کاربردهای فناوری نانو در صنعت عایق های رطوبتی

نانو یک واحد اندازه می باشد. یک نانومتر برابر یک میلیاردم متر می باشد (به اندازه 10 اتم هیدروژن که پشت سر هم قرار گرفته اند). به صورت قراردادی، زمانی که اندازه ذرات یک ماده کمتر از 100 نانومتر باشد به آن  نانوماده  گفته می شود.

شکل 1- خاصیت آبگریزی ناشی از نانو ذرات.

• عایق های رطوبتی

عایق رطوبت به ماده ای گفته می شود که بتواند از نفوذ آب جلوگیری کند. این مواد معمولا صفحات پلاستیکی یا فویل هستند که می توانند از نفوذ رطوبت به دیوارها، سقف و کف ساختمان جلوگیری کنند و عمر مواد مورد استفاده در یک ساختمان را افزایش دهند. رطوبت موجب پوسیدگی مواد و بوجود آمدن عوامل بیماری زا و مضر می شود. متاسفانه بسیاری از مواد ضد  آب مرسوم مثل پلی اوریتان[1] با خیس شدن ترکیبات اورگانیک مضرری ایجاد می کنند([2]VOC).

آب منبع اصلی صدمات وارده به بتن است. حتی بهترین بتن ها هم در اثر خاصیت موئینگی، آب و سایر آلودگی ها را وارد خود می کنند که این امر موجب از بین رفتن استحکام بتن می شود.

در صنعت بسته بندی معمولا از پلیمر های قابل تجزیه در طبیعت استفاده می شود. پلیمر هایی که برای ساخت بسته بندی استفاده می شوند اغلب آب و گاز های مختلف را از خود عبور می دهند که باعث می شود عمر مفید مواد درون آنها کاهش یابد. از نقطه نظر تکنیکی تمام این مواد نفوذ آب را به تاخیر می اندازند که میزان این تاخیر وابستگی به درجه نفوذ پذیری آن ها دارد. سلولز یکی از بیوپلیمرهای مورد استفاده در این حوزه می باشد[8]. تمام مواد دارای نرخ عبور بخار آب هستند که توسط روش های استاندارد اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری  خاصیت نفوذ پذیری g/m².day و یا Perms می باشد. بر اساس استاندارد نفوذ پذیری مواد به 3 دسته تقسیم می شود: غیر قابل نفوذ (1US Perm >) نفوذ تقریبی (1-10 US Perm) و نفوذ پذیر (10 USPerm <).

شکل 2- عابق های رطوبت در صنایع بسته بندی کاربردهای زیادی دارند.

مواد مورد استفاده در عایق های رطوبتی معمولا به صورت غشا یا پوشش می باشند مانند فویل آلومینیومی، ورق پلاستیکی پلی اتیلن، کارتن قیر اندود شده، پلی استایرن، تخته 3 لایی و ورق های فلزی و شیشه ای همچون درها و پنجره ها.

98 درصد بخار آب وارد شده به ساختمان از طریق هوا و 2 درصد از طریق حرارت و نفوذ در مواد ساختمانی می باشد. همچنین نیروی باد، اثر مویینگی و نفوذ هوا نیز موثر می باشد[1]. نفوذ رطوبت از دیواره و کف ساختمان و همچنین در بسته بندی مواد غذایی، الکترونیکی و دارویی می تواند مشکلاتی را ایجاد نماید.

هزینه بسته بندی مواد غذایی و دارویی در دنیا که نیاز به عایق رطوبت دارند در سال 2007 ، 8/3 میلیارد دلار بوده و تخمین زده می شود که این مقدار در سال 2014 به 6/4 میلیارد دلار خواهد رسید[2]. عایق های رطوبتی که فلزی هستند به دلیل قیمت بالا و عایق های شیشه ای به دلیل عدم سهولت حمل و نقل مورد استفاده قرار نمی گیرند. بنابراین از کاغذهای سلولزی استفاده می شود که برای به‌دست آوردن خواص عایقی مناسب از پوشش های پلاستیکی، موم و آلومینیوم استفاده می شود که باعث می شود از خاصیت زیست سازگار پذیری آن کاسته شود[2].

3- فناوری نانو در عایق های رطوبتی

پوشش های نانو با ایجاد خاصیت مقاوم در برابر رطوبت، می توانند از بروز خطرات مواد پلیمری VOC جلوگیری کنند. نانو فیبرهای سلولزی (با قطر 10 تا 50 نانومتر) به سبب داشتن خاصیت زیست سازگاری بالا،  ساختار متخلخل و طبیعتا وزن کم، پیوند های هیدروژنی و در نتیجه ساختار مستحکمی که ایجاد می کند، می تواند به عنوان گزینه ای مناسب در این کاربرد مطرح باشد. استفاده از این مواد همچنین از هزینه های انتقال می کاهد.

شکل 3- ساختار فشرده ای از نانوفیبر های سلولزی استحکام بالایی ایجاد می کنند[3].

