فناوری نانو فهم و بهکارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمها در ابعاد نانومتری است که اثرات فیزیکی جدیدی از خود نشان میدهند. فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیدهای عظیم است که در تمامی گرایشهای علمی راه یافته و از فناوریهای نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه میباشد.
در دهههای اخیر تحقیقات گستردهای بر کاربرد فناوری نانو در حوزههای مختلف صنعت ساختمان و از جمله بتن انجام شده است. تا کنون فناوری نانو در صنعت بتن امکان بهبود مشخصات بنیادی بتن، نظیر مقاومت، دوام، سبکی، انعطافپذیری، نفوذناپذیری، تولید بتنهایی با قدرت عایق صوتی و حرارتی بالا و خودتمیزشوندگی را به اثبات رسانده است. خودترمیمشوندگی بتن نیز یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو در صنعت بتن است. واژه خود ترمیم شوندگی[1] یعنی توانایی ماده برای بازسازی تخریب. تولید و توسعه بتنهای خود ترمیم برای ساخت سازههای حساس شهری که هزینههای گزاف ترمیم را در دراز مدت در پی خواهد داشت، بسیار حائز اهمیت است.
دلایل استفاده از بتن خودترمیم شونده
کنترل و جلوگیری از بروز ترک، یکی از مشکلات اصلی در هر سازه بتنی است. ترکخوردگی در بتن ممکن است به صورت داخلی تحت تاثیر مصالح تشکیل دهندهی خود بتن صورت گرفته و یا تحت اثر عوامل و محیط خارجی نظیر محیطهای شیمیایی خورنده، نفوذ نمکها و اسیدها، اثرات جوی و محیطی، تغییرات شدید دمایی و فشارهای وارد بر بتن ایجاد گردد. حتی وجود ترکهای ریزِ میکروسکوپی در ناحیهی کششی بتن که امر بدیهی تلقی میشود در شرایطی ممکن است عملکرد سازه بتنی را مختل نماید، زیرا ترکها مسیرهایی ساده برای نفوذ مواد خورنده نظیر یون کلر، نفوذ نمکها و یا پدیدهی کربناسیون در بتن هستند. خوردگی آرماتورهای فولادی موجود در بتن به مرور زمان منجر به نابودی یک مجموعهی عظیم بتنی میگردد. وقوع خوردگی در سطح آرماتور منجر به ترک خوردن بتن میشود. این موضوع علاوه بر تخریب زیرساخت بتنی، شرایط را برای خوردگی بیشتر آرماتور نیز مهیا میکند. این پدیده معضلی اجتناب ناپذیر در سازههای بتنی است و در خصوص سازههای غوطهور در آبهای دریایی تشدید میشود. از این رو حفاظت از آرماتورهای موجود در این بتنهای آرمه بسیار حائز اهمیت است.
بنابراین خودترمیم شوندگی یکی از ارزشمندترین پدیدههایی است که برای غلبه بر مشکل کاهش یکپارچگی عملکردی ( که بر اثر آسیب دیدن مواد رخ میدهد)، بهکار میرود. فرایند خودترمیم شوندگی، باید بلافاصله پس از وقوع آسیب، بهطور خودکار انجام شود و محدودهی آسیبدیده، یکپارچگی خود را شبیه آنچه پیش از آسیب دیدن داشت، بهدست آورد. درنتیجه ورود فناوری نانو به صنعت بتن با پیدایش کامپوزیتهای خود ترمیم، تداعی کنندهی ساخت سازههای هوشمند با شناسایی خرابی و ترمیم خود بهخودی است.
فناوری نانو و روشهای ساخت بتن خود ترمیم شونده
فناوری نانو با چشم انداز جدیدی از تولید مواد در مقیاس نانو، دستیابی به این نوع سازههای بتنی را فراهم نموده است. در این نوشتار به بیان روشهای نوین فناوری نانو در تولید سازه های بتنی خود ترمیم و چگونگی عملکرد آنها پرداخته شده است.
