نگهداری ساختمان و اجزای آن، از فعالیتهای مهمی است که پس از ساخت بنا باید موردتوجه طراحان و کاربران ساختمان قرار گیرد. مانند هر وسیلهٔ دیگری، ساختمان هم نیاز به نگهداری و شستشو دارد. این مسئله، بهویژه در مورد سطوح در معرض دید، مانند نمای ساختمان اهمیت ویژهای پیدا میکند. هزینه و نیروی انسانی که به این منظور صرف میشود، در ساختمانهای ویژه (مانند آسمانخراشها و ساختمانهای بزرگی چون ورزشگاهها) ارقام قابلتوجهی را به خود اختصاص میدهد.
به منظور کاستن از هزینههای نگهداری و تمیز نگاه داشتن سطوح ساختمان و همچنین کاهش تکرار این فرایند، متخصصان عرصهٔ فناوری نانو، از این فناوری نوین به منظور ایجاد امکانی برای تولید سطوح، با هدف خودتمیزشوندگی و آسان تمیزشوندگی استفاده کردهاند. امروزه محصولاتی که با این هدف تهیه میگردند، با استقبال چشمگیری از سوی طراحان، سازندگان و مالکان ابنیه مواجه شده است.
- اصول خودتمیزشوندگی
پوششهای خود تمیزشونده[1] به دو گروه آبگریز[2] و آبدوست[3] تقسیم میشوند و در هر دو نوع، پوشش بهواسطهٔ آب، آلودگی را از سطح میزداید، یکی بهواسطه تشکیل قطرات کروی شکل و دیگری از طریق تشکیل ورقههای نازک آب روی سطح. در پوششهای آبدوست آب در سطح گسترده میشود و بهاینترتیب میتواند آلودگیها را با خود حمل کند و از بین ببرد. درحالیکه در سطوح آبگریز قطرات آب روی سطح میلغزند و آن را تمیز میکنند.
پدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماسی مایع با سطح بستگی دارد. زاویه تماسی مایع در فصل مشترک سه فاز جامد، مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل میشود. بهطورکلی، اگر زاویه تماسی کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبدوست و اگر بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبگریز مینامند. سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآبدوست[4] و سطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابرآبگریز[5] نام دارند. سطوح آبگریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، درحالیکه 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 ساخته است.
زاویه تماس که میزان آبگریزی سطح را تعیین میکند. این زاویه، میزان ترشوندگی[6] و عملکرد نسبی نیروی کشش سطحی بین آب، هوا و سطح را توصیف میکند.
1-1. پوششهای آبگریز و ابر آبگریز
منبع الهام سطوح خود تمیزشوندهٔ آبگریز به گیاه نیلوفر آبی بازمیگردد. این گیاه بهاینعلت موردتوجه قرار میگرفته که از پاکی و تمیزی استثنایی برخوردار بوده است. در این گیاه، آب بهمحض تماس با سطح به شکل قطرات کروی تجمع یافته و با لغزش از روی سطح ذرات آلودگی و خاک را با خود از روی سطح میزداید.
خاصیت خودتمیزشوندگی برگ گیاه نیلوفر آبی، منبع الهام سطوح خود تمیزشونده بوده است.
خاصیت آبگریزی بعضی از گیاهان مانند نیلوفر آبی به دلیل وجود ناصافیهای میکروسکوپی است که سبب میشود سطوح زبری بر روی برگها پدید آید که دارای خاصیت آبگریزی باشند. زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس میکرومتر یا نانومتر 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 بهراحتی جریان پیدا میکند و ذرات آلایندهٔ موجود بر روی سطح، به قطرات آب چسبیده و با غلتیدن قطرات آب، آلودگیها نیز از سطح زدوده میشود.
تصویر یک قطره آب بر روی برگ نیلوفر آبی، ذرات آلودگی روی قطره آب میچسبند و از سطح جدا میشوند.
با الهام از اثر نیلوفر آبی، امروزه سطوح و پوششهایی تولید میشوند که به دلیل ریزساختار زبرشان دارای اثر خودتمیزشوندگی باشند. با استفاده از فناوری نانو و ایجاد سطوحی که زبری در مقیاس نانومتر داشته باشند سطوح فوق آبگریز پدید آمدهاند که از امکان تر شدگی کمتری برخوردارند.
یک پوشش ابر آبگریز که قطرات آب با لغزیدن روی آن آلودگی را از روی سطح میزدایند.
