یکشنبه 25 خرداد 1399

کاربردهای فناوری نانو در کاشی و سرامیک

برای دسترسی به سایر گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

فناوری نانو چیست

فناوری نانو، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با كنترل سطوح مولكولی و اتمی برای استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر می‌شود. امروزه فناوري نانو به یکی از مهمترین شاخه‌هاي پیشرفت علم در بسیاري از زمینه‌هاي علوم و مهندسی تبدیل شده است. صنعت کاشی نیز همانند سایر صنایع تحت تاثیر این تکنولوژي قرار گرفته است.

کاشی و سرامیک‌ها یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی هستند که درقسمت‌های مختلف یک ساختمان مانند آشپزخانه، حمام و سرویس بهداشتی، نمای ساختمان و … استفاده می‌شوند. نشست ذرات آلاینده به همراه رطوبت بر روی سطوح کاشی و سنگ و متعاقب آن آلودگی سطوح منجر به ایجاد فضای نامناسب برای ساختمان، افزایش هزینه های نگهداری و تحمیل خسارت‌های گسترده می‌شود.باهمچنین، کاشی‌های معمولی فضا را برای رشد انواع باکتری و قارچ آماده کرده و انتقال آلودگی و بیماری را در مکان‌های مورد استفاده افزایش می‌دهند.

در سالیان اخیر محققان موفق به‌ شناسایی ترکیباتی فلزی با خاصیت آنتی‌باکتریال و خودتمیز‌ شونده شده‌اند که این ترکیبات می‌توانند از رشد و نمو باکتری‌ها و قارچ‌ها و دیگر عوامل بیماری‌زا جلوگیری کنند. استفاده از فناوری‌‌نانو در تولید کاشی‌ و سرامیک خودتمیزشونده و آنتی‌باکتریال، مانع از کثیف شدن، جذب رطوبت و ایجاد هر‌گونه آلودگی بر روی سطوح مورد نظر می‌شود.

اصول خود تمیزشوندگی

پوشش‌های خود تمیزشونده[1] به دو گروه آب‌گریز[2] و آب‌دوست[3] تقسیم می‌شوند. در پوشش‌های آب‌گریز به واسطه تشکیل قطرات کروی شکل و در پوشش‌های آب‌دوست از طریق تشکیل لایه‌های نازک آب روی سطح، آلودگی‌ها از سطح زدوده می‌شوند.

آب‌دوست یا آب‌گریز بودن سطح به زاویه تماس قطره آب با سطح بستگی دارد. زاویه تماس در فصل مشترک سه فاز جامد و مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می‌شود. به طور کلی، اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آب‌دوست می‌گویند، در حالی که اگر این زاویه بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آب‌گریز می‌نامند. سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآب‌دوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابرآب‌گریز نام دارند. سطوح آب‌گریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژی سطحی سطوح آب‌دوست بسیار بالاست. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دستیابی به سطوح ابرآب‌گریز و ابرآب‌دوست را ممکن کرده است.

—————————————–

[1] Self-cleaning

[2] Hydrophobic

[3] Hydrophilic

پوشش‌های آب‌گریز و ابرآب‌گریز

زبري سطح و ساختار آن، نقشي بسيار مهم در افزايش زاويه تماس دارند. انسان‌ها با الهام از برگ‌هاي نيلوفر آبي، براي ساخت سطوح فوق آب‌گريز تلاش کرده‌اند.‌ در پوشش‌های آب‌گریز، آب به محض تماس با سطح به شکل قطرات کروی تجمع یافته و از روی سطح لغزیده و ذرات آلودگی را با خود از روی سطح می‌زداید. زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس نانومتری باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی سطح قرار گرفته است افزایش پیدا می‌کند و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیداً کم می‌شود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می‌گیرد و به راحتی جریان پیدا می‌کند و ذرات آلاینده‌ی موجود بر روی سطح، به قطرات آب چسبیده و با غلطیدن قطرات آب، آلودگی‌ها نیز از سطح زدوده می‌شود. پوشش‌های نانو با ذرات در حد چند ده نانومتر، ضمن پوشش حفره‌های میان ذرات سطح و همچنین رساندن زاویه تماس آب با سطح به بیش از 120 درجه، امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین برده و موجب کاهش تجمع آلودگی‌ها و چسبندگی آن روی سطح خواهند شد.

