اختصاصی بسپار/ چه مصالح ساختمانی پلیمری در 2050 استفاده خواهند شد؟ پلیمرهایی که آینده ساختوساز در جهان را متحول میکنند!
بسپار/ایران پلیمر مصالح ساختمانی پلیمری از دهههای پایانی قرن بیستم وارد عرصه معماری و مهندسی شدند و امروز نقش آنها در ساختوساز مدرن غیرقابلانکار است. بازار پلیمر ساختمانی در طول دوره پیش بینی بین سال های 2025 و 2035 شاهد رشد خارق العاده ای خواهد بود و انتظار می رود بازار جهانی از 279.4 میلیارد دلار در سال 2025 به 919.7 میلیارد دلار تا سال 2035، با رشد مرکب سالانه 12.6٪ افزایش یابد. ویژگیهایی مانند سبکی، مقاومت در برابر خوردگی، طراحی انعطافپذیر و قابلیت بازیافت، باعث شده که پلیمرها به یکی از اصلیترین مصالح در پروژههای ساختمانی قرن ۲۱ بدل شوند. با توجه به فشار جهانی برای کاهش انتشار کربن، افزایش بهرهوری انرژی و معماری پایدار، انتظار میرود تا سال ۲۰۵۰ استفاده از پلیمرها در ساختمانها جهشی بیسابقه پیدا کند.
صنعت ساختمان یکی از پرمصرفترین حوزههای جهان در زمینه مصرف انرژی، منابع طبیعی و تولید گازهای گلخانهای است. طبق گزارشهای بینالمللی، حدود ۳۹٪ از کل انتشار دیاکسیدکربن مربوط به ساختوساز و بهرهبرداری از ساختمانهاست. از اینرو، تغییرات بنیادی در انتخاب و توسعه مصالح ساختمانی تا سال ۲۰۵۰ اجتنابناپذیر خواهد بود. این مقاله روندهای فعلی و نوآوریهای پیشرو را بررسی کرده و تصویری از مصالح پلیمری محتمل در سال ۲۰۵۰ ارایه میدهد.
دستهبندی مصالح پلیمری آینده
مصالح پلیمری مورد استفاده در سال ۲۰۵۰ را میتوان در چند گروه اصلی دستهبندی کرد:
- پلیمرهای سازهای (Structural Polymers)
این گروه شامل پلیمرهایی است که بهعنوان مصالح اصلی سازههای ساختمانی استفاده خواهند شد و توانایی جایگزینی بتن، فولاد و چوب را دارند.
- کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف (FRP)
این مواد که از رزینهای اپوکسی، وینیلاستر یا پلیاستر همراه با الیاف کربن، شیشه یا بازالت ساختهشدهاند و نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی دارند، در پلها، برجها و نماهای ساختمانی استفاده میشوند.
استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف خیلی موضوع جدیدی نیست! در 1957 “خانه آینده” در دیزنیلند از همین مواد ساخته شد. اما ده سال بعد وقتی تصمیم به تخریب و نوسازی آن بنا گرفته شد، سازه در مقابل تخریب گویهای سنگین وزن مقاومت زیادی کرد و این موضوع توجه زیادی جلب کرد و باعث شد به این ماده به عنوان مواد مستحکم سبک اهمیت بیشتری داده شود.
این مواد عمدتا در مدارس، بیمارستان ها، در تعمیر، تعویض و مقاوم سازی پل های فولادی یا بتنی موجود و همچنین در ساخت پل های عابر پیاده جدید و پل های بزرگراه مورد استفاده قرار میگیرند.
موزه هنرهای مدرن سانفرانسیسکو (SFMOMA) بزرگترین استفاده معماری از پلاستیک تقویت شده با الیاف (FRP) در یک پروژه ساختمانی ایالات متحده
- نانوکامپوزیتهای پلیمری
ترکیب پلیمرها با نانومواد (مانند نانولولههای کربنی و گرافن) موجب افزایش مقاومت مکانیکی، هدایت حرارتی و خواص ضدحریق میشود.