1-1-1- بازار و کاربردها
جدول 1: بازار و کاربرد پوششهای خود تمیزشونده (بیونیک)
| صنایع | کاربرد |
| ساختمان | · سطوح خارجی، که در معرض عناصری همانند نماهای خود تمیزشونده هستند (سیمان، پلاستیک، آهن یا سطوح رنگشده) پنجرهها، در و دروازه |
| انرژی | · پوششهای شیشهای پانلهای خورشیدی
· توربینهای بادی (تیغههای چرخنده) |
| خودرو | · پنجرههای ماشین و آینههای آن |
| پارچه | · پارچههای ضد لک و پوشاک |
| داخلی | · در حمام |
| اپتیک و الکترونیک | · لایههای نازک ضد انعکاس
· فیلترهای اپتیکی · لنزهای چشمی · آینهها · لنزهای دوربین · نمایشگرهای الکترونیکی |
1-2. پوششهای آبدوست و ابر آبدوست
نوع دیگر پوششهای خود تمییز شونده عملکردی کاملاً متفاوت نسبت به پوششهای آبگریز دارند. پوششهای آبدوست منحصراً تکیه بر جریان آب برای تمیز کردن آلودگی سطح ندارند. این پوششها در اثر خاصیت فتوکاتالیستی[7] خود، با قرار گرفتن در معرض نور آلودگی سطحی را تجزیه میکنند و با جریان یافتن آب روی سطح آلودگیها پاک میشود. اینگونه پوششها رشد تجاری بالایی در صنعت پیدا کردهاند.
تجزیه و زدایش آلودگی از روی سطح با استفاده از خاصیت فوتوکاتالیستی سطح
درواقع خاصیت خودتمیزشوندگی برای سطوح آبدوست ناشی از دو خصوصیت فتوکاتالیستی و آبدوستی است.
مواد فتوکاتالیست موادی هستند که در حضور نور (فوتو) از خود خاصیت کاتالیستی نشان میدهند. یعنی اگر این مواد در معرض تابش نور قرار گیرند، بهعنوان یک کاتالیست میتوانند سرعت انجام یک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزایش دهند. مواد فتوکاتالیست ساختار شیمیایی آلودگیها را در مجاورت نور خورشید از بین میبرند. در طول فرایند فوتوکاتالیستی، ساختار شیمیایی آلودگیهای ارگانیک و سایر ناخالصیها که بر روی پوشش قرار دارد به وسیله جذب نور خورشید شکسته میشود. شکل زیر شماتیکی از پدیده فتوکاتالیستی را نشان میدهد.
شماتیکی از پدیده فتوکاتالیستی
همچنین این مواد در معرض نور خورشید موجب ایجاد خواص آبدوستی سطح میشوند. خاصیت آبدوستی سطح نیز باعث میشود با کاهش زاویه تماسی، صفحاتی از آب بر روی سطح ایجاد شود که آلودگیها را از بین بَرَد.
شکل زیر نیز پدیدهٔ آبدوستی را با استفاده از دیاکسید تیتانیم نشان میدهد. هنگامیکه پوشش در معرض نور خورشید قرار میگیرد دارای خاصیت آبدوستی میشود.
ایجاد پیوندهای سطحی ایجاد شده در سطح آبدوست
روند پدیده فتوکاتالیستی
شکل زیر نیز شماتیکی از خاصیت خودتمیزشوندگی که از ترکیب پدیدهٔ فوتوکاتالیستی به همراه پدیدهٔ فوق آبدوستی نتیجه میشود را نشان میدهد.
شماتیک پدیده خودتمیزشوندگی
انواع مختلفی از اکسید و سولفید فلزی که در ابعاد نانومتری دارای خاصیت خود تمیزکنندگی هستند، طی مهرومومهای اخیر کشف شدهاند که ازجملهٔ آنها TiO2، WO3، ZrO2، ZnO2 و CdS را میتوان نام برد. این مواد قدرت خود تمیزکنندگی متفاوتی ر ا در سطح ایجاد میکنند. از بین این نیمههادیها TiO2 خواص بسیار مناسبی نسبت به بقیه از خود نشان میدهد و یکی از مواد فتوکاتالیستی است که کاربرد زیادی بهعنوان سطوح خودتمیزشونده آبدوست دارد. دیاکسید تیتانیم یک مادهٔ ایده آل برای پدیدههای فوتوکاتالیستی است. زیرا:
- ارزان و قابل دسترس است
- مقاومت به خوردگی بالا دارد
- اکسیدکننده قوی است
- پدیدهٔ فوتوکاتالیستی میتواند در دماهای معمول رخ دهد
- واکنش میتواند در اتمسفر اکسیژن رخ دهد
ذرات و پوششهای با مقیاس نانو (ابعاد در اندازهٔ بین 1 الی 10 نانومتر) و ذرات و پوششهای با ابعاد میکرو و ماکروی تیتانیا خواص متفاوتی از خود نشان میدهند. نیمههادیها با ابعاد فیزیکی نانو خواصی از خود نشان میدهند که در مقیاس تودهای در آنها دیده نمیشود. در ابعاد نانو نسبت سطح به حجم افزایش مییابد و خواص الکترونی نیز تغییر مییابد. امکان ایجاد حفرههای الکترونی در سطح و تجزیه ترکیب شیمیایی آلودگیها افزایش پیدا میکند. به همین دلیل، معمولاً از نانوذرات اکسید تیتانیم بهعنوان سطوح ابرآبدوست استفاده میشود. با کاهش ابعاد ذرات، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی نیز افزایش پیدا میکند.