مقایسه عملکرد سطوح آب‌گریز (سمت راست) و سطوح معمولی (سمت چپ)

خلاصه مشخصات پوششهای آب گریز یا ابر آبگریز

مناسب برای فلزات، شیشه، سرامیک، سنگ و سطوح پلاستیکی
کاربری آسان به طور مثال اسپری کردن و دمای معمولی اتاق یا مراقبت‌های حرارتی
شفاف، چسبندگی خوب بر روی زیر لایه‌ها بدون فرایند آماده سازی دشوار
خواص ضدچسبندگی و آسان تمیز شوندگی؛ بعلاوه محافظت‌های سطحی
با دوام، محافظت سطحی با ثبات شمیایی و مکانیکی

اثرات :

تقریبا آب به صورت مروارید کامل شکل می‌گیرد
گرد و غبار به راحتی توسط آب( بارش باران) شست و شو داده می‌شود.
مقاومت در برابر روغن

مزیتها:

دفع کننده آب و خاک
خود تمیز شوندگی (توسط آب یا باران و یا روش های دیگر)
شفافیت (مخصوصا برای سطوح تزئینی ، شیشه و پنجره‌ها دارای اهمیت می‌باشد)
مدل‌های گوناگون تجاری قابل دسترس

پوشش‌های آب دوست و ابر آب‌دوست

برخلاف سطوح آب‌گریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب برای اثر خودتمیزشوندگی استفاده می‌کنند، سطوح آب‌دوست ساختار شیمیایی آلودگی‌ها را در مجاورت نور از بین می‌برند. این فرایند فوتوکاتالیز نام دارد. در طول فرایند فوتوکاتالیز، ساختار شیمیایی آلودگی‌های ارگانیک و سایر ناخالصی‌ها که بر روی پوشش قرار دارد به‌وسیله جذب نور شکسته شده و به‌همراه آب از روی سطح جدا می‌شوند. یکی از موادی که کاربرد زیادی به‌عنوان سطوح خودتمیز شونده آب‌دوست دارد دی‌اکسیدتیتانیوم است. با کاهش ابعاد ذرات و افزایش نسبت سطح به حجم، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی ذرات افزایش پیدا می‌کند. به‌همین دلیل، معمولا از نانوذرات اکسیدتیتانیوم به‌عنوان سطوح ابرآب‌دوست استفاده می‌شود.

علاوه بر نانوذرات اکسیدتیتانیوم، نانوذرات دیگری مانند اکسید‌روی (ZnO)، کادمیم سولفید(CdS)، اکسید‌تنگستن (WO₃)و دی‌اکسید زیرکونیوم (ZrO₂) در پوشش‌های خودتمیز شونده کاربرد دارند.

در شکل زیر تفاوت بین زاویه تماس آب با سطح پوشیده شده با لایه نازکی از دی‌اکسید تیتانیوم- سیلیکون قبل و بعد از تابش نور نشان داده شده است. قبل از تابش نور UV، زاویه تماس قطرات آب با سطح بیش از 90 درجه است. با تابش نور، تجزیه و زدایش آلودگی از روی سطح به‌دلیل خاصیت فوتوکاتالیستی اتفاق می‌افتد. این زاویه به تدریج کم می‌شود (صفر درجه) و آب به همراه آلودگی‌های روی سطح به پایین ریخته می‌شود.

عملکرد سطوح آب‌دوست

در شکل زیر مقایسه بین دو کاشی معمولی و فوق آب‌دوست بررسی شده است. با اعمال تست عوامل جوی بر روی دو کاشی، کاشی با روکش آب‌دوست بیش از 3000 ساعت بدون هیچ‌تغییری سالم باقی ماند و توانایی خودتمیز شوندگی خود را حفظ کرد، به‌عبات دیگر خاصیت خودتمیز شوندگی این کاشی در شرایط محیطی معمول بیش از 10 سال دوام دارد. همچنین تعدادی از ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون، که به منظور آب‌بندی پنل‌های آلومینیوم و پنجره‌ها استفاده می‌شود، با آب باران شسته شده و موجب کثیف شدن دیوارها می‌شوند اما ایجاد پوشش‌های فوق آب‌دوست مانع از کثیف شدن دیوارها به‌وسیله ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون می‌شوند.