- استفاده از نانو مواد خود ترمیم در ساخت میکروکپسولها
یکی از رویکردهای تولید مواد و مصالح هوشمند خودترمیمکننده، قرار دادن کپسولهای کوچکی در ساختار مواد است که به هنگام بروز ترک در ماده، این کپسولها شکسته شده و با آزاد شدن نانومواد درون کپسولها، ترک بسته شده و از رشد و گسترش آن جلوگیری میشود. میکروکپسولهای حاوی عامل ترمیمی، معمولا از نوع نانوذرات پلیمری هستند که بههمراه ذرات کاتالیزور در بتن استفاده میشوند. بنابراین محتویات درون کپسولهای نهفته در ماده و کاتالیزور توزیع شده در سرتاسر ماتریس، میتوانند عملیات ترمیم ترک را انجام دهند. زمانی که ترک به بدنه یکی از این کپسولها برسد مواد آزاد شده از کپسول با ذرات کاتالیزور پراکنده در ماتریس پلیمر، واکنش انجام داده و فضای ترک را پر می کنند.
شکل 1: در این روش با الهام گرفتن از نقش گلبولهای قرمز در لخته شدن خون ، کپسولهای بسیار ریز حاوی نانو مواد ترمیم کننده به بتن تزریق میشوند. میکروکپسولهای کروی همانند گلبولهای قرمز و کاتالیزور نقش پلاکت در فرایند لخته شدن خون به هنگام ترمیم یک بریدگی در پوست را شبیه سازی میکند]1[.
- در مطالعات صورت گرفته، نانوکامپوزیتهای مختلفی مانند پلیاتیلن- کربن سیاه[2] ، سیلیکا- متاکریلات بوتیل[3]، اپوکسی پلیآنیلین-کامفورسولفونات[4] و اپوکسی-نانورس[5] بهعنوان عامل ترمیم کننده در بتن استفاده شدهاند. این پوششهای هوشمند با قابلیت خود ترمیم شوندگی از سطح در برابر خوردگی و ترک محفاظت میکنند و در صورت آسیب دیدن، موجب ترمیم ترک میشوند.
- استفاده از نانو مواد خود ترمیم در شبکه مویرگی
یکی دیگر از روشهای خودترمیمشوندگی بتن، استفاده از شبکه مویرگی در بتن است. در این روش از یک شبکه مویرگی برای انتقال نانومواد عامل ترمیم با تکیه بر خاصیت مویینگی، از منبع به محل ترکخورده و پلیمرزاسیون در مجاورت کاتالیزور و در نتیجه ترمیم ترک استفاده میشود.
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است، در طراحی شبکه مویرگی، پوشش اپوکسی بر روی زیر لایههای انعطافپذیر با شبکهای مویرگی پوشش داده شده و مایع خودترمیم و ذرات ریز کاتالیزور در سراسر شبکهی مویرگی داخل پوشش قرار میگیرند. زمانی که ترک در سطح پوشش ایجاد میشود تنش کششی در شبکه افزایش یافته و عامل خودترمیم از طریق عمل مویرگی و بدون هیچگونه فشار خارجی، از میکروکانالها به ترک میرسد و باعث ترمیم ترک میشود (شکل 3).
شکل 2: ساختار خودترمیم با شبکه میرگی، استفاده از زیرلایه مویرگی و پوشش اپوکسی شکننده حاوی عامل کاتالیزور]6[
شکل3: تصویر مقطعی با بزرگنمایی بالا از ترک ایجاد شده در پوشش با شبکه مویرگی و انتقال عامل خودترمیم از طریق میکروکانالها به ترکهای موجود در سطح، ب) نحوه ترمیمشوندگی بعد از ایجاد ترک]6[
- روش انتخابگر ناحیه گرمایی
یکی دیگر از سیستمهای کارا و هوشمند، استفاده از سیستم انتخابگر ناحیه گرمایی است. این سیستم از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
- کامپوزیتهای خود عیب شناس[6] که از نانو الیاف (مانندAl2O3 ) و نانومواد هادی جریان الکتریسیته (مانند RuO2) ساخته شده است که قابلیت یک کرنش سنج را هم داراست.
