کاربردهای فناوری نانو در مواد چسبنده و درزگیر صنعت ساختمان؛

هدف از این گزارش، تحلیل سیر تحول فناوری نانو در توسعه مواد چسبنده و درزگیر برای صنعت ساختمان است. مواد چسبنده و درزگیر در تعداد زیادی از صنایع، برای اتصال مواد مشابه یا مختلف به یکدیگر به‌کار گرفته می‌شوند. مواد چسبنده و درزگیر دارای مبنای شیمیایی یکسانی هستند اما عملکردهای متفاوتی دارند. تفاوت اصلی بین این دو ماده، مدول کشسانی (الاستیسیته) آن‌ها است؛ یک ماده‌ی درزگیر دارای مقاومت کششی کمتری است. در صنعت ساختمان، مواد چسبنده و درزگیر دارای کاربردهای وسیعی چون موکت‌کاری، کاشی‌کاری، بتن، ورقه‌های قفسه‌ها و کمدها، لایه زیرین کف، ورقه‌های دیوار کاذب، گرم‌سازی، تهویه، تهویه هوای مطبوع، سیمان‌های متصل‌شده، خانه‌های پیش‌ساخته، پانل‌های پیش‌پرداخت‌شده، کف کشسان، سقف‌سازی و پوشش‌دهی دیوار هستند. امروزه فناوری نانو در صنعت مواد چسبنده و درزگیر، در قالب پرکننده‌های نانومقیاس همانند سیلیس دوداندود (Fumed Silica)، کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده‌ی نانویی و دی‌اکسید تیتانیوم کاربرد دارد. در فناوری سنتی، پرکننده‌ها با هدف کاستن قیمت محصولات در فرمول‌بندی مواد چسبنده و درزگیر مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ اما این وضعیت، امروزه دستخوش تغییر شده‌است زیرا پرکننده‌های نانومقیاس، ارتقای کارایی و قابلیت‌هایی چون خصوصیات فیزیکی عالی، کنترل رئولوژیکال (جریان شناختی)، مقاومت در برابر سوختن و دوام و قابلیت بازیافت ارتقا یافته را، برای مواد چسبنده و درزگیر به ارمغان می‌آورند. اصلی‌ترین پرکننده‌هایی که از فناوری نانوی مدرن بهره‌گرفته و در تولید مواد چسبنده و درزگیر استفاده می‌شوند، سیلیس دوداندود، PCC نانویی و در مرتب‌های پایین‌تر، TiO2 هستند. سیلیس دوداندود که تحت عنوان سیلیس گرمازا نیز شناخته می‌شود در قالب ذراتی با اندازه‌ی چند 10 نانومتر و مساحت سطح ویژه‌ی m2/g 90 الی m2/g 600، قابل تولید است. سیلیس دوداندود را می‌توان از طریق یک فرآیند هیدرولیز و یا فرآیند رسوب‌دهی تولید کرد. همان‌گونه که از نامش پیداست، فرآیند تولید NPCC، دربرگیرنده‌ی رسوب‌دهی است که این امر منجر به تولید ذراتی در ابعاد 60 الی 150 نانومتر می‌گردد. این محصولات نانویی از چند سال پیش تاکنون در بازار موجود بوده‌اند و طیف وسیعی از صنایع مانند صنایع کاغذ، لوازم آرایشی، مواد غذایی، پلاستیک و مواد چسبنده و درزگیر از آن‌ها بهره گرفته‌اند. در اروپا، صنعت ساختمان دومین بازار بزرگ برای مواد چسبنده و درزگیر بوده است. تخمین زده می‌شود که در سال 2009 در اروپا، اندازه‌ی بازار مواد چسبنده و درزگیر برای محصولاتی که مستقیما مرتبط با صنعت ساختمان بوده‌اند، نزدیک به 1/9 میلیارد یورو بوده است. البته تنها تعدادی از محصولات در این بازار از فناوری نانو بهره می‌گرفتند. مطابق برآوردها تنها 10 درصد از کل مواد چسبنده و درزگیر شامل پرکننده‌های نانویی بوده و درصد استفاده از نانومواد در آن‌ها بسیار پایین است. چندین مشوق و مانع بر روی روند پذیرش مواد چسبنده و درزگیر نانویی در صنعت ساختمان تأثیرگذار هستند. مشوق‌های اصلی شامل، ارتقای کارایی، قابلیت‌های اضافی و مباحث زیست‌محیطی هستند درحالی‌که موانع اصلی عبارتند از رقابت قیمت، کمبود آگاهی و عدم خطرپذیری. انتظار می‌رود که فناوری نانو در توسعه‌ی نسل جدیدی از مواد چسبنده و درزگیر در سال‌های آتی مشارکت داشته و بازار مذکور همچنان روند روبه‌رشد خود را حفظ کند. با این وجود لازم است تا این توسعه‌ها با تدوین قوانین مقتضی در جنبه‌هایی چون سلامت و ایمنی همراه شوند و همچنین مزایا و نگرانی‌های مربوط به این محصولات در قالب زنجیره‌ی ارزش از تولیدکننده‌ی پرکننده‌ی نانومقیاس تا تولیدکننده‌ی مواد چسبنده و درزگیر تا صنعت ساختمان، به شکل وسیعی مورد بحث و تبادل نظر قرار بگیرند. این امر نه‌تنها از موانع پذیرش فناوری می‌کاهد بلکه به ابتکارات جدید در این حوزه نیز کمک می‌کند.

