فناوری نانو و کاربرد آن در صنعت رنگ:
فناوری نانو با ساختارهای مختلف ماده که دارای ابعادی از مرتبه یک میلیاردم متر (9-10) هستند سروکار دارد. این فناوری، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستمهای جدید با کنترل سطوح مولکولی و اتمی برای استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر میشود. امروزه فناوری نانو به یکی از مهمترین شاخههای پیشرفت علم در بسیاری از زمینههای علوم و مهندسی تبدیل شده است.
استفاده از فناوری نانو در رنگ باعث ایجاد خواص جدید در رنگ، افزایش کیفیت رنگ و کاهش مصرف آن میگردد. کاربرد فناوری نانو در صنایع رنگ و پوشش در بخش مواد اولیه بیشتر شامل رنگدانهها است. در بحث رنگدانهها، اندازه ذرات اهمیت بسزایی دارد و با پیش رفتن به سمت مقیاس نانو و افزایش سطح فعال نانوذرات (به دلیل دارا بودن تعداد بسیار زیاد اتم در سطح) خواص متفاوت و جدیدی مانند ضد سایش، آنتی باکتریال، خود تمیز شونده، ضد خش، ضد سایش و خواص حفاظت الکترومغناطیس در رنگ ایجاد میشود. بنابراین رنگهای نانو با بهرهگیری از نانوذرات فعال و گروههای عاملی مناسب در ساختار خود، قادرند تا در مقابل محرکهای محیطی عکسالعملهای هوشمندانه محافظتی، از خود نشان دهند. رنگهای ضد آب نانو نیز دستهای دیگر از رنگهای محافظتی هستند که بهمنظور افزایش دوام قطعات و کاهش هزینهها دارای کاربردهای وسیع در صنایع مختلف میباشند.
- راهحلهای مشکل
اهمیت آبگریز[1] کردن سطوح:
وجود رطوبت و نشت آب به زیرساختهای مختلف قطعات ساختمانی و صنعتی مسئلهای شناخته شده است. آب و رطوبت در صنایع مختلفی مانند صنعت ساختمان، صنایع دریایی، سطوح فلزی و … میتواند مشکلساز باشد، بهعنوان نمونه در زیر به برخی از مشکلات مرتبط با آب در صنایع مختلف اشاره شده است (شکل 1 و 2)
- رسوخ در مصالح ساختمانی، نشت آب به علت خلل و فرج داخلی و ترکهای ریز، مسئلهای شناخته شده است. بیشتر مصالح ساختمانی مانند گچ، بتن و سیمان دارای تخلخلهای بسیار ریز و گروههای هیدروکسیل در سطح خود هستند. این گروههای هیدروکسیل به خاطر شباهت با ساختار آب و ویژگی آبدوستی جاذب آب بوده، بنابراین بهراحتی خیس شده و آب در سطح آنها نفوذ میکند. بنابراین بهمنظور جلوگیری از رشد ترکها، پوسته شدن سطوح رنگ و گچ، ایجاد کبک و قارچ در اثر رطوبت و… آبگریز کردن این سطوح دارای اهمیت ویژهای است.
- خوردگی سطوح فلزی و فولادی بهویژه در نواحی ساحلی و جلوگیری از تضعیف مقاومت مصالح ساختمانی بتنی، مسئله مهم دیگری است که در ضد آب سازی به آن پرداخته میشود.
- استفاده از سطوح آبگریز بهمنظور افزایش دوام، کاهش هزینهها و کاهش زمان موردنیاز برای نظافت تجهیزات در صنایع مختلفی مانند، صنعت اتومبیلسازی، ساختمان و.. مورد استفاده قرار گرفته است. پوششها و رنگهای خود تمیزشونده آبگریز بهواسطه حرکت قطرات آب از روی سطح خود آلودگیهای سطحی را میزدایند.