- بخش ترمیم کننده که بهصورت لولههایی از جنس مصالحی با خاصیت قابلیت ارتجاعی در اثر حرارت[7] و محتوی نانو مواد عامل ترمیم است، بهگونهای که تا قبل از گسترش هرگونه ترکی از خروج عامل ترمیم جلوگیری میکند.
زمانی که ترکی در قطعه رخ میدهد، بخش اول بهصورت حسگر، کرنش جزئی در محل ترک را شناسایی کرده و با فرستادن پیام به بخش ترمیمکننده، عامل ترمیم کننده آزاد شده و ترک را ترمیم میکند. مکانیزم فرستادن پیام بهصورت قطع قسمتی از جریان در محدودهی آسیب دیده و افزایش مقاومت الکتریکی و درنتیجه افزایش دما و ذوب پوستهی محتوی عامل ترمیم میباشد. طراحی این سیستم که برای ترمیم از انرژی گرمایی، جهت آزاد شدن عامل ترمیم محبوس شده در روکش استفاده میشود، با حساسیتهای زیادی همراه است. بهطوری که بالا رفتن دما در بتن نباید منجر به تبخیر آب درونی و از هم پاشیدن ساختمان درونی و یا هر فرایند زیانآور دیگری برای خواص مقاومتی و عملکردی بتن گردد.
شکل 4: سیستم خودترمیم شونده ]7[
شکل 5: ساختار کامپوزیت خود عیب شناس]7[
نمونهای از محصولات تجاری با قابلیت خود ترمیم شوندگی
- Battelle Smart Corrosion Detector
محصول تولید شده در مرکز تحقیقات Battelle، بهصورت پودر است که میتوان آن را با مواد مورد استفاده در پوششدهی ترکیب و روی سطح اعمال کرد. این پودر هوشمند که دارای قابلیت خودترمیم شوندگی است، به راحتی نواحی خورده شده را شناسایی کرده و پیش از آن که خوردگی به قدری افزایش یابد که قابل مشاهده با چشم غیر مسلح باشد، آن را ترمیم میکند. نانوذرات مورد استفاده در این پودر، محلهای کوچک خوردگی را یافته و به سرعت آنها را ترمیم کنند. این کار موجب صرفهجویی در زمان و هزینه و موجب محافظت از سازههای در معرض خوردگی میشود. این محصول برای حفاظت از خطوط لوله و زیرساختهای صنعتی و خانگی مناسب است. نکتهی جالب توجه این است که این پوشش فلورسانس است و میتوان با استفاده از میکروسکوپ نوری آنها را روی سطح مشاهده کرد. برای مثال میتوان با یک دستگاه کوچک قابل حمل، سطوح مورد نظر را بازرسی قرار داد و وجود خوردگیها را در سطح، پیش از این که به مراحل پیشرفته برسد، مشاهده نمود]8[.
شکل 6: مشاهده پوششهای هوشمند فلورسانس در ترکها،با استفاده از نور UV ]8[
- NANOMYTE TC 5001
نانوپوششNANOMYTE TC 5001 توسط شرکت انایآی[8] با قابلیت خودترمیمشوندگی به بازار عرضه شدهاند. این محصول یک پوشش شفاف مبتنی بر فناوری نانو بوده که میتوان آن را با روشهایی چون غوطهوری و اسپری کردن روی سطح مورد نظر اعمال کرد. بهمنظور جلوگیری از خوردگی این نانوپوشش را میتوان برای محافظت فولاد گالوانیزه شده، سطوح حاوی پوشش از جنس روی، محافظت سازههای بدون محافظ نظیر شبکههای نوررسانی خیابانی، سختافزارها نظیر پیچ، مهره، لوله، قطعات خودرو و تجهیزات کشاورزی استفاده کرد. این پوشش میتواند مقاومت فولاد را در برابر خوردگی تا 3 برابر افزایش دهد. تست اسپری نمک (بر اساس استاندارد SST, ASTM B117) روی این پوشش انجام شده است. نتایج نشان داد که فولاد دارای روکش گالوانیزه تا 24 ساعت سفید خواهد ماند و زنگ نمیزند و بعد از 168 ساعت زنگ زده شده و به رنگ قرمز در خواهد آمد. در حالی که با استفاده از نانو پوشش NANOMYTE با قابلیت خودترمیمشوندگی در برابر خوردگی، فولاد تا 504 ساعت مقاومت خواهد کرد. از مزایای این پوشش میتوان به سهولت کاربرد، ارزانی و مقاومت بلا در برابر خوردگی آن اشاره کرد]9[.