1. مقدمه
1.1. تعاریف
مواد چسبنده و درزگیر محصولات فرمول‌بندی‌شده‌ای برای اتصال مواد مختلف یا مشابه به یکدیگر هستند. مواد چسبنده و درزگیر، مبتنی بر شیمی یکسانی بوده اما دارای عملکردهای متفاوتی هستند. مواد چسبنده برای متصل‌کردن مواد مختلف یا مشابه به یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ درحالی که درزگیرها یک مانع نشت‌ناپذیر و بسیار انعطاف‌پذیر در برابر عبور آب و هوا ایجاد می‌کنند. درزگیرها، فضای خالی بین اتصالات ساختمانی را پرکرده و نقش یک مانع را ایفا می‌کنند (درزگیر اتصال). تفاوت اصلی بین مواد چسبنده و درزگیر، در مدول کشسانی (الاستیسیته) آن‌ها است؛ یک درزگیر دارای مقاومت کمتری است. درزگیرهای معمولی، مبتنی بر الاستومرهایی قابل مقاوم‌سازی‌اند (curable) که دربرگیرنده‌ی یک ماده‌ی پرکننده هستند. البته قابلیت به‌ هم‌چسباندن یک ماده‌ی چسبنده می‌تواند نقش یک درزگیر را ایفا کند و یک ماده‌ی چسبنده می‌تواند همانند درزگیرهای معمولی به‌عنوان یک مانع عمل کند. در این میان مهم‌ترین دسته‌های ماده، سیلان‌ها، اورتان‌ها، اکریلیک‌ها و اپوکسی‌ها هستند. سخت‌شدن مواد چسبنده می‌تواند به‌صورت «فیزیکی» انجام گیرد (مانند چسب‌های مذاب داغ یا مبتنی بر حلال) و یا می‌تواند به‌صورت « مقاومسازی شیمیایی » اعمال گردد؛ که در آن، یک واکنش شیمیایی عامل سخت‌شدن ماده چسبنده است. مواد چسبنده و درزگیر می‌توانند دارای یک یا دو جزء سازنده باشند.
بر طبق اعلام انجمن سازندگان مواد چسبنده و درزگیر اروپا و انجمن‌های تجاری ملی آن‌ها (FEICA)، مواد چسبنده و درزگیر را می‌توان به‌صورت زیر دسته‌بندی نمود:

مواد چسبنده:
• مواد چسبنده‌ی مبتنی بر پلیمرهای طبیعی
• مواد چسبنده با پخش‌شدگی یا تعلیق پلیمر
• مواد چسبنده‌ی مذاب داغ
• مواد چسبنده‌ی مبتنی بر حلال
• سیستم‌های چسبنده‌ی واکنش‌پذیر
• مواد چسبنده‌ی مبتنی بر سیستم‌های محلول در آب
• سایر

محصولات درزگیر:
• آب‌بندهای مبتنی بر نفت
• اکریلیک‌ها (مبتنی بر آب و حلال)
• آب‌بندهای پلی‌وینیل استات
• بوتیل‌ها
• پلی‌سولفیدها
• پلیاورتان‌ها
• سیلیکون‌ها
• پلیمرهای اصلاح‌شده با سیلان
• سایر

1.1.1. پرکننده‌ها
پرکننده‌ها موادی هستند که برای کاهش هزینه‌های فرمول‌بندی حجم مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا با استفاده از آن‌ها، هزینه‌ی مواد از طریق پایین‌آوردن میزان استفاده از ماده‌ی چسباننده‌ی گران‌قیمت، کاهش می‌یابد. پرکننده‌ها به شکل وسیعی در درزگیرها و همچنین در مواد چسبنده استفاده می‌شوند. مواد پرکننده‌ی مهم عبارتند از، کربنات‌کلسیم و سیلیس. امروزه کربنات‌کلسیم پرکاربردترین ماده‌ی پرکننده است.

2.1.1. اصلاح‌کننده رئولوژی
اصلاح کننده‌های رئولوژی متداول، به‌عنوان عواملی ضخیم‌کننده برای افزایش گرانروی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد به‌شکل گسترده‌ای در پوشش‌دهی و همچنین در مواد چسبنده و درزگیر به‌کار گرفته می‌شوند. گرچه پرکننده‌ها بر روی خصوصیات رئولوژیکال نیز تأثیرگذار هستند اما هنگام رفتن به مقیاس نانو، این ویژگی شدیدا نمود پیدا می‌کند. پرکننده‌های دارای کارایی بالا، اصلاح‌کننده‌های رئولوژی نیز نامیده می‌شوند. آن‌ها روی گرانروی، گرانروی تنشی (shear viscosity) و تیکسوتروپی1 (thixotropy) اثر گذاشته و همچنین به‌منظور تنظیم مدول کشسانی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

3.1.1. عامل‌های جفت‌کننده
عامل‌های جفت‌کننده به‌منظور مقیدکردن پرکننده‌های غیرآلی یا ماده‌ی تقویت‌کننده به ماتریس پلیمری در یک ماده‌ی کامپوزیتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. عامل‌های جفت‌کننده، ادغام (پخش‌شدگی) را بهبود بخشیده و استحکام ماتریس را افزایش می‌دهند. عامل‌های جفت‌کننده به‌عنوان افزودنی‌هایی به ترکیب مواد چسبنده و درزگیر اضافه می‌شوند.

