Διερεύνηση επίδοσης νανοσύνθετων υβριδικών οργανοπυριτικών επιστρώσεων σε λίθινα υποστρώματα προσόψεων σύγχρονων και ιστορικών κτιρίων
Authors: Ματζιάρη Αικατερίνη 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή είχε διττό σκοπό. Ο πρώτος σκοπός αφορά στην ολιστική αξιολόγηση νανοσύνθετων υβριδικών προστατευτικών επιστρώσεων από οργανο-πυριτικές ενώσεις, πάνω σε ορυκτά υποστρώματα. Η αποκλειστική επιλογή σιλανικών/σιλοξανικών και φθοριωμένων παραγώγων τους, εμπορικών σκευασμά-των, έγινε με γνώμονα τις βελτιωμένες φυσικοχημικές ιδιότητες και το πολύ χαμηλό κόστος. Οι επιστρώσεις αυτές δομήθηκαν με βάση το μοτίβο νανοσύνθετου μονοστρώ-ματος, που περιλαμβάνει μια πολυμερική μήτρα, με την προσθήκη νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου, σε υδρόφιλη ή/και υδρόφοβη εκδοχή. Η στρατηγική της αξιολόγησης των νανοσύνθετων επιστρώσεων, βασίστηκε στη σταδιακή αύξηση της περιεκτικότητας των νανοσωματιδίων και στη σύγκριση της δράσης του υδρόφιλου τύπου σε σχέση με τον υδρόφοβο. Ως υποστρώματα εξετάστηκαν τα μάρμαρα Πεντέλης, Θάσου και Νάξου, τα μοναδικά ολόλευκα μάρμαρα που εξορύσσονται από την αρχαιότητα έως σήμερα. Δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην κρυσταλλικότητα και το φυσικό πορώδες τους, σε σχέση με τη στερεοχημεία τους, αφού καθορίζουν σημαντικά την επιφανειακή τοπογραφία και δραστικότητα. Κατόπιν εξετάστηκαν δομικά αργιλικά προϊόντα χαμηλής καμίνευσης από αναπαρασκευές συνταγών, πρωτοβυζαντινής εποχής (4ος αιώνας μ.Χ.), που χρησιμοποιούνται σε εργασίες αναστυλώσεων μνημείων, ενώ τέλος εξετάστηκε ο ψαμμίτης Δεματίου, ώστε να συγκριθεί κατά πόσο επηρεάζει η διαφορετική χημεία την ελεύθερη επιφανειακή ενέργεια των υποστρωμάτων, που με τη σειρά της, ρυθμίζει την υπέρ-υδροφοβία των υποστρωμάτων. Με την τεχνική της σαρωτικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διαπιστώθηκε, πως τα νανοσωματίδια ενσωματώνονται μέσα στην πολυμερική μάζα, καθώς διασπείρονται αρχικά και μετά από την απομάκρυνση του διαλύτη σχηματίζουν ένα υμένιο με μικρο/νανοτραχύτητα, που καλύπτει την φυσική κρυσταλλική επιφάνεια των ορυκτών υποστρωμάτων. Τα φυσικά υποστρώματα εξετάστηκαν ορυκτολογικά, με λεπτές τομές, στερεοσκο-πικά και με περιθλασιμετρία ακτίνων-X (XRD). Η αξιολόγηση των νανοσύνθετων επιστρώσεων ως προς την υδροφοβοποίηση των ορυκτών υποστρωμάτων, έγινε με κριτήριο τη γωνία επαφής, πληρώντας παράλληλα τα κριτήρια επεμβατικών τεχνικών σε λίθους, αξιολογήθηκαν η τριχοειδής υδαταπορρόφηση, η χρωματομε-τρική αλλοίωση κατά την έκθεσή τους σε εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες, η μεταβολή του πορώδους και της κατανομής πόρων, η αντοχή τους σε δοκιμές ψύξης/απόψυξης, είτε υπό κανονικές συνθήκες, είτε με αλατονέφωση, ώστε να προσομοιωθούν οι φυσικές συνθήκες παραθαλάσσιου Μεσογειακού κλίματος. Τέλος με τη βοήθεια της ακουστικής μικροσκοπίας, μιας μη καταστρεπτικής μεθόδου