Βιομιμητικά, βιοδιασπώμενα νανο-σύνθετα και μη τοξικά προϊόντα για βελτιωτικές επεμβάσεις σε δομικά υλικά
Authors: Βεργανελάκη Αναστασία 
Published: August 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες οι απαιτήσεις για την ανάπτυξη προϊόντων στερέωσης και προστασίας τόσο της σύγχρονης δόμησης, όσο και των μνημειακών κατασκευών έχουν αυξηθεί λόγω της έντονης παρουσίας φαινομένων ρύπανσης ανθρωπογενούς και φυσικής προέλευσης. Υλικά επιφανειακής κατεργασίας και στερέωσης, που έχουν ως βάση τα αλκοξυσιλάνια έχουν τύχει μεγάλης αναγνώρισης. Ωστόσο τα υλικά αυτά εμφανίζουν ορισμένα σοβαρά μειονεκτήματα όπως είναι η δημιουργία μικρο-ρωγμών κατά το στάδιο της ξήρανσής τους και η μικρή χημική συγγένεια με υποστρώματα ασβεστιτικής φύσεως. Τα μειονεκτήματα αυτά δύναται να αναστείλουν τη στερεωτική δράση των εν λόγω υλικών, σε ορισμένες μάλιστα περιπτώσεις προκαλούν περαιτέρω υποβάθμιση της δομής, καθώς επίσης περιορίζουν σε μεγάλο βαθμό το πεδίο εφαρμογής τους. Σύμφωνα με τις βιβλιογραφικές αναφορές, η σύνθεση σωματιδιακά τροποποιημένων στερεωτικών υλικών (Particle Modified Consolidants, PMCs) καθώς και η σύνθεση πυριτικών υλικών ομοιόμορφης μεσοπορώδους δομής φαίνεται να αντιμετωπίζουν σε ικανοποιητικό βαθμό τα παραπάνω μειονεκτήματα.Με γνώμονα τα παραπάνω, αναπτύχθηκαν τρία «πράσινα», μη-τοξικά τροποποιημένα νανοϋλικά, τα οποία εξετάστηκαν ως προς τις φυσικο-χημικές τους ιδιότητες και τη στερεωτική τους δράση σε ασβεστιτικά κυρίως υποστρώματα. Για τη σύνθεσή τους επιλέχθηκαν μη-τοξικές πρώτες ύλες, διαλύτες με χαμηλές τιμές VCO, ενώ αποφεύχθηκε η χρήση ενεργοβόρου εργαστηριακού εξοπλισμού. Ο βιο-μιμητικός τους χαρακτήρας οφείλεται στα συστατικά τους που ανιχνεύονται σε καλοδιατηρημένα στρώματα μνημείων και έχουν προέλθει από τη γήρανση υλικών που χρησιμοποιήθηκαν σε παλαιότερες εργασίες συντήρησης.Αναλυτικότερα, πρόκειται για βιο-μιμητικά νανοϋλικά πυριτικής φύσεως στα οποία ενσωματώθηκαν νανο-σωματίδια οξαλικού ασβεστίου (SilOxal και TCO) και υδροξυαπατίτη (SiHAp). Η επιλογή των παραπάνω νανο-σωματιδίων βασίστηκε στη σύσταση επιφανειακών στρωμάτων που έχουν εντοπιστεί σε καλο-διατηρημένες επιφάνειες μνημείων της Μεσογείου (οι λεγόμενες «πάτινες») και τα οποία χαρακτηρίζονται από έντονη προστατευτική δράση. Στις περιπτώσεις των νανοϋλικών SilOxal και TCO, ο βιο-μιμητικός τους χαρακτήρας δεν οφείλεται μόνο στη σύνθεση του οξαλικού ασβεστίου, αλλά ολόκληρου του υλικού. Η ενσωμάτωση του οξαλικού ασβεστίου στην άμορφη πυριτική μήτρα αποτελεί μία από τις βασικότερες διεργασίες κατά τη βιο-ορυκτοποίηση των φυτών.Τα SilOxal και TCO χαρακτηρίζονται από συνεκτικότητα και ομοιογένεια ενώ είναι χαρακτηριστική η απουσία μικρο-ρηγματώσεων στα τελικά ξηροπηκτώματα. Μέσω του φυσικο-χημικού τους χαρακτηρισμού αποδείχθηκε η αλληλεπίδραση των νανο-σωματίδιων του οξαλικού ασβεστίου με το πυριτικό υπόστρωμα, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη σύνθεση πιο συνεκτικών δομών, συμβάλλοντας έτσι στην καλύτερη αντίσταση του νανοϋλικού στις τριχοειδής πιέσεις που ασκούνται στα τοιχώματα των πόρων και κατά το στάδιο της ξήρανσης, αποφεύγοντας έτσι το σχηματισμό μικρο-ρωγμών.