2.1. شمای کلی
ترکیب مواد چسبنده و درزگیر مبتنی بر دسته‌ی بسیار وسیعی از مواد طبیعی و مصنوعی است. ایجاد اتصال بادوام و همچنین اتصالات بی‌درز بین تعداد زیادی از مواد مانند چوب، فلز، شیشه و سرامیک، فرآیند نسبتاً چالش‌برانگیزی است. بنیان مواد چسبنده و درزگیر، شیمی پلیمر با پرکننده‌ها و افزودنی‌های مشخص برای بهبود ویژگی‌های آن‌ها است. علاوه‌براین، فناوری‌های مقاوم‌سازی، فناوری‌های کاربردی مواد چسبنده و روش‌های جداسازی زیرلایه، نیز دارای اهمیت هستند.

شکل 1. رهاکردن تحت فرمان؛ نانوذرات ابرپارامغناطیسی‌ای که به‌خوبی پخش شده‌اند در یک میدان الکترومغناطیسی خارجی، نوسان می‌کنند. اتلاف انرژی در اثر اصطکاک، موجب تولید حرادرج موارد انتخاب شدهرت می‌گردد.


درحالی‌که فرمول‌بندی‌های سنتی مبتنی بر شیمی پلیمر هستند ( به‌عنوان مثال رزین مصنوعی و الاستومرهای لاستیکی)، توجه به روش‌های مبتنی بر فناوری نانو در حوزه‌ی مواد چسبنده و درزگیر در حال افزایش است.
برای دوره‌ای طولانی، از پرکننده‌ها برای کاهش قیمت محصول از طریق افزودن مقدار قابل‌قبولی از یک مادهی ارزان‌قیمت، استفاده شده است. امروزه این وضعیت شکلی متفاوت به خود گرفته‌است و پرکننده‌ها در حال تأثیرگذاری بر روی خصوصیات رئولوژیکال هستند. دلیل این امر را می‌توان در روش‌های تولید ارتقایافته‌ای پیداکرد که، ساخت ذرات کوچک‌تر با توزیع اندازه‌ی دقیق و پوشش‌های شیمیایی مختلف را ممکن ساخته‌اند. امروزه پرکننده‌های نانومقیاس یکنواخت با شیمی سطحی اصلاح‌شده، در بازار موجود هستند. این پرکننده‌ها امکان کنترل رئولوژیکال صحیح را فراهم آورده و ویژگی‌های مکانیکی را ارتقا می‌دهند.
اساسا هر ماده‌ی معدنی طبیعی، می‌تواند به‌عنوان یک ماده‌ی پرکننده مورد استفاده قرار گیرد. گروه‌های محصولات مهم عبارتند از کاغذ، پلاستیک، لاستیک، رنگ‌ها، مواد چسبنده و درزگیرها. مواد پرکننده‌ی مهم عبارتند از کربنات‌کلسیم خاکی، کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده، دوده، کائولینیت و فلدسپار. اهمیت سیلیس یا سیلیس دوداندود نیز، برای بسیاری از کاربردهای مختلف، در حال افزایش است. گاهی اوقات از این ماده تحت عنوان «دودهی سفید» یاد می‌شود زیرا می‌توان آن را جایگزین پرکننده‌های دوده در محصولات لاستیکی نموده و به این شکل، مقاومت ماده را بهبود بخشید.
پرکننده‌های اصلی در خصوص مواد چسبنده و درزگیر عبارتند از، کربنات‌کلسیم خاکی، کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده و سیلیس دوداندود. دو پرکننده‌‌ی آخر از جنبه‌ی فناوری نانو دارای اهمیت هستند و می‌توان آن‌ها را با یک اندازه‌ی ذره کنترل‌شده در مقیاس نانو تولید کرد.
مواد چسبنده‌ی هوشمندی که دارای قابلیت «رهاکردن تحت فرمان» هستند نیز به شکل وسیعی در حوزه‌ی فناوری نانو مورد بررسی قرار می‌گیرند. نانوذرات مگنتیتی که به ترکیب مواد چسبنده اضافه شده‌اند می‌توانند قابلیت رهاکردن با فشار یک دکمه را به ماده‌ی چسبنده بدهند. در آینده رهاکردن انتخابی اجزا دارای اهمیت فزاینده‌ای خواهد بود، به‌ویژه در خصوص بازیافت مواد که خود، یک چالش بحرانی برای یک توسعه‌ی پایدار است. در حالت کلی، استفاده از مواد دوست‌دار محیط مانند پلیمرهای زیستی در تحقیق و توسعه در آینده بسیار متداول خواهد بود. از این نقطه‌نظر، رؤیای مواد چسبندهی دارای قابلیت کلیدزنی، که از فناوری‌های مقاوم‌سازی هوشمند بهره می‌گیرند نیز، ممکن است به واقعیت بپیوندد. اتصالات قابل کلیدزنی واقعی، در طبیعت یافت می‌شوند. پاهای مارمولک‌های خانگی تقریبا به هر سطحی می‌چسبد. «پرزهای» روی پنجه‌های یک مارمولک با به‌رهگیری از برهم کنش‌های واندروالسی، یک اتصال کاملاً بازگشت‌پذیر ایجاد می‌کنند. یک پای مارمولک مصنوعی می‌تواند به ساخت نسل جدیدی از محصولات چسبنده منجر گردد.

