مقدمه
فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی و پدیده ای عظیم است که در تمامی گرایش های علمی راه یافته و از فناوری های نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه است. این فناوری فهم و به کار گیری خواص جدیدی از مواد و سیستم ها، در ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. از جمله کاربردهای این فناوری در صنعت ساختمان و بخصوص در عایق های صوتی بکار برده شده در ساختمان ها است. از مزیت های مواد عایق صدای مبتنی بر فناوری نانو می توان به کیفیت بالا و ضخامت کمتر آنها اشاره کرد. در این نوشتار اصول و انواع عایق های صوتی نانویی شرح داده شده و به کاربردهای آن ها در صنعت ساخت و ساز اشاره شده است.
عایق های صوتی
به منظور کاهش و مقابله با صوت انتقالی ( آلودگی صوتی) از محیطی به محیط دیگر از عایق های صوتی استفاده می شود. مزایای استفاده از عایق های صوتی بطور کلی عبارتند از:
- بهبود صدا در یک اتاق (اتاق بدون پژواک) و کاهش سر و صدا
- کاهش نشت به / از اتاق مجاور و یا خارج از منزل
در مواد عایق صوتی سرعت حرکت امواج صوتی کاهش می یابد. هر چه عایق صوتی قابلیت بیشتری در کاهش دادن سرعت صوت در یک محیط داشته باشد، به ضخامت کمتری نیز از آن مادهی عایق مورد نیاز است.
مواد و مصالح قدیمی و سنتی از جمله پشم شیشه، پشم سنگ، یونولیت، کناف، دیوارپوش و بلوک های سیمانی به عنوان عایق صوتی، نمی توانند از لحاظ کیفیت جوابگوی انتظارات مشتریان باشند و این نوع مواد به علت معایب و نواقصی که دارند دیگر جایگاهی در صنعت ساختمان نداشته و با گذشت زمان، مواد و مصالح جدید تری در بازار جایگزین مواد قدیمی و سنتی می شود.
استفاده از فناوری نانو در عایق های صوتی
محصولات عایق صوتی که در آنها از فناوری نانو استفاده شده است به عنوان عایق های مدرن مطرح هستند. مزیت های کلی عایق های صوتی مدرن نسبت به عایق های قدیمی در زیر آمده است:
- کیفیت بالا و توانایی بیشتر عایق های صوتی مدرن
- نیاز به ضخامت کمتر از این مواد که باعث بیشتر شدن فضای مفید ساختمان می شود
در ادامه به انواع عایق های صوتی که در آن از فناوری نانو استفاده شده است اشاره می شود.
آئروژل
ساختار آئروژل و خاصیت عایق صوتی آن
آئروژل نوعی ماده جامد متخلخل فوق سبک با چگالی کم و شبیه ژل است که حفره های بسیار ریز درون ساختارش دارد و مایع درون آن تحت شرایط خشک کردن فوق بحرانی خارج شده است. برای مثال قطر این حفره ها در آئروژل سیلیکا از ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر می باشد.
این مواد بطور شگفت انگیزی دارای چگالی و تراکم بسیار اندک هستند. امواج صوتی به هنگام گذر از میان حفره های ریز درونی عایق ها که پر از هواست، با سرعت به مراتب کمتری نسبت به آنچه در هوای معمولی رخ می دهد، حرکت می کنند. آئروژل ها که از متخلخل ترین مواد هستند، این وظیفه را به نحو احسن انجام میدهند. افزون بر این، معمولا ارتعاشات اندکی که در بخش جامد مادهی عایق رخ می دهد، سبب انتقال بخشی از انرژی صوتی می شود، که به سبب اینکه آئروژل ها، دارای حداقل مادهی جامد در ساختار خود هستند و همین بخش های جامد نیز با پیوند و اتصالی باریک و ظریف، به یکدیگر متصل هستند، انتقال انرژی صوتی از ماتریس جامد را نیز به حداقل می رسانند. سرعت حرکت صوت در آئروژل سیلیکای یک پارچه کمتر از هوا است و حدود کمتر ازm/s ۴۰ اندازه گیری شده است و در آئروژل دانه ای سرعت حرکت صوت حدود m/ s۱۰۰ است.
روش ساخت و ساختار آئروژل سیلیکا
تصاویر آئروژل یکپارچه ودانه ای
تصاویری از ساختار آئروژل سیلیکا
کاربرد آئروژل به عنوان ماده ی عایق صوتی در ساختمان
در کاربردهای ساختمانی، معمولا آئروژل ها به شکل نهفته در میان مواد دیگر استفاده می شوند تا ساختار آنها توسط این مواد محافظت شود. پانل های شیشه ای دوجداره که فضای میان آنها انباشته از آئروژل است برای نماسازی و استفاده در فضاهای داخلی ساختمان مناسب هستند و از آنجا که این سیستم نیمه شفاف است، در کاربردهای گوناگون معماری با اقبال زیادی مواجه خواهد شد.