گرافن، ماده معجزهگر قرن
گرافن یک لایهی منفرد از اتمهای کربن است که به صورت لانه زنبوری کنار هم قرار گرفته اند. می توان گفت گرافن آجر اصلی سازندهی مواد کربنی مانند گرافیت و… است. ویژگی کلیدی گرافن آن است که یکی از مستحکمترین مصنوعات ساخت بشر است و در عین سبکی چندین برابر از فولاد مقاومتر است. تنها 2% از نور مریی را جذب میکند بنابراین تقریبا شفاف است. یکی از بهترین مواد برای انتقال گرما در مقیاس نانوست و می توان آن را بدون شکستگی تا کرد و روی سطوح مختلف نشاند.
اوایل سال 2017 تیمی از محققین دانشگاه MIT مقاله ای منتشر کردند که در آن ساختاری پرینتسهبعدیشده از گرافن معرفی شد که 5% فولاد وزن داشت در حالیکه استحکام آن ده برابر بیشتر بود.
چاپ سه بعدی گرافن
قسمت جالب ماجرا آنجاست که بدانیم دو سال قبلتر در 2015، معماری فرانسوی به نام Vincent Callebaut برنده یک مسابقه بین المللی طراحی به ابعاد 30 هزارمتر مربع در چین شده بود که در آن اسکلت چوبی مشابهی با آن طرح ارایه شده بود و نام آن را ارکید چوبی گذاشته بود!
اسکلت چوبی اجرا شده مشابه پرینت سهبعدی گرافن
ناگفته پیداست که اگر بتوان ساخت چنین سازههایی را با استفاده از پرینت سه بعدی گرافن یا مواد آلی مشابه تجاری کرد، میتوان گفت انقلابی در صنعت ساختمان به وسیلهی پلیمرها رخ داده!
- پلیمرهای هیبریدی با بتن
در سال ۲۰۵۰ بتنهای پلیمری جایگزین بتن پرتلند خواهند شد که با رزینهای خاص و ذرات سبک ساخته میشوند. این مصالح مقاومت فشاری و کششی بالا دارند و در عین حال بسیار سبک هستند.
جادهسازی با استفاده از بتن پلیمری
- پلیمرهای عملکردی (Functional Polymers)
پلیمرهایی که علاوه بر نقش سازهای، قابلیتهای عملکردی جدید به ساختمان میدهند:
- پلیمرهای خودترمیمشونده (Self-healing Polymers)
در دهههای اخیر مفهومی به نام مصالح خودترمیمشونده وارد عرصه علم شده است. این مصالح با مکانیزمهای شیمیایی یا میکروکپسولهای ترمیمکننده، در صورت ایجاد ترک یا خراش، بهصورت خودکار ترمیم میشوند.
زیست-بتنها از جملهی شناختهشدهترین مواد از این گروه هستند که در آنها از مکانیزم رشد گونهای ویژه از باکتریها جهت ترمیم ترکها استفاده می شود.
عملکرد پلیمرهای خودترمیمکننده
پلیمرهای دارای میکروکپسولهای فعال نیز قادرند در صورت ایجاد ترک یا خراش، بهطور خودکار واکنش داده و آسیب را ترمیم کنند.
این فناوری در ۲۰۵۰ به بلوغ کامل خواهد رسید. بهگونهای که دیوارهای داخلی و خارجی ساختمانها میتوانند بدون نیاز به تعمیر دستی، آسیبهای جزئی را رفع کنند.
- پلیمرهای حافظهشکلی (Shape-memory polymers)
این مواد، امکان تغییر فرم در پاسخ به دما، نور یا جریان الکتریکی را دارند.
نمونه ای از یک نمای ساخته شده با پلیمر حافظه شکلی که شیارهای آن در زمان گرما باز و در سرما بسته میشود.
تصور میشود تا سال ۲۰۵۰ پنجرهها و سایبانهای هوشمند از این مواد ساخته شوند. به این صورت که در طول روز با شدت تابش خورشید باز یا بسته شده و مصرف انرژی تهویه ساختمان را کاهش دهند.
