نانو لوله كربنی (CNT)
نانو لوله کربنی (Carbon Nanotube) کانال‌های لوله توخالی هستند که به صورت یک دیواره (SWCNT) یا چند دیواره (MWCNT) تولید می‌شوند. نوع تک دیواره حاصل از رول شدن یک صفحه گرافیتی و نوع چند دیواره حاصل از رول شدن چند صفحه گرافیت است.
ویژگی نانو لوله کربنی
- نانو لوله‌ها مستحکم‌ترین الیافی هستند که شناسایی شده‌اند. ضزیب هدایت حرارتی و رسانایی الکتریکی استثنایی دارند و به شدت انعطاف پذیر هستند به طوری که قابلیت خم شدن به شکل دایره یا حتی گره خوردن را دارند.
- دانسیته کم و کارایی بهتر در طول بارگذاری فشاری از خواص دیگر نانو لوله‌هاست. به علت ویژگی منحصر به فرد فیزیکی و شیمیایی دارای جذابیت‌های صنعتی و علمی زیادی هستند.
- دارای وسعت کاربرد بالایی از محدودیت‌های محصولات روزمره زندگی تا کاربردهایی در مقیاس نانو در تولید نانو کامپوزیت‌ها هستند.
- نانو لوله‌های کربنی به علت نسبت هندسی بسیار بالا (نسبت طول به قطر) از حدود ۳۰ تا چند هزار، خواص مکانیکی بالایی را نشان می‌دهد و سبب تولید سیمان تقویت شده با الیاف‌هایی متداول، مانند الیاف کربن و الیاف شیشه، شده است.
- مهم‌ترین فاكتوری که كه باعث برگزیدن نانو لوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزیت) شده است، وزن كم آن است. در حالی که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفاده چنین مواد مركبی می‌توان به موارد زیر از قبیل بدنه هواپیما و هلیكوپتر، زه راكت‌های تنیس اشاره كرد.
انواع نانو لوله کربنی
نانو لوله کربنی تک جداره ( SWNT)
نانو لوله تک جداره به دلیل خواص الکتریکی جالب نوع بسیار مهمی از نانو لوله‌ها هستند که بدون شک با توجه به قطر کم آن، انتخاب مناسبی برای کوچک‌تر کردن اجزا و مینیاتوری کردن صنایع الکترونیک است.
نانو لوله کربنی چند جداره (MWNT)
نانو لوله کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختار ساده (ورقه‌ای از شش ضلعی‌های منظم) تشکیل شده است. هدایت الکتریکی بالا بستگی به هندسه دقیق اتم‌های کربن دارد. تولید نانو لوله تک جداره دارای هزینه بالایی است و تولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آنها در حین فراوری پلیمر- نانو لوله مشکل است. بر عکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانو لوله کربنی چند جداره باعث شده که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانو لوله کربنی چند جداره (جایگزین Carbon-black) در پودرهای رنگ استفاده شده است.
یکی از معایب نانو لوله چند جداره نسبت به تک جداره این است که استحکام‌دهی آنها کمتر است زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف هستند. اما از آنجا که در حال حاضر کاربرد نانو لوله‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌شود تا بهبود خواص مکانیکی، کاربرد نانولوله کربنی چند جداره بسیار زیاد است. از طرفی تکنیک‌های موجود نیز برای تولید نانولوله‌های تک جداره به اندازه کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت‌آور است و در نهایت ممکن است به ساختار نانولوله صدمه بزند.
نانو کامپوزیت‌های کربنی
نانو کامپوزیت‌های نانو لوله کربنی دارای استحکام بیشتری نسبت به کامپوزیت‌های موجود و کامپوزیت‌های مبتنی بر نانو ذرات هستند. از نظر تئوری کاربرد نانو لوله‌ها در کامپوزیت‌ها به دلیل استحکام کششی بالا مانع مصرف الیاف کربنی در کامپوزیت‌ها خواهد شد. خواص رسانایی یا حفاظت در برابر اشعه نانو لوله‌ها می‌تواند برای کامپوزیت‌ها ارزشمند باشد.