3.1. روش‌شناسی
این گزارش از طریق تحقیقات و مشاوره‌ی تخصصی تدوین گردیده است.

2. جنبه‌های علمی و فناورانه
1.2. وضعیت تحقیق و توسعه (R&D)
یک نگرانی اصلی در خصوص ساختمان‌سازی ماندگار، توسعه‌ی مواد چسبنده و درزگیر سبز با ویژگی‌های دوستدار محیط است. در این حوزه، در سال‌های اخیر حذف حلال‌های آلی و کاهش ترکیبات آلی فرار (VOC) به شکل گسترده‌ای مورد بررسی قرار گرفته‌اند. اگرچه مواد چسبندهی مبتنی بر آب در دهه‌ی 1980 عرضه شدند اما، هنوز تعدادی از مواد چسبندهی مبتنی بر حلال وجود دارند که نمی‌توانند با همتاهای دوستدار محیط خود جایگزین شوند.
استفاده از پلیمرهای زیستی ساخته‌شده از فرآیندهای میکروبی می‌تواند به‌صورتی انقلابی، مواد و چسب‌های ساختمانی را در آینده دچار تحول کند. مواد چسبندهی مبتنی بر چسب‌های طبیعی مانند نشاسته نیز به‌صورت گسترده مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته‌اند.
یک اصل کلیدی در تحقیقات کنونی، دوام اتصالات بی‌درز و اجزای به‌ هم‌چسبیده است. قابلیت هواخوری (عدم فرسایش در هوا) به‌ویژه هنگامی که مواد چسبنده و درزگیر در فضای آزاد مورد استفاده قرار می‌گیرند یک مسئله‌ی بحرانی است؛ با بهینه‌سازی ترکیب شیمیایی می‌توان این قابلیت را تقویت نمود. تأثیر بکارگیری مواد چسباننده، پلاستیکایزرها، پایدارسازها و پرکننده‌های مختلف بر روی رفتار هواخوری درزگیرها مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در اینجا رفتار ترک‌خوردگی سطح درزگیر یک مسئله‌ی مهم است. انتظار می‌رود در آینده‌ی نزدیک، درزگیرهای بسیار کارآمد با بهره‌گیری از مواد اولیه‌ی گران قیمت‌تر جایگزین درزگیرهای استاندارد کنونی شوند. در این حوزه، افزایش عمر سرویس‌دهی مورد نظر است. دوام درزگیرهایی که در شرایط دینامیک (متحرک) به‌کار گرفته می‌شوند شدیدا به مدول وابسته است. برخی از کاربردهای درزگیرها در اتصالاتی با تحرک بالا عبارتند از دیوارهای حاجب، اتصالات کف بزرگراه، سطوح پارکینگ و پل‌ها. مدول کمتر، به افزایش دوام منجر خواهد شد. در این زمینه، یکی از مباحث مهم، کافی‌بودن چسبیدگی زیرلایه‌ی درزگیر است. نشان داده شده است که با افزودن مواد شیمیایی مناسب می‌توان بدون کاستن چسبیدگی زیرلایه، مدول را کاهش داد.
یک حوزه‌ی تحقیقاتی اصلی را می‌توان در شیمی پلیمری سنتی یافت، جایی که پلی‌اورتان‌ها و سیلان‌ها نقشی عمده ایفا می‌کنند. علاوه‌براین، فرآیندهای مقاوم‌سازی سریع، دارای طرفداران زیادی هستند. روش‌های سنتی از گرمادهی یا تابش UV استفاده می‌کنند. یک فرآیند مقاوم‌سازی فوق‌سریع با بهره‌گیری از فناوری‌های لیزر یا مایکروویو قابل دستیابی است. این فناوری‌‌ها که مقاوم‌سازی هوشمند نامیده می‌شوند، می‌توانند از نانومواد نیز بهره بگیرند. نانوذرات ابرپارامغناطیسی مانند مگنتیت ( (Fe3O4 می‌توانند در ترکیب مواد چسبنده پخش شوند. در گام دوم، یک میدان الکترومغناطیسی خارجی یا مایکروویوها می‌توانند برای عرضه‌ی انرژی به‌کار گرفته شوند. نانوذرات وادار به نوسان می‌گردند و از این طریق، به‌ واسطه‌ی اتلاف انرژی به‌ وسیله‌ی اصطکاک، انتقال حرارت به ماتریس محیطی انجام می‌پذیرد. همچنین این روش را می‌توان با یک برانگیختگی به‌وسیله‌ی میدان‌های الکتریکی منفرد در ترکیب با نانوذرات پیزوالکتریک و یا میدان‌های مغناطیسی در ترکیب با ذرات فرومغناطیس جایگزین کرد. با گسترش بیشتر، این شیوه می‌تواند به ایجاد قابلیت رهاکردن تحت فرمان نیز منجر گردد.
ایده‌ی یک چسبندگی قابل کلیدزنی را می‌توان از طریق انتخاب مواد مناسب و روش‌های پیچیده نیز دنبال کرد. یک چسبندگی قابل‌کلیدزنی و بازگشت‌پذیر واقعی، در طبیعت یافت می‌شود: مارمولک‌های خانگی و حشرات می‌توانند از دیوارها بالا رفته و حتی روی سقف راه بروند. با این وجود، هم‌اکنون چنین محصول چسبنده‌ای در بازار وجود ندارد. یک چالش دیگر برای تحقیق و توسعه در آینده، قابلیت ترشدگی سطوحی با انرژی پایین است.
تأثیر اصلی فناوری نانو روی مواد چسبنده و درزگیر را می‌توان در مواد پرکننده‌ی نانومقیاس مشاهده کرد. پرکننده‌های معمولی برای کاستن قیمت محصول استفاده می‌شوند و اثری روی خصوصیات رئولوژیکال ندارند. در مقابل، پرکننده‌های نانومقیاس، کنترل رئولوژیکال را ممکن ساخته و ویژگی‌های مکانیکی را ارتقا می‌دهند، به‌عنوان مثال این پرکننده‌ها به‌عنوان تقویت‌کننده‌ی مکانیکی عمل می‌کنند. مهم‌ترین مواد پرکننده، کربنات‌کلسیم و سیلیس هستند. به همین دلیل در ادامه به‌طور جداگانه به آن‌ها پرداخته می‌شود. هر دوی این نانومواد هم‌اکنون به‌صورت تجاری در دسترس هستند. همچنین کاربرد دی‌اکسید تیتانیوم به‌عنوان یک ماده‌ی پرکننده در مواد چسبنده و درزگیر، در دست مطالعه است. این ماده می‌تواند به‌عنوان یک عامل ضخیم‌کننده نیز عمل نماید. با این وجود، از این ماده در قیاس با کربنات‌کلسیم و سیلیس، به میزان کمتری استفاده شده است. از این رو در اینجا، به‌‌طور جداگانه درباره‌ی آن بحث نشده است.
برای اینکه بتوان کاربردهای مرتبط با فناوری نانو را به‌صورت مقایسه‌ای ارزشیابی نمود، «ترازهای آمادگی فناوری» (TRL) برای ارزشیابی‌های علمی و فناورانه در درون گزارش‌های ObservatoryNANO به‌شرح زیر تعریف شده‌اند:

