کاربرد فناوری نانو در عایق حرارتی

مقدمه

قرن بیست ویکم قرن فناوری نانو به شمار می رود. در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ماده با خواص توده ماده متفاوت است. فناوری نانو تاکنون کاربردهای زیادی در حوزه ساخت و ساز و بخصوص عایق های ساختمانی پیدا کرده است. عایق های ساختمانی نقش قابل توجهی در صرفه جویی انرژی و همچنین افزایش آسایش و آرامش افراد ساکن در یک واحد مسکونی ایفا می کنند. عایق های ساختمانی سال ها است که به عنوان یکی از ضروری ترین اجزای ساختمان ها مورد توجه قرار گرفته اند. همچنین براساس مقررات ملی ساختمان، تمامی ساختمانهایی که ساخته می شوند باید به اندازه کافی عایق کاری شوند. نانو عایق ها بسته به نوع و کاربردی که دارند، به انواع عایق های صوتی، حرارتی، رطوبتی و غیره تقسیم بندی می شوند که در طول زمان تکامل یافته و روز به روز انواع جدیدتری از آنها روانه بازار می شود.

فاکتور مهم در انتخاب عایق ها، 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 می یابد. پس به جای ضخامت عایق ها، باید مقاومت حرارتی آنها با هم مقایسه شوند.

سقف ها، دیوارهای خارجی، کف واحد مسکونی و همچنین لوله های آبگرم، مرسوم ترین و اصلی ترین مکان هایی هستند که باید عایق کاری روی آنها پیاده سازی شود. عایق کاری سقفها مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش ساختمان را تا ۳۵٪ و عایق کاری دیوارهای خارجی مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش ساختمان را حدود ۲۵٪ کاهش می دهد. همچنین عایق کاری در و پنجره مصرف انرژی را تا ۱۵٪ و عایق کاری کف، مصرف انرژی را در زمستان حدود ۱۵٪ کاهش میدهد. نانو عایق ها دسته ای جدید از عایق ها هستند که در نتیجه پیشرفت فناوری و با گذشت زمان به بازار مصرف عرضه شده اند. نانوعایق قابلیت بیشتری در کاهش اتلاف انرژی داشته و همچنین خطرات زیستی کمتری دارند.

مبنای نانو عایق ها 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 می گیرند. بنابراین چگالی این مواد از اهمیت بالایی برخوردار است. هرچه چگالی کمتر باشد، هوای بیشتری درون ماده محدود شده و در نتیجه خاصیت عایق بندی آن افزایش می یابد. توانایی عایق بندی یک ماده مشخص همانند پشم شیشه را می توان با ضخیم کردن لایه عایق افزایش داد.

نانومواد به دلیل داشتن تخلخل های ریزتر و بیشتر، قابلیت بیشتری برای به دام انداختن هوا داخل ماده دارند و می توان با ضخامت های کمتری به خاصیت مطلوب رسید. انواع نانو عایق عبارتند از:

آئروژل (Aerogel)

آئروژل یک جامد با چگالی بسیار پایین است و توسط فرایند سل-ژل ( sol- gel ) ساخته می شود. در واقع این ماده از یک ژل به دست می آید که در آن قسمت مایع ژل با گاز جایگزین شده است. به این ماده دود منجمد، هوای جامد و یا دود آبی نیز می گویند. آئروژل سبک ترین جامد شناخته شده در دنیا به حساب می آید که چگالی سبک ترین نمونه ساخته شده از آن، تنها سه برابر هوا است. آئروژل در عین سبکی دارای استحکام بالایی نیز می باشد به گونه ای که قطعه ای 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 می توان از یک طرف آن، طرف دیگر را دید. صفحه های متخلخل آئروژل معمولا بیشتر از ۷۵ درصد شفافیت دارند.

 

قطعه ای از آئروژل. حالت شفاف آئروژل در این تصویر مشخص می باشد.

به یک قطعه آجر ۲/۵ کیلوگرمی روی تکه ای ۲ گرمی از آئروژل گذاشته شده است.