- یکی دیگر از کاربردهای مهم سطوح آبگریز استفاده از آنها بهعنوان ضد یخ است. در مناطق سردسیر یخ در سطح جامدات رسوب میکند و باعث افت خواص مکانیکی سیستمهای جامد میشود. بنابراین سطوح آبگریز با مقدار انرژی سطحی پایین خود مانع ایجاد یخزدگی بر روی سطوح میشوند.
|
شکل 1: نمونههای از بروز مشکلات در مصالح ساختمانی به دلیل وجود آب و رطوبت. |
|
شکل 2: محافظت سیستمهای رادار با رنگهای ضد آب، نسبت برف نشسته شده بر روی سطح پوشش داده شده با رنگ ضد آب (ب) در مقایسه با سطح پوشش داده نشده بسیار ناچیز است ]1[.
|
تاریخچه سطوح آبگریز:
سطوح خود تمیز شونده آبگریز اولین بار با کشف ریزساختار برگ نیلوفر آبی که برخلاف ظاهر صافش، دارای سطحی زبر در مقیاس میکرو و نانو است، موردتوجه قرار گرفت. 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. بنابراین سطوح خود تمیز شونده آبگریز با سازوکاری مشابه با برگهای نیلوفر آبی، علاوه بر دفع آب از روی سطح خود توانایی دفع آلودگیها شامل ذرات جامد، مایعات آلی و آلودگیهای زیستی را نیز دارند (شکل 3).
| شکل 3: تصویر قطره آب بر روی برگ نیلوفر آبی، ذرات آلودگی روی قطره آب میچسبند و از سطح جدا میشوند]2[. |
تعریف سطوح آبگریز:
یکی از عوامل تعیینکننده در میزان تر شوندگی[2] یک سطح، زاویه تماسی مایع با آن است. زاویه تماس برای یک مایع (قطره)، در فصل مشترک فاز جامد و مایع، در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل میشود. هرچه زاویه تماس به صفر نزدیکتر باشد ترشوندگی بیشتر و با افزایش زاویه تماس میزان ترشوندگی سطح کاهش مییابد (شکل 4).
| شکل 4: زاویه تماس یک قطره با سطح آبگریز: برای زاویه بزرگتر از 90 درجه سطح آبگریز و برای زاویه تماس بیشتر از 150 درجه باشد، سطح فوق آبگریز نامیده میشود]3[. |
- ارائه راهحلهای مبتنی بر فناوری نانو
روشهای دستیابی به سطوح آبگریز:
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 یافته و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیداً کم میشود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود میگیرد و امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین میرود (شکل 5).
| شکل 5: شمایی از سطح با پوشش آبگریز: به دلیل بافت زبر نانومتری آب نمیتواند بر روی سطح نفوذ کند]4[. |
بهطورکلی برای دستیابی به خاصیت آبگریزی در یک سطح، میتوان از رنگها و پوششهای آبگریز استفاده کرد. در استفاده از رنگها و پوششها، شرایط یکسانی برای دستیابی به آبگریزی سطح وجود دارد. ساختار شیمیایی آبگریز و زبری سطح دو فاکتور مهم در استفاده از این پوششها و رنگها هستند، که در زیر به توضیح مختصری پرداخته شده است:
- انرژی سطحی پایین (ساختار شیمیایی آبگریز): برای دستیابی به آبگریزی سطحی، لازم است که یک سطح آبگریز با کشش سطحی بسیار پایین همراه با میکروساختارهای مناسب ایجاد شود. در این روش با تغییر در مورفولوژی سطوحی با انرژی سطحی پایین و ایجاد زبری مناسب، میتوان سطح آبگریزی ایجاد کرد.
2- زبری سطح: ایجاد زاویه تماس بیشتر از 120 درجه بر روی یک سطح صاف فقط با اتکا به ساختار شیمیایی آبگریز آن سطح، بدون هیچ بافتی در ابعاد نانو یا میکرو، تقریباً ناممکن است. بنابراین، زبری سطح عاملی مهم در پوششهای آبگریز است. در این روش پوششهای نازکی از مواد با انرژی سطحی پایین به روشهای مختلف بر روی سطوحی که زبر هستند، ایجاد میشود.
