مواد عايق نانو

مقدمه

اين خلاصه مروري دارد بر بازار عايق‌بندي ساختمان و اينكه فناوري نانو  چگونه مي‌تواند به اين كار كمك كند. به كمك نانو مواد متخلخل، پوشش‌ها و  پوشرنگهاي (paints) حاوي اين نانوذرات مي‌توانند به ذخيره‌ي انرژي در جامعه  كمك كرده و راحتي و سلامتي را در داخل ساختمان‌ها به ارمغان آورند.
بخش ساختمان‌سازي، بزرگترين مصرف‌كننده‌ي (40%) انرژي است و اصلي‌ترين  سهم را در انتشار گازهاي گلخانه‌اي (GHG) با ميزان بيش از 36% در اتحاديه‌ي  اروپا دارد. در حدود 80% از مصرف انرژي مربوط به ساختمان و انتشار گاز‌هاي  گلخانه‌اي مرتبط با انرژي است كه در داخل ساختمان و در طي عمر عمر ساختمان  از آن استفاده مي‌شود، در حالي كه فقط 20% انرژي براي توليد و انتقال مواد  در ساختمان به كار مي‌رود. تفكيك مصرف انرژي در ساختمان نشان مي‌دهد كه  گرمايش و تهويه‌ي هوا (HVAC) تقريباً 36% سهم دارند. در نتيجه، تهويه‌ي هوا  حدود 10% از مصرف انرژي اتحاديه‌ي اروپا و انتشار گازهاي گلخانه‌اي را  شامل مي‌شود.
ساختمان‌ها عموماً طول عمر طولاني با ميانگين عمر بيشتر از 60 سال  دارند. اين موضوع باعث مي‌شود كه بهبود بازده انرژي تمام ساختمان‌هاي  اروپا، فقط از طريق عايق‌بندي مناسب و فناوري‌هاي مديريت گرما براي همه ي  ساختمان‌ها مشكل باشد. براي داشتن تاثير اساسي در زمان كوتاه‌تر (10 تا 20  سال)، ساختمان‌هاي موجود بايد از نظر عملكرد گرمايي به روز شوند.

فناوري نانو ارزش افزوده ايجاد مي‌كند
بيشتر عايق‌هاي ساختماني كه اخيراً استفاده مي‌شوند، پنل‌هاي نسبتاً  ضخيم يا فوم‌هاي ساخته شده از مواد متخلخل آلي و معدني مثل فايبرگلاس،  الياف معدني، پلي‌يورتان و پلي‌استايرن هستند. عايق‌هاي جديد‌تر شامل  پنل‌هاي عايق خلأ (VIPs) و هواژل‌ها هستند كه بهترين عملكرد در زمينه‌ي  عايق‌هاي ساختماني با عملكرد عايقي بسيار بالا را دارند، اما محدوديت‌هايي  از جمله قيمت بالا را دارا هستند.

گرمانگار ساختمان، با يك ساختمان سنتي در زمينه ـ مرجع: موسسه‌ي Passivhaus

براي عايق كردن ساختمان با استانداردهاي بالا با استفاده از مواد مرسوم  عايق‌بندي، لايه‌هاي ضخيمي از اين مواد نياز است. براي مثال، يك خانه كه  مطابق با استاندارد Passivhaus ساخته شده است، مجهز به تجهيزاتي است كه كل  مصرف انرژي آن  را كمتر از 120 kWh/M2/yr مي كند. براي اين منظور به  عايق‌هاي معمولي با ضخامت بيش از 30 سانتي‌متر براي ديوارها و 50 سانتي‌متر  براي سقف، و نيز شيشه‌هاي سه جداره با هوا و چارچوب‌هاي خاص براي پنجره‌ها  نياز خواهد داشت.
اين راه‌حل‌هاي عايق‌بندي ممكن است براي ساختمان‌هاي جديد نسبتاً عملي  باشند، ولي در مورد ساختمان‌هاي موجود جنبه‌هايي مثل اصلاح نماي خارجي و  كاهش متراژ داخلي امكان پذيري آنها را محدود مي‌كند. نظر به اينكه 80% از  ساختمان‌هاي اروپا در آينده (2030) از قبل وجود داشته و اينكه 30% از  ساختمان‌هاي موجود امروزي ساختمان‌هاي تاريخي هستند، نياز به راه‌حل‌هايي  جديد به خصوص براي ساختمان‌هاي موجود، احساس مي‌شود.
فناوري نانو قادر است مواد عايق جديدي با عملكرد عايقي خاص توليد كند  كه با اين مواد مي‌توان به نتايجي معادل با محصولات سنتي و با ضخامت كمتر  رسيد، همين موضوع باعث شده است براي به روز كردن ساختمان‌ها بسيار مورد  توجه قرار گيرد؛ مثال‌هايي از اين نانومواد شامل هواژل‌ها، نانوفوم‌ها و  پوشش‌هاي پنجره‌ها (window coating) است. اما قيمت بالاي اين مواد پذيرفتن  آنها را محدود كرده است.

