مواد عایق نانو

مقدمه
این خلاصه مروری دارد بر بازار عایق‌بندی ساختمان و اینکه فناوری نانو چگونه می‌تواند به این کار کمک کند. به کمک نانو مواد متخلخل، پوشش‌ها و پوشرنگهای (paints) حاوی این نانوذرات می‌توانند به ذخیره‌ی انرژی در جامعه کمک کرده و راحتی و سلامتی را در داخل ساختمان‌ها به ارمغان آورند.
بخش ساختمان‌سازی، بزرگترین مصرف‌کننده‌ی (۴۰%) انرژی است و اصلی‌ترین سهم را در انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) با میزان بیش از ۳۶% در اتحادیه‌ی اروپا دارد. در حدود ۸۰% از مصرف انرژی مربوط به ساختمان و انتشار گاز‌های گلخانه‌ای مرتبط با انرژی است که در داخل ساختمان و در طی عمر عمر ساختمان از آن استفاده می‌شود، در حالی که فقط ۲۰% انرژی برای تولید و انتقال مواد در ساختمان به کار می‌رود. تفکیک مصرف انرژی در ساختمان نشان می‌دهد که گرمایش و تهویه‌ی هوا (HVAC) تقریباً ۳۶% سهم دارند. در نتیجه، تهویه‌ی هوا حدود ۱۰% از مصرف انرژی اتحادیه‌ی اروپا و انتشار گازهای گلخانه‌ای را شامل می‌شود.
ساختمان‌ها عموماً طول عمر طولانی با میانگین عمر بیشتر از ۶۰ سال دارند. این موضوع باعث می‌شود که بهبود بازده انرژی تمام ساختمان‌های اروپا، فقط از طریق عایق‌بندی مناسب و فناوری‌های مدیریت گرما برای همه ی ساختمان‌ها مشکل باشد. برای داشتن تاثیر اساسی در زمان کوتاه‌تر (۱۰ تا ۲۰ سال)، ساختمان‌های موجود باید از نظر عملکرد گرمایی به روز شوند.

فناوری نانو ارزش افزوده ایجاد می‌کند
بیشتر عایق‌های ساختمانی که اخیراً استفاده می‌شوند، پنل‌های نسبتاً ضخیم یا فوم‌های ساخته شده از مواد متخلخل آلی و معدنی مثل فایبرگلاس، الیاف معدنی، پلی‌یورتان و پلی‌استایرن هستند. عایق‌های جدید‌تر شامل پنل‌های عایق خلأ (VIPs) و هواژل‌ها هستند که بهترین عملکرد در زمینه‌ی عایق‌های ساختمانی با عملکرد عایقی بسیار بالا را دارند، اما محدودیت‌هایی از جمله قیمت بالا را دارا هستند.

گرمانگار ساختمان، با یک ساختمان سنتی در زمینه ـ مرجع: موسسه‌ی Passivhaus

برای عایق کردن ساختمان با استانداردهای بالا با استفاده از مواد مرسوم عایق‌بندی، لایه‌های ضخیمی از این مواد نیاز است. برای مثال، یک خانه که مطابق با استاندارد Passivhaus ساخته شده است، مجهز به تجهیزاتی است که کل مصرف انرژی آن را کمتر از ۱۲۰ kWh/M2/yr می کند. برای این منظور به عایق‌های معمولی با ضخامت بیش از ۳۰ سانتی‌متر برای دیوارها و ۵۰ سانتی‌متر برای سقف، و نیز شیشه‌های سه جداره با هوا و چارچوب‌های خاص برای پنجره‌ها نیاز خواهد داشت.
این راه‌حل‌های عایق‌بندی ممکن است برای ساختمان‌های جدید نسبتاً عملی باشند، ولی در مورد ساختمان‌های موجود جنبه‌هایی مثل اصلاح نمای خارجی و کاهش متراژ داخلی امکان پذیری آنها را محدود می‌کند. نظر به اینکه ۸۰% از ساختمان‌های اروپا در آینده (۲۰۳۰) از قبل وجود داشته و اینکه ۳۰% از ساختمان‌های موجود امروزی ساختمان‌های تاریخی هستند، نیاز به راه‌حل‌هایی جدید به خصوص برای ساختمان‌های موجود، احساس می‌شود.
فناوری نانو قادر است مواد عایق جدیدی با عملکرد عایقی خاص تولید کند که با این مواد می‌توان به نتایجی معادل با محصولات سنتی و با ضخامت کمتر رسید، همین موضوع باعث شده است برای به روز کردن ساختمان‌ها بسیار مورد توجه قرار گیرد؛ مثال‌هایی از این نانومواد شامل هواژل‌ها، نانوفوم‌ها و پوشش‌های پنجره‌ها (window coating) است. اما قیمت بالای این مواد پذیرفتن آنها را محدود کرده است.