TRL 1: «تحقیقات پایه‌ای»
TRL 2: «تحقیقات کاربردی»
TRL 3: «نمونه‌ی اولیه/ ابزار آزمایشگاهی»
TRL 4: «ورود به بازار»
TRL 5: «بلوغ بازار» (بازارهای انبوه یا جا افتاده در بازار)
این ترازها برای دسته‌بندی کاربردهای خاص برحسب آمادگی فناوری آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1.1.2. سیلیس دوداندود (TRL 2-5)
سیلیس دوداندود یک پودر سفیدرنگ دانه‌ریز، از جنس دی‌اکسید سیلیکون غیربلوری است. در صنایع غذایی و لوازم آرایشی به‌طور گسترده از این ماده به‌عنوان یک عامل ضخیم‌کننده بهره گرفته می‌شود. همچنین سیلیس دوداندود به‌عنوان پرکننده در پوشش‌ها، پلاستیک‌ها، مواد چسبنده و درزگیرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیلیس دوداندود اغلب با دود سیلیس که یک محصول فرعی صنعتی در تولید سیلیکون است ادغام می‌گردد. دود سیلیس یا میکروسیلیکا در سیمان‌ها مورد استفاده قرار گرفته و نقش یک پوزولان (pozzolan) که از واکنش سیمان‌گونه حمایت می‌کند را ایفا می‌نماید. سیلیس دوداندود بسیار ریزتر از دود سیلیس است، اگرچه از لحاظ شیمیایی بسیار شبیه به آن است2.