مقایسه بین کاشی معمولی و کاشی فوق آب‌دوست

در مثالی دیگر، فرایند خود تمیز شوندگی سطح بر پایه نانوذرات دی‌‌اکسید تیتانیوم نشان داده شده است (شکل 5). تصاویر مربوط به مقایسه سطح دو کاشی استفاده شده در نمای ساختمان بعد از 33 ماه است، که در یکی از پوشش خودتمیز شونده دی‌اکسید تیتانیوم استفاده شده و دیگری بدون پوشش می‌باشد. کاملاً مشخص است که سطح پوشش داده شده کاملاً تمیز مانده و ذرات گردو غبار و آلودگی تغییری در ظاهر آن ایجاد نکرده‌اند.

مقایسه خود تمیز شوندگی سطوح کاشی

خلاصه مشخصات پوششهای خودتمیز شونده فوتوکاتالیستی

خواص:

· چسبندگی مناسب بر روی کاشی، سرامیک، شیشه و فلز

· مقاومت شیمیایی بالا در برابر حلالها و اسیدها

· بسیار شفاف به خاطر وجود ترکیبات غیرآلی نانومقیاس

· سختی سطحی شبیه شیشه

· شیوه اعمال به صورت تجاری موجود است. مانند اسپری، غوطه وری، شارشی و چرخشی

اثرات:

نوع آناتاز نانوذرات تیتانیای فوتوکاتالیستی در یک بستری که با اثر فوتوکاتالیستی تجزیه نمیشود
برانگیختگی توسط پرتوی فرا بنفش محیط
سطح ابر آبدوست (ضد مه) – آب به زیر لکه میرود و آن را به راحتی میتوان پاک کرد.
اثر خود تمیزشوندگی با تجزیه مواد آلی و مضر
اکسیژن فعال بر روی سطح مواد آلی، غبار، لکه و غیره را میشکند.
چسبندگی سطحی را ضعیف میکند و سطح راحت تمیز میشود

مزیتها:

ترکیبات بودار و روغنی را حذف میکند
باکتری‌ها و ویروس‌ها را میکشد
پوشش نامریی ایجاد می‌کند
انواع مختلفی به صورت تجاری موجود است
غبار آلی میتواند توسط پرتو فرا بنفش از بین برود و با آب پاک شود
سطح به نظر تمیزتر میآید : غبار در همه جا به صورت یکسان پخش میشود – نقطه کثیف وجود ندارد

پوشش‌های آنتی باکتریال

پوشش‌های آنتی‌باکتریال از تشکیل باکتری‌ها، رشد جلبک‌ها و میکروب‌ها روی سطح جلوگیری می‌کنند. استفاده از پوشش‌های آنتی‌باکتریال باعث حفاظت سطوح در برابرتشکیل کپک و قارچ در اماکن عمومی، سرویس‌های بهداشتی، آشپزخانه‌ها وکارخانجات فراورده‌های غذایی می‌شود.

نانوذرات نقره، یکی از پرکاربرد‌ترین ذرات در حوزه نانو‌فناوری‌اند که به دلیل داشتن خصوصیات ضدمیکروبی مشهور بوده و به‌عنوان یک کاتالیست قادرند بیش از 650 گونه باکتری، ویروس و قارچ را نابود سازند.

نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش‌دهی کم می‌باشد، ولی زمانی‌که به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل می‌شود خاصیت میکروب‌کشی آن بیش از 99 درصد افزایش می‌یابد.

با به‌کارگیری پوشش‌های آنتی‌باکتریال و خودتمیز شونده در کاشی، سرامیک و سنگ و استفاده از آنها در اماکن عمومی نظیر بیمارستان‌ها، از انتشار و انتقال باکتری‌های بیماری‌زا ممانعت به‌عمل آمده و به این ترتیب علاوه بر پیشگیری، از شیوع بیماری در بین افراد جلوگیری می‌شود. همچنین با استفاده از نانوپوشش‌های آنتی‌باکتریال ویژگی ضدباکتری ذاتی در سطوح ایجاد می‌شود که با شست‌و‌شو یا مواد شوینده از بین نمی‌روند.

