Νανοτεχνολογία, νανοσωλήνες άνθρακα, TiO2, νανοτεχνολογία στο σκυρόδεμα, στο χάλυβα και στο ξύλο

1. Νανοτεχνολογία και Δομικά Υλικά
ΑΛΙΖΟΤΙ ΕΛΒΙΝ, ΔΕΣΥΠΡΗΣ ΑΝΤΩΝΗΣ
ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΚΕΧΡΑΚΟΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ
ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ,ΕΚΠ. ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

2. Τι είναι Νανοτεχνολογία;
• Νανοτεχνολογία νοείται η δυνατότητα
ελέγχου ή χειρισμού υλικών σε ατομική
κλίμακα με στόχο την παραγωγή δομών με
πρωτότυπες ιδιότητες και λειτουργίες που
οφείλονται στο μέγεθός τους, στο σχήμα
τους ή στη σύνθεσή τους.
• Στην νανο-κλίμακα οι ιδιότητες των υλικών
μεταβάλλονται από εκείνες των μεγαλύτερων
κλιμάκων.
• H νανο-κλίμακα είναι η κλίμακα μεγέθους
από περίπου 1nm έως 100nm.
• Η νανοτεχνολογία επιτρέπει στη τεχνολογία
να αναπτύξει υλικά με βελτιωμένες ή ακόμα
και νέες ιδιότητες.

3. Εισαγωγή στα νανοϋλικά
Νανοσωματίδιο:
• Έχει οριστεί ως ένα σωματίδιο με
διάσταση μικρότερης των 200nm.
• Τα νανοσωματίδια έχουν
κατασκευαστεί από ημιαγώγιμα
υλικά.
Νανοσύνθετα υλικά:
• Παράγονται με τη προσθήκη
νανοσωματιδίων σε υλικά με όγκο
προκειμένου να αναπτύξουν τις
ιδιότητες σε σχέση με τον όγκο τους.

4. Νανοσωλήνες άνθρακα(CNT)
• Είναι η μορφή του άνθρακα που
ανακαλύφθηκε το 1991 στην
Ιαπωνία από τον φυσικό S. Iijima
αν και είχαν παρατηρηθεί στη
Ρωσία το 1952.
• Είναι ομόκεντροι κύλινδροι
γραφίτη, κλειστοί σε τουλάχιστον
ένα άκρο με ημισφαιρική δομή.
• Οι νανοσωλήνες αυτοί, είναι
επιμήκη μόρια φουλλερενίων στα
οποία τα τοιχία αποτελούνται από
εξαγωνικές διατάξεις (γραφιτική
δομή) και συχνά είναι κλειστά σε
κάθε άκρο με ημισφαίρια
φουλλερενίων
• Έχουν κυλινδρικό σχήμα με
διάμετρο μερικών νανομέτρων.

5. Μηχανικές αντοχές CNT
Φάσεις προσομοιώσεις επιμήκυνσης
SWCNT

6. Διοξείδιο του τιτανίου(TiO2)
• Είναι ευρέως χρησιμοποιημένο στο λευκό
χρώμα.
• Μπορεί ,επίσης, να οξειδώσει το οξυγόνο ή
κάποια άλλη οργανική ουσία και προστίθεται
σε χρώματα, τσιμέντο, ξύλο, πλακάκια κλπ.
• Όταν εκτίθεται σε UV γίνεται όλο και
περισσότερο υδρόφιλο( ελκύει το νερό).

7. Εφαρμογές της
Νανοτεχνολογίας
Χρησιμοποιείται ευρέως στα δομικά υλικά:
• Σκυρόδεμα
• Χάλυβας
• Ξύλο
• Γυαλί
• Φωτοβολταϊκά

8. Νανοτεχνολογία και
σκυρόδεμα
• Το σκυρόδεμα είναι μία μίξη
τσιμέντου, αδρανών υλικών
(άμμο, γαρμπίλι, χαλίκι) και
νερού. Η μηχανική συμπεριφορά
των υλικών που συντίθεται
εξαρτάται από το φαινόμενο που
συμβαίνει στη Μίκρο και Νάνο
κλίμακα.
• Η νανοτεχνολογία μπορεί να
τροποποιήσει τη δομή των υλικών
του σκυροδέματος και να
βελτιώσεις τις ιδιότητές του:
1. Πυκνότητα
2. Μηχανική απόδοση
3. Σταθερότητα του όγκου
4. Αντοχή, ανθεκτικότητα
5. Βιωσιμότητα του σκυροδέματος
Καθολική Εκκλησία στη Ρώμη, η πρώτη
κατασκευή με αυτοκαθαριζόμενο σκυρόδεμα
Σκυρόδεμα μη
απορροφητικό στο νερό