فناوري نانو چگونه در اين زمينه كمك مي‌كند؟
به عنوان يك قانون كلي مواد متراكم تر عملكرد عايقي ضعيف‌تري از خود  نشان مي‌دهند؛ در مواد متخلخل با اندازه‌ي حفرات بزرگتر نيز انتقال گرما  بيشتر و عايق‌بندي ضعيف‌تر است. مواد متخلخل در مقياس نانو مانند هواژل‌ها  نسبت به جامدهاي ديگر دانسيته‌ي كمتري دارند، به علاوه به دليل اندازه‌ي  حفرات در اندازه‌ي نانو به عنوان عايق، عالي عمل مي‌كنند.
مواد عايق ديگري كه از فناوري نانو در آنها استفاده مي‌شود شامل  پوشش‌ها و پوشرنگها (paints) هستند. اين مواد در كاهش انرژي تابشي كه مربوط  به انتقال گرما است موثر هستند. هر ماده‌اي انرژي تابشي را منتشر ، جذب و  منعكس مي‌كند؛ مواد با انتشار كم، موادي هستند كه ميزان كمي از انرژي تابشي  را انتشار مي‌دهند.
شيشه‌هاي با انتشار كم معمولاً ولي نه هميشه يك پوشش بسيار نازك از  فلزات دارند كه تابش گرماي را بازتاب مي‌دهند يا انتشار آن را كم مي‌كنند،  با اين كار انتقال گرما از شيشه كاهش مي‌يابد. در زمستان، تابش گرمايي كه  در داخل توليد مي‌شود، دوباره به داخل منعكس مي‌شود، در حالي كه در  تابستان، تابش گرماي فروسرخخورشيد به بيرون منعكس مي‌شود و داخل خنك  مي‌ماند. دو روش براي توليد شيشه‌هاي پوشش داده شده با انتشار كم وجود  دارد؛ پوشش سخت شامل استفاده از روش رسوب‌دهي بخار شيميايي در فشار اتمسفر  (APCVD)، و پوشش نرم شامل روش رسوب‌دهي خلأ كاتدپراني مغناطيسي(MSVD). يك  شيشه‌ي پوشش داده شده با روش MSVD عملكرد بهتري نسبت به شيشه‌ي پوشش داده  شده با روش APCVD دارد؛ با اين وجود روش دوم با دوام‌تر است.

فيلم‌هاي پنجره‌اي (window films) هم گزينه‌ي مناسب ديگري است كه  انتقال گرما به پنجره را كاهش مي‌دهند. اين فيلم‌ها در مقايسه با پوشش‌ها  مزايايي دارند، مثلاً آن‌ها مي‌توانند طول موج خاصي از نور را بدون كاهش  شفافيت شيشه بازتاب دهند. اين فيلم‌ها از بيش از 200 نانومترضخامت و از  پليمرهايي ساخته شده‌اند كه مي‌توانند به عنوان ***** فرابنفش (UV) و  فروسرخ(IR) عمل كنند. مزيت‌هاي اصلي اين فيلم‌ها عبارتند از: توانايي آنها  براي ***** كردن نور UV و IR در حالي كه نور مرئي مي‌تواند عبور كند؛ عدم  حضور فلزات كه مي‌توانند منجر به خوردگي شوند؛ و اينكه آن‌ها مي‌توانند در  ساختمان‌هاي موجود نصب شوند. به علاوه، انرژي صرف شده در فيلم‌هاي پنجره‌اي  اساساً كمتر از پنجره‌هاي جديد با انتشار كم است، كه به اين معني است كه  تعادل CO2 از اضافه كردن فيلم‌هاي پنجره‌اي به پنجره‌هاي موجود اساساً بهتر  از اين است كه با پنجره‌هاي موجود با انتشار كم جايگزين شوند.