پوششهای آبگریز مبتنی بر فناوری نانو:
پوششهای آبگریز، پوششهای نازک نانومتری کاملاً شفاف بوده که قابل استفاده بر روی سطوح مختلف، مانند شیشه، چوب، سنگ و… هستند و با روشهای متفاوتی بر روی این سطوح پوشش داده میشوند. نانوذرات سیلیکا مرسومترین مادهٔ مورد استفاده در پوششهای آبگریز است که کاربرد بیشتری نسبت به سایر اکسیدهای فلزی دارد. با قرار گرفتن این نانوذرات در بستر پلیمری مناسب و عاملدار کردن سطح این ذرات، خاصیت آبگریزی مناسبی ایجاد میشود. در شکل 6 فرایند آمادهسازی یک پوشش فوق آبگریز نشان داده شده است.
| شکل 6: فرایند آمادهسازی یک پوشش فوقآبگریز، 1- نانوذرات سیلیکا 2 – عاملدار کردن سطح ذرات سیلیکا با poly(BA-co-EFOA) 3- اتصال زنجیرههای پلیمری فلئوردار به ذرات سیلیکا 4- شکلگیری ساختارهای سلسلهمراتبی[3] نانو بر روی سطح 5- قطرههای آب قرار گرفته در زبریهای سطح 6- تغییر شکل قطره به دلیل کشش سطحی نامتعادل 7- حرکت قطره آب به سمت بالا و معلق شدت آن در سطح 8- جدا شدن قطره آب از روی سطح]9[. |
- محققان با استفاده از اچ کردن سطح ستونهای میکرومقیاس سیلیکونی موفق به تولید نانوپوششی شدند که دارای خواص آبگریزی بالایی است. این نانوپوشش میتواند برای متراکم کردن بخارات آب در نیروگاههای حرارتی مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این نانوپوشش، برای کاربرد در محیطهای پر بخار بسیار اهمیت دارد. با افزایش قدرت حرکتی ذرات مایع روی سطح میتوان متراکم شدن بخار آب را با کارایی بالا انجام داد. این قابلیت در نیروگاههای حرارتی که در آن گرما موجب بخار شدن آب میشود، برای جمعآوری کاراتر ذرات آب، میتواند مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری مانع از هدر رفت آب شده و همچنین مانع از یخ زدن سطح بال هواپیماها میشود. برای ایجاد چنین نانوپوششی محققان این پروژه روی سطح، با استفاده از فتولیتوگرافی و اچ کردن یون فعال ستونهای میکرومقیاس از جنس سیلیکون ایجاد کردند.
- محققان کانادایی با استفاده از نانودانههای پلیمری موفق به ساخت نانوپوششی شفاف شدند که آبگریز و روغنگریز است. روشهایی که پیشازاین ارائه شده است به شکلی بوده که محصول نهایی قابل استفاده در همه حوزهها نیست که دلیل این امر شفاف نبودن پوشش است. فلوئور دارای خواص مناسب برای استفاده در پوشش نهایی در تمامی حوزهها است اما به دلیل قیمت بالا و خطرات زیستمحیطی استفاده از آن با محدودیتهایی روبرو است. اخیراً محققان موفق به ارائه پوشش پلیاورتان فاقد فلوئور شدهاند. این ماده ارزانقیمت بوده و بهراحتی به سطوح مختلف میچسبد. نتایج یافتههای اخیر نشان میدهد که این پوششهای ارائه شده جدید دارای قیمت مناسب و شفافیت بالا حتی تا ضخامت 10 میکرون هستند. برای تولید این پوشش، محققان از زنجیره پلیمری پلی (دیمتیلسیلوکسان) [4](PDMS) و یک روغن سیلیکونی زیستسازگار استفاده کردهاند. این پوشش جدید قادر است اثر انگشت، جوهر و رنگ را از خود دور کند. از این پوشش میتوان روی سطح نمایشگر تلفن همراه استفاده کرد.
