Έλεγχος χημικής συμβατότητας και βελτίωση στερεωτικών λίθου με νανοτεχνολογία
Authors: Καπριδάκη Χρυσή 
Published: August 2021

Η αναγκαιότητα για ανάπτυξη καινοτόμων υλικών προστασίας, στερέωσης και αυτό-καθαρισμού δομικών υλικών πηγάζει από την ολοένα και αυξανόμενη ατμοσφαιρική ρύπανση του περιβάλλοντος, η οποία επιφέρει σημαντικές διαβρώσεις σε αυτά. Προς αυτή την κατεύθυνση και με γνώμονα τη διατήρηση της αειφορίας των μνημείων αλλά και των παραδοσιακών και σύγχρονων κατασκευών, η παρούσα διδακτορική διατριβή προσέδωσε καινοτόμα υλικά νανοτεχνολογίας με προηγμένες ιδιότητες, τα οποία δύναται να αναπτυχθούν ακόμα και σε βιομηχανικό επίπεδο (scale up).Στα πλαίσια της παρούσας έρευνας αναπτύχτηκαν τρία καινοτόμα νανοϋλικά (STP-1, STP-2 και STP-4) προστασίας και στερέωσης, τα οποία συνδυάζουν ταυτόχρονα αυτό-καθαρισμό, αδιαβροχοποίηση και επανασύνδεση της συνεκτικότητας της δομής των δομικών υλικών. Τα νανοϋλικά STP-1, STP-2 και STP-4 παρουσιάζουν χαμηλό ενεργειακό αποτύπωμα κατά τη σύνθεσή τους, φιλικότητα προς το περιβάλλον και αποτελεσματική εφαρμογή σε υποστρώματα λίθων σύγχρονων κτιρίων και μνημείων. Η πειραματική μελέτη της διατριβής διαχωρίζεται στα επιμέρους τμήματα: (α) τη σύνθεση διάφανων, υδρόφοβων και φωτοκαταλυτικά δραστικών νανοσύνθετων υλικών SiO2-TiO2-PDMS, χωρίς την απαίτηση υψηλών ενεργειακών αναγκών, (β) τον ενδελεχή φυσικοχημικό χαρακτηρισμό τους, (γ) την εφαρμογή τους σε πραγματικά υποστρώματα και (δ) αποτίμηση της δραστικότητας τους ως προστατευτικά, στερεωτικά και αυτό-καθαριζόμενα υλικά.Οι συνθέσεις των νανοϋλικών βασίστηκαν στην διαδικασία λύματος-πηκτής (sol-gel) μετά από ανάμειξη των αλκοξειδίων τιτανίου (τετρα-ισοπροποξείδιο του τιτανίου, TTIP) και πυριτίου (τετρα-αιθοξυ-σιλάνιο, TEOS) και ενός οργανοσιλανίου (πολυ-διμεθυλο-σιλοξάνιο με υδροξυλιωμένα άκρα, PDMS). Οι συνθέσεις πραγματοποιηθήκαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος υπό την παρουσία οξαλικού οξέος (Ox), του οποίου η συγκέντρωση αυξάνεται κλιμακωτά στις τρεις συνθέσεις, STP-1, STP-2 και STP-4. Οι αριθμοί που συνοδεύουν τις συνθέσεις 1,2 και 4 αντιπροσωπεύουν τη μικρή, μεσαία και μεγάλη συγκέντρωση Ox αντίστοιχα. Μετά τη σύνθεση τους τα νανοϋλικά μελετήθηκαν διεξοδικά, τόσο ως προς τα φυσικοχημικά τους χαρακτηριστικά με σκοπό να ελεγχθεί και να τεκμηριωθεί η χημική τους συμβατότητα με τα δομικά υλικά όσο και ως προς τη φωτοκαταλυτική τους δραστικότητα. Η μελέτη των νανοδομών των διάφανων καινοτόμων υλικών επιβεβαίωσε τη δραστικότητα του οξαλικού οξέος ως προς τη δημιουργία ομοιογενών πηκτωμάτων και τον σχηματισμό φωτοκαταλυτικά ενεργών κρυσταλλικών δομών ανατάση TiO2 σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το μέγεθος των ανεξάρτητων νανοσωματιδίων ανατάση TiO2 υπολογίστηκε από 5 έως και 10 nm και από 2 έως 5 nm στα νανοσύνθετα υλικά STP-2 και STP-4 αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, η απουσία ρωγμών και η ύπαρξη πηκτωμάτων με ενιαία δομή οφείλεται στη συνεργειακή δράση του Ox και του PDMS. Αξιοσημείωτος είναι και ο υδρόφοβος χαρακτήρας των νανοσύνθετων υλικών ο οποίος βασίζεται στη παρουσία του PDMS, το οποίο αντιστρέφει τον υδρόφιλο χαρακτήρα του συστήματος SiO2-TiO2. Τέλος, η φωτοκαταλυτική δραστικότητα των τριών νανοϋλικών διαμορφώνεται ως εξής: STP-2 > STP-4 > STP-1. Η αυξημένη δραστικότητα του STP-2 οφείλεται στο μεγάλο ποσοστό ανεξάρτητων και διακριτών νανοσωματιδίων TiO2 εντός της πυριτικής μήτρας (5-10 nm). Σημαντική όμως φαίνεται να είναι και η συνεισφορά του οξαλικού οξέος ως hole-scavenger, στη φωτοκαταλυτική δραστικότητα των νανοσύνθετων STP-2 και STP-4.Τέλος, αφού ολοκληρώθηκε η μελέτη του φυσικοχημικού ελέγχου και της φωτοκαταλυτικής δράσης των νανοσύνθετων υλικών, τα τελευταία εφαρμόστηκαν και αποτιμήθηκαν επιτυχώς ως στερεωτικά, αδιαβροχοποιητικά και αυτό-καθαριζόμενα υλικά μαρμάρων και ασβεστόλιθων.