فناوری نانو چگونه در این زمینه کمک می‌کند؟
به عنوان یک قانون کلی مواد متراکم تر عملکرد عایقی ضعیف‌تری از خود نشان می‌دهند؛ در مواد متخلخل با اندازه‌ی حفرات بزرگتر نیز انتقال گرما بیشتر و عایق‌بندی ضعیف‌تر است. مواد متخلخل در مقیاس نانو مانند هواژل‌ها نسبت به جامدهای دیگر دانسیته‌ی کمتری دارند، به علاوه به دلیل اندازه‌ی حفرات در اندازه‌ی نانو به عنوان عایق، عالی عمل می‌کنند.
مواد عایق دیگری که از فناوری نانو در آنها استفاده می‌شود شامل پوشش‌ها و پوشرنگها (paints) هستند. این مواد در کاهش انرژی تابشی که مربوط به انتقال گرما است موثر هستند. هر ماده‌ای انرژی تابشی را منتشر ، جذب و منعکس می‌کند؛ مواد با انتشار کم، موادی هستند که میزان کمی از انرژی تابشی را انتشار می‌دهند.
شیشه‌های با انتشار کم معمولاً ولی نه همیشه یک پوشش بسیار نازک از فلزات دارند که تابش گرمای را بازتاب می‌دهند یا انتشار آن را کم می‌کنند، با این کار انتقال گرما از شیشه کاهش می‌یابد. در زمستان، تابش گرمایی که در داخل تولید می‌شود، دوباره به داخل منعکس می‌شود، در حالی که در تابستان، تابش گرمای فروسرخخورشید به بیرون منعکس می‌شود و داخل خنک می‌ماند. دو روش برای تولید شیشه‌های پوشش داده شده با انتشار کم وجود دارد؛ پوشش سخت شامل استفاده از روش رسوب‌دهی بخار شیمیایی در فشار اتمسفر (APCVD)، و پوشش نرم شامل روش رسوب‌دهی خلأ کاتدپرانی مغناطیسی(MSVD). یک شیشه‌ی پوشش داده شده با روش MSVD عملکرد بهتری نسبت به شیشه‌ی پوشش داده شده با روش APCVD دارد؛ با این وجود روش دوم با دوام‌تر است.

فیلم‌های پنجره‌ای (window films) هم گزینه‌ی مناسب دیگری است که انتقال گرما به پنجره را کاهش می‌دهند. این فیلم‌ها در مقایسه با پوشش‌ها مزایایی دارند، مثلاً آن‌ها می‌توانند طول موج خاصی از نور را بدون کاهش شفافیت شیشه بازتاب دهند. این فیلم‌ها از بیش از ۲۰۰ نانومترضخامت و از پلیمرهایی ساخته شده‌اند که می‌توانند به عنوان ***** فرابنفش (UV) و فروسرخ(IR) عمل کنند. مزیت‌های اصلی این فیلم‌ها عبارتند از: توانایی آنها برای ***** کردن نور UV و IR در حالی که نور مرئی می‌تواند عبور کند؛ عدم حضور فلزات که می‌توانند منجر به خوردگی شوند؛ و اینکه آن‌ها می‌توانند در ساختمان‌های موجود نصب شوند. به علاوه، انرژی صرف شده در فیلم‌های پنجره‌ای اساساً کمتر از پنجره‌های جدید با انتشار کم است، که به این معنی است که تعادل CO2 از اضافه کردن فیلم‌های پنجره‌ای به پنجره‌های موجود اساساً بهتر از این است که با پنجره‌های موجود با انتشار کم جایگزین شوند.