نانو لوله‌های کربنی به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت‌ها
نانو لوله‌ها یکی از مستحکم‌ترین مواد به شمار می‌روند. این موضوع، کاربرد نانو لوله‌های کربنی را به عنوان ماده‌ی پرکننده در تولید نانوکامپوزیت‌ها به خوبی روشن می‌سازد. مزیت اصلی استفاده از نانو لوله‌ها در کامپوزیت، افزایش سختی کامپوزیت در اثر جذب انرژی است که به دلیل رفتار الاستیک و انعطاف پذیر نانو لوله کربنی است. کامپوزیت‌های بر پایه نانو لوله‌ی کربنی دارای نسبت استحکام به وزن بالا هستند و مصارف گسترده‌ای را در صنعت خواهند داشت.
نانو کامپوزیت‌های بتن
با توجه به رشد روز افزون فناوری نانو در زمینه‌های مختلف از جمله صنعت ساختمان، نانو مواد جدیدی پا به عرصه‌ی ظهور گذاشته‌اند که از جمله‌ی آنها می‌توان به نانو کامپوزیت‌های بتن که در آنها موادی مانند نانو لوله کربنی استفاده شده، اشاره کرد. افزودن پلیمر به صورت پراکنده به سیمان، خواص مکانیکی بتن را به مقدار قابل توجهی در دراز مدت افزایش می‌دهد. به کار بردن نانو مواد در تولید سیمان و بتن می‌تواند منجر به بهبود ریز ساخت بناها شود زیرا مقاومت مکانیکی و عمر بتن وابسته به ساختار میکرو و انتقال جرم و پایداری وابسته به ساختار نانو است.
نانو لوله کربنی که اگر در ملات سیمان به مقدار صحیح استفاده شود، همانند میلگرد در بتن عمل کرده و مقاومت فشاری و خمشی بتن را افزایش می‌دهد. به علت انعطاف پذیری بالا، نانو لوله کربنی به عنوان جذب کننده‌ی شوک عمل کرده و مانع ویرانی ساختمان‌ها و سازه‌های بتنی می‌شود.
تفاوت نانو لوله کربنی (CNT) و نانو رشته کربنی (CNF) در بتن
استفاده از نانو لوله کربنی و رشته کربنی در کامپوزیت‌های پلیمری به صورت گسترده‌ای مطالعه شده ولی درباره استفاده آنها در بتن و سیمان، مطالعات محدودی انجام شده است. بیشتر تحقیقات انجام شده، بر روی مقایسه تاثیر CNTs و CNFs بر ملات سیمان متمرکز شده است. یکی از اشکالات اصلی این افزودنی‌ها، عدم توزیع یکنواخت آنها در مخلوط سیمان است و یک دلیل عمده این مسئله، آب گریزی بسیار بالای آنها و دلیل دیگر آن جاذبه درونی بالای این نانو مواد است.
یکی دیگر از مشکلات نانو لوله‌ها یا رشته ها عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است .یکی از روش‌های مطرح شده، اضافه کردن CNTs/CNFs به صمغ عربی و بعد، اضافه کردن آن به سیمان است. اضافه کردن SWCNTs وMWCNTs به بتن با استفاده از پیش پراکنش با صمغ عربی، سختی و مدول الاستیسته سیمان را افزایش می‌یابد در حالی که اضافه کردن آنها بدون استفاده از صمغ عربی باعث تضعیف مشخصات مکانیکی سیمان می‌شود.
کاربرد نانو لوله کربنی در بتن
- در مورد افزودن نانو لوله‌ها به هر ماده‌ای دو مشکل عمده وجود دارد یکی ایجاد اتصال میان نانو لوله‌ها با همدیگر و دیگری فقدان چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه ماده توده است. که از دلایل این مشکل، بر هم کنش‌های میان صفحات گرافیتی نانو لوله‌هاست.
- برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانو لوله‌ها درون شبکه ماده توده، باید نانو لوله‌ها را از یکدیگر جدا نمود. علاوه بر این به دلیل طبیعت گرافیتی نانو لوله‌ها و وجود خاصیت لغزندگی در آنها، امکان ایجاد چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه وجود ندارد.