پانل شیشه ای دوجداره که مابین آنها انباشته از آئروژل است در فضاسازی داخلی و خارجی ساختمانها
مطالعات آکوستیکی نشان داده است که ضریب عایق صوتی (R) برای پنجره ای که مابین جداره های آن از آئروژل دانه ای استفاده شود به مقدار ۳dB بیشتر از پنجره ی دوجداره ی معمولی است. نمودار زیر ضریب کاهش صدا (R) را بر حسب فرکانس برای پنجره ی دو جداره ی معمولی و پنجره ی دوجداره ی حاوی آئروژل دانه ای نشان می دهد.
اندیس کاهش صدا (R) بر حسب فرکانس برای پنجره دوجداره معمولی و پنجره دوجداره حاوی آئروژل
مزیت استفاده از آئروژل به عنوان عایق صوتی
آئروژل علاوه بر خاصیت عایق صوتی، دارای خاصیت عایق حرارتی نیز می باشد و با کاربرد آن در ساختمان، در مصرف انرژی صرفه جویی می شود. در واقع آئروژل ها به همان نسبت که می توانند به عنوان عایق صوتی ایفای نقش کنند، در نقش عایق حرارتی نیز خود را کارآمد نشان داده اند و می توانند به عنوان نماینده ای از نوعی عایق چند منظوره در ساختمان استفاده شوند. از دیگر مزیت های این ماده نیمه شفاف بودن آن است که در بسیاری از کاربردهای معماری جذاب می باشد و وزن سبک و کیفت بالای آن امکان ایجاد عایق های نازک را می دهد. در واقع کارایی عایق سازی بالای آئروژل ها سبب شده است که ضخامت عایق نیز کاهش یابد به خصوص در صنعت ساختمان سازی، فضای اختصاص یافته به مواد عایق نیز کاهش پیدا می کند و از جمله مزایای ویژه آئروژل ها در طراحی ساختمان به شمار می آید.
فوم نانو متخلخل
موادی که تخلخل های نانومتری داشته باشند، می توانند به عنوان عایق صوتی و حرارتی عمل کنند. مادهی نانومتخلخل چگالی پایینی دارد و ضخامت کمی از آن می تواند کارایی خوبی به عنوان عایق صوتی داشته باشد. پنل های مواد نانو متخلخل می توانند به فرم های مختلف بسته به کاربرد ایجاد شوند و فرایند ساخت طوری کنترل می شود که در نهایت یک فوم نانومتخلخل داشته باشیم. مواد عایق صوتی سنتی معمولا دارای میکرو تخلخل ها هستند. مثلا در فوم پلی اورتان اندازهی تخلخل ها و حفره ها ده ها میکرومتر و بیشتر است. اندازه ی این حفره ها بزرگ است و امواج صوتی مقاومت زیادی را در هنگام عبور از حفره ها حس نمی کنند ولی ایجاد تخلخل های نانومتری کیفیت عایق صوتی را بالا می برد بطوری که میزان تضعیف صدا در این عایق ها بین ۲۰dB/m تا ۱۰۰dB/ cm است.
این مواد از نانوذرات سیلیکا، نانوذرات پلیمری و ذرات و الیاف دیگر ساخته می شوند و قطر حفرات آنها بین ۵ نانومتر تا ۱۰ میکرومتر می باشد. پلیمرهای انتخابی معمولا پلی یوریا، پلی متیل متکریلات، پلی استایرین و پلی نوربرنن هستند. از خصوصیات این فوم ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- عایق حرارتی
- وزن کم
- نصب راحت
- خوب
- مقاومت در دمای
- بالا
- جذب صدای بالا
این عایق ها با ضخامت ها و شکل های مختلف برای کاربردهای متفاوت ساخته می شوند و می توان از آنها در ساختمان سازی به عنوان عایق کاری دیوارها، کف، سقف، درزها یا لوله ها استفاده کرد. بعد از ایجاد این فوم ها روی دیوار می توان از لایه های محافظتی زیر برای پوشاندن آن استفاده کرد:
- تشکیل دیوار جدید
- پانل گچی
- کاغذ دیواری
- کامپوزیت
- چوب و MDF
فوم نانومتخلخل عایق صدا
کامپوزیت های بر پایه ی نانورس (nanoclay)
نانورس ها، کانی هایی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر باشد. این مواد به دلیل ارزانی و در دسترس بودن، توجه زیادی در زمینه ی فناوری نانو به خود جلب کرده اند. نانورس ها شامل صفحات کوچک و نامنظم رسی هستند که در حدود ۱ نانومتر ضخامت و ۱۰۰ نانومتر قطر دارند.
تصویر میکروسکوپی نانورس
یک کامپوزیت عایق صدای ایده آل باید داری ویژگی های زیر باشد:
- خاصیت عایق صوتی خوب
- سختی بالا
- استحکام بالا
نانورس ها یکی از مواد پرکنندهی مهم برای پلیمرها هستند که به دلیل ساختارشان باعث ایجاد استحکام، مدول بالا، مقاوت حرارتی و جذب صدا می شوند. بنابراین کامپوزیت های بر پایه نانورس دارای ویژگی های بالا هستند و معمولا با حل کردن مواد پلیمری مانند پلی پروپیلن و نانورس در یک حلال و تبخیر کردن حلال ایجاد می شوند. خواص این کامپوزیت ها به نحوهی ایجاد کامپوزیت و درصد اجزای تشکیل دهندهی آنها بستگی دارد. نانورس می تواند بصورت نانو کامپوزیت یا میکرو کامپوزیت با پلیمر تشکیل شود اما نشان داده شده است که نانوکامپوزیت آن خواص بهتری از خود نشان می دهد.
