق‌های سنتی، آئروژل 2-6 برابر بهتر از عایق‌های سنتی عمل می‌کند.

• شیشه‌های کنترل کننده‌ی انرژی با کنترل همزمان انتقال انرژی از طریق رسانش و تابش، شیشه را تبدیل به عنصری فوق العاده موثر جهت کاهش مصرف انرژی، افزایش روشنایی و دید ساختمان و زیبایی نما می نماید. این نوع شیشه‌ها علاوه بر اینکه مانع اتلاف انرژی می‌شوند، از تغییر رنگ پرده، مبلمان واجناس پشت ویترین نیز جلوگیری می‌کنند. همچنین این شیشه‌ها اشعه‌هایی از نور خورشید را حذف می‌کنند که برای سلامتی چشم وپوست مضر بوده و دارای اثرسرطان زایی هستند. در کل این نوع شیشه‌ها می‌توانند کارایی بهتری از شیشه‌های چندجداره داشته باشد و جای‌گزین آنها شوند. این نوع شیشه‌ها ایده‌ی ساختمانی با پنجره هایی بزرگ را عملی می‌کند که نور و زیبایی اطراف را به داخل ساختمان می‌آورد.
• پوشش‌های نانوعایق می‌توانند روی سطح ساختمان پوشش داده شوند ولی عایق‌های سنتی اینطور نیستند. خصوصیت ویژه این محصول، مایع بودن آن است که امکان استفاده از آن را بر روی سطوح فلزی و غیر فلزی توسط پیستوله، برس و رول های نقاشی فراهم می‌کند و با صرف هزینه‌ی نسبتاً کمی، می‌توان حتی از آن در ساختمان‌های در دست بهره برداری نیز استفاده نمود و هیچ گونه تغییر ظاهری نیز در ترکیب ساختمان ایجاد نمی‌کند. رنگ نانوعایق موجب افزایش عمر تأسیسات ساختمان می‌گردد و در یک دوره میان مدت باعث کاهش هزینه‌های ساختمان از جمله رنگ آمیزی مجدد ، هزینه‌های ناشی از صدمات رطوبت ، نم و رشد کپک و قارچ و در نهایت هزینه‌های مربوط به مصرف انرژی می‌گردد .
• پانل‌های عایق خلأ این امکان را فراهم می‌آورند که بتوان با نازکترین لایه‌ی عایق ممکن، به بیشترین مقاومت حرارتی دست یافت. انتقال حرارتی VIPها ناچیز و تنها در حدود W/(m.°K) 005/0-004/0 است و استفاده از آنها در ساختمان بازدهی مصرف انرژی را افزایش داده و به دنبال آن از انتشار گاز دی‌اکسید کربن می‌کاهد. همچنین این عایق‌ها به دلیل ضخامت کمی که دارند فضای مفید ساختمان را افزایش می‌دهند و در محل‌هایی از ساختمان که فضا بسیار محدود بوده و باید ضخامت عایق بسیار اندک باشد و نتوان از عایق کاری سنتی استفاده کرد این عایق‌های خلأ کاربرد بیشتری پیدا می‌کنند. آئروژل که نقش پرکنندگی این پانل‌ها را دارد نیز خود رسانایی حرارتی بسیار کمی داشته، نمی‌سوزد و از ویژگی‌های آکوستیکی عالی برخوردار است.

مقایسه‌ ضخامت پانل عایق خلأ و عایق‌های سنتی

 

بازار نانو عایق‌ها

تقاضای سرمایه‌گذاری‌های عمومی و خصوصی در رابطه با ساختمان‌سازی با بازدهی بالای انرژی منجر به رشد عظیم بخش عایق در چند سال آینده خواهد شد. مقدار اندازه‌گیری شده در سال 2005، 2/7 میلیارد دلار بوده که این مقدار در سال 2014 به 4/15 میلیارد دلار رسیده است. تخمین زده می‌شود که عایق‌کاری ساختمان‌ها اخیراً سالانه حدود 42 درصد انرژی مصرفی را ذخیره می‌نماید. عایق‌کاری ساختمان میزان انرژی مورد نیاز برای نگهداری محیط زیست پاک را کاهش می‌دهد. به نوبه خود، کاهش مصرف انرژی موجب کاهش تولید دی‌اکسید کربن (CO₂) در تولید انرژی خواهد شد. در حقیقت امروزه عایق کاری مقرون به صرفه ترین روش در دسترس برای کاهش تولید دی‌اکسید کربن می باشد.