اثرات

اقتصادی / صنعتی
در حال حاضر فناوری نانو ارزش تجاری بسیار کمی در عایق‌بندی ساختمان‌ها دارد. محصولات نانویی که تجاری شده‌اند ارزش بالا و هزینه‌ی بالا دارند، این محصولات مثل هواژل‌‌ها می‌توانند در تعداد کمی از ساختمان‌ها نصب شوند. با این وجود، این بخش در حال رشد است؛ بازار جهانی برای هواژل‌ها در سال ۲۰۰۸، ۸۲٫۹ میلیون دلار بوده است و انتظار می‌رود که تا سال ۲۰۱۳ با نرخ رشد سالیانه ۵۴٫۸% به ۶۴۶٫۳ میلیون دلار برسد. انتظار می‌رود که بازار به سمت کاربرد عایق‌های صوتی و گرمایی پیش رود. امروزه، بزرگترین بازار برای این مواد عایق نانویی خارج از صنعت ساختمان‌سازی است: در عایق‌بندی لوله‌های نفت و گاز مدفون در اعماق دریا؛ در تجهیزات پزشکی و در صنایع فضایی. تولیدکنندگان اصلی هواژل‌ها شرکت Aspen Aerogel (USA) و Cabot (USA) می‌باشند.
این موضوع برای پوشش‌های پنجره‌ی نانویی صادق نمی‌باشد، این پوشش‌ها در حال نفوذ به بازار هستند، به خصوص بازار شیشه‌های تخت و بازار فیلم‌های پنجره‌ای. بیشتر تولید‌کنندگان (Asahi, Pilkington, St Gobain) شیشه‌های تخت بزرگ در جهان شیشه‌های موظف متنوعی تولید می‌کنند، این شیشه‌ها شامل (اغلب ضخامت در حد نانو دارند) پوشش‌های فلزی و یا اکسیدهای فلزی هستند؛ اما برخی از این شرکت‌ها (به تنهایی یا با همکاری با کارشناسان پوشش شرکت‌هایی مثل Beneq (FI)، Ferro (USA) یا Arkema (FR)) در حال ایجاد پوشش‌های با فناوری نانو پیچیده‌تر هستند که عملکرد مناسب‌تری دارند و دامنه‌ی وسیع‌تری از پوشرنگها را شامل می‌شوند. امروزه پوشش‌های با انتشار کم برای شیشه‌های تخت برای همه‌ی جهان بازاری ۱ بیلیون دلاری دارد، با توجه به تقاضاها تخمین زده می‌شود که تا سال ۲۰۱۵ به ۳۶۰ میلیون متر مربع هم برسد.
علاوه بر این، باید توجه شود که بازار فیلم پنجره‌ای در دست شرکت‌هایی مثل Global Window Films (USA)، ۳M (USA)، Bekaert (BE) یا Hanita Coatings (ISR) می‌باشد. امروزه ارزش کل حدود ۵۰۰ میلیون یورو تخمین زده می‌شود، که بخشی از آن شیشه‌های ساختمانی است (بازار مهم دیگر شیشه‌های خودرویی می‌باشد) که بخش کوچکی از آن مربوط به تولیدات نانویی می‌باشد. عملکرد اصلی که توسط فناوری نانو ارائه می‌شود این است که بدون مانع ایجاد کردن در برابر نور، گرما بازتاب داده می‌شود، و یا قابلیت داشتن هر رنگ برای پنجره‌ها با لایه‌های پوششی نانویی ایجاد می‌شود.
باید اشاره کرد که انتظار می‌رود تقاضای جهانی برای مواد عایق با گسترش ۳٫۸% به ۲۹ بیلیون یورو در سال ۲۰۱۲ برسد.