διάγνωσης υλικών, επιτεύχθηκε η οπτικοποίηση και ο υπολογισμός με μεγάλη ακρίβεια του βάθους διείσδυσης, μέσα στη μάζα των ορυκτών υποστρωμάτων και του πάχους των προστατευτικών νανοσύνθετων επιστρώσεων. Μιας και οι περισσότερες ορυκτές επιφάνειες είναι υδρόφιλες, δεύτερος σκοπός της διατριβής ήταν, να σχεδιαστεί, να εφαρμοστεί και να μελετηθεί ένα σύστημα ελεγχόμενης διαβροχής, «ρυθμιζόμενης διαβροχικότητας» που θα επιτρέπει στην επιφάνεια να μεταβάλλεται, κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, από υπερυδρόφιλη σε υπερυδρόφοβη. Όπως είναι γνωστό η υπερυδροφοβοποίηση προστατεύει τα ορυκτά υποστρώματα από τη φθορά και την αποσάθρωση, ενώ η υπερυδροφιλικότητα των ορυκτών επιφανειών, στις περιπτώσεις μνημείων και έργων τέχνης θα μπορούσε να διευκολύνει στο «βαθύ καθαρισμό» τους, γιατί με την απορρόφηση επιφανειοδρα-στικών ουσιών διαλυμένων στο νερό, θα βελτιστοποιηθεί η δράση τους.Γι’ αυτό το σκοπό επιλέχθηκε η τεχνική των πολυστρωματικών υμενίων, που έγκει-ται στην ενσωμάτωση πολλαπλών στρωμάτων νανοσωματιδίων πάνω σε μια πολυμερική βάση από φθοροσιλικόνη. Πάνω από τη βάση για το τελικό επίχρισμα σε επάλληλα στρώματα χρησιμοποιήθηκε μίγμα υδρόφιλων/υδρόφοβων νανοσω-ματιδίων διοξειδίου του πυριτίου, που διασπάρθηκαν σε μίγμα οργανικών διαλυτών διαφορετικής πολικότητας, διατηρώντας την περιεκτικότητα των νανοσωματιδίων σταθερή, ενώ η αναλογία μεταξύ τους ήταν κυμαινόμενη.Ως υποστρώματα χρησιμοποιήθηκαν αφενός το πεντελικό μάρμαρο, που συνδυ-άζει, έντονη κρυσταλλική φυσική τραχύτητα με ομοιογενή ασβεστιτική χημική σύσταση και αφετέρου τεχνητές κρυσταλλικές, με μηδενική σχεδόν τραχύτητα, επεξεργασμένες επιφάνειες από silicon wafers. Για την παρατήρηση των επιστρώσεων χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι σαρωτικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, οπτικής μικροσκοπικής στερεοσκοπίας και αξιολογήθηκε η υδροφοβικότητά τους με τη μέτρηση της γωνίας επαφής. Διαπιστώθηκε πως τα μίγματα νανοσωματιδίων συγκολλούνται και ενσωματώνο-νται πάνω από την πολυμερική μάζα, σχηματίζοντας ένα υμένιο, μετά την εξάτμιση των διαλυτών, με ιεραρχικές μικρο/νανο-τραχύτητες και επιταξιακές εναποθέσεις συσσωματωμάτων νανοσωματιδίων, μιμούμενες απόλυτα τις βιολογικές επιφάνειες του «φαινόμενου λωτού» και του «φαινόμενου ροδοπέταλου». Με την μέθοδο αυτή, η τελική διαβροχικότητα των νανοσύνθετων επιστρώσεων παρουσίασε εύρος τιμών από υπερυδρόφιλες έως υπερυδρόφοβες γωνίες επαφής.Συμπερασματικά και με τις δύο μεθοδολογίες μελετήσαμε την εφαρμογή απλών, αποδοτικών, χαμηλού κόστους και εύκολα επαναλήψιμων τρόπων, για την παρα-σκευή νανοσύνθετων υβριδικών προστατευτικών επιστρώσεων από οργανοπυρι-τικές ενώσεις, που αδιαβροχοποιούν με βιομιμητικό τρόπο και καθιστούν «αυτοκαθαριζόμενες» τις ορυκτές επιφάνειες, βοηθώντας τη βιώσιμη προστασία τους, τόσο σε μνημεία πολιτισμού, όσο και σε σύγχρονα δομικά υλικά.