شکل 7: مقایسه سطح بدون پوشش و سطح پوشش داده شده با TC 5001 بر روی پیچهایی با جنس روی بعد از 24، 168، 336 و 504 ساعت ]9[
.
آینده پوششهای خودترمیم
خوردگی یکی از مشکلات اساسی در بسیاری از صنایع و امور عمرانی است. هزینه های نگهداری برای سازه های بتنی، خوردگی آماتورهای فولادی موجود در بتن، خوردگی لولهها و … هر ساله هزینههای زیادی را بهدنبال دارد. برای مثال، در اروپا 50% از بودجه ساختوساز سالانه صرف بازسازی و تعمیر سازههای موجود میشود]10[. همچنین طبق گزارش NACE و CC هزینههای مربوط به خوردگی در صنعت خطوط لوله هر ساله در نقاط مختلف حدود 4/5 تا 6/8 میلیارد دلار برآورد شده است]11[. بنابراین استفاده از روشهای جدید مانند پوششهای خودترمیم جهت بهبود روشهای تشخیص و پیشگیری از خوردگی، میتواند هزینه نگهداری و تعمیرات را به میزان زیادی کاهش داده و صرفهجویی اقتصادی زیادی را به همراه داشته باشد.
منابع
[1] V Amendola, M Meneghetti, Self-healing at the nanoscale, The Royal Society of Chemistry 2009.
[2] X Wang, J Zhao, M Chen, L Ma, X Zhao , Zh-M Dang, Zh Wang, Improved Self-Healing of Polyethylene/Carbon Black Nanocomposites by Their Shape Memory Effect, J. Phys. Chem. B, 2013.
[3] T Enge, G Kickelbick , Self-healing nanocomposites from silica − polymer core − shell nanoparticles, 2013.
[4] S Pour-Ali, Ch Dehghanian, A Kosar, Corrosion protection of the reinforcing steels in chloride-laden concrete environment through epoxy/polyaniline–camphorsulfonate nanocomposite coating, Corrosion Science, 2015.
[5] J Asadi, N. G Ebrahimi, M Razzaghi-Kashani, Self-healing property of epoxy/nanoclay nanocomposite using poly(ethylene-co-methacrylic acid) agent, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015.
[6] K Toohey, S White, N Sottos, J Lewis, J Moore, Self-healing materials with microvascular networks, nature, 2007.
[7] T Nishiwaki, H Mihashi, B-K Jang, K Miura, Development of self-healing system for concrete with selective heating around crack, Journal of Advanced Concrete Technology, 2006.
[8] www.battelle.org
[9] www.nanotech-new.com
[10] B Hilloulin , K Tittelboom, N Belie, A Loukili, Design of polymeric capsules for self-healing concrete, 2015.
[11] www.pipelineandgasjournal.com
———————————
[1] Self-Repairing, Self-Healing
[2] Polyethylene- Carbon Black nanocomposites
[3] Silica- butyl methacrylate nanocomposites
[4] epoxy/polyaniline- camphorsulfonate nanocomposite
[5] epoxy/nanoclay nanocomposite
[6] Self-diagnostic
[7] Thermoplastic
[8] NEI
———————————————————————
بخش ترویج صنعتی 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]
====================================================================================
