پاورپوینت بررسی مواد عایق‌بند نانویی

بخش ساختمان بزرگ‌ترین مصرف‌کننده انرژی (۴۰) محسوب می‌شود و اصلی‌ترین بخش در انتشار گازهای گلخانه‌ای است. حدود ۸۰ از مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در ساختمان‌ها مربوط به کاربرد انرژی در ساختمان و ۲۰ نیز مربوط به تولید و انتقال مصالح به‌کاررفته در ساختمان‌ها است. مصرف انرژی در داخل ساختمان، شامل گرمایش و سامانه تهویه مطبوع هوا، نیز تقریباً ۳۶ است. ساختمان‌ها معمولاً فرسوده‌اند و عمری در حدود ۶۰ سال دارند. این موضوع بهبود ساختمان‌ها و افزایش راندمان انرژی را تا حدی با مشکل روبه‌رو کرده، زیرا این بهبود و افزایش فقط از طریق استفاده از عایق‌های باکیفیت و فناوری‌های کنترل گرما در ساختمان‌های نوساز قابل دستیابی است. برای رسیدن به اهداف مورد نظر در صرفه‌جویی انرژی در مدت‌زمانی کوتاه‌تر، یعنی بین ۱۰ تا ۲۰ سال، باید ساختمان‌ها به عایق‌های حرارتی مجهز شده و ارتقا داده شوند.
 
1. ارزش افزوده فناوری نانو
هم‌اکنون، بسیاری از عایق‌های ساختمان به‌صورت صفحات نسبتاً ضخیم یا فوم‌های ساخته‌شده از نانوحفرات آلی و معدنی مانند فایبرگلاس، پشم شیشه، پلی‌یورتان، و پلی‌استر هستند.
هم عایق‌بندی سنتی، شامل صفحات عایق توخالی، و هم عایق‌بندی نوین، مانند استفاده از آئروژل‌ها، هنوز با محدودیت‌های بسیار و هزینه‌های بالا مواجه است.
برای عایق‌بندی یک ساختمان با استانداردهای بالا که در آن مصرف کل انرژی کمتر از ۱۲۰ کیلووات ساعت بر متر مربع باشد به مواد عایق‌بندی مرسوم با لایه‌هایی با ضخامت حدوداً ۳۰ سانتی‌متر در داخل دیوار و ۵۰ سانتی‌متر داخل سقف نیاز است. همچنین، باید از پنجره‌ها و شیشه‌های عایق استفاده شود.
 
امکان استفاده از این روش‌های عایق‌بندی در ساختمان‌های نو وجود دارد، اما استفاده از آن‌ها در ساختمان‌های موجود تا اندازه‌ای با محدودیت مواجه است. باید توجه داشت که ۷۰ از ساختمان‌های آینده تا سال ۲۰۳۰ ساخته خواهند شد و حدود ۳۰ از ساختمان‌های کنونی در آن زمان قدیمی باقی خواهند ماند.
امروزه، طراحی راه‌حل‌های جدید مورد نیاز است. فناوری نانو امکان توسعه مواد خام را برای عایق‌بندی و تولید عایق‌های بسیار موثری فراهم می‌کند که نتایجی معادل نمونه‌های سنتی دارند اما ضخامتشان کمتر است. این ویژگی‌ها سبب توجه به آن‌ها شده است؛ مثال‌هایی از این نانومواد عبارت‌اند از: آئروژل‌ها، نانوفوم‌ها، و پوشش‌های مورد استفاده در در و پنجره‌سازی؛ البته، هزینه بالای این گونه مواد کاربرد آن‌ها را تا حدی محدود کرده است.
 