رنگهای آبگریز مبتنی بر فناوری نانو:
اصولاً در رنگهای آبگریز از ترکیبات حاوی عناصر سیلیکون، مانند پلی اورگانو سیلیکان، اپوکسی پلی سیلوکسان و پلیمرهای حاوی فلوئورین استفاده میشود. زاویه تماسی که در اثر استفاده از این رنگهای آبگریز ایجاد میشود کمتر از 90 درجه است. استفاده از افزودنیهای سیلان، اورگانوسیلان و فلوروسیلان میتواند این زاویه را به کمی بیشتر از 90 درجه افزایش دهد، یعنی داشتن سطح با خاصیت آبگریز. شدت آبگریزی پایین و همچنین پایداری کم از معایب این رنگها به شمار میرود.
در اینجاست که استفاده از فناوری نانو در رنگهای آبگریز میتواند راه گشا باشد، تا بتوان به رنگ فوق آبگریز و با خواص مطلوب دست یافت (شکل 7). استفاده از افزودنیهای نانومتری بهمنظور افزایش زبری سطح و درنتیجه افزایش زاویه تماس، دلیل استفاده از نانوذرات با خاصیت آبگریز (مانند نانوذرات سیلیکا) در رنگ است. عموماً در رنگهای فوق آبگریز نانو از نانوکامپوزیتهای آلی- معدنی در رنگ استفاده میشود. بهعنوانمثال در نمونهای از رنگهای آبگریز مبتنی بر فناوری نانو از نانوکامپوزیتهای آلی- معدنی (نانوکامپوزیت آکریلیک- سیلیکا) در رنگ استفاده شده است، اندازه ذرات سیلیکا استفاده شده حدود 15 تا 30 نانومتر و اندازه نانوکامپوزیت تشکیل شده زیر 200 نانومتر است ]5[.
| شکل 7: نمونههای کاربردی رنگهای آبگریز نانو در سطوح متفاوت. |
همچنین تیمی از محققان بینالمللی، نوعی رنگ فوقالعاده آبگریز تولید کردهاند که در برابر آب و روغن غیرقابل نفوذ است و دارای خاصیت خود تمیز شوندگی است. این رنگ جدید را میتوان بر روی لباس، کاغذ، شیشه و فولاد استفاده کرد که در ترکیب با مواد چسبنده، خواص خود تمیزشوندگی خود را حتی پس از پاک شدن، خراشیده شدن با چاقو یا سائیده شدن با سمباده حفظ میکند. رنگ جدید که از نانوذرات پوشش یافته دیاکسید تیتانیوم ساخته شده است، میتواند سطح مقاومتری را تولید کند که در برابر سائیدگی و خراشهای روزمره مقاوم هستند و ازاینرو میتوان از آنها برای طیف گستردهای از کاربردها مانند پوشاک و خودرو بهره برد (شکل 8) ]6[.
| تصویر تزئینی است |
| شکل 8: اعمال پوششهای رنگی ضد آب بر روی سطوح بهوسیله اسپری کردن محلول حاوی نانو رنگدانهها. این روش یک تکنیک یک مرحلهای و ارزانقیمت است که میتوان آن را بر روی سطوح مختلفی مانند شیشه، کاغذ، سیمپیچ و حتی نخ پوشش داد و آنها را کاملاً ضد آب نمود. همچنین بسته به نوع نانوذرات مورد استفاده رنگ پوشش داده شده بر روی سطح میتواند متفاوت باشد]7[. |
مزایای رنگهای آبگریز مبتنی بر فناوری نانو:
- افزایش نفوذ رنگ بر روی سطح به دلیل استفاده از ذرات نانومتری
- افزایش چسبندگی رنگهای نانو بر روی سطح نسبت به رنگهای معمولی
- ضخامت بسیار کمتر رنگ نانو پوشیده شده بر روی یک سطح نسبت به رنگهای معمولی و درنتیجه صرفهجویی در مصرف رنگ
- سازگار بودن رنگهای نانو با محیطزیست
جدول 1: در جدول زیر نمونههای کاربردی از پوششها و رنگهای ضد آب در بخشهای عمومی و صنعتی بیان شده است.
| کاربردهای پوششها و رنگهای ضد آب مبتنی بر فناوری نانو | |
| ü استخر، سونا و جکوزی
ü آثار گلی، کاشی و سفالها ü سنگهای طبیعی و مصنوعی ü آجرهای بدون حفاظ ü سطوح چوبی ü ستونهای دریایی |
ü برجهای خنککننده
ü تصفیهخانه فاضلاب ü تراورس های خط آهن ü تونلها ü باراندازها ü کارخانههای کشتیسازی |
در جدول زیر اسامی برخی از شرکتهای فعال داخلی و خارجی درزمینهٔ رنگها و پوششهای نانو آورده شده است.