نانو پوشش های عایق بر روی بسته بندی های معمول می تواند خواص منحصر به فردی به آن بدهد. لایه های بسیار نازک نانومتری آبگریز می تواند کاغذ معمولی را تبدیل به مانعی بسیار خوب در برابر رطوبت و هوا کند[2]. پوشش های ایجاد شده می توانند حاوی نانو صفحات خاک رس (کلی) باشند تا در برابر نفوذ آب، روغن و هوا مقاومت بالایی بدست آورند[2]. اضافه کردن نانوصفحات خاک رس باعث افزایش کیفیت حرارتی و پایداری پوشش می شود. اضافه کردن تنها 3 درصد وزنی از این مواد می تواند عبور رطوبت را تا g/day.m²38 کاهش دهد[8].  این مواد علاوه بر افزایش استحکام و خواص مکانیکی به دلیل قیمت بسیار کم در مقایسه با پلیمر ها می توانند کاهش زیادی در هزینه ها ایجاد کنند. مانعی که این صفحات ایجاد می کنند می تواند در برابر عبور گازها و ترکیبات آروماتیک و اکسیژن نیز مقاومت کرده و کیفیت خود را بدون محدودیت زمان حفظ کنند.

شکل 4- نانو صفحات خاک رس می توانند با افزایش مسیر انتقال، نفوذ رطوبت را به حداقل ممکن برسانند[9].

این نانو صفحات برای جلوگیری از نفوذ اکسیژن نیز مورد استفاده قرار می گیرد که می تواند در ساخت تایر خودرو ها نیز کاربرد داشته باشد. نحوه اعمال این نانومواد اعمال پوششی از این مواد بر روی بسته بندی هایی از جنس پلی پروپیلن، پلی استر و نایلون می باشد. همچنین از روش های اکستروژن[3] و تزریق قالب[4] نیز برای ساخت نانوکامپوزیت های آن استفاده شده است.

افزایش نانوصفحات خاک رس به زمینه نشاسته نشان داده است نه تنها نفوذ رطوبت کاهش پیدا می کند بلکه استحکام زمینه نیز افزایش پیدا می کند[6].

شکل 6- افزایش خاک رس تا 20 درصد وزنی می تواند بیشترین میزان کاهش در انتقال رطوبت را باعث شود[6].

افزایش استحکام مدول یانگ پلیمر ها تا 5 برابر دیده شده است[9]. تولیدات صنعتی بر پایه نانو صفحات خاک رس به 2 دسته تقسیم بندی می شوند: 1- معمولی 2- تقویت شده. محصولات معمولی دارای 2 تا 4 درصد نانوصفحات خاک رس بوده و دو برابر محافظ بهتری در برابر گاز اکسیژن و رطوبت آب می باشند. در حالی که محصولات تقویت شده دو برابر محافظ بهتری در برابر گاز دی اکسید کربن می باشند[11].

نانو ذرات اکسید تیتانیوم دارای خاصیت آبگریزی می باشند. با اضافه کردن پوشش آبگریز بر روی بسته بندی ها علاوه بر اینکه مولکول های آب از سطح پوشش دفع می گردند، خاصیت خود تمیز شوندگی پوشش موجب افزایش بهداشت بسته بندی به خصوص در بسته بندی مواد دارویی می شود. با بهره گیری از حضور نانوذرات روی سطح بسته بندی، قطرات آب بر روی سطح فوق آبگریز شده توسط نانو ذرات به صورت کروی در آمده و سطح بسته بندی را خیس نمی کنند،

مانع گاز و رطوبت می تواند توسط لایه نازکی با ضخامت 10 تا 30 نانومتر از نانو مواد زیر نیز ایجاد شود:

• آلومینیوم
• SiO₂ (آب دوست عایق رطوبت معمولی)
• Al₂O₃ ( عایق بهتری است)
• Al₂O₃-OxyNitrate عایق بسیار خوب

نانوذرات مختلف در صورتی که به رنگ اضافه شوند می توانند پوششی مناسب ایجاد کنند که مقاومت پوشش را نه تنها در برابر رطوبت بلکه در برابر رشد باکتری، قارچ و کپک، نفوذ پرتوهای فرابنفش و عبور انرژی حرارتی افزایش دهند. این محصولات در صورتی که پایه سیمانی باشند، تنفس بتن را حفظ کرده و هیچگاه طبله و ورقه نمی شوند و در مقابل ایجاد درز و ترک تا حد قابل ملاحظه ای مقاومت دارند. خاصیت آبگریزی این رنگ ها، می تواند موجب خود تمیز شوندگی سطوح شده و از یخ زدگی و فروپاشی مصالح جلوگیری می کند. نانو ذرات سیلیس موجود در این گونه رنگ ها ساختاری سخت و با دوام ایجاد می کنند که می تواند جایگزین مناسبی برای رنگ های مرسوم در نما و انواع کنیتکس و پوشش های رزین دار و همچنین ایزوگام و قیرگونی باشد. نحوه اعمال این پوشش ها با قلم مو، فرچه، غلتک و اسپری بوده  و بر روی تمامی سطوح از قبیل سنگ، آجر، گچ و سیمان قابل اعمال است.