- در صورت استفاده از صمغ عربی به منظور از پیش پراکنده سازی نانو لوله‌ها، مخصوصاً در صورت کاربرد نانو لوله تک جداره، ویژگی‌های مکانیکی بتن به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.
- برای تعیین مقادیر بهینه نانو لوله‌های مورد مصرف و نیز شاخص‌های مؤثر در پراکنده سازی نانو لوله‌ها در مخلوط، به تحقیقات بیشتری نیاز است.
- هزینه بالای افزودن نانو لوله کربنی به بتن، توجه به مزایای آن را تحت الشعاع قرار داده است، لذا فعالیت‌هایی در جهت کاهش قیمت نانو لوله‌ها در حال انجام است که در این صورت مزایای حاصل از افزودن آنها به مواد سیمان بیشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.
- وجود یک سری مختصات ویژه نانو لوله کربنی آنها را به انتخاب ایده‌آلی برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.
اثر نانو لوله کربنی بر کاهش ترک‌های بتن
- در واقع وجود نانو لوله کربنی مانند پل‌هایی روی حفرات و ترک‌های موجود در بسته کامپوزیت بتنی است که مانع رشد و گسترش آنها می‌شود.
- افزودن نانو لوله کربنی به بتن سبب افزایش قابل ملاحضه‌ای مقاومت فشاری و خمشی آن می‌شود به طوری که مقاومت فشاری کامپوزیت بتنی در حضور نانو لوله کربنی بیش از ۳۰ % و مقاومت خمشی آن بیش از ۱۳%، نسبت به نمونه فاقد نانو لوله کربنی است.
- اضافه کردن نانو لوله کربنی به صورت پراکنده به کامپوزیت بتنی، خلل و فرج کامپوزیت بتی را کاهش می‌دهد و باعث ایجاد کامپوزیت بتنی فشرده‌تر و پیوسته‌تر می‌شود.
- نانو لوله کربنی اصلاح شده در ماتریس نانو کامپوزیت بتنی، با ایجاد سطح تماس بیشتر و در نتیجه سطح انتقال نیروی بیشتر سبب پیوند بهتر نانو لوله با ماتریس بتنی می‌شود. و از پیشرفت نقص‌ها و شکاف‌های توده جلوگیری می‌کند.
- نانو لوله‌ها درون ماتریس بتن، روی حفره‌ها و ترک‌ها را همانند پل‌هایی می‌پوشانند و با انتقال نیرو از یک سوی این حفره‌ها و ترک‌ها به سوی دیگر آن از رشد آنها جلوگیری می‌کند. با این کار انتقال بار اطراف ترک‌ها و حفره‌ها بهبود می‌یابد و بتن نانو کامپوزیتی حاصل، دارای استحکام بسیار بالایی نسبت به نمونه بتن معمولی خواهد بود.
ساخت بتن مسلح مقاوم و سبک با نانو لوله کربنی چند جداره
هدف اصلی استفاده از نانو لوله‌های کربنی در بتن واگذاری نیروهای کششی به وجود آمده در بتن به نانو لوله‌هاست. تا بدین طریق نیروهای کششی به بتن وارد نشده و منجر به ترک خوردگی و در نهایت تخریب بتن نشود. بتن‌های معمولی مقاومت کمتری نسبت به بتن‌های مسلح با نانو لوله کربنی چند جداره دارند.
برای بالا بردن مقاومت بتن‌های معمولی از میلگردهای فولادی استفاده می‌شود. به بتن آرمه مسلح با میلگرد، مواد نگه دارنده و ضد یخ اضافه می‌شود که در اثر عوامل محیطی افزایش حجم پیدا کرده و سبب از هم پاشیدن بتن می‌شود. کلر موجود در ضد یخ با میلگرد واکنش نشان می‌دهد و سبب خوردگی و کاهش مقاومت بتن می‌شود. این بتن‌ها در بناهای چند طبقه باعث نشست ساختمان می‌شوند بنابراین استفاده از نانو لوله کربنی در ساختمان برای افزایش مقاومت در برابر زلزله است.
با توجه به مزایای این نوع بتن مسلح، از آن می‌توان در صنایع مختلف معدنی مثل دیواره‌های تونل‌ها برای افزایش استحکام و مقاومت فشاری و خمشی استفاده کرد.