تبدیل تتراکلراید سیلیکون گازی به SiO2 در یک فرآیند هیدرولیز شعله، سیلیس دوداندود تولید می‌کند:



از سیلیس دوداندود گاهی اوقات تحت عنوان سیلیس گرمازا نیز یاد می‌شود. یک روش دیگر برای تولید سیلیس گرمازا، استفاده از یک قوس الکتریکی است. سیلیس دوداندود دارای مساحت سطح ویژه‌ای بین m2/g 90 تا m2/g 600 است. فرآیند هیدرولیز شعله، تولید ذرات سیلیس همگن با توزیع اندازه‌ی دقیق و مساحت سطح ویژه‌ی قابل‌تنظیم را ممکن می‌سازد. اگرچه اندازه‌ی ذره در اصل حدود چند 10 نانومتر است اما معمولا توده‌هایی با اندازه‌ی بزرگتر نیز تشکیل می‌شوند. گونه‌های اولیه‌ی سیلیس دوداندود، آب‌دوست (Hydrophilic) هستند. با استفاده از سیلان‌ها یا سیلوکس آن‌ها و پوشاندن آن‌ها روی سطح ذره‌ی سیلیس دوداندود، می‌توان گونه‌های آبگریز (Hydrophobic) تولید نمود.
سیلیس دوداندود می‌تواند به پودرها اضافه شود تا آزادانه شارش‌یافته و از به‌ هم‌چسبیدن و تکه تکه‌شدن آن جلوگیری به‌عمل آید. در مایع‌ها، این ماده به‌عنوان عامل ضخیم‌کننده با ویژگی تیکسوتروپیک عمل می‌کند. یک مایع تیکسوتروپیک هنگام اعمال یک نیروی خارجی که به‌واسطه‌ی چرخش بر مایع وارد می‌شود دارای گرانروی کمتری خواهد بود و پس از حذف نیروی خارجی، به سرعت ته‌نشین می‌شود.
یک فرآیند تولید دیگر، بهره‌گیری از رسوب‌دهی است. سیلیس رسوب‌دهی‌شده شامل ذرات اولیه‌ی نانومقیاسی است که با توده‌شدن، به صورت خوشه‌های بزرگتری با اندازه‌ی چندین میکرومتر درمی‌آیند. بر خلاف سیلیس دوداندود، سیلیس رسوب‌دهی‌شده شامل ذرات متخلخل است. به‌عنوان مثال سیلیس رسوب‌دهی‌شده به‌عنوان ماده‌ی پرکننده در الاستومرها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.


شکل 2. تصاویری از درجه‌های مختلف کربنات‌کلسیم. (چپ) کربنات‌کلیسم (Wikipedia.org)؛ (راست) کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده‌ی نانویی، (شرکت، Shandong Haize Nano Material چین)

2.1.2. کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده (TRL 2-5)، (PPC)
کانی‌های کربنات پس از سیلیکات‌ها، دومین ماده‌ی معدنی فراوان در پوسته‌ی کره‌ی زمین هستند. به‌همین دلیل، به‌شکل وسیعی از آن‌ها، به‌عنوان یک ماده‌ی پرکننده ارزان‌قیمت استفاده می‌شود. کربنات‌کلسیم (CaCO3) متداول‌ترین کانی کربنات و در حال حاضر، پرکاربردترین ماده‌ی پرکننده است. این ماده در طبیعت در قالب سه پلیمورفیسم با نامهای کلسیت (calcite)، آراگونیت (aragonite) و واتریت (vaterite) یافت می‌شود. سنگ آهک، گچ و سنگ مرمر متداول‌ترین منابع طبیعی کلسیت روی کره‌ی زمین هستند. آن‌ها به آسانی خرد شده و با روش‌های آسیاب‌کردن، به یک پودر دانه‌ریز تبدیل می‌شوند. حاصل این فرآیند، کربنات‌کلسیم خاکی (GCC) نامیده می‌شود. این ماده به‌طور گسترده به‌عنوان ماده‌ی پرکننده مورد استفاده قرار می‌گیرد (به‌ویژه در صنعت کاغذسازی). حجم تولید جهانی کربنات‌کلسیم خاکی به‌صورت یکنواخت در حال رشد است. این میزان در سال 2008، 73 میلیون تن بوده است. این ماده در چند درجه‌ی مختلف که در اندازه‌ی ذره و خلوص (رنگ) شیمیایی با یکدیگر متفاوت هستند، عرضه می‌شود. GCC فوق‌ریز، دارای ذراتی با اندازه‌ی چند میکرومتر است. اگرچه توزیع اندازه‌ی ذرات، بسته به روش تولید مکانیکی، نسبتاً وسیع است. از این رو، GCC یک ماده‌ی پرکننده‌ی مناسب و مقرون به‌صرفه است اما قابلیت این ماده برای اصلاح خصوصیات رئولوژیکال، نسبتاً محدود است.
یک فرآیند دیگر برای تولید کربنات کلسیم که تولید ذراتی با توزیع اندازه‌ی دقیق‌‌تر را ممکن می‌سازد، تکنیک رسوب‌دهی یا روش باززغالش (recarbonisation) است. ماده‌ی پرکننده‌ی مصنوعی حاصله، کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده (PCC) نامیده می‌شود. در تولید هر دو ماده‌ی PCC و GCC از ماده‌ی خام یکسانی استفاده می‌شود. کنترل اندازه‌ی ذره بواسطه‌ی یک فرآیند رسوب‌‌دهی کنترل‌شده از هیدروکسیدکلسیم حاصل می‌شود. اندازه‌ی ذرات CaCO3 از طریق تنظیم زمان واکنش، دما و غلظت واکنش‌دهنده‌ها قابل تنظیم است. یک فرآیند تولید متداول، مبتنی بر تجزیه‌ی کربنات‌کلسیم (به‌عنوان مثال از سنگ آهک) در دماهای بالا در یک کوره است (فرآیند آهکی‌شدن):