 

بر خلاف اسم آئروژل، این ماده کاملا جامد است و حالت ژل گونه ندارد. به دلیل ساختار فوق متخلخل و گاز محبوس شده درون آن، آئروژل ماده ای ایده آل برای عایق کاری محسوب می شود و عمده کاربری آئروژل های تجاری نیز، در عایق کاری 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 عایق کاری، عایقی بی نظیر معرفی می کند. در تصویر مقابل، یک شاخه گل بر روی بلوکی از آئروژل قرار داده شده و برروی شعله حرارت می بیند. ضریب انتقال حرارت آئروژل به اندازهای پایین است که گل هیچ آسیبی نمی بیند.

آئروژل بلنکت یا پتویی، کامپوزیتی از آئروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده است. آئروژل پتویی بسته به نوع و مقدار

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 انعطاف پذیر بودن، کارایی بسیار بالایی نسبت به آئروژل سیلیکای خالص داشته و در عایق کاری ساختمان ها، لوله های انتقال مواد، مخازن دمای بالا و سایر تجهیزات دمای بالا یا دمای پایین بسیار پرکاربرد است.

 

گلی که بر روی تکه ای از آئروژل حرارت دیده معلق شده؛ آئروژل عایق حرارتی بسیار خوبی است، چنان که گل از حرارت شعله هیچ آسیبی ندیده است.

 

کاربردهای آئروژل در ساختمان به شرح زیر است:

• می توان از پانل های شیشه ای دوجداره که فضای میانی آنها انباشته از آئروژل است برای نماسازی و همچنین در فضاهای داخلی (مانند تیغه ی احاطه کنندهی سالن کنفرانس در فضاهای اداری) استفاده کرد.
• عایق های پتویی آئروژل که به صورت کامپوزیتی از آئروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده هستند، از سال ۲۰۰۰ به صورت تجاری ساخته شده و در عایق کاری استفاده می شوند. این عایق ها در مقابل شوکهای حرارتی مقاوم بوده و دماهای بسیار بالا را تحمل می کنند و غیر قابل اشتعال هستند. این کامپوزیت ها می توانند در عایق کاری دیوارها، سقف ها و لوله ها استفاده شود.

• از آئروژل دانه ای به عنوان عایق فلهای معمولا در عایق کاری نورگیرها و شیشه های سقفی استفاده می شود.

آئروژل پتویی (کامپوزیتی است از آئروژل سیلیکاوالیاف تقویت کننده)

 

استفاده از آئروژل پتویی برای عایق کاری دیوارها

پوشش های عایق (رنگها و اسپری ها)

کیفیت عایق بودن مواد و مصالح را همچنین می توان با استفاده از نانو روکشها که بطور مستقیم بر سطح بیرونی مواد کشیده می شوند، ارتقا داد. مواد عایق می توانند بصورت رنگ یا اسپری روی سطوح پوشش داده شوند. این پوشش ها از موادی ساخته شده اند که در حد ملکولی هوا را به دام می اندازند و ضخامت خیلی کمی از آنها می تواند اثر زیادی روی عایق کردن داشته باشد. لازم به ذکر است که ماده اصلی به کار رفته در رنگ ها و پوشش های عایق حرارتی، مواد متخلخلی مثل نانو ذرات تیتانیا یا زیرکونیا هستند که توانایی به دام انداختن هوا را داشته باشند. کاربرد رنگ های نانویی همانند رنگهای معمولی است و به همان شیوه ها روی سطوح اعمال می شوند.

عایق های لایه نازک (شیشه های عایق)

موادی که بتوانند روی انتقال انرژی و گرما کنترل ایجاد کنند، می توانند بر روی شیشه ها به عنوان عایق حرارتی پوشش داده شوند. شیشه هایی که روی آنها چنین پوشش هایی ایجاد شده باشد می تواند کارایی بهتری از شیشه های چند جداره داشته باشد و جایگزین آنها شود. برای مثال اگر روی شیشه ها پوشش هایی ایجاد شود که توانایی جذب اشعه ماورا بنفش و مادون قرمز را داشته باشد، این شیشه ها می توانند تا حد زیادی مانع عبور اشعه ماورا بنفش و مادون قرمز شوند ولی در عین حال نور مرئی را عبور دهند. در واقع این شیشه ها با جذب اشعه های ماورابنفش و مادون قرمز مانع از ورود و خروج انرژی حرارتی می شوند و می توانند به عنوان عایق حرارتی استفاده شوند ولی چون نور مرئی را عبور می دهند تأثیری روی عبور روشنایی ندارند.