پتقاضای سالیانه‌ی جهانی شیشه‌های تخت با رشد ۴% تا سال ۲۰۱۲ به ۷۳ بیلیون دلار برسد. به خصوص، انتظار می‌رود که شیشه‌های ساختمانی با نرخ سالیانه ۸% رشد یابند. هدف این است که شیشه‌های تخت برای ساختمان به ۶۵% تقاضای سالیانه برسد، در حالی که بخش مربوط به خودرو ۲۵% بازار را شامل می‌شود، و ۱۰% باقیمانده متعلق به کاربردهای ویژه مثل وسایل خانه و آینه‌ها است.
تقاضا و تولید جهانی در چند کشور و چند شرکت تمرکز دارد، که در شکل زیر نشان داده شده است؛ شرکت‌های Saint-Gobain، Pilkington و Asahi نزدیک به نیمی از بازار جهانی را به خود اختصاص داده‌اند.

تقاضای جهانی برای شیشه‌های تخت (بر حسب تن)

ظرفیت تولید جهانی شیشه‌های تخت

برای پذیرفتن فناوری نانو، تولیدکنندگان مواد عایق مثل فوم‌ها و پنل‌ها ناگزیرند به طور کامل از ماشین‌آلات و مهارت‌های جدید استفاده کنند. برای تولیدکنندگان پنجره نیاز است که ماشین‌آلات جدیدی برای خطوط تولید فعلیشان اضافه کنند. هر دو گروه تولیدکنندگان اذعان دارند که کارگران هم باید در این زمینه‌ی جدید مهارت کسب کنند، و مقرارت کنترلی و ایمنی نیز باید تکمیل شوند.

میزان آمادگی فناوری
مواد مختلفی که می‌توان فناوری نانو را در آن‌ها به کاربرد در سطوح مختلف توسعه در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

تأثیر اجتماعی بر شهروندان اروپایی
به واسطه‌ی تولید محصولات عایق نانویی، شهروندان اروپایی می‌توانند کاهش در مصرف انرژی خانه‌هایشان را تجربه کنند، به خصوص در خانه‌هایی که به دلایل زیبایی یا از دست دادن فضا نمی‌توانند خانه‌هایشان را عایق‌بندی کنند. کارشناسان ادعا می‌کنند که برای خانه‌های موجود، مصرف انرژی از مقدار کنونی (۳۰۰kWh/m2) به مقدار ۵۰ kWh/m2 در سال کاهش می‌یابد. این کاهش زمانی اهمیت بیش‌تر می‌یابد که انتظار می‌رود قیمت سوخت به طور چشم‌گیری در سال‌های آتی افزایش یابد. زمانی که از این مواد استفاده می‌شود، ساکنان‌ خانه‌ها از یک محیط داخلی بهتر لذت می‌برند، اگرچه تهویه لازم است ولی اختلاف دما تقریباً حذف می‌شود. به علاوه، سرمایه‌گذاری نسبتاً بالایی که برای عایق کردن ساختمان مطابق با استاندارد‌ها هزینه می‌شود با هزینه‌ی مصرف انرژی جبران می‌شود.
در سطح اجتماعی، تأثیر اصلی راه‌حل‌ها برای عایق‌بندی نانویی کاهش انتشار گاز‌ها گلخانه‌ای از طریق کاهش مصرف انرژی‌ مربوط به دستگاه‌های تهویه‌ی هوا توسط ساختمان‌های موجود است.