CaCO3 → CaO + CO2
با افزودن آب، هیدروکسیدکلسیم (slaked lime) تشکیل می‌شود:

CaO + H2O → Ca(OH)2
با عبوردادن دی‌اکسیدکربن (باززغالش)، رسوب‌دهی رخ می‌دهد:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

ماده‌ی آبکی حاصله، در شکل جامد خود و یا پس از تبدیل به یک ماده‌ی جامد، قابل استفاده است. برای تبدیل به یک ماده‌ی جامد (حالت دوم)، ماده‌ی آبکی از صافی عبور داده شده و با روش‌های مکانیکی مانند سایش (grinding) یا آسیاب‌کردن، توده‌زدایی می‌گردد. روش تولید اولیه همانند روش تولید سیمان پورتلند معمولی است.
بسته به نوع مصرف، درجه‌های (گونه‌های) اصلاح‌شده و اصلاح‌نشده‌ای از PCC عرضه شده است. درجه‌های اصلاح‌شده معمولاً با اسیدهای‌چرب مانند اسیداستیریک (stearic) واکنش داده و برای استفاده در محیط‌های غیرآبی مناسب هستند. درجه‌های ریز و فوق‌ریز PCC گاهی اوقات کربنات‌کلسیم رسوب‌دهی‌شده‌ی نانویی (NPCC) نامیده می‌شوند. میانگین اندازه‌ی ذره در NPCC بین 60 تا 150 نانومتر است. درجه‌های ریز و فوق‌ریز PCC، در درزگیرها به‌عنوان مواد پرکننده‌ی پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرند تا خصوصیات رئولوژیکالی چون گرانروی، سستی (sagging) یا رکود (slump) را کنترل کنند. همچنین این ماده در پلاستیک‌‌ها، به‌عنوان مثال قاب‌های پنجره، برای افزایش چقرمگی، مقاومت در برابر ضربه و قابلیت هواخوری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

3.1.2. عامل‌های جفت کننده (TRL 1-5)
عامل‌های جفت‌‌کننده، ترکیبات شیمیایی واکنش‌پذیری هستند که ماده‌ی پرکننده را به ماتریس پلیمری محیطی، متصل می‌کنند. عامل‌های جفت‌کننده، استحکام کلی ماتریس را، افزایش داده و پخش‌شدگی ماده‌ی پرکننده را، بهبود می‌بخشند. عامل‌های جفت کننده‌ی معمولی مبتنی بر سیلان‌ها هستند. اخیرا نشان داده شده است که تیتانات‌ها و زیرکونات‌ها هم عامل‌های جفت‌کننده‌ی کارآمدی هستند. عامل‌های جفت‌کننده بسیار شبیه به «ارتقادهنده‌های چسبندگی» هستند. این ارتقادهنده‌ها برای بالابردن میزان چسبندگی سطوح به‌کار گرفته می‌شوند. ارتقادهنده‌های چسبندگی یا مستقیما به روی سطح اعمال شده و یا با ترکیب مواد چسبنده ادغام می‌گردند. ادغام بهتر ماده‌ی پرکننده (پخش‌شدگی) یک ویژگی مهم است، به‌ویژه در خصوص نانوموادی که تمایل دارند تا در قالب خوشه‌های بزرگ‌تر، توده شوند.

2.2. نیاز به تحقیقات بیشتر
یک مسئله‌ی اساسی در خصوص مواد چسبنده و درزگیر دارای کارایی بالا، دوام و قابلیت هواخوری آن‌ها در موارد استفاده در فضای آزاد است. در این حوزه، تنش‌های مکانیکی ناشی از نیروی باد، بارهای ثابت (ناشی از وزن سازه) یا انبساط حرارتی، موضوعی برای تحقیقات بیشتر هستند. علاوه‌‌براین، جنبه‌های ایمنی و امنیتی مانند زمین لرزه‌ها، آتش‌سوزی‌ها و انفجار بمب‌ها باید بررسی گردند. در این زمینه، نشان داده شده‌است که درزگیرهای پلیمر سیلیکونی ساختمانی دارای کارایی بالا، به‌شکل چشم‌گیری میزان حفاظت از سکنه‌ی ساختمان را افزایش می‌دهند.
قابلیت ترشدگی سطوح، یک موضوع مهم دیگر برای تحقیقات فناوری نانو در آینده است. این قابلیت، اثر چشم‌گیری بر روی دوام اجزای به‌ هم‌چسبیده و اتصالات بی‌درز دارد.
عموما اعتقاد بر این است که نانومواد به ساخت مواد چسبنده و درزگیر جدیدی با بهترین خصوصیات، منجر خواهند شد. این امر تنها از طریق دستیابی به یک پخش‌شدگی بهبودیافته از نانومواد، در ماتریس‌های پلیمری ممکن خواهد بود. این مسئله هنوز یک چالش اساسی برای تحقیق و توسعه در آینده است که تنها به بخش ساختمان محدود نمی‌شود. دستیابی به کنترل بهتر در «ادغام» نانوکامپوزیت‌ها، راه را به سوی کنترل بهتر روی مکانیک و رئولوژی هموار می‌کند. در این ارتباط، عامل‌های جفت‌کننده و ارتقادهنده‌های چسبندگی‌ای با خصوصیات بهبودیافته، دارای اهمیت فوق‌العاده زیادی هستند.