بازار و کاربردها
نانوپوششهای فوتوکاتالیستی – بازار و کاربردها
| صنعت | کاربرد |
| ساختوساز | · تصفیه هوا (داخل ساختمان)
· پوششهای خودتمیزشونده شیشه · پوشش جادهای · بتن |
| انرژی | · پوشش پنلهای سلول خورشیدی |
| سلامت و بهداشت | · پوششهای سطوح کلینیکی خود ضدعفونیکننده |
| غذایی | · تولید غذا و پوشش بستهبندیها |
| فیلتراسیون آب | · استریلزاسیون ضایعات آب |
2- رنگهای خود تمیزشونده
پوششهای خودتمیزشونده میتوانند بهصورت رنگ روی سطوح ایجاد شوند و انواع مختلفی از این رنگها به بازار عرضه شده است. مزیت اینگونه رنگها ظاهر تمیزتر و کاهش قابلتوجه نیاز به نگهداری سطح پوشش شده است. کاهش تعداد دفعات نظافت در سال، به معنای کاهش مصرف مواد شوینده و کاهش استهلاک سطوح در اثر شستشو نیز است.
برای ایجاد رنگهای خود تمیزشوندهٔ آبگریز از اثر نیلوفر آبی استفاده میشود. درواقع با استفاده از نانوساختارها در رنگ که موجب به وجود آمدن سطح ناصاف در محدودهٔ نانومتری شوند، میتوان به رنگ با خاصیت خودتمیزشوندگی رسید. اینگونه رنگها بهصورت تک لایه یا دولایه روی سطح ایجاد میشوند. در شرایط مناسب، مانند استفاده بر روی سطوح داخلی و بیرونی سساختمان، این رنگها از دوام بسیار عالی برخوردارند و اگر سطح موردنظر در معرض عبور آب باشد، تمیز باقی خواهد ماند.
رنگهای خودتمیزشوندهٔ آبگریز که با حرکت قطرههای آب روی سطح آن آلودگیها پاک میشود
در رنگهای خودتمیزشوندهٔ آبدوست اکثراً از نانوذرات TiO2 بهعنوان مادهٔ فتوکاتالیستی استفاده میشود. با حضور نانوذرات دیاکسید تیتانیم در معرض تابش پرتوی فرابنفش، زاویه تماسی کمتر از یک درجه برای سطح حاصل میشود. برای تولید رنگهای خود تمیزشوندهٔ آبدوست باید روش ساخت به شکلی باشد که نانوذرات غیر آلی بهطور همگنی درزمینهٔ پلیمر آلی پخش شوند تا یک شبکهٔ سهبعدی را در پوشش ایجاد کنند و خواص خودتمیزشوندگی مناسبی روی سطح ایجاد شود. به دلیل نیاز به آب و نور خورشید برای فعالیت رنگهای آبدوست، کاربرد اینگونه رنگها در فضاهای بیرونی بیش از فضای داخلی ساختمان خواهد بود.
رنگ خودتمیزشوندهٔ آبدوست در مقایسه با رنگ معمولی
3- بازار رنگهای خود تمیزشونده
استفاده از نانومواد میتواند به بهبود محصولات و فرآیندهای تولید کمک شایان توجهی نماید. استفاده از این دسته مواد در محصولات تجاری بهسرعت در حال رشد است. ادعا شده است که در سال 2006، 300 محصول تجاری به کمک فناوری نانو بهبود خواص یافتهاند. که این رقم در سال 2010 چهار برابر شده است. به علت پتانسیل فناوری نانو، شرکتهای زیادی در سرتاسر جهان به میزان بالایی در این بخش سرمایهگذاری میکنند. فناوری نانو در زمینههای گوناگون کاربردهای مختلفی دارد. شکل زیر تخمین سهم بازار فناوری نانو را در این حوزههای ذیل طی مهرومومهای 2010-2025 نشان میدهد.
