مواد در مقیاس نانومتری شامل محصولاتی به اندازه ذرات کمتر از 100 نانومتر دارای ویژگیهای خاصی هستند و برای کاربرد در مقیاس صنعتی آماده شدهاند. پیشرفت فناوری نانو بر روشها و فرایند پوششدهی تأثیر چشمگیری داشته است. شناخت عملکردهای جدید روکشها که به واسطه استفاده از نانومواد به دست آمده ، امکان توسعه کاربردهای جدید را فراهم کرده است. مزیت ویژه روکشهای نانو این است که امکان تنظیم مستقل سختی و ویژگیهای سایشی روکش را با ترکیب کردن عناصر و ساخت لایههای نانومتری فراهم می آورد. اصلاح رنگها به وسیلة نانومتری کردن ساختار آنها منجر به بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آنها شده، مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر ضربه و خراش را در آنها بالا میبرد.
خراشهای سطحی میتوانند طول عمر بسیاری از مواد را کم کنند که انرژی و هزینهی زیادی باید برای تعویض آن مصرف شود. خراش برداشتن مواد بسیاری مثل فلزات، چوب، پلاستیکها، پلیمرها و شیشهها کاربرد آنها را در بسیاری از موارد محدود میکند.
زمینهای ورزشی که در معرض سایش و خراش قرار دارند.
بسیاری از پوششهای ایجاد شده بر روی سطوح مقاومت به خراش کمی از خود نشان میدهند و باید با اضافه کردن افزودنیهایی مقاومت به خراش آنها را افزایش داد. ایدهی ایجاد سطوحی که خواص خود را حفظ کنند، امروزه زمینهی بسیاری از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. روشهای مختلفی برای افزایش مقاومت به خراش پوششها وجود دارد. در کنار تغییر نوع رزین استفاده شده در رنگ، میتوان از افزودنیهای مختلف برای بهبود مقاومت به خراش استفاده کرد. پوششهای ضد خراش میتوانند بصورت رنگ یا پوششهای شفاف روی سطوح ایجاد شوند. این پوششها در صنایع خودرو و ساختمان کاربرد زیادی دارند. در صنعت ساختمان میتوان از این پوششها در نماهای خارجی و داخلی ساختمان، درها، پنجرهها، شیشهها، کفپوشها و وسایل داخلی ساختمان استفاده کرد.
بطور سنتی مقاومت به خراش رنگها با افزودن مقدار زیادی از افزودنیهای معدنی اکسید فلزی معدنی که سایز میکرونی دارند ایجاد میشود. اما این افزودنیها معمولا باعث مات شدن رنگ میشود که این پدیده به دلیل پراکندگی نور مرئی توسط این ذرات است.
تکنولوژی پوششهای مقاوم به خراش نانو تا 25 درصد باعث کاهش انرژی مصرف شده در فرایندهای پوششدهی میشود و هزینهی مواد را تا 75 درصد کاهش میدهد.
نانوتکنولوژی فرصت ایجاد پوششهایی با خواص بالا را با اضافه کردن مقدار کمی از نانومواد فراهم کرده است. می توان با استفاده از نانوذرات سختی همچون سیلیکا، روکش های مقاوم در برابر خراشیدگی تولید کرد. به عنوان مثال، می توان این نانوذرات را در یک بستر آلی وارد کرده و مقاومت رنگ حاصل را در برابر خراشیدگی افزایش داد.
استفاده از ذرات معدنی که اندازهی آنها در محدودهی نانو باشد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با کنترل اندرکنش بین مادهی پلیمری و نانوذرات میتوان خواص پوشش را بهبود داد. معمولا نانوذراتی که در محدودهی سایز 40 تا 60 نانومتر هستند در این زمینه مؤثر واقع میشوند.
نانوپوششهای مقاوم در برابر خراش در صنعت خودرو در جهان بسیار متداول هستند و مرسدس بنز در ماشین های سری SLK، CL، SSL از پوشش دهی نانوذرات به عنوان پوشش های ضد خش در داخل اتومبیل استفاده کرده است.
نانورنگ شامل پيوند دهنده هاي آلي (زرد رنگ) و نانو ذرات غيرآلي (آبي رنگ)
1- کارایی بالاتر به دلیل سطح ویژهی زیاد
نانومواد سطح ویژهی زیادی دارند و وقتی اندازهی ذره کوچک میشود، تعداد بیشتری از ذرات روی سطح وجود خواهند داشت و جایگزین کردن ذرات بزرگ با نانوذرات میتواند موجب بهبود خواص مورد نظر برای پوشش شود.