2. فناوری نانو چگونه به این زمینه کمک می‌کند؟
طبق یک قاعده کلی، مواد چگال‌تر خاصیت عایق کمتری از خود نشان می‌دهند؛ در نانوحفرات نیز هر چقدر منافذ بزرگ‌تر باشند عایق ضعیف‌تر می‌شود و انتقال گرما بیشتر خواهد بود. نانوحفرات مانند آئروژل‌ها کمترین چگالی را در میان مواد جامد دارند و علاوه بر این منافذ بسیار کوچکی نیز دارند. بنابراین، عایق‌هایی بسیار عالی خواهند بود.
مواد نانویی دیگر به‌عنوان عایق پوشش‌ها و رنگدانه‌ها هستند که این مواد، به‌ویژه در کاهش انتقال گرما به روش تابش، بسیار موثرند. هر ماده‌ای انرژی تابش را ساطع، جذب، و منعکس می‌کند. مواد کم‌گسیل موادی هستند که میزان انتشار انرژی بازتابش آن‌ها بسیار کم است. شیشه کم‌گسیل معمولاً یک پوشش بسیار بزرگ دارد که از فلز ساخته شده و تابش گرمایی را منعکس می‌کند و در زمستان انرژی گرمایی تابشی تولیدشده در اتاق به سمت داخل بازتابش می‌شود؛ در تابستان، تابش گرمایی فروسرخ حاصل از خورشید به سمت بیرون منعکس می‌‌شود که درنتیجه هوای اتاق خنک باقی می‌ماند. دو روش عمده در تولید انبوه شیشه‌های دارای پوشش برای قابلیت نشر پایین وجود دارد: روش پوشش سخت، و روش پوشش نرم.
شیشه‌های تولیدشده با روش پوشش نرم بسیار موثرتر و کارآمدتر از نمونه‌های ساخته‌شده با روش پوشش سخت هستند، هرچند شیشه‌های با پوشش سخت بادوام‌ترند.
لایه‌های به‌کاررفته‌ درون پنجره نیز اثری قابل توجه در کاهش انتقال گرما نسبت به پنجره‌های معمولی دارند. این لایه‌ها فوایدی در مقایسه با پوشش‌ها دارند؛ آن‌ها می‌توانند بدون کاهش شفافیت شیشه، طول موج‌های مشخصی از نور را منعکس کنند. این لایه‌ها که در اندازه‌های نانویی ساخته شده‌اند نقشی مانند صافی در مقابل پرتوهای فرابنفش و فروسرخ دارند. فواید این لایه‌ها عبارت‌اند از: توانایی‌ فیلتر کردن پرتوهای فرابنفش و فروسرخ و دادن اجازه عبور فقط به نور مرئی.
 
3. اثرات
1.3. اقتصادی ـ صنعتی
هم‌اکنون، سرمایه‌گذاری تجاری بسیار کمی در زمینه عایق‌بندی ساختمان (کنترل حرارت) با استفاده از فناوری نانو انجام شده است. درواقع، امروزه محصولات نانویی در مرحله تجاری‌سازی دارای ارزش زیاد و قیمت بالایی هستند. البته این بخش در حال رشد است، به‌طوری که حجم مبادلات بازار آئروژل‌ها در سال ۲۰۰۸ تا ۹/۸ میلیون دلار محاسبه شده است و پیش‌بینی می‌شود این مقدار با نرخ رشد سالانه ۵۰ تا سال ۲۰۱۳ به ۶۴۶ میلیون دلار برسد. این بازار با کاربردهای عایق‌بندی صوتی و گرمایی در حال گسترش است. امروزه، بزرگ‌ترین بازار برای این مواد عایق نانویی خارج از صنعت ساختمان ایجاد شده است و از آن‌ها برای عایق کردن لوله‌های نفت و گاز در زیر دریا، در تجهیزات پزشکی، و در صنایع هوافضا استفاده می‌شود.
 
البته، این روش نانویی برای عایق‌بندی گرمایی در و پنجره کاربرد بالایی دارد، طوری که تا کنون در بازار شیشه‌های آپارتمان و در بازار لایه‌های پنجره کنترل گرمایی با روش‌های متنوع، ازجمله پوشش‌های فلزی یا اکسید فلزات، نفوذ زیادی داشته‌ است؛ با این حال، بسیاری پوشش‌های نانویی را ترجیح می‌دهند.
امروزه، پوشش‌های کم‌گسیل برای شیشه‌های آپارتمانی با تقاضای زیاد مواجه هستند و حجم مبادلات در بازار به یک میلیارد دلار می‌رسد. پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۱۵ تقاضای بازار به ۳۶۰ میلیون متر مربع از این نوع شیشه‌ها برسد.
بازار لایه‌های نازک به‌کاررفته در شیشه و پنجره به‌وسیله‌ حامیان آن جایگاه ویژه‌ای یافته است. برآورد می‌شود ارزش کلی آن در بخش ساختمان به ۵۰۰ میلیون یورو برسد که تنها بخش کوچکی از آن با مواد نانویی صورت گرفته است. محصولات نانویی بدون تاثیر در میزان ورود نور باعث بازتابش گرمایی شده و ایجاد هر نوع رنگی را برای شیشه (اغلب به‌صورت آینه‌ای) ممکن می‌سازند.
به‌طور کلی، پیش‌بینی می‌شود تقاضای جهانی برای مواد عایق‌بندی با رشد سالانه ۸/۳ به ۲۹ میلیارد دلار برسد و تقاضای سالانه برای شیشه‌های آپارتمانی با رشد ۴ به ۷۳ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۲ برسد. انواع شیشه‌های آپارتمانی ۶۵ تقاضای جهانی و بخش صنعت خودروسازی ۲۵ از بازار را دارا هستند. ۱۰ باقی‌مانده نیز به ساخت مبلمان مربوط است.
با استفاده از فناوری نانو در تولید مواد عایق‌بند، مانند فوم‌ها و صفحات عایق، وجود مهارت و نیاز به ماشین‌آلات جدید و تجهیزات متناسب در خطوط تولید برای تولید در و پنجره‌ها ضروری خواهد بود. شرکت‌های تولیدکننده نیز اذعان دارند که کارگران باید برای مهارت‌های جدید آموزش ببینند تا محصولات نانویی به بهترین شکل ممکن وارد بازار شوند.
 