درآمد از نانوپوششهای خود تمیزشونده (ابر آبگریز) از سال 201- 2025، دلار امریکا
. در سال ۲۰۰۹ نرخ بازار جهانی برای محصولات فوتوکاتالیستی ۸۴۸ میلیون دلار بود. نرخ رشد سالانه محصولات در سال 2014 حدود 3/14 درصد افزایش یافته و به مقدار 7/1 میلیارد دلار رسیده است.
با توجه به نرخ رشد سالانه انتظار میرود محصولات مصرفی در طول پنج سال (2009 تا سال 2014) ۲/۱۳ درصد افزایش یابد که متناسب با آن حجم فروش این محصولات در بازار از ۱/۸۵ میلیون دلار در سال ۲۰۰۹ به ۴/۱۵۸ میلیون دلار در سال ۲۰۱۴ افزایش مییابد. محصولات دیگر از مجموع ۱/۲۲ میلیون دلار فروش در سال ۲۰۰۹ حجم کوچکتری را به خود اختصاص دادند. فوتوکاتالیستهای نانومقیاس در داخل این مقادیر گنجانده شدهاند اما بهصورت جزئی تأکیدی بر آنها نشده است. بااینحال، درصد محصولات نانومقیاس قابل تولید در طول مهرومومهای اخیر افزایش یافته است و این روند احتمالاً در آینده ادامه خواهد داشت.
درآمدهای نانوپوششهای خود تمیزشونده فوتوکاتالیستی 2010 تا 2025. میلیون دلار
4- شرکتها
شرکت «مهندسی شیمیائی و رنگسازی نیلی فام ری» در حال حاضر رنگ آکریلیک پایه آب خودتمیزشونده را به بازار عرضه میکند که قابل اعمال بر روی سطوح مختلف، حتی سطوح از پیش رنگآمیزی شده است. این رنگ با بهرهگیری از خاصیت فتوکاتالیستی نانوذرات دیاکسید تیتانیم طراحی و عرضه شده است.
در جدول زیر نیز چند شرکت خارجی با محصولات خودتمیزشونده معرفی شده است.
پوششهای خود تمیزشونده ابر آبگریز
تولیدکنندههای محصولات نانوپوششهای خود تمیزشونده (بیونیک)
| شرکتها | فعالیتها |
| Aculon, Inc. | این شرکت محصولات آبگریز و آبدوست جهت امادهسازی سطوح تولید مینماید. |
| Cleancorp
Nanocoating |
محصولات این شرکت در بیمارستانها، ساختمانهای بزرگ، مهدکودکها، صنایع پارچه استفاده میشود. کاربری آنها در پوششهای ضد نوشتار برای سنگها و سطوح معدنی، پوششهای ضد خوردگی برای فلزات، پوششهای ضد اثر انگشت برای سطوح فلزی، ضد خش، سطوحی برای پلاستیک و زیر لایههای پلیمری، آبگریز و روغن گریز، پوششهای قابل تنفس برای سنگ و سطوح معدنی است |
| CTC
Nanotechnology |
این شرکت تامین کننده سیستمهای نانو بیونیک برای سطوح میباشند. همچنین به ارائه روشهای جدید برای سطوح استنلس استیل و پلاستیکی و محصولاتی از جمله پوششهای ضد اثر انگشت، ضد خش، پوششهای آبگریز و روغن گریز و رنگ، و پوششهای سطحی عبور دهنده بخار، پرداخته است. |
| Evonik | محصول نانوذرات سیلیکا،TEGOTOP یک عامل برای پوششهای خود تمیزشونده است. |
| GXC Coatings | پوششهای خود تمیزشونده و راحت تمیزشونده این شرکت، از قطعات شیشهای، پلاستیکی، فلزی که دارای ارزشافزوده است در برابر کثیفی محافظت میکند و یا تمیز کردن آنها را تسهیل مینماید. |
| Hydrobead | این شرکت تولیدکننده پوششهای ابر آبگریز است. |
| Integrated Surface
Technologies, Inc |
این شرکت پوششهای سرامیکی ابر مولکولی Repelix را تولید می نمایدکه در قطعات الکترونیکی ضد آب، مورد استفاده قرار میگیرد. |
| Lotus Leaf
Coatings |
این شرکت تولیدکننده و توزیعکننده اختصاصی پوششهای آبدوست و آبگریز است. |
| Nanocover A/S | عمده محصولات این شرکت برای استفاده در نگهداری ساختمان، صنایع دریایی و خودرو استفاده میشود. |
| Nanovere
Technologies, Inc |
این شرکت متخصص در گسترش و فرمولاسیون برای پوششهای خود تمیزشونده، پوششهای Car Key Resistant بر پایه نانوتکنولوژی است. |