 

شیشه ی عایق حرارتی

پانل های عایق خلا (Vacuum Insulation Panels)

پانل های عایق خلأ با امکان ایجاد لایه های عایقی نازکتر از عایق های معمولی، برای کاربردهای ساختمانی بسیار مناسب هستند. در این پانل ها هوای بین دو جداره عایق مکیده می شوند تا از قابلیت انتقال حرارتی آن کاسته شود. اما عایق های ساختمانی مسطح هستند و به تنهایی تحمل فشار ناشی از ایجاد خلأ را ندارند. برای حل این مشکل از مواد پرکنندهی بسیار ریزی استفاده می کنند که دارای تخلخلی در مقیاس نانو و حفره هایی در حدود ۱۰۰ نانومتر باشد و در عین حالی که هوای آنها مکیده می شود، می تواند در برابر فشار نیز مقاومت کند. ماده ای که معمولا نقش پر کننده ی بین این نوع پانل ها را ایفا می کند آئروژل است. به طور معمول ضخامت این پانل های عایق بین ۲ تا ۴۰ میلی متر است. این پانل ها هم در ساختمان های جدید و هم بازسازی و نوسازی ساختمان های فرسوده، در دیوار و کف و همچنین عایق کاری لوله کشی قابل کاربرد است. این پانلها به این ش کل ساخته می شوند که ابتدا یک پوسته ی نازک از ورق پلاستیکی انعطاف پذیر (که معمولا دارای پوششی از جنس آلومینیوم است) یا ورقی از فولاد ضد زنگ، مصالح میانی که در خط هواگیری می شوند را در بر می گیرند.

 

شکل شماتیک پانل های عایق خلا

 

پانل های عایق خلا

 

مزایای استفاده از نانوعایق ها

به منظور بهبود کارایی عایق هایی که بطور سنتی استفاده می شوند 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 ماده ی مصرفی و هزینه ی تمام شده می شود. همچنین استفاده از عایق های سنتی در ساختمانها محدودیت هایی از لحاظ ایمنی ایجاد می کند. برای مثال این مواد به هنگام آتش سوزی باعث ایجاد گازهای سمی می شوند. مواد عایق حرارتی مدرن (نانو عایق) بسیار مقاوم، سبک و با کیفیت هستند، به دلیل هدایت حرارتی پایین W/( m.K)۰/ ۰۰۴-۰/ ۰۲۰ به مقدار ۶-۲ برابر بازده بیشتری نسبت به عایق های سنتی دارند و همچنین فضای کمتری را اشغال می کنند. در شکل زیر مقاومت حرارتی یا توان عایق سازی آئروژل در مقایسه با عایق های سنتی مقایسه شده است. این عایق ها به دلیل مقاومت حرارتی فوق العاده ای که دارند می توانند به طرز چشم گیری از هزینه های گرمایش و سرمایش ساختمان بکاهند.

 

 

شیشه های کنترل کننده ی 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 شیشه ها علاوه بر اینکه مانع اتلاف انرژی می شوند، از تغییر رنگ پرده، مبلمان و اجناس پشت ویترین نیز جلوگیری می کنند. همچنین این شیشه ها اشعه هایی از نور خورشید را حذف می کنند که برای سلامتی چشم و پوست مضر بوده و دارای اثر سرطان زایی هستند. در کل این نوع شیشه ها می توانند کارایی بهتری از شیشه های چند جداره داشته باشد و جایگزین آنها شوند. این نوع شیشه ها ایده ی ساختمانی با پنجره هایی بزرگ را عملی می کند که نور و زیبایی اطراف را به داخل ساختمان می آورد.

پوشش های نانو عایق می توانند روی سطح ساختمان پوشش داده شوند ولی عایق های 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 رولهای نقاشی فراهم می کند و با صرف هزینهی نسبتا کمی، می توان حتی از آن در ساختمانهای در دست بهره برداری نیز استفاده نمود و هیچ گونه تغییر ظاهری نیز در ترکیب ساختمان ایجاد نمی کند. رنگ نانوعایق، موجب افزایش عمر تأسیسات ساختمان می شود و در یک دوره میان مدت باعث کاهش هزینه های ساختمان از جمله رنگ آمیزی مجدد، هزینه های ناشی از صدمات رطوبت، نم و رشد کپک و قارچ و در نهایت هزینه های مربوط به مصرف انرژی می گردد.