اثرات

اقتصادي / صنعتي
در حال حاضر فناوري نانو ارزش تجاري بسيار كمي در عايق‌بندي ساختمان‌ها  دارد. محصولات نانويي كه تجاري شده‌اند ارزش بالا و هزينه‌ي بالا دارند،  اين  محصولات مثل هواژل‌‌ها  مي‌توانند در تعداد كمي از ساختمان‌ها نصب  شوند. با اين وجود، اين بخش در حال رشد است؛ بازار جهاني براي هواژل‌ها در  سال 2008، 82.9 ميليون دلار بوده است و انتظار مي‌رود كه تا سال 2013 با  نرخ رشد ساليانه 54.8%  به 646.3 ميليون دلار برسد. انتظار مي‌رود كه بازار  به سمت كاربرد عايق‌هاي صوتي و گرمايي پيش رود. امروزه، بزرگترين بازار  براي اين مواد عايق نانويي خارج از صنعت ساختمان‌سازي است: در عايق‌بندي  لوله‌هاي نفت و گاز مدفون در اعماق دريا؛ در تجهيزات پزشكي و در صنايع  فضايي. توليدكنندگان اصلي هواژل‌ها شركت Aspen Aerogel (USA) و Cabot (USA)  مي‌باشند.
اين موضوع براي پوشش‌هاي پنجره‌ي نانويي صادق نمي‌باشد، اين پوشش‌ها در  حال نفوذ به بازار هستند، به خصوص بازار شيشه‌هاي تخت و بازار فيلم‌هاي  پنجره‌اي. بيشتر توليد‌كنندگان (Asahi, Pilkington, St Gobain)  شيشه‌هاي  تخت بزرگ در جهان شيشه‌هاي موظف متنوعي توليد مي‌كنند، اين شيشه‌ها شامل  (اغلب ضخامت در حد نانو دارند) پوشش‌هاي فلزي و يا اكسيدهاي فلزي هستند؛  اما برخي از اين شركت‌ها (به تنهايي يا با همكاري با كارشناسان پوشش  شركت‌هايي مثل Beneq (FI)، Ferro (USA) يا Arkema (FR)) در حال ايجاد  پوشش‌هاي با فناوري نانو پيچيده‌تر هستند كه عملكرد مناسب‌تري دارند و  دامنه‌ي وسيع‌تري از پوشرنگها را شامل مي‌شوند. امروزه پوشش‌هاي با انتشار  كم براي شيشه‌هاي تخت براي همه‌ي جهان بازاري 1 بيليون دلاري دارد، با توجه  به تقاضاها تخمين زده مي‌شود كه تا سال 2015 به 360 ميليون متر مربع هم  برسد.
علاوه بر اين، بايد توجه شود كه بازار فيلم پنجره‌اي در دست شركت‌هايي  مثل Global Window Films (USA)، 3M (USA)، Bekaert (BE) يا Hanita Coatings  (ISR) مي‌باشد. امروزه ارزش كل حدود 500 ميليون يورو تخمين زده مي‌شود، كه  بخشي از آن شيشه‌هاي ساختماني است (بازار مهم ديگر شيشه‌هاي خودرويي  مي‌باشد) كه بخش كوچكي از آن مربوط به توليدات نانويي مي‌باشد. عملكرد اصلي  كه توسط فناوري نانو ارائه مي‌شود اين است كه بدون مانع ايجاد كردن در  برابر نور، گرما بازتاب داده مي‌شود، و يا قابليت داشتن هر رنگ براي  پنجره‌ها با لايه‌هاي پوششي نانويي ايجاد مي‌شود.
بايد اشاره كرد كه انتظار مي‌رود تقاضاي جهاني براي مواد عايق با گسترش 3.8% به 29 بيليون يورو در سال 2012 برسد.