Η σύνθεση των τροποποιημένων με νανο-σωματίδια οξαλικού ασβεστίου, πυριτικών υλικών, βασίστηκε στη διαδικασία λύματος-πηκτής (sol-gel), ενώ ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση του οξαλικού ασβεστίου. Η επιλογή του υδροξειδίου του ασβεστίου και του οξαλικού οξέος εξυπηρετούσε τρεις σκοπούς: (1) τη σύνθεση του οξαλικού ασβεστίου, (2) τη χρήση τους σαν καταλύτες κατά τις διαδικασίες υδρόλυσης και συμπύκνωσης του αλκοξυσιλανίου και (3) την αποφυγή σχηματισμού ανεπιθύμητων παραπροϊόντων. Ωστόσο, ακολουθώντας διαφορετικές συνθετικές πορείες, επετεύχθη στην περίπτωση του SilOxal η σύνθεση κρυσταλλικού μονο-ένυδρου οξαλικούασβεστίου (COM) και εν συνεχεία η ενσωμάτωσή του στην πυριτική μήτρα, ενώ στην περίπτωση του TCΟ, συντέθηκε άμορφο οξαλικό ασβέστιο παρουσία του πυριτικού υλικού και ταυτόχρονη ενσωμάτωσή του σε αυτό, δημιουργώντας έτσι μια πυκνή και μικροπορώδη δομή. Η χρήση μικρής ποσότητας επιφανειοδραστικής ουσίας (n-octylamine) κατά τη σύνθεση του SilOxal, συνέβαλλε στο σχηματισμό μίας μεσοπορώδους δομής με ομοιόμορφους πόρους μεγέθους 30 nm.Βάσει των αποτελεσμάτων από τον έλεγχο της δράσης τους, τα εν λόγω υλικά δεν προκαλούν σημαντικές αλλοιώσεις στο πορώδες και την εμφάνιση των υποστρωμάτων, επιτρέπουν τη διέλευση των υδρατμών, ενώ αυξάνουν τις μηχανικές τους ιδιότητες, χωρίς ωστόσο να προκαλούν φαινόμενα «υπερ-ενίσχυσης» (“over-strengthening”). Η παρουσία του οξαλικού ασβεστίου στα νανοϋλικά λειτουργεί σαν μέσο σύνδεσης μεταξύ των ασβεστιτικών υποστρωμάτων και του πυριτικού δικτύου τους, αντιμετωπίζοντας έτσι την έλλειψη χημικής συγγένειας που χαρακτηρίζει τα πυριτικής φύσεως στερεωτικά υλικά με τα ασβεστιτικά υποστρώματα.Λαμβάνοντας υπόψη τα πολύ καλά χαρακτηριστικά των παραπάνω νανοϋλικών, καθώς και τις βελτιώσεις που επιφέρουν στην κατεργασμένη δομή, και ακολουθώντας παρόμοια συνθετική πορεία με το SilOxal, παράχθηκε το νανοϋλικό SiHAp. Η προσθήκη νανο-σωματιδίων υδροξυαπατίτη σε συνδυασμό με τη χρήση επιφανειοδραστικής ουσίας (amylamine), οδήγησαν στη σύνθεση ενός συνεκτικού υλικού, μεσοπορώδους δομής, απαλλαγμένο από ρωγμές. Τα πρώτα αποτελέσματα από τη μελέτη της στερεωτικής του δράσης σε δοκίμια ασβεστολίθων είναι ενθαρρυντικά, λόγω της επιταξιακής ανάπτυξης μεταξύ ασβεστίτη και υδροξυαπατίτη.Τέλος, και τα τρία νανοϋλικά εκτιμάται ότι δρουν προστατευτικά στα δομικά υποστρώματα λόγω των πολύ καλών χαρακτηριστικών που προσδίδουν σε αυτά μετά την κατεργασία αλλά και των εξαιρετικών ιδιοτήτων του οξαλικού ασβεστίου και του υδροξυαπατίτη. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη συμπεριφοράς του TCO σε συνθήκες έντονης υγρασίας και έκθεσης σε UV ακτινοβολία, ενισχύουν την αύξηση της ανθεκτικότητας των κατεργασμένων δοκιμίων σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες.