کاربرد فناوری نانو در لوازم خانگی: ظروف آشپزخانه با پوشش‌ نانویی

نانو پوشش‌های سرامیکی برای استفاده در ظروف آشپزخانه

در این گزارش ابتدا ظروف نچسب معرفی می‌شوند، سپس به معرفی کاربرد نانو پوشش‌های سرامیکی در این ظروف و ویژگی‌های آن می‌پردازیم و در نهایت آن‌ها را با ظروف نچسب PTFE مقایسه می‌کنیم.

ظروف نچسب

سطح نچسب به سطحی می‌گویند که به گونه‌ای مهندسی شده است که از چسبیدن سایر مواد به آن جلوگیری شود. یک کاربرد رایج این سطوح در ظروف آشپزخانه است [[i]].

تاریخچه

نخستین ماهی‌تابه نچسب با استفاده از یک پوشش PTFE ساخته شد. PTFE در سال 1938 به طور تصادفی کشف شد. این ماده خاصیت‌های جالبی از جمله مقاومت به خوردگی خوب و ضریب اصطکاک بسیار پایین، از خود نشان می‌دهد. نخستین پتنت درباره استفاده از PTFE در ظروف آشپزی نچسب در سال 1954 در فرانسه ثبت شد و شرکت فرانسوی Tefal برای نخستین‌بار در سال 1956 ماهی‌تابه‌های نچسب را وارد بازار کرد.

ظروف نچسب جدید و مدرن لزوما از PTFE استفاده نمی‌کنند و از پوشش‌های سرامیکی نانو به عنوان نسل آینده ظروف نچسب نام برده می‌شود [[ii]].

مکانیزم

اما چرا غذا به ظروف نچسب (به صورت اختصاصی، ظروف نچسب PTFE)، نمی‌چسبد؟ (لازم به ذکر است که منظور از ظروف PTFE ظروفی است از جنس آلومینیوم یا فولاد زنگ‌نزن، که بر روی آن‌ها پوشش PTFE داده شده است). جواب این سوال در سه مورد زیر خلاصه شده است [[iii] و[iv]]:

• ضریب اصطکاک[1]: ضریب اصطکاک به زبان ساده، اندازه‌ای از میزان سهولت لغزش دو ماده بر روی یکدیگر است، هرچه ضریب اصطکاک بیشتر باشد آن دو ماده سخت‌تر بر روی یکدیگر می‌لغزند. PTFE جزو موادی است که غذا به راحتی بر روی آن می‌لغزد و تمایلی کمتری برای چسبیدن به آن دارد.

• آب‌گریزی[2]: سطح PTFE آب‌گریز است و این یعنی آب و مواد شامل آب، نمی‌توانند سطح آن را خیس کنند و روی آن پخش نمی‌شوند. این سطوح دارای پستی و بلندی‌ها بسیار ریز (در ابعاد نانو) هستند. یک مثال طبیعی از سطوح آب‌گریز سطح برگ نیلوفر آبی است. شکل 3، سطح آب‌گریز نوعی گیاه را نشان می‌دهد.

ساختار الکترونی: PTFE یا همان پلی تترافلوئورواتیلن، نوعی فلوئورو پلیمر است. پلیمر مولکولی بزرگ است که از مولکول‌های کوچک مشابه ساخته شده است. فلوئورو پلیمر‌ها، پلیمر‌هایی هستند که از اتم‌های فلور تشکیل شده‌اند. ساختار الکترونی فلوئورین بسیار پایدار است به این معنا که الکترون‌هایش را به آسانی با سایر اتم‌ها به اشتراک نمی‌گذارد. ترکیب شیمیایی PTFE بر پایه دو اتم کربن و چهار اتم فلور تشکیل شده است که در ساختار پلیمر تکرار می‌شوند، اتم‌های فلور مانع از واکنش اتم‌های کربن می‌شوند.

—————————————–

[1] Coefficient of friction

[2] Hydrophobicity

[i] http://en.wikipedia.org/wiki/Non-stick

[ii] http://www.azonano.com/news.aspx?newsID=5451

[iii] http://en.wikipedia.org/wiki/Ptfe

[iv] Brown, Jessica.  “How Nonstick Cookware Works”  30 December 2008.  HowStuffWorks.com. <http://home.howstuffworks.com/nonstick-cookware.htm>

شکل زیر موارد بالا را به صورت شماتیک نشان می‌دهد. هر ظرف نچسب با هر پوششی باید خواص اشاره شده را داشته باشد.

ساختار مولکولی پلیمر PTFE (آبی= اتم فلور خاکستری= اتم کربن) [4]

 خطرات

ظروف PTFE در دمای حدود 260 درجه سانتی‌گراد شروع به تخریب می‌کنند و در 350 درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شود و گازی تولید می‌کند که می‌تواند علایمی مشابه آنفولانزا در انسان ایجاد کند [[1]].

مزایای ظروف نچسب در برابر خطرات ظروف نچسب با پوشش PTFE باعث شد محققان به ضرورت تولید ظروف نچسب بدون PTFE پی‌ببرند که ظروف با پوشش سرامیکی نانو یک دسته از این ظروف‌اند.

ظروف نچسب با پوشش سرامیکی نانو

ظروف نچسب با پوشش سرامیکی نانو برای نخستین‌بار در سال 2007 وارد بازار آمریکا شدند و بیش از 6 سال از تولید آن‌ها نمی‌گذرد و هنوز جای پیشرفت زیادی دارند [4]. این دسته‌ای از ظروف، با داشتن تمامی مزایای ظروف نچسب، به گفته سازندگان آن [[2]و[3]و[4]و[5]] هیچ‌گونه آسیبی به انسان وارد نمی‌کنند و تهیه آنان نیز به روش‌های دوستدار محیط‌زیست است. به ادعای سازندگان این محصولات، آن‌ها می‌توانند تا دمای 450 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند و هیچ گونه گاز سمی از خود آزاد نمی کنند؛ هم چنین روش تولید آن‌ها روش سل-ژل معرفی شده است [6].

فرایند سل-ژل (Sol-gel)‏ که با نام رسوب‌دهی محلول شیمیایی (Chemical Solution Deposition)‏ از آن یاد می‌شود، یک روش شیمی‌ تر است که در مهندسی و علم مواد و مهندسی سرامیک به طور گسترده استفاده می‌شود. یکی از دسته موادی که با این روش می‌تواند تولید شود، پوشش‌های نانوی اکسید‌های فلزی یا در واقع نانو پوشش‌های سرامیکی است [[6]].

در جدول 1، مقایسه‌ای بین ظروف نچسب با پوشش PTFE و نانو سرامیک‌ها انجام شده است. همان گونه که از جدول مشخص است، پوشش‌های نانو سرامیکی گزینه‌های بهتری برای ظروف نچسب‌اند، اما تنها 6 سال از عمر فناوری‌شان می‌گذرد و هنوز در بازار جا نیفتاده‌اند.

سایر ظروف نچسب

تا به اینجا بحث تنها در مورد ظروف نچسبی بوده است که قرار است روی شعله گاز قرار گیرند، اما فناوری نانو در تولید ظروف نچسبی مانند بشقاب نیز کاربرد دارد.

محصولات پلاستیکی، به علت طول عمر بالا، ایمنی و هزینه پایین، جایگزین ظروف آشپزخانه سنتی که از جنس شیشه و سرامیک هستند می‌شوند. با این وجود، برخی هنوز سرامیک‌ها و شیشه‌های گران و شکستنی را ترجیح می‌دهند زیرا پلاستیک‌ها پس از تماس با غذا، ممکن است به تدریج از بین بروند که می‌تواند باعث تغییر رنگ، ظاهر و انتشار بو شود. پوشش‌های سرامیکی نانو می‌توانند با حفظ خواص مثبت پلاستیک ها، خواص مضر آن را از بین ببرند. این پوشش، خواص خود تمیزشوندگی و باکتری‌زدایی به ظروف می‌دهد. این پوشش‌های سرامیکی همچنین می‌توانند بدون کمک گرفتن از مواد شیشه‌ای یا سرامیکی، سطوح نچسب و با قابلیت‌های دما بالا تولید کنند.

دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) و اکسید‌روی (ZnO) گزینه‌های مناسبی برای پوشش‌های سرامیکی نانو برای رسوب‌دهی بر روی پلاستیک‌ها یا لایه‌های پلاستیکی استفاده شده در ظروف آشپزخانه و پخت‌و‌پز هستند. پوشش‌دهی این لایه سرامیکی بر روی ظروف، در دماهای پایین (زیر 100 درجه سانتی گراد) و با روش‌های دوست‌دار محیط‌زیست انجام می‌شود.

این فناوری می‌تواند پوشش‌های سرامیکی نانویی با طول عمر بالا و مفید بر روی مواد پلاستیکی تولید کند. هزینه تولید ناچیز است و می‌تواند در ابعاد زیاد نیز تولید شود [[7]].

جدول 1 مقایسه ظروف نچسب با پوشش PTFE و ظروف نچسب با پوشش نانو سرامیکی

شرکت‌های تولیدکننده ظروف پخت و پز نانویی

شرکت‌هایی در کشورهای هنک‌کنگ، آمریکا، کانادا و بلژیک در حال حاضر در حال تولید این ظروف هستند. اما هنوز شرکتی در ایران این محصولات را تولید و ارائه نکرده است.

—————————————–

[1] http://lavieverte.wordpress.com/2009/04/24/safety-in-cookware-ptfe-vs-nano-ceramic-coatings/

[2] http://www.green-pan.com/en/technology-1743.htm

[3] http://www.activeconcepts.ca/pfoa.aspx

[4] http://cookware.mercola.com/faqs.aspx

[5] http://www.beka-cookware.com/

[6] http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D9%84-%DA%98%D9%84

[7] John H., Nano-Ceramic Coated Plastic, Gelnn Research Center,Cleveland, Ohio

—————————————–

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