2.3. اثرات اجتماعی بر شهروندان
از طریق استفاده از محصولات عایق‌بندی نانویی میزان مصرف انرژی خانگی کاهش می‌یابد، به‌ویژه در ساختمان‌هایی که به‌علت تزیینات نما یا کمبود فضا نمی‌توانند عایق‌های دیگر را به‌کار برند. متخصصان می‌گویند در ساختمان‌های موجود کاهش مصرف انرژی تا حدود ۳۰۰ کیلووات به ازای هر متر مربع در سال قابل دستیابی است. این میزان کاهش مصرف انرژی با توجه به افزایش قیمت سوخت در سال‌های آتی اهمیت زیادی دارد. با وجود این نوع عایق‌بندی و همراه با سامانه تهویه هوا محیطی مطبوع‌تر در داخل خانه برای شهروندان ایجاد خواهد شد. علاوه بر این، سرمایه‌گذاری مالی برای عایق‌بندی با استانداردهای بالا از طریق افزایش کیفیت و ارزش ساختمان جبران خواهد شد.
در سطح اجتماعی تاثیر عمده مواد نانویی برای عایق‌بندی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای از طریق کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌های موجود است.
 
4. چالش‌ها
امروزه، بیشتر آئروژل‌های موجود در بازار معدنی هستند. رایج‌ترین آن‌ها از سیلیسیم ساخته شده‌اند. شکنندگی، مقاومت کم در برابر رطوبت، و فرایند تولید پرهزینه محدودیت‌های این نوع آئروژل‌ها هستند. به‌دلیل این محدودیت‌ها، پیشرفت‌های نوینی در زمینه تولید آئروژل‌های آلی یا هیبریدی و فرایندهای تولید جدید صورت گرفته است. آئروژل‌های آلی شکنندگی کمتر و خواص مکانیکی بهتری دارند و حتی سبک‌تر از نمونه‌های معدنی هستند. همچنین، به‌عنوان عایق گرمایی موثر عمل می‌کنند؛ با این حال، این پیشرفت‌ها هنوز در ابتدای راه است.
آئروژل‌های هیبریدی که هم از مواد آلی و هم از مواد معدنی ساخته شده‌اند در مقایسه با آئروژل‌های آلی خصوصیات بهتری از خود نشان می‌دهند. مقاومت فشاری نوع هیبریدی به‌علت ترکیب مواد آن ۱۰۰ برابر بیشتر است، رطوبت بر آن بی‌اثر است، و عایق کارآمدتری در مقابل تابش‌های حرارتی است. چالش‌ موجود در مسیر آئروژل‌های هیبریدی و آلی یافتن روش تولید انبوه و نسبتاً کم‌هزینه است.
فرایند تولید آئروژل‌ها شامل دو مرحله است: ساخت یک ژل قابل نفوذ همراه با حلال و حذف حلال به‌وسیله یک فرایند خشک کردن ویژه. امروزه، این روش متداول‌ترین فرایند تولید است اما بخش خشک‌کننده از لحاظ انرژی بسیار پرمصرف و در‌نتیجه هزینه‌بر است. بنابراین، چالش کنونی ایجاد و گسترش فرایندی بصرفه برای تولید انبوه خواهد بود، یعنی دستیابی به فرایندی که در فشار اتمسفر و دمای نسبتاً پایین انجام شود.
چالش عمده دیگر تولید شیشه‌های مقاوم‌تر است. پیشرفت‌هایی در این زمینه حاصل شده، اما هنوز کافی نیست. چالش دیگر مقاومت در برابر خوردگی در در و پنجره‌هایی است که دارای ترکیبات فلزی هستند.
خط مشی مهم در رفع این چالش‌ها تامین سرمایه‌های مورد نیاز برای افزایش راندمان انرژی است و سرمایه‌گذاران در بخش ساخت و ساز باید به این باور برسند که صرفه‌جویی انرژی در ساختمان‌ها منافع بلندمدت خواهد داشت.
 
5. خلاصه
امروزه، پوشش‌های در و پنجره موجود در بازار با فناوری‌های مختلف تولید می‌شوند. یکی از موارد اصلی با لایه‌های نانویی در در و پنجره است که امکانات و توانایی‌های ویژه‌ای در آن‌ها قرار داده شده است.
پنجره‌هایی که لایه‌هایی از جنس فوم‌های نانویی کم‌گسیل پلیمری یا هیبریدی دارند نقش عایق را در ساختمان دارند و دارای پتانسیل بالای اجتماعی نیز هستند. البته در صورت استفاده انبوه، هزینه‌های اقتصادی نیز تعدیل می‌شود.