پتقاضاي ساليانه‌ي جهاني شيشه‌هاي تخت با رشد 4% تا سال 2012 به 73  بيليون دلار برسد. به خصوص، انتظار مي‌رود كه شيشه‌هاي ساختماني با نرخ  ساليانه 8% رشد يابند. هدف اين است كه شيشه‌هاي تخت براي ساختمان به 65%  تقاضاي ساليانه برسد، در حالي كه بخش مربوط به خودرو 25% بازار را شامل  مي‌شود، و 10% باقيمانده متعلق به كاربردهاي ويژه مثل وسايل خانه و آينه‌ها  است.
تقاضا و توليد جهاني در چند كشور و چند شركت تمركز دارد، كه در شكل زير  نشان داده شده است؛ شركت‌هاي Saint-Gobain، Pilkington و Asahi نزديك به  نيمي از بازار جهاني را به خود اختصاص داده‌اند.

تقاضاي جهاني براي شيشه‌هاي تخت (بر حسب تن)

ظرفيت توليد جهاني شيشه‌هاي تخت

براي پذيرفتن فناوري نانو، توليدكنندگان مواد عايق مثل فوم‌ها و پنل‌ها  ناگزيرند به طور كامل از ماشين‌آلات و مهارت‌هاي جديد استفاده كنند. براي  توليدكنندگان پنجره نياز است كه ماشين‌آلات جديدي براي خطوط توليد فعليشان  اضافه كنند. هر دو گروه توليدكنندگان اذعان دارند كه كارگران هم بايد در  اين زمينه‌ي جديد مهارت كسب كنند، و مقرارت كنترلي و ايمني نيز بايد تكميل  شوند.

ميزان آمادگي فناوري
مواد مختلفي كه مي‌توان فناوري نانو را در آن‌ها به كاربرد در سطوح مختلف توسعه در شكل زير نشان داده شده‌اند.

تأثير اجتماعي بر شهروندان اروپايي
به واسطه‌ي توليد محصولات عايق نانويي، شهروندان اروپايي مي‌توانند  كاهش در مصرف انرژي خانه‌هايشان را تجربه كنند، به خصوص در خانه‌هايي كه به  دلايل زيبايي يا از دست دادن فضا نمي‌توانند خانه‌هايشان را عايق‌بندي  كنند. كارشناسان ادعا مي‌كنند كه براي خانه‌هاي موجود، مصرف انرژي از مقدار  كنوني (300kWh/m2)  به مقدار 50 kWh/m2 در سال كاهش مي‌يابد. اين كاهش  زماني اهميت بيش‌تر مي‌يابد كه انتظار مي‌رود قيمت سوخت به طور چشم‌گيري در  سال‌هاي آتي افزايش يابد. زماني كه از اين مواد استفاده مي‌شود، ساكنان‌  خانه‌ها از يك محيط داخلي بهتر لذت مي‌برند، اگرچه تهويه لازم است ولي  اختلاف دما تقريباً حذف مي‌شود. به علاوه، سرمايه‌گذاري نسبتاً بالايي كه  براي عايق كردن ساختمان مطابق با استاندارد‌ها هزينه مي‌شود با هزينه‌ي  مصرف انرژي جبران مي‌شود.
در سطح اجتماعي، تأثير اصلي راه‌حل‌ها براي عايق‌بندي نانويي كاهش  انتشار گاز‌ها گلخانه‌اي از طريق كاهش مصرف انرژي‌ مربوط به دستگاه‌هاي  تهويه‌ي هوا توسط ساختمان‌هاي موجود است.