| Nano-X GmbH | این شرکت تولیدکننده سطوح خود تمیزشونده با استفاده از اثر بیونک یا اثر فوتوکاتالیستی برای مصارف داخلی و خارجی است. |
| Nano-X GmbH | این شرکت سازنده پوششهای ابر آبگریز است. |
| SiO2 Nanotech | این شرکت تولیدکننده تکنولوژیهای ضد مه است. |
پوششهای خود تمیزشونده فوتوکاتالیستی
تولیدکنندگان محصولات نانوپوششهای خود تمیزشونده (بیونیک)
| نام شرکت | فعالیت |
| Advanced Materials-JTJ S.R.O | این شرکت تولیدکننده پوششهای نانومقیاس فتوکاتالیسیتی است. |
| Bionic Technology BV | این شرکت در تولید پوششهای خود تمیزشونده فوتوکاتالیستی برای شیشه و سطوح پلاستیکی فعالیت دارد. |
| Cardinal Glass Industries | سازنده شیشههای فوتو کاتالیستی خود تمیزشونده است. |
| Coating Suisse GmbH | TIPE یک نانوپوشش خود تمیزشونده محبوب در بسترهای غیر ارگانیک است. TIPE یک نانو دی اکسی تیتانیوم اناتاز فوتوکاتالیستی بر پایه آب است (اندازه ذرهها در حدود 10 نانومتر و یا کمتر است). بعد از خشک شدن، سطوح پوشش داده شده با TIPE دارای خاصیت ابر آبدوستی میشود. |
| Daical | فوتوکاتالیستی که با نور مریی کار میکند (CelMuse) درحالیکه فوتوکاتالیستهای معمول با نور ماورا بنفش بیرون کار میکنند. Diacel در تولید کاتالیستهای پاسخدهنده به نور مریی که به نور فلوروسنت و نور کم شدت مانند LED پاسخگو است موفق عمل کرده است. این پوشش برای موارد متعددی مانند لوازم داخلی ساختمان و پوشش مواد و فیلترها قابل استفاده است. |
| FN Nano, Inc. | این شرکت تولیدکننده پوششهای فوتو کاتالیستی برای مقابله با سندروم ساختمان بیمار است. |
| GEN Corporation | تولیدکننده نانوپوششهای فتوکاتالیستی است
|
| Green Earth Nano
Science, Inc. |
این شرکت دارای پوششهای شفاف دوستدار محیطزیست با اعمال ساده است. این پوششهای فوتوکاتالیستی یک پوشش بر پایه آب شامل نانوذرات تیتانیوم دیاکسید است. |
| Inspiraz Technology Pte.Ltd | این شرکت تولیدکننده پوششهای ضدویروس، ضد میکروب و آبگریز بر پایه نقره، کربن و نانوذرههای فوتوکاتالیستی است. |
| Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd | تولیدکننده نانوپوششهای فوتوکاتالیستی با برند Clean Nano است. |
| Italcementi Group | Tx Active یک محصول فوتوکاتالیستی برای سیمان است که باعث کاهش آلودگیهای ارگانیک و غیر ارگانیک موجود در هوا میشود. |
| Heidelberg Cement Technology Center GmbH | TIoCem یک محصول بتونی فعال فتوکاتالیستی حاوی ذرات تیتانیوم دیاکسید است. |
| Kon Corporation | تولیدکننده پوششهای فتوکاتالیستی تیتانیوم دیاکسید آبی است. |
| N-Tec GmbH | x-photocat PSCF یک پوشش ابر آبدوست خود تمیزشونده فوتوکاتالیستی با خواص اساتن تمیز شوندگی برای فلزات، شیشه و پلیمیر های است. |
| Nadico Technologie
GmbH |
TitanShield و TitanProtect نانو پوشهای فوتوکاتالیستی این شرکت میباشند. |
[1] Self-cleaning
[2] Hydrophobic
[3] Hydrophilic
[4] Superhydrophilic
[5] Superhydrophobic
[6] Wetting angle
[7] photocatalytic effect
————————————–
منابع
[1] www.nano.ir
[2] Ivan P. Parkin, Robert G. Palgrave, Journal of Materials Chemistry, 2004.
[3] Shunsuke Nishimotoab, Bharat Bhushan, RSC Advances. 2012.
[4] www.alcoa.com
—————————————————
بخش 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.
====================================================================================