9. Νανοτεχνολογία και
σκυρόδεμα
CNT στο
σκυρόδεμα
Προσθέτοντας
ποσότητα περίπου 1%
αυξάνουμε τις
μηχανικές ιδιότητες
του σκυροδέματος
Τα οξειδωμένα
MWCNTs εμφανίζουν
βελτιωμένη αντοχή
στον εφελκυσμό
+25Ν/mm2 και σε
κάμψη +8Ν/mm2
Προϊόντα νανοτεχνολογίας-
σκυροδέματος
1. Αποστειρωτικές και αυτοκαθαριστικές
ιδιότητες. Προσθήκη διοξειδίου του
Τιτανίου (TiO2) ως νανοσωματίδιο. Κατά την
έκθεση του στην ηλιακή ακτινοβολία(UV)
διασπά τους ρύπους, τις πτητικές οργανικές
και βακτηριακές ενώσεις μέσω των ισχυρών
καταλυτικών αντιδράσεων. Λόγω του ότι
είναι υδρόφιλο, το νερό της βροχής μένει
στην επιφάνεια του σκυροδέματος και
αποπλένει τους αποδομημένους ρύπους.
2. Αυτοσυμπύκνωση
-Έχει την ικανότητα να εγχύεται σε οποιοδήποτε
καλούπι
-Να ρέει χωρίς δυσκολία ανάμεσα στους
οπλισμούς μέσω της βαρύτητας και της
ρεολογικής συμπεριφοράς.

10. Νανοτεχνολογία και
χάλυβας
Ο χάλυβας από τον 20ο αιώνα και μετά
χρησιμοποιείται ευρέως στις κατασκευές.
Δομή του δομικού χάλυβα αποτελείται από
σίδηρο, άνθρακα, χαλκό, τιτάνιο, άζωτο, κλπ.
-Τα κρίσιμα σημεία η κόπωση, διάβρωση
-Ενδιαφέροντα σημεία (μελετώνται)
1. Χαλύβδινοι ράβδοι
2. Χαλύβδινα καλώδια( προεντεταμένος
χάλυβας)
3. Ενώσεις (συνδέσεις)
4. Συγκολλήσεις

11. Νανοτεχνολογία και
χάλυβας
Χαλύβδινα καλώδια μεγάλης
αντοχής( προεντεταμένος
χάλυβας)
• Πρόσφατες μελέτες που αφορά την βελτίωση
της φάσης του τσεμεντίτη του χάλυβα σε
μέγεθος νάνοκλίμακας έδειξε ότι μπορούν να
παραχθούν μεγαλύτερης αντοχής καλώδια.
• Υψηλής αντοχής καλώδια χρησιμοποιούνται
στη κατασκευή γεφυρών αλλά και στη τάνυση
προεντεταμένου σκυροδέματος επίσης θα
μείωναν σημαντικά το κόστος και τη διάρκεια
της κατασκευής.
• Η αύξηση των κατασκευών τα τελευταία
χρόνια απαιτεί μεγάλες συνδέσεις και αυτό
οδηγεί στη χρήση δυνατότερων μπουλονιών
(βίδες).

12. Νανοτεχνολογία και
χάλυβας
Νέοι τύποι χάλυβα:
• Sandvik Nanoflex
1. Έχει την επιθυμητή υψηλή τιµή
του µέτρου του Young και υψηλές
μηχανικές αντοχές.
2. Ανθεκτικότητα στη διάβρωση
λόγω της παρουσίας πολύ
σκληρών σωµατιδίων κλίµακας
νανοµέτρου στη χαλύβδινη βάση
του.
3. Επισκευές κατασκευών από χάλυβα
Η νανοτεχνολογία βοήθησε τη
προστασία του
χάλυβα(Sandvik Nanoflex)
• MMFX2
1. Μηχανικές ιδιότητες απλού χάλυβα
ή μεγαλύτερες ανάλογα με τη
χρήση.
2. Ανθεκτικό στη διάβρωση λόγω
στην ιδιόκτητη σύνθεση του υλικού
και τις διαδικασίες παραγωγής
ελαχιστοποιούν τη δημιουργία
μικρογαλβανικών κυττάρων,
συνεισφέρουν σημαντικά στην
έναρξη και επιτάχυνση της
διαβρωτικής δραστηριότητας.