چالش‌ها
هواژل‌هایی که امروزه در بازار در دسترس هستند بیشتر هواژل‌های معدنی می‌باشند؛ رایج‌ترین آن‌ها از سیلیکا ساخته می‌شوند. محدودیت‌های این هواژل‌ها شکنندگی آن‌ها، مقاومت به رطوبت کم و فرایند‌ تولید گران است. به دلیل این محدودیت‌ها، پیشرفت‌هایی در زمینه‌ی هواژل‌ها صورت گرفته و تولیدکنندگان به سوی فرایند‌های جدید برای تولید پیش می‌روند. هواژل‌های آلی شکنندگی کمتری دارند، خواص مکانیکی بهتری دارند، حتی در مقایسه با مشابه‌های معدنیشان سبک‌تر بوده و به عنوان عایق گرمایی بهتری عمل می‌کنند؛ اما توسعه‌ی این مواد در مراحل اولیه است. هواژل‌های هیبریدی مواد هیبریدی آلی ـ معدنی هستند که مشخصه‌های بهتری در مقایسه با هواژل‌های معدنی ایجاد می‌کنند. وابسته به ترکیب مواد، هواژل‌های هیبریدی می‌توانند تا ۱۰۰ برابر در مقابل تنش‌های مکانیکی مقاوم باشند، می‌توانند در برابر رطوبت بی‌اثر و در برابر تابش‌های گرمایی به عنوان یک مانع موثر عمل کنند. چالش پیش رو در این زمینه یافتن راه‌هایی است که بتوان با هزینه‌ی کم و حجم بالای تولید، هواژل‌های هیبریدی و آلی تولید کرد.
فرایند‌ تولید هواژل‌ها شامل دو مرحله‌ی اصلی است: ساخت یک ژل که حلال در آن نفوذ کرده و حذف حلال با یک فرایند خشک کردن خاص. امروزه رایج‌ترین فرایند برای خشک کردن، خشک کردن فوق بحرانی است که یک روش گران (و با انرژی زیاد) برای ساخت می‌باشد. در این رابطه، چالش پیش رو فرایند خشک کردن زیر نقطه‌ی بحرانی برای تولید انبوه است؛ این یک فرایند اقتصادی خشک کردن است که در فشار اتمسفری و دماهای نسبتاً کم می‌توان به آن دست یافت.
چالش اصلی برای پوشش‌ها ایجاد پوشش‌های شیشه مقاوم‌تر با روش رسوب‌دهی خلأ کاتدپرانی مغناطیسی (MSVD) است. پیشرفت‌هایی در این زمینه بدست آمده است، اما پوشش‌های APCVD هنوز هم مقاوم‌ترین پوشش‌ها می‌باشند. یک چالش هم برای پوشش‌های سرد و هم پوشش‌های نرم، بهبود مقاومت به خوردگی است، به دلیل این که در ترکیبشان فلز‌ات هم حضور دارند.
موضوع مهم بررسی تأمین مالی سرمایه‌گذاری مورد نیاز برای بهبود بهره‌وری انرژی است، زیرا که در بسیاری از موارد سازنده یا مالک (و در نتیجه سرمایه‌گذار) از صرفه‌جویی در مصرف انرژی بهره‌ای نمی‌برد.