چالش‌ها
هواژل‌هايي كه امروزه در بازار در دسترس هستند بيشتر هواژل‌هاي معدني  مي‌باشند؛ رايج‌ترين آن‌ها از سيليكا ساخته مي‌شوند. محدوديت‌هاي اين  هواژل‌ها شكنندگي آن‌ها، مقاومت به رطوبت كم و فرايند‌ توليد گران است. به  دليل اين محدوديت‌ها، پيشرفت‌هايي در زمينه‌ي هواژل‌ها صورت گرفته و  توليدكنندگان به سوي فرايند‌هاي جديد براي توليد پيش مي‌روند. هواژل‌هاي  آلي شكنندگي كمتري دارند، خواص مكانيكي بهتري دارند، حتي در مقايسه با  مشابه‌هاي معدنيشان سبك‌تر بوده و به عنوان عايق گرمايي بهتري عمل مي‌كنند؛  اما توسعه‌ي اين مواد در مراحل اوليه است. هواژل‌هاي هيبريدي مواد هيبريدي  آلي ـ معدني هستند كه مشخصه‌هاي بهتري در مقايسه با هواژل‌هاي معدني ايجاد  مي‌كنند. وابسته به تركيب مواد، هواژل‌هاي هيبريدي مي‌توانند تا 100 برابر  در مقابل تنش‌هاي مكانيكي مقاوم باشند، مي‌توانند در برابر رطوبت بي‌اثر و   در برابر تابش‌هاي گرمايي به عنوان يك مانع موثر عمل كنند. چالش پيش رو  در اين زمينه يافتن راه‌هايي است كه بتوان با هزينه‌ي كم و حجم بالاي  توليد،  هواژل‌هاي هيبريدي و آلي توليد كرد.
فرايند‌ توليد هواژل‌ها شامل دو مرحله‌ي اصلي است: ساخت يك ژل كه حلال  در آن نفوذ كرده و حذف حلال با يك فرايند خشك كردن خاص. امروزه رايج‌ترين  فرايند براي خشك كردن، خشك كردن فوق بحراني است كه يك روش گران (و با انرژي  زياد) براي ساخت مي‌باشد. در اين رابطه، چالش پيش رو فرايند خشك كردن زير  نقطه‌ي بحراني براي توليد انبوه است؛ اين يك فرايند اقتصادي خشك كردن است  كه در فشار اتمسفري و دماهاي نسبتاً كم مي‌توان به آن دست يافت.
چالش اصلي براي پوشش‌ها ايجاد پوشش‌هاي شيشه مقاوم‌تر با روش رسوب‌دهي  خلأ كاتدپراني مغناطيسي (MSVD) است. پيشرفت‌هايي در اين زمينه بدست آمده  است، اما پوشش‌هاي APCVD هنوز هم مقاوم‌ترين پوشش‌ها مي‌باشند. يك چالش هم  براي پوشش‌هاي سرد و هم پوشش‌هاي نرم، بهبود مقاومت به خوردگي است، به دليل  اين كه در تركيبشان فلز‌ات هم حضور دارند.
موضوع مهم بررسي تأمين مالي سرمايه‌گذاري مورد نياز براي بهبود  بهره‌وري انرژي است، زيرا كه در بسياري از موارد سازنده يا مالك (و در  نتيجه سرمايه‌گذار) از صرفه‌جويي در مصرف انرژي بهره‌اي نمي‌برد.