برای مثال اگر در حجم ثابت μm31000، به مقدار 2 درصد از ذراتی با اندازهی μm1 و nm20 اضافه کنیم به تعداد مختلفی از این ذرات احتیاج خواهیم داشت که در جدول زیر ارائه شده است. تعداد نانوذرات اضافه شده بسیار بیشتر و فاصلهی بین این ذرات کمتر است که میتواند موجب بهبود خواص کلی شود.
| حجم μm31000 حاوی 2 درصد ذره | ||
| قطر ذره | تعداد مورد نیاز | فاصلهی بین ذرات |
| μm1 | 40 | nm2300 |
| nm20 | 5000000 | nm45 |
2- ایجاد ترکیبی از خواص مطلوب با استفاده از نانوذرات
اضافه کردن افزودنیهای معدنی سنتی به پوششها جهت افزایش خاصیت مقاوم به خراش میتواند مضراتی نیز داشته باشد. از قبیل کاهش انعطاف پذیری پوشش، کاهش مقاومت مؤثر، افزایش ویسکوزیتهی پوشش و ظاهر شدن نواقص. در واقع با وجود اینکه فرمولاسیونهای جدید زیادی برای رنگها و پوششهای مقاوم به خراش وجود دارد اما هیچ کدام نمیتوانند همهی خواص مطلوب را ایجاد کنند. برای مقابله با این نواقص، مادهی افزودنی باید فقط باعث بهبود مقاومت به خراش شود و خواص دیگر را تحت تأثیر قرار ندهد. نانومواد به دلیل اندازهی کوچک و شکل ساختارشان پتانسیل غلبه بر این نواقص را دارند. با استفاده از فناوری نانو در ساخت رنگ، با کمی اختلاف هزینه میتوان به بسیاری از خواص مطلوب برای رنگهایی با خواص چندگانه رسید.
3– حفظ شفافیت رنگ
وقتی ذراتی بزرگ به رنگ برای بهبود خواص ضد خش اضافه میشوند به علت اندازهی بزرگشان نور را پراکنده کرده وسطح اندکی مات دیده میشوند در حالی که با افزایش نانوذرات علاوه بر اینکه سایر خواص مورد نظر بهبود مییابد به علت عدم پراکنش نور محصول همچنان شفاف باقی میماند.
نانوذرات استفاده شده در اینگونه رنگها مهمولاً یکی از موارد زیر هستند:
- نانوذرات اکسید فلزی (سیلیکا، آلومینا، اکسید روی، دیاکسید تیتانیم)
- نانورسها
- نانولولههای کربنی
- سیستمهای نانویی دیگر (فولرین، نانوفیبر، ذرات نانومتخلخل)
نانوذرات اکسید فلزی (سیلیکا، آلومینا، اکسید روی، دیاکسید تیتانیم)
استفاده از نانوذرات اکسید فلزی به عنوان مواد افزودنی برای افزایش مقاومت به خراش، در سالهای اخیر مرسوم شده است. مرسوم ترین مادهی مورد استفاده در صنعت، نانوذرات سیلیکا میباشد که کاربرد بیشتری نسبت به سایر اکسیدهای فلزی دارد. نانوسیلیکا بطور طبیعی میتواند به شکل آمورف یا کریستالین وجود داشته باشد. یکی از مزیتهای نانوسیلیکا این است که بر خلاف بسیاری از نانوذرات،کمتر به یکدیگر چسبیده و آگلومره میشوند.
برای تهیهی رنگی که در آن نانوذرات سیلیکا به کار رفته است، نانوذرات سیلیکا را به رزین استفاده شده در رنگ اضافه میکنند. نانوذرات سیلیکا در بسیاری از پوششها به منظور ایجاد رنگ با مقاومت به خراش، سختی و جلای بالا استفاده می شود و از آنجایی که این نانوذرات اتصال محکمی با زمینه برقرار میکنند باعث ایجاد خواص پایداری در رنگ میشوند.
تصویر میکروسکوپی از نانوذرات سیلیکا
نانوذرات اضافه شده به زمینهی رزین
شکل زیر تصاویر میکروسکوپی از پوشش معمولی و پوششی که در آن از نانوذرات سیلیکا استفاده شده است را پس از تست خراش نشان میدهد و همانطور که مشخص است، پوشش معمولی بیشتر دچار تخریب شده است.
| b |
| a |
تصویر میکروسکوپی از پوشش معمولی (a) و پوششی که در آن از نانوذرات سیلیکا استفاده شده است (b)، بعد از تست خراش.
برخی از خواص که با اضافه کردن نانوذرات سیلیکا در رنگ ایجاد میشوند، در زیر آمده است:
استفاده از اکسیدهای معدنی دیگری مثل آلومینا، اکسید روی و دیاکسید تیتانیم نیز در چند سال اخیر مرسوم شده است و میتواند خواص مقاومت به خراش رنگها را بهبود دهد. اما ضریب شکست این اکسیدها نسبت به سیلیکا بالاتر است و باید ذرات کوچکتری از آنها به رنگ اضافه شود تا باعث مات شدن رنگ نشود.
نانورس ها
نانورسها سیلیکاتهای آلومینیوم با ساختار لایهای هستند.کائولینیت، بنتونیت و مونت مورلونیت مثالهایی از این ماده هستند. نانوذرات رس به شکل صفحهای به ضخامت 1 نانومتر و طول 70 تا 1000 نانومتر هستند. نانوذرات رس ویژگیهای منحصر به فردی دارند و اضافه کردن مقدار کمی از نانورس میتواند روی خواص پوشش تأثیر زیادی داشته باشد. به دلیل کوچک بودن نانورس، اضافه کردن این ماده شفافیت پوششها را از بین نمیبرد. با انجام فرایندهایی روی نانورسها، می توان این مواد را با پلیمرها سازگار نمود به نحوی که با آنها کامپوزیت تشکیل دهند.
تصویر میکروسکوپی از نانورس
با اضافه کردن نانورس به رنگها میتوانیم ترکیبی از خواص زیر را داشته باشیم:
پوشش مقاوم به خراش حاوی نانورس
تصویر میکروسکوپی پوشش حاوی نانورس
نانولولههای کربنی
نانولولههای کربنی نانومواد یک بعدی انعطاف پذیری هستند که در کل ساختارشان پیوند های کربنی وجود دارد. در واقع نانولولههای کربنی از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانهی توخالی ساخته شدهاند. طول این نانولوله ها در حدود میکرومتر و قطر آنها در محدوده ی نانومتر است.
نانولولههای کربنی پایداری بالایی در گستره وسیع دما دارند و دارای خواص مکانیکی منحصر بفردی هستند. این ماده هدایت الکتریکی بالایی نیز دارد. نانولولهها به علت خواصشان به عنوان فاز تقویتکننده در پلیمرها استفاده میشوند و میتوانند موجب بهبود بسیاری از خواص رنگ از جمله مقاومت به خراش شوند.
با اضافه کردن نانولولههای کربنی به پوشش، خواص زیر در رنگ ایجاد می شود:
در شکل زیر تصاویر تست خراش برای پوشش معمولی و پوششی که حاوی نانولولههای کربنی است نشان داده شده است. پوشش حاوی نانولولههای کربنی آسیب کمتری دیده است.
تست خراش از پوشش معمولی (a) و پوششی که حاوی نانولولههای کربنی است (b).
بمنظور تعیین سیر تحقیقات و اختراعات ارائه شده در زمینهی کاربرد فناوری نانو در پوششهای مقاوم به خراش، پتنتهای ارائه شده در این زمینه بررسی شدند. در بررسی پتنتها 246 پتنت مرتبط پیدا شد که این تعداد بالا نشاندهندهی توجه متخصصان در زمینهی تجاری سازی و اهمیت رقابتی این محصولات است.
در شکل زیر روند زمانی تعداد پتنتهای ارائه شده در زمینهی کاربرد فناوری نانو در پوششهای مقاوم به خراش در سالهای مختلف ارائه شده است. بطور کلی روند انتشار پتنت سیر صعودی داشته است. در واقع با گسترش و پیشرفت فناوری نانو، کاربرد این فناوری در پوششهای مقاوم به خراش نیز افزایش پیدا کرده و شرکتهای بزرگ فعالیت خود را در زمینهی اینگونه پوششها گسترش دادهاند.
روند زمانی تعداد پتنتهای ارائه شده در زمینهی کاربرد فناوری نانو در پوششهای مقاوم به خراش
در شکل زیر سهم کشورهای مختلف در انتشار پتنت در حوزه کاربرد فناوری نانو در پوششهای مقاوم به خراش نشان داده شده است. کشور چین رتبهی اول انتشار پتنت در این زمینه را دارد. بعد از آن کره، امریکا و ژاپن کشورهای فعال در انتشار پتنت در این زمینه میباشند.
سهم کشورهای مختلف در انتشار پتنت در حوزه کاربرد فناوری نانو در پوششهای مقاوم به خراش
شرکتهای «پیشگامان فناوری آسیا» و «مجتمع صنایع شیمیایی ریف ایران» در حال حاضر رنگهای ترافیکی یا ضد خش نانو را به بازار عرضه میکنند.
منابع:
[1] A.S. Khanna, Nanotechnology in High Performance Paint Coatings, Asian J. Exp. Sci., 21(2008) 25-32.
[2] Sh. Mohamadpour, B. Pourabbasa, P. Fabbri, Anti-scratch and adhesion properties of photo-curable polymer/clay nanocomposite coatings based on methacrylate monomers, Scientia Iranica F, 18(2011) 765-771.
[3] U. Nolte, Additives containing nano metal oxide for enhanced scratch resistance in coating formulations, NSTI-Nanotech, 4(2007) 199-201.
[4] Sarojini Swain et al, Effects of Nano-silica/Nano-alumina on Mechanical and Physical Properties of Polyurethane Composites and Coatings, TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS, 14(2013) 1-8.
[5] www.nano.ir
———————————————————————
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 دسترسی به 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]
====================================================================================