شمایی از یک نمونه نمای سازگار با شرایط آب و هوایی
ساختمان خانه منابع طبیعی (HoNR) در محوطه دانشگاه ETH زوریخ
- پلیمرهای تغییر فازدهنده (Phase-Change Polymers)
این مواد برای ذخیرهسازی حرارت و تنظیم دمای داخلی ساختمان به کار میروند و میتوانند گرما را در روز ذخیره و شب آزاد کنند.
استفاده از سازوکار تغییرفاز پلیمرها برای تامین آسایش دمایی در ساختمان
- پلیمرهای هوشمند پاسخگو به محیط (Smart Polymers)
موادی که به نور، دما یا رطوبت واکنش نشان داده و خواصشان تغییر میکند. مثلاً پنجرههای هوشمند با پلیمرهای فوتوکرومیک که شدت عبور نور را تنظیم میکنند. شیشههای مات شونده در اثر جریان الکتریکی را هم می توان از این گروه برشمرد که معمولا در پارتیشنهای اداری یا دستشویی و حمامها کاربرد دارند.
- پلیمرهای الکترونیکی و انرژیزا (Polytronic Materials)
یکی از چشماندازهای مهم سال ۲۰۵۰، ادغام انرژی و ساختمان در یک سیستم یکپارچه است. پلیمرهای رسانا و نیمهرسانا مانند PEDOT:PSS یا پلیآنیلین زمینهساز توسعه سلولهای خورشیدی آلی (OPV) و باتریهای پلیمری انعطافپذیر خواهند بود.
پنجرهها و سایبانهای مولد انرژی خورشیدی
در این سناریو، پنجرهها و نماهای پلیمری نیمهشفاف نهتنها نور طبیعی را عبور میدهند، بلکه بهعنوان پنل خورشیدی نیز عمل میکنند. دیوارها و کفها میتوانند نقش ذخیرهکننده انرژی (Supercapacitor Polymers) را ایفا کرده و نیاز به تجهیزات جانبی را کاهش دهند. بدین ترتیب ساختمانها به نیروگاههای مستقل و هوشمند انرژی تبدیل خواهند شد.
نمای ساختمان مجهز به سلول های خورشیدی در دیوارهها
- پلیمرهای شفاف و سبک
پلیمرهای شفاف مانند پلیمتیل متاکریلات (PMMA) و پلیکربناتها امروزه جایگزین بخشی از شیشه شدهاند، اما محدودیتهایی نظیر مقاومت UV و خشپذیری دارند. در آینده، نانوکامپوزیتهای شفاف با افزودن نانولولههای کربنی یا ذرات سرامیکی توسعه خواهند یافت که علاوه بر مقاومت مکانیکی بالا، خاصیت خودتمیزشوندگی و ضدخش داشته باشند.
این مواد احتمالاً جایگزین گستردهای برای شیشه خواهند بود. در ۲۰۵۰ نماهای ساختمانی نهتنها سبکتر و مقاومتر خواهند بود، بلکه امکان کنترل عبور نور، دفع حرارت اضافی و حتی تولید انرژی را خواهند داشت.
- پلیمرهای عایق سبز
عایقکاری یکی از مهمترین حوزههای مصرف پلیمر است. تا سال ۲۰۵۰ آئروژلهای پلیمری با چگالی بسیار پایین بهعنوان بهترین عایق حرارتی و صوتی شناخته خواهند شد. این مواد فوق سبک میتوانند ضخامت دیوارها را کاهش داده و مصرف انرژی ساختمان را بهشدت پایین بیاورند.
از سوی دیگر، پوششهای پلیمری با فناوری خنکسازی تابشی (Radiative Cooling) باعث کاهش دمای سطحی ساختمان بدون مصرف انرژی خواهند شد. همچنین رنگهای فوتوکاتالیستی پلیمری نقش فعالی در تجزیه آلایندههای هوا و کاهش آلودگی شهری خواهند داشت. در نتیجه، سطح خارجی ساختمانها علاوه بر زیبایی، خاصیت پاککننده هوا خواهد داشت.
(ادامه دارد …)
نگارش: مهندس نادر نامور
متن کامل این مقاله را در شماره 276 ماهنامه بسپار که در نیمه مهر ماه 1404 منتشر شده است، می خوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه و فیدیبو قابل دسترسی است.