13. Νανοτεχνολογία και
ξύλο
• Το ξύλο αποτελείται από µια νάνο-ινώδη
κυτταρική αρχιτεκτονική, βασισμένη σε νάνο-
ίνες κυτταρίνης.
Βασικές εφαρμογές στο ξύλο
- Νάνο-υλικά και νάνο-αισθητήρες
ενσωµατώνονται στις µορφές ξυλείας
• Ανθεκτική στην υγρασία
• Συνθετικά προϊόντα υψηλών επιδόσεων που
θα περιέχουν ξύλο και παράγωγα του ξύλου,
πολυµερή, µέταλλα, γυαλί και τσιµέντο.
- Εκµετάλλευση των νανο-ιδιοτήτων ξύλου
• Οδηγεί σε προϊόντα οικονομικά, ελαφριά,
μεγάλων αντοχών
• Μπορεί να ανιχνεύει και να προειδοποιεί για
την επίθεση µυκήτων και τερµιτών.
Εφαρμογή επικάλυψης κατά της υγρασίας σε
ξύλινη επιφάνεια
Εφαρμογή επικάλυψης κατά της υπεριώδους
ακτινοβολίας σε ξύλινη επιφάνεια

14. Βιβλιογραφία
• Τριαντάφυλλου Χ. Αθανάσιος ,2013. Δομικά υλικά, 10η
έκδοση
• Άννα Παναγονοπούλου,2008. Μεταπτυχιακή εργασία:
‘‘ΜΕΛΕΤΗ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΣΕ
ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ ΠΟΛΥΔΙΜΕΘΥΛΟΣΙΛΟΞΑΝΙΟΥ/ΤΙΤΑΝΙΑΣ’’
http://dielectricsgroup.physics.ntua.gr/system/files/MSc%20T
hesis%20ANNA%20PANAGOPOULOU.pdf
• Σοφία Αναστασιάδου .Η νανοτεχνολογία στη κατασκευή
(ΚΤΙΡΙΟ, τεχνικό περιοδικό) http://www.neotexrodos.gr/wp-
content/uploads/2013/09/nanotexnologia.pdf
• Μαραγκουδάκη Αικατερίνη. Μεταπτυχιακή εργασία:
‘‘∆ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΙΣ
ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ.ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΟΦΕΛΗ-ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ’’
http://artemis.library.tuc.gr/MT2009-0053/MT2009-0053.pdf

15. Βιβλιογραφία
• Δήμος Στεργίου,2014. Διπλωματική εργασία: ‘‘ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ-ΨΗΦΙΑΚΗ
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ’’
https://dspace.lib.ntua.gr/dspace2/bitstream/handle/123456789/40225/dipl.
Dimou%20S..pdf?sequence=1
• Εμμανουήλ Κωνσταντίνος, Διπλωματική Εργασία, “MΕΛΕΤΗ ΤΩΝ
ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ ΆΝΘΡΑΚΑ ΚΑΙ ΆΛΛΩΝ
ΓΡΑΦΙΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ”
http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/bitstream/10889/6524/1/%CE%94%CE
%99%CE%A0%CE%9B%CE%A9%CE%9C%CE%91%CE%A4%CE%99%CE%9A%
CE%97%20%CE%9A.%20%CE%95%CE%BC%CE%BC%CE%B1%CE%BD%CE%B
F%CF%85%CE%AE%CE%BB.pdf
• Pradue University. “MMFX Microcomposite Steel (MMFX2)”
http://rebar.ecn.purdue.edu/ect/links/technologies/civil/mmfx.aspx
• Michigan departement of transportation. “ ORROSION RESISTANT ALLOY
STEEL (MMFX) REINFORCING BAR IN BRlDGE DECKS’’
https://www.michigan.gov/documents/mdot/MDOT_Research_Report_R1499
_209781_7.pdf
• MMFX. http://www.mmfx.com/
• Bhushan Editor, Springer Handbook Nanotechnology