پانل های عایق خلا این امکان را فراهم می آورند که بتوان با نازکترین لایه ی عایق ممکن، به بیشترین مقاومت حرارتی دست یافت. انتقال حرارتی VIPها ناچیز و تنها در حدود  W/(m.PK)۰/۰۰۴-۰/ ۰۰۵ است و استفاده از آنها در ساختمان بازدهی مصرف انرژی را افزایش داده و به دنبال آن از انتشار گاز دی اکسید کربن می کاهد. همچنین این عایق ها به به  دلیل ضخامت کمی که دارند فضای مفید ساختمان را افزایش می دهند و در محل هایی از ساختمان که فضا بسیار محدود بوده و باید ضخامت عایق بسیار اندک باشد و نتوان از عایق کاری سنتی استفاده کرد، عایق های خلا کاربرد بیشتری پیدا می کنند. آئروژل که نقش پر کنندگی این پانل ها را دارد نیز خود رسانایی حرارتی بسیار کمی داشته، نمی سوزد و از ویژگی های آکوستیکی عالی برخوردار است.

بازار نانو عایق ها

تقاضای سرمایه گذاری های عمومی و خصوصی در رابطه با ساختمان سازی با بازدهی بالای انرژی منجر به رشد عظیم بخش عایق در چند سال آینده خواهد شد. مقدار اندازه گیری شده در سال ۲۰۰۵، ۷/۲ میلیارد دلار بوده که این مقدار در سال ۲۰۱۴ به ۱۵/۴ میلیارد دلار رسیده است. تخمین زده می شود که عایق کاری ساختمانها اخیرا سالانه حدود ۴۲ درصد انرژی مصرفی را ذخیره می نماید. عایق کاری ساختمان میزان انرژی مورد نیاز برای نگهداری محیط زیست پاک را کاهش می دهد. به نوبه خود، کاهش مصرف انرژی موجب کاهش تولید دی اکسید کربن (CO2) در تولید انرژی خواهد شد. در حقیقت امروزه عایق کاری مقرون به صرفه ترین روش در دسترس برای کاهش تولید دی اکسید کربن می باشد.

بر طبق تخمین تولید کنندگان، مواد عایقی که در آنها از فناوری نانو استفاده شده است تقریبا ۳۰ درصد کارایی بهتری نسبت به مواد عایق سنتی دارند. توسعه ی روش های عایق کاری ساختمانها انرژی بیشتری را ذخیره کرده و سبب تولید کمتر دی اکسید کربن می شود. خانواده های اروپایی مسئول یک چهارم دی اکسید کربن تولید شده در آن منطقه هستند که تقریبا ۷۰ درصد آن مربوط به گرم کردن اتاق های منازل می باشد. کاهش مصرف انرژی در گرم کردن فضای ساختمانها بوسیله عایق کاری مدرن در آلمان، هلند، ایتالیا، بریتانیا، اسپانیا و ایرلند موجب کاهش تولید دی اکسید کربن به میزان ۱۰۰ میلیون تن در سال خواهد شد. عایق های حرارتی بهبود یافته و مدرن می تواند به هدف ۲۵ درصدی در کاهش تولید دی اکسید کربن در اروپا منجر شود.

در جدول زیر مزیت های اقتصادی استفاده از عایق های حرارتی مدرن آورده شده است.

	افزایش عایق کاری نسبت به عایق های سنتی	کاهش دی اکسید کربن تولید شده نسبت به عایق های سنتی
عایق های حرارتی مدرن	٪۳۰	٪۲۵

 

منابع

• Dr.George Elvin, Nanotechnology for green Building, Green Technology Forum, 2007.
•  Tao Gaoa, Linn Ingunn C. Sandberg, and Bjørn Petter Jelle, Nano Insulation Materials: Synthesis and Life Cycle Assessment, Procedia CIRP 15 ( 2014) 490 – ۴۹۵٫
• 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
•  http://edu.nano.ir
• http://www.irima.ir