این نانو کامپوزیت ها اکثرا برای عایق صدا نمودن لوله هایی که در آنها سیالاتی جریان دارد، استفاده می شود.
تهیه نانوکامپوزیت و میکروکامپوزیت پلیمرو نانورس
تصویر میکروسکوپی کامپوزیت پلی پروپیلن و نانورس
پوشش های عایق صوتی
رنگ ها و پوشش های عایق صوتی به راحتی می توانند در ساختمان ها به کار روند و قیمت آنها نیز نسبت به سایر عایق های صوتی کمتر است. صداهایی که توسط دیوار و سطوح دیگر جذب نمی شوند عامل ایجاد صدای اضافه در ساختمان ها هستند. اما اگر این سطوح توسط مواد عایق کنندهی صدا پوشش داده شوند کاهش صدا در ساختمان را خواهیم داشت. ایجاد پوشش های عایق صدا معمولا در فرایند دو مرحله ای انجام می شود. ابتدا یک پوشش پایه ایجاد می شود و سپس یک پوشش نهایی. پوشش پایه غشاهای نانویی ایجاد می کند که موجب جذب و انکسار امواج صوتی می شوند و پوشش نهایی به ایجاد یک پوشش پیوسته در طول دیوار کمک می کند. این پوشش ها به راحتی و به همان روش های رنگی معمولی روی دیوار ایجاد می شوند.
یک نمونه ی تجاری شده از این پوشش ها توسط کمپانی Acoustical surfaces به نام Coat Of Silence معرفی شده و میزان کاهش صدا برای دیوار معمولی، دیواری که یک طرف آن از این پوشش داده شده و دیواری که دو طرف آن پوشش داده شده، اندازه گیری شده است. این پوشش ها در کل حدود dB۳-۵/۵ در کاهش صدا مؤثر بودند.
وضعیت فناوری عایق های صوتی در ایران و جهان
کارشناسان با اشاره به آثار مخرب و آزار صداهای نامناسب حاصل از زندگی ماشینی در سلامت جسم و روان و بروز بیماری های عصبی و حتی ناشنوایی، معتقدند که در طراحی ساختمان های جدید باید شاخص های کاهش صدا از سوی مراجع رسمی مورد توجه قرار گیرد. امروزه آیین نامه و مقررات صدابندی در کشورهای سوئد، سوئیس، کانادا، آمریکا و انگلیس در دستور کار قرار گرفته است. در کشور ما و بخصوص در تهران نیز با تراکم جمعیت و ترافیک بالا باید مقررات استفاده از عایق ها در دیوار، سقف و پنجره های مناسب طبق استانداردها و تجربه کشورهای پیشرفته اجباری شود و از معماران، کارفرمایان و سازندگان ساختمانها بخواهیم تا برای ایجاد محیط زندگی با آرامش نسبی ساختمان های عایق کاری شده و با صدابندی مناسب را عرضه کنند. در این مسیر دولت، وزارت مسکن و شهرسازی، اتحادیه های مرتبط با ساخت مسکن و ساختمان های اداری، وزارت صنایع و معادن و… باید مقررات صدا بندی و استفاده از عایق ها، به خصوص عایق های مدرن که کیفیت بالایی نسبت به عایق های سنتی دارند را توصیه و اجباری کنند.
شرکت های فعال در زمینه ی نانو عایق های صوتی
لوله های بی صدا مبتنی بر فناوری نانو یکی از دستاوردهای ارائه شده از سوی شرکت (پارسا پلیمر شریف) است. لایه ی میانی این لوله ها از انتقال صوت جلو گیری می کند و لایه داخلی و خارجی لوله ها نیز در برابر ضربه و خراشیدگی مقاوم است.
- شرکت (واکنش صنعت پارت) آئروژل سیلیکا را با نام تجاری ایرولیت در مقیاس صنعتی تولید می کند.
- شرکت (نانوعایق دانش) محصولات آئروژلی همانند آئروژل سیلیکایی و نانو کامپوزیتی و پتوی عایق آئروژلی را تولید می کند.
منابع
- نانو فناوری در معماری و مهندسی ساختمان، دکتر محمود گلابچی، انشارات دانشگاه تهران، ۱۳۹۰
- Soun control in buildings, M. W. Simons, J. R. Waters, Australia Blackwell Publishing, 2004.
- http://www.coatofsilence.com/
- Sound-insulation noise-reduction wall coating, CN 103483948 A, 2014.
- Environment protecting sound-proof noise reducing wall surface paster, CN 203295901 U, 2013.
- oundproofing nanoclay composite and method of manufacturing the same, WO 2011010830 A2, 2011
- Porous nano-material and sound attenuator based on porous nano-material, CN 103694669 A, 2014
- www.nano.ir