3.2. کاربردها و چشم‌اندازها
کاربردها در بخش ساختمان، حوزه‌هایی چون ساخت ساختمان، مهندسی عمران و لعاب‌دهی را در برمی‌گیرد. بخش ساختمان، دومین بازار بزرگ مواد چسبنده و درزگیر در اتحادیه اروپا است. کاربردهای بالقوه در حوزه‌‌ی ساختمان بسیار زیاد هستند. مواد چسبنده و درزگیر برای موکت‌کاری، کاشی‌کاری، بتن، ورقه‌های قفسه‌ها و کمدها، لایه زیرین کف، ورقه‌های دیوار کاذب، گرم‌سازی، تهویه، تهویه هوای مطبوع، سیمان‌های متصل‌شده، خانه‌های ازپیش‌ساخته، پانل‌های ازپیش‌پرداخت‌شده، کف کشسان، سقف‌سازی و پوشش‌دهی دیوار و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.
زمینه‌های کاربردی مهم در مهندسی عمران، آب‌بندی اتصالات برای کف خیابان‌ها و پل‌ها و بسیاری دیگر هستند.
مواد چسبنده و درزگیری که کارایی بالایی دارند برای لعاب‌دهی مورد استفاده قرار می‌گیرند. طی دهه‌های گذشته به دلیل تغییر در مصالح ساختمانی، سطح انتظارات شهرنشینان به‌میزان چشمگیری تغییر یافته است. برای ساخت نماهای خارجی تقریبا یکپارچه، فولاد و شیشه به‌صورت فزاینده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند. استفاده از دیوارهای حاجب، امکانات جدیدی برای معماران جهت طراحی ساختمان‌ها فراهم آورده است. لعاب‌دهی ساختمانی، یک شکل بسیار تطبیق‌پذیر از فرآیند ساخت دیوار حاجب است. در این مورد، شیشه به‌ وسیله‌ی مواد چسبندهی پلیمر سیلیکونی، به بدنه‌ی ساختمان، به عنوان مثال چهارچوب دیوار حاجب، متصل می‌شود. بارهای ایستا (به‌عنوان مثال نیروهای باد) از طریق درزگیرهای سیلیکونی ساختمانی، به بدنه‌ی ساختمان که در زیر قرارگرفته، منتقل می‌شوند.


شکل 3. لعاب‌دهی ساختمانی- قاب‌های شیشه‌ی پنجره به‌وسیله‌ی یک درزگیر پلیمر سیلیکون ساختمانی در جای خود ثابت شده‌اند. منبع: Tremco illbruck GmbH & Co.KG

به همین دلیل به این فرآیند، لعاب‌دهی سیلیکونی ساختمانی نیز گفته می شود و درزگیر مربوطه، تحت عنوان پلیمرِ سیلیکون ساختمانی (structural silicone) شناخته می‌گردد. پلیمر سیلیکون به‌دلیل برخورداری از قابلیت هواخوری و دوام چشمگیر، برای لعاب‌دهی ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، پلیمر سیلیکون ساختمانی، تحت تأثیر انبساط دمایی و نیروهای باد، دچار تنش برشی می شود. در چنین موقعیت هایی درزگیرهای کارآمدی با خصوصیات خستگی مشخص، موردنیاز هستند تا از کاهش کارایی یا شکست در طول عمر ساختمان، جلوگیری به عمل آید.

4.2. وضعیت فعلی در اتحادیه اروپا
مواد چسبنده و درزگیر به‌شکلی گسترده در بسیاری از بخش‌های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تقاضا برای این مواد همواره در حال رشد بوده است. مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان اصلی عبارتند از ایالات متحده، ژاپن، آلمان، ایتالیا، انگلستان و فرانسه. با این وجود منطقه‌ای که دارای بیشترین رشد بوده شرق دور به‌ویژه چین است.


شکل 4. تقسیم‌بندی بازار مواد چسبنده و درزگیر در درون اتحادیه اروپا، FEICA 2008 (انجمن
سازندگان مواد چسبنده و درزگیر اروپا و انجمن‌های تجاری ملی آن‌ها)

در سال 2008، تقاضا برای مواد چسبنده و درزگیر در درون اتحادیه اروپا 3/2میلیون تن بوده است.
تقاضای جهانی برای مواد پرکننده نیز به‌شکلی یکنواخت در حال افزایش است. در سال 2006، بیش از 50 میلیون تن از این مواد مصرف شده‌اند (25 میلیارد یورو) و هم‌اکنون، نرخ رشد سالانه‌ی میانگین حدود 3 درصد است. مواد پرکننده یکی از مهم‌ترین منابع در جهان هستند. بازارهای اصلی کنونی (آمریکای شمالی و اروپا) در حال انتقال به‌سوی آسیا، به‌ویژه چین و هند هستند.

منبع : http://edu.nano.ir/paper/535