علاوه بر نانوذرات نقره، نانوذرات اکسید‌روی (ZnO)، اکسید‌مس ( (CuO، اکسیدآلومینیوم (Al₂O₃)، دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) و اکسید نیکل (NiO) دارای خاصیت ضد میکروبی قوی در برابر باکتری‌های گوناگون می‌باشند.

کاشی‌‌های سرامیکی دارای پایداری شیمیایی و ظاهری بالایی هستند و به همین دلیل به طورگسترده‌ای در محیط‌های مختلف مانند محیط‌‌های بیمارستانی و خانگی استفاده می‌شوند. متأسفانه کاشی‌های سرامیکی به‌خودی‌خود دارای خاصیت آنتی باکتریال نبوده و میکروارگانیسم‌ها به‌راحتی و به‌خصوص در محیط‌های مرطوب روی سطح آن تکثیر می‌‌شوند. حضور و تکثیر میکروارگانیسم‌ها روی سطح کاشی، سلامت انسان را به خطر می‌اندازد. نانو ذرات آنتی باکتریال، سازگار با محیط زیست هستند و برای بدن انسان بی ضررند. بنابراین با قراردادن این نانوذرات در لعاب کاشی و سرویس‌های بهداشتی، خاصیت آنتی باکتریال دائمی در سطوح کاشی ایجاد می‌شود.

عملکرد ضد باکتری نانوذرات نقره

ویژگی ضد باکتری بودن نقره به علت انتشار آرام و آهسته، اما مداوم یون های نقره است. ‌نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانوذرات نقره سبب می شود که یونها به سهولت منتشر شده و با سرعت بیشتر و به شکل مؤثرتری میکروبها را بکشند. نانوذرات نقره در مسیر ماده مغذی سلول انقطاع ایجاد کرده و سبب میشوند که دیواره و غشاء سلولی میکروب‌ها سست و ناپایدار گردد که این ناپایداری غشای سلولی به معنی مرگ زودرس میکروب خواهد بود. به‌این ترتیب، بدون استفاده از هیچ‌گونه ماده شیمیایی، میکروب‌ها به شکل مؤثری از بین می‌روند.

عملکرد آنتی‌باکتریال (ضدباکتری) نانوذرات نقره

تحقیقات نشان می‌دهد که دی‌اکسید‌تیتانیوم به‌عنوان یک فوتوکاتالیست قوی، مانند مواد آنتی‌باکتریال عمل می‌کند و اثربخشی آن 3 برابر قوی‌تر از کلر و 5/1 برابر قوی‌تر از اوزون است. این ماده توانایی از بین بردن ویروس سارس و آنفولانزا و باکتری استفیلوکوسوس[1] زرد را با بازدهی قریب به 100% دارد. همچنین اسپری دی اکسید تیتانیوم با خاصیت ضد باکتری برای استفاده بر روی کاشی‌ها، درب‌ها، سقف و کف اتاق‌ها دارای کاربرد تجاری است.

————–

[1] Staphylococcus

مزایای استفاد از فناوری‌نانو در صنعت کاشی و سرامیک

کاهش استفاده از مواد شوینده برای تمیز سازی سطح تا % 70
كاهش هزينه‌هاي پاكسازي و ضدعفوني‌کردن محيطي
کاهش دوره‌های پاک سازی
کاهش آلودگی‌های محیط و محافظت سطوح ازتاثیر نم و کثیفیها
سهولت در تمیز کردن لکه‌های سخت مانند سیلیکون، چربی و روغن با استفاده از آب
جلوگيري از رشد و گسترش کپک، جلبک و مشابه آن‌ها در محیط‌های بیمارستانی، حمام و سرویس بهداشتی
کاهش سایش و فرسایش سطوح
بی‌خطر و سازگار بودن مواد با محیط زیست

بازار نانوپوشش‌ها

تقاضای بازار جهانی نانوپوشش‌ها در سال 2012، 255 کیلوتن و با تخمین درآمدی حدود 14950 میلیون دلار بوده است. البته افزایش تقاضای مواد پیشرفته در صنایع پزشکی و خودروسازی، دلیلی برای رشد نانوپوشش‌ها بوده است. پوشش‌های توسعه یافته بر اساس فناوری نانو، دارای مزیت‌هایی از قبیل افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش، انعطاف‌پذیری و شفافیت بالا نسبت به پوشش‌های مرسوم هستند. انتظار می‌رود افزایش آگاهی در مورد پوشش‌های ضد‌‌میکروبی و خودتمیزشونده و کاربرد آن‌ها باعث بهبود تقاضای بازار در سال‌های آینده شود.