|
شرکتهای داخلی |
نام شرکت | محصول | وبسایت |
نانوپوشش نوین البرز |
پوششهای ضد آب |
www.n-alborz.ir | |
شرکت نانوپوشش طوس |
نانو زایکوسیل |
www.nano-p-toos.com
|
|
شرکت نانو پارسه |
پوششهای محافظ آبگریز در سطوح مختلف |
nanoparse.com | |
|
شرکتهای خارجی |
Nanotech |
پوششهای آبگریز |
www.nanotechcoatings.com |
| ESU high-tech |
رنگ و پوششهای آبگریز |
http://www.alibaba.com/ | |
| NTT AT |
رنگهای آبگریز |
http://www.hirecpaint.com/ |
- تخمین هزینهها و بازار فناوری موردبحث
در میان بازار پوششها، نانوپوششها فرصتهای جدیدی را در بازارهای جهانی ایجاد کردهاند. خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر UV، خاصیت ضد احتراقی، حفظ براقیت سطوح و بهبود خواص شیمیایی و مکانیکی ازجمله ویژگیهای این پوششها است. بازار پوششهای خودتمیز شونده آبگریز در سالهای اخیر به علت کاربرد در شیشههای خودرو، تجهیزات بهداشتی، لوازم الکترونیکی، تجهیزات پزشکی، صنعت کفش، منسوجات و حملونقل هوایی گسترش زیادی پیدا کرده است. در سال 2013، محصولات خود تمیزشونده و آسانتمیز شونده بزرگترین سهم را در بازار جهانی نانوپوششها دارا بودند و انتظار میرود که این روند تا سال 2019 ادامه یابد. طبق گزارشهای مؤسسه تحقیقاتی NanoMarket، بازار پوششهای خود تمیز شونده در سال 2018 به 4/1 میلیارد دلار خواهد رسید.
- نتیجهگیری
فناوری نانو یکی از بزرگترین فناوریهای نوین در قرن حاضر است که استفاده از آن در راستای برطرف نمودن نیازهای صنایع میتواند راهگشا باشد. همگام با توسعه فناوری نانو در صنایع مختلف، توجه به کاربردهای این علم، در صنعت رنگ و پوشش منجر به پیشرفتهایی در این زمینه گردیده است. رنگها و پوششهای ضد آب نانو، نمونهای از کاربرد این فناوری در صنعت رنگ است که در چند سال اخیر مورد استقبال و توجه بسیاری از شرکتها قرار گرفتهاند و فرصتهای جدیدی را در بازارهای جهانی ایجاد کردهاند.
- منابع
[1] www.hirecpaint.com
[3] www.aquashieldpro.com
[4] www.zycosil.com Durability of Cement based Building Materials
[5] T Mizutani, K Arai, M Miyamoto, Y Kimura, Application of silica-containing nano-composite emulsion to wall paint: A new environmentally safe paint of high performance, 2006, 55(3).
[6] Yao Lu, New paint makes tough self-cleaning surfaces, sciencedaily, 2015.
[7] H Ogihara, J Okagaki, T Saji, Facile Fabrication of Colored Superhydrophobic Coatings by Spraying a Pigment Nanoparticle Suspension, 2011, 27 (15).
[8] D Reinhoudt, M Crego-Calama, Xue-Mei Li, What do we need for a superhydrophobic surface, A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces, Chem. Soc. Rev., 2007.
[9] Ivan P. Parkin and Robert G. Palgrave, Self-cleaning coatings, Journal of Materials Chemistry, 2004.
——————————————-
[1] Hydrophobic
[2] Wettability
[3] Hierarchical
[4] poly(dimethylsiloxane)
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
نویسنده: سارا مقیمیان
تهیهکننده: مبناپژوهان فناوریهای نوین آتیه
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[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 دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