بر طبق تخمین تولیدکنندگان، مواد عایقی که در آنها از تکنولوژی نانو استفاده شده است تقریباً 30 درصد کارایی بهتری نسبت به مواد عایق سنتی دارند. توسعه‌ی روش‌های عایق‌کاری ساختمان ها انرژی بیشتری را ذخیره کرده و سبب تولید کمتر دی اکسید کربن می شود. خانواده‌های اروپایی مسئول یک چهارم دی‌اکسید کربن تولید شده در آن منطقه هستند که تقریباً 70 درصد آن مربوط به گرم کردن اتاق‌ها‌ی منازل می‌باشد. کاهش مصرف انرژی در گرم کردن فضای ساختمان‌ها بوسیله عایق‌کاری مدرن در آلمان، هلند، ایتالیا، بریتانیا، اسپانیا و ایرلند موجب کاهش تولید دی‌اکسید کربن به میزان 100 میلیون تن در سال خواهد شد. عایق‌های حرارتی بهبود یافته و مدرن می تواند به هدف 25 درصدی در کاهش تولید دی‌اکسید کربن در اروپا منجر شود.

در جدول زیر مزیت‌های اقتصادی استفاده از عایق‌های حرارتی مدرن آورده شده است.

 

 

	افزایش عایق کاری نسبت به عایق‌های سنتی	کاهش دی‌اکسید کربن تولید شده نسبت به عایق‌های سنتی
عایق‌های حرارتی مدرن	%30	%25

 

 

انواع شرکت های ارائه دهنده محصولات نانوعایق‌ حرارتی

شرکت‌های داخلی تولید عایق‌های حرارتی نانو در جدول زیر آورده شده است.

 

نام شرکت	محصول	اطلاعات
واکنش صنعت پارت (گواهی نانومقیاس)	آئروژل سیلیس (ایرولیت)	vaspart.com
نیلی فام ری (گواهی نانومقیاس)	رنگ عایق نانو	0۲۱۸۸۳۱۸۴۵۴
طرنگ شیمی	نانوپوشش‌های عایق حرارتی	www.torangshimi.com
نانو عایق آکسون	رنگ عایق نانو	www.nanoaxon.com
نانورنگدانه شریف	رنگ عایق نانو	www.sharifnanopigment.com
گروه صنعتی نانوفن	رنگ عایق نانو	02177740935
آریبان پارس	محلول پوشش شیشه (ضد گرما، ضد UV)	www.nanowin.ir
گروه صنعتی شیشه کاوه	شیشه‌های کم گسیل (low emission)	www.kavehglass.com
شرکت نانوعایق دانش	آئروژل سیلیکایی و نانوکامپوزیتی- پتوی عایق آئروژلی	02182883513

شرکت‌های خارجی نیز محصولاتی در زمینه‌ی عایق‌های حرارتی نانو تولید کرده‌اند که در جدول زیر به برخی موارد اشاره شده است.

 

نام شرکت	کشور	محصول
Industrial-Nanotech, Inc	آمریکا	رنگ عایق حرارتی
JFCC (Japan Fine Ceramics Center)	ژاپن	آئروژل
Airglass AB	سوئد	آئروژل
Marketech International, Inc.	آمریکا	آئروژل
Aspen Aerogels Inc.	آمریکا	آئروژل، پانل عایق خلأ
Cabot	آمریکا	آئروژل
American Aerogel Corp.	آمریکا	آئروژل
Morgan Advanced Materials	آلمان	پانل عایق خلا
Guangdong Tuopu Zhongrun Nano Science & Technology Co., Ltd.	چین	شیشه عایق حرارتی
Yantai Jialong Nano Industry Co., Ltd.	چین	پوشش عایق حرارتی
Jiangmen Wonder Chemical Co., Ltd.	چین	رنگ عایق حرارتی
Zhejiang Dongri Co., Ltd.	چین	ایروژل دانه‌ای و ایروژل بلنکت
Zibo Jiuqiang Refractory Co., Ltd.	چین	آئروژل بلنکت
Suzhou Junyue New Material Technology Co., Ltd.	چین	پانل عایق خلأ

 

———————————————

[1] Blanket aerogel

[2] Vacuum insulation panels

 

 ——————————————————–

منابع

[1] Dr.George Elvin, Nanotechnology for green Building, Green Technology Forum, 2007.

[2] Tao Gaoa, Linn Ingunn C. Sandberg, and Bjørn Petter Jelle, Nano Insulation Materials: Synthesis and Life Cycle Assessment, Procedia CIRP 15 ( 2014 ) 490 – 495.

[3] Bjørn Petter Jelleab, Arild Gustavsen, Steinar Grynning, Erlend Wegger, Erland Sveipe and Ruben Baetens, Nanotechnology and Possibilities for the Thermal Building Insulation Materials of Tomorrow, Journal of Building Physics, 2010.

[4] http://edu.nano.ir/

[5] http://www.irima.ir/

 

—————————————————

گرداوری و تنظیم:

• زهرا اندجی گرمارودی
• شرکت توسعه نانوفناوری افشار

ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: 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 دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================