شکل 8 سطوح عایق کاری شده با رنگ های عایق رطوبت.

4- محصولات خارجی

محصولات مختلفی در زمینه ی عایق های رطوبتی وجود دارد. برخی از این محصولات در جدول زیر آورده شده است.

استفاده از این محصولات مزایای زیادی به دنبال دارد. این محصولات می توانند از سنگ، چوب و سایر مواد متخلخل در برابر رطوبت محافظت کنند. این محصولات در صورت اعمال شدن بر روی چوب و کاغذ می توانند آن را تمیزتر از حالت عادی نشان داده و هرگونه رطوبتی که در ماده است را در زمان استفاده خارج کنند. این مواد را می توان در حال ساخت بتن به آن اضافه و یا بعدا روی آن اعمال کرد. این محصولات بتنی مقاوم در برابر نمک، یخ زدگی، خزه، باکتری و قارچ ایجاد می کنند و عاری از مواد مضر برای بدن هستند و می توانند در هر شرایطی استفاده شوند. این بتن ها کمتر از 1 درصد جذب رطوبت از خود نشان می دهند. همچنین از این محصولات می توان جهت پوشش سطوح فولادی استفاده کرد. این محصولات در حفرات فولاد جوانه هایی ایجاد کرده و با پر کردن آن ها از جذب رطوبت جلوگیری می کنند.

بطور کلی با استفاده از این محصولات، مواد در برابر هر گونه روغن، آب و آلودگی حفظ می شوند و سطوحی زیبا با عمر طولانی ایجاد می کنند.

5- محصولات داخلی

شرکت های فعال داخلی در زمینه عایق های رطوبتی مبتنی بر فناوری نانو:

6- بازار عایق‌ها

به دلیل افزایش ساخت‌و‌ساز و گسترش صنایع، انتظار می‌رود تقاضا در خصوص استفاده از مواد عایق در چند سال آینده رشد چشمگیری داشته باشد، بازار جهانی نانوپوشش‌های جدید شامل عایق‌های حرارتی و رطوبتی از سال 2012 تا 2014 رشد بیش از 7 درصدی داشته است و در سال 2014 به بیش از 4/15 میلیارد دلار رسیده است. بر اساس پیش‌بینی کارشناسان، تقاضای سرمایه‌گذاری‌های عمومی و خصوصی در ساختمان‌سازی منجر به رشد جهانی بخش عایق در سال‌های آینده خواهد شد، به‌طوری که در سال 2017 در امریکا این مقدار به بیش از 10میلیارد دلار برسد]12[.

———————————————–

[1]  Polyurethane

[2] Volatile organic compounds

[3] Extrusion

[4] Injection molding

————————–

مراجع

[1] en.wikipedia.org/wiki/Vapor_barrier

[2] Yulin Deng, Art Ragauskas, “ Green Nanocellululosic Barriers” a report from Georgia institute of technology, april 2012.

[3] J. Lee, Y. Deng,” The Morphology and Mechanism Properties of Ice-Templated Cellulose Microfibril Porous Foams”, Soft Matter, (2011)  7, 6034.

[4] Stanssens, D., H. Van den Abbeele, et al”Creating water-repellent and super-hydrophobic  cellulose substrates by deposition of organic nanoparticles.” Materials Letters . (2011) 65(12): 1781-1784.

[5] Milton T. Nettle, Oladiran Fasina,” A Study of Barrier Properties of LDPE Nanocomposite Films Under Extreme Environmental Conditions” Proceedings ofANTEC 2005, Annual Technical Conference (Boston, MA, 1-5 May 2005).

[6] Xiaozhi Tang, Sajid Alavi,and Thomas J. Herald,” Barrier and Mechanical Properties ofStarch-Clay Nanocomposite Films” Cereal Chem. 85(3):433–439.

[7] Harris A. Goldberg, Laxmi Samantara, David Rigie, Carrie A. Feeney, and Michele Farrell” Moisture-barrier properties of water-based nanocomposite coatings” society of plastic engineering, 10.1002/spepro.003644.

[8] R. I. Quintero, M. J. Galotto, A. Guarda, F. Rodríguez” Mechanical, Thermal And Water Vapor Barrier Properties Of Nanocomposite Films Based On Cellulose Acetate Butyrate” international conference on food innovation,(2010) 25-29.

[9] Peter Maul,” Fillers, Pigments and Additives for Plastics in Packaging Applications”, Pira International Conference, Brussels, Belgium December 5-6, 2005.

[10] US Patent # 5,021,515, issued June 4, 1991

[11] US Patent # 6,232,388, issued May 1, 2001.

[12] www.nanowerk.com

—————————————————

ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)

همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================