در نمودار زیر حجم بازار نانوپوشش‌ها (بر حسب کیلوتن) و محصولات مورد تقاضا در بین سال‌های 2012 تا 2020 نشان داده شده است]5[.

با توجه به گزارشهای Future Markets در شکل زیر درآمد حاصل از نانوپوششهای آسان تمیز شونده آبگریز و در شکل ۸ درآمد حاصل از پوششهای خودتمیزشونده فوتوکاتالیستی در آمریکا از سال ۲۰۱۰ و پیش بینی آن تا سال ۲۰۲۵ آورده شده است.

در آمد از نانو پوشش های خود تمیز شونده آبگریز از سال 2010- 2025، دلار امریکا

درآمدهای نانوپوششهای خود تمیزشونده فوتوکاتالیستی 2010 تا 2025. میلیون دلار

پتنت

به‌منظور تعیین اختراعات ارائه شده در زمینه‌ی پوشش‌های خودتمیزشونده در زمینه کاشی و سرامیک، پتنت‌های ارائه شده در این زمینه بررسی شدند. 5 پتنت در زمینه کاشی‌های خودتمیز شونده یافت شد که از این تعداد، اولین پتنت ثبت شده مربوط به شرکت TOTO کشور ژاپن در سال 1999، یک پتنت مربوط به کشور کره در سال 2001، دو پتنت مربوط به کشور چین در سال‌های 2008 و 2013 و یک پتنت مربوط به کشور تایوان در سال 2013 است.

شرکت‌‌ها

در جدول زیر اسامی برخی از شرکت‌های داخلی و خارجی فعال در زمینه تولید کاشی و سرامیک‌های آنتی‌باکتریال و خودتمیزشونده ذکر شده است. برخی از این شرکتها طبق توضیحات کتب جامع محصولات و تجهیزات ستاد نانو (نانو و صنعت)، موفق به اخذ گواهی نانومقیاس شده اند:

شرکت‌های داخلی	نام شرکت	محصول تولیدی	وبسایت
	پارس پوشش نانو پارس	تولیدکننده پوشش‌های نانو برای سطوح سنگی و …	www.nanonama.com
	نانو پارسه	پوشش‌های خودنیز شونده	www. nanoparse.com
	هنر سنگ آریا	تولید کننده سنگ‌های آرتیسون با خاصیت خودتمیزشوندگی و ضد باکتری	www.artystone.com
	شرکت نانونیا	پوششهای خودتمیزشونده و آنتیباکتریال	www.nanonia-co.com
شرکت‌های خارجی	microban	تولید کننده محصولات آنتی باکتریال	www.microban.com
	TOTO	کاشیهای خودتمیز شونده و آنتی باکتریال	www.gb.toto.com
	Flander	تولیدکننده کاشی و سرامیک آنتی‌باکتریال و خودتمیزشونده	www.granitifiandre.com
	Crossville	کاشی خود تمیزشونده و آنتی باکتریال	www.crossvilleinc.com
	Architerials	کاشی و سرامیک خود تمیزشونده و آنتی باکتریال	www.architerials.com
	Coating Specialists (CS)	سطوح خود تمیز شونده و ضد باکتری	www. antimicrobial.com
	Ariostea	کاشی‌‌های آنتی‌باکتریال	www.ariostea-high-tech.com

مراجع

[1] www.mdpi.com

[2] www.nano.ir

[3] Ivan P. Parkin and Robert G. Palgrave, Self-cleaning coatings, Journal of Materials Chemistry, 2004.

[4] Shunsuke Nishimotoab and Bharat Bhushan, Bioinspired,self-cleaning surfaces with superhydrophobicity, superoleophobicity, and superhydrophilicity, RSC Advances, 2012.

[5] Mohammad J. Hajipour, Katharina M. Fromm, Ali Akbar Ashkarran,

Dorleta Jimenez de Aberasturi, Idoia Ruiz de Larramendi5, Teofilo Rojo, Vahid Serpooshan, Wolfgang J. Parak and Morteza Mahmoudi, Antibacterial properties of nanoparticles, trends in biotechnology, 2012.

[6] www.grandviewresearch.com