جایگاه رقابتی اتحادیه‌ی اروپا
برای پوشش‌های پنجره، اروپا با شرکتی‌های کوچک با تکنولوژی بالا (مثل Beneq یا Peer+) که با شرکت‌های بزرگ جهانی شریک هستند، جایگاه بالایی دارد. به علاوه برخی شرکت‌های بزرگ مثل Arkema و BASF نیز در بین آنها دیده می‌شوند. برای شیشه‌های تخت نانویی، شرکت‌های Pilkington، St Gobian و Asahi Glass Europe، فعالیت‌های تحقیقاتی را فراهم کرده و این قابلیت وجود دارد که نتایج برخی تحقیقات به بازار راه پیدا کند.
در اروپا، تحقیقات بر روی نانوفوم‌ها و هواژل‌ها تا امروز پایین‌تر از شاخص جرم بحرانی بوده است، با وجود اینکه همکاری‌ها در چارچوب برنامه‌هایی آغاز شده، هرگز به بازارهای قابل توجه یا قابلیت تولید انبوه نمی‌رسند. با این وجود، اخیراً برخی صنایع شیمیایی بزرگ تمایل بیشتری به این مواد پیدا کرده‌اند و روی نانوفوم‌های پلیمری با کارایی بیشتر و قیمت کمتر تمرکز کرده‌ و به دنبال روش‌های تولید با هزینه‌ی کمتر هستند.
برای فیلم‌های پنجره‌ای، شرکت‌های Solutia، Bekaert و ۳M در جهان پیشرو هستند؛ از بین این شرکت‌ها، شرکت Bekaert از ارکان اصلی تولید این مواد در بلژیک است.
اتحادیه‌ی اروپا اخیراً شروع به رسیدگی به فرصت‌هایی که در این زمینه وجود دارد کرده است، و به پروژه‌هایی در چهارچوب برنامه‌ی هفتم کمک مالی می‌کند. با دادن بخشی از فرصت‌های بازار و ایجاد ارتباط برای تحقیقات موفق، اتحادیه‌ی اروپا می‌تواند بر چالش‌های اصلی فائق آید.
از دیدگاه صنعتی، شرکت‌های اصلی شامل Cabot (USA)، TAASI (USA)، Nanopore (USA)، Branch Tech International (USA)، Aspen Aerogel (USA)، Aerogel Composites (USA)، MarkeTech (USA)، ۳M (USA)، DuPont (USA)، Arkema (France)، BASF (Germany)، Beneq (Finland)، Bekeart (Belgium)، Hanita Coating (Israel)، Solutia (USA) و Research Frontier, Inc (USA) می‌باشند.

خلاصه
• درمورد مواد عایق نانویی، جایگاه کنونی اتحادیه در مقایسه با صنایع قوی ایالات متحده ضعیف است، اگرچه برخی از آنها ظرفیت تولید در آلمان را دارند (Cabot Aerogels). با این وجود، صنایع شیمیایی اتحادیه‌ی اروپا توانایی و استراتژی لازم برای گسترش و اقتصادی کردن نانوفوم‌های آلی را دارند و انتظار می‌رود که از اکنون تا ۵ تا ۱۰ سال دیگر به بازار راه پیدا کنند.
• در مورد پوشش‌های پنجره‌، چند شرکت به علاوه‌ی تأمین‌کنندگان فناوری پوشش در اروپا مستقر بوده و بعنوان پیشتاز در تجارت عمل می‌کنند. در مورد فیلم های پنجرهای نانویی هم وضعیت مشابه است؛ حداقل یک شرکت که در جهان پیشتاز است، در اروپا مستقر است و استراتژی‌های لازم را پایه‌گذاری می‌کند. از دیدگاه علمی، تعداد کمی دانشگاه یا موسسه‌ی تحقیقاتی هستند که تحقیقات قوی در این زمینه‌ی خاص دارند.
• تأثیر اجتماعی پنجره‌های با انتشار کم نانویی (و فیلم‌های پنجره‌ای) که با فوم‌های پلیمری حاوی نانومواد (یا هیبریدها) که برای عایق‌بندی ساختمان‌ها ایجاد می‌شوند، به طور بالقوه بسیار بالاست، که راه‌حلی واقعی برای ساختمان‌های موجود بوده و نیاز به نو شدن برای بازده انرژی بالاتر (برای پاس کردن استانداردها در آینده) را دارند، می‌باشد. قابلیت صنعت اتحادیه‌ی اروپا برای رسیدن به میزانی از ارزش قیمتی برای تولیدات نانویی، مشخص می‌کند که آیا این پتانسیل می‌تواند به واقعیت تبدیل شود یا خیر.

منبع
ObservatoryNANO Briefing, August 2010

جهت کسب اطلاعات بیشتر و یا سفارش با شماره ۰۹۱۲۷۶۵۰۴۷۱ تماس بگیرید