جايگاه رقابتي اتحاديه‌ي اروپا
براي پوشش‌هاي پنجره، اروپا با شركتي‌هاي كوچك با تكنولوژي بالا (مثل  Beneq يا Peer+) كه با شركت‌هاي بزرگ جهاني شريك هستند، جايگاه بالايي  دارد. به علاوه برخي شركت‌هاي بزرگ مثل Arkema و BASF نيز در بين آنها ديده  مي‌شوند. براي شيشه‌هاي تخت نانويي، شركت‌هاي Pilkington، St Gobian و  Asahi Glass Europe، فعاليت‌هاي تحقيقاتي را فراهم كرده و اين قابليت وجود  دارد كه نتايج برخي تحقيقات به بازار راه پيدا كند.
در اروپا، تحقيقات بر روي نانوفوم‌ها و هواژل‌ها تا امروز پايين‌تر از  شاخص جرم بحراني بوده است، با وجود اينكه همكاري‌ها در چارچوب برنامه‌هايي  آغاز شده، هرگز به بازارهاي قابل توجه يا قابليت توليد انبوه نمي‌رسند. با  اين وجود، اخيراً برخي صنايع شيميايي بزرگ تمايل بيشتري به اين مواد پيدا  كرده‌اند و روي نانوفوم‌هاي پليمري با كارايي بيشتر و قيمت كمتر تمركز  كرده‌ و به دنبال روش‌هاي توليد با هزينه‌ي كمتر هستند.
براي فيلم‌هاي پنجره‌اي، شركت‌هاي Solutia، Bekaert و 3M در جهان پيشرو  هستند؛ از بين اين شركت‌ها، شركت Bekaert از اركان اصلي توليد اين مواد در  بلژيك است.
اتحاديه‌ي اروپا اخيراً شروع به رسيدگي به فرصت‌هايي كه در اين زمينه  وجود دارد كرده است، و به پروژه‌هايي در چهارچوب برنامه‌ي هفتم كمك مالي  مي‌كند. با دادن بخشي از فرصت‌هاي بازار و ايجاد ارتباط براي تحقيقات موفق،  اتحاديه‌ي اروپا مي‌تواند بر چالش‌هاي اصلي فائق آيد.
از ديدگاه صنعتي، شركت‌هاي اصلي شامل Cabot (USA)، TAASI (USA)،  Nanopore (USA)، Branch Tech International (USA)، Aspen Aerogel (USA)،  Aerogel Composites (USA)، MarkeTech (USA)، 3M (USA)، DuPont (USA)،  Arkema (France)، BASF (Germany)، Beneq (Finland)، Bekeart (Belgium)،  Hanita Coating (Israel)، Solutia (USA) و Research Frontier, Inc (USA)  مي‌باشند.

خلاصه
• درمورد مواد عايق نانويي، جايگاه كنوني اتحاديه در مقايسه با صنايع  قوي ايالات متحده ضعيف است، اگرچه برخي از آنها ظرفيت توليد در آلمان را  دارند (Cabot Aerogels). با اين وجود، صنايع شيميايي اتحاديه‌ي اروپا  توانايي و استراتژي لازم براي گسترش و اقتصادي كردن نانوفوم‌هاي آلي را  دارند و انتظار مي‌رود كه از اكنون تا 5 تا 10 سال ديگر به بازار راه پيدا  كنند.
• در مورد پوشش‌هاي پنجره‌، چند شركت به علاوه‌ي تأمين‌كنندگان فناوري  پوشش در اروپا مستقر بوده و بعنوان پيشتاز در تجارت عمل مي‌كنند. در مورد  فيلم هاي پنجرهاي نانويي هم وضعيت مشابه است؛ حداقل يك شركت كه در جهان  پيشتاز است، در اروپا مستقر است و استراتژي‌هاي لازم را پايه‌گذاري مي‌كند.  از ديدگاه علمي، تعداد كمي دانشگاه يا موسسه‌ي تحقيقاتي هستند كه تحقيقات  قوي در اين زمينه‌ي خاص دارند.
• تأثير اجتماعي پنجره‌هاي با انتشار كم نانويي (و فيلم‌هاي پنجره‌اي)  كه با فوم‌هاي پليمري حاوي نانومواد (يا هيبريدها) كه براي عايق‌بندي  ساختمان‌ها ايجاد مي‌شوند، به طور بالقوه بسيار بالاست، كه راه‌حلي واقعي  براي ساختمان‌هاي موجود بوده و نياز به نو شدن براي بازده انرژي بالاتر  (براي پاس كردن استانداردها در آينده) را دارند، مي‌باشد. قابليت صنعت  اتحاديه‌ي اروپا براي رسيدن به ميزاني از ارزش قيمتي براي توليدات نانويي،  مشخص مي‌كند كه آيا اين پتانسيل مي‌تواند به واقعيت تبديل شود يا خير.

zp8497586rq

درباره نویسنده

مطالب مرتبط