کاربرد فناوری نانو در رنگ‌های محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس

نانو فناوری در صنعت رنگ:

نانو­مواد به موادی گفته می‌شود که حداقل یکی از ابعاد آن­ها در مقیاس نانومتری (زیر 100 نانومتر) باشد. کوچک شدن اندازه ذرات در حد نانومتر سبب تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها می‌شود. بنابراین نانو­فناوری به بحث درباره تغييرات خواص مواد هنگامي­كه اندازه ذرات كوچكتر از 100 نانومتر است، مي‌پردازد.

از دیرباز تا کنون رنگ‌ها به عنوان پوشش محافظ یا تزئینی بر روی سطوح مختلف به‌کار رفته‌اند و در سال‌های اخیر با پیشرفت‌ فناوری نانو در صنایع مختلف، از جمله صنعت رنگ شاهد پیشرفت‌های جالبی در این زمینه و تولید انواع رنگ‌ها با کیفیت‌ها و با قابلیت‌های متنوع بوده‌ایم. نمونه‌ای از کاربرد فناوری نانو در صنعت رنگ استفاده از رنگ­ها به‌منظور محافظت از محیط پیرامون در برابر امواج الکترومغناطیس و مشکلات ناشی از تداخل این امواج است.

مشکلات امواج الکترومغناطیس:

در طول چند دهه گذشته، به دلیل رشد گسترده الکترونیک و تجهیزات الکترونیکی، ارتباطات راه دور و استفاده از سیستم های کنترل در صنایع مختلفی چون هوا- فضا، سیستم‌های دفاعی، تجهیرات پزشکی و غیره، افزایش کاربرد سیستم‌های الکترومغناطیس و محدوده فرکانسی به‌کار رفته به‌طور چشمگیری افزایش یافته است. امواج الکترومغناطیس محدوده وسیعی از امواج رادیویی با انرژی کم تا پرتوهای پر انرژی گاما را شامل می‌شوند و قرارگرفتن طولانی مدت در معرض این امواج مشکلات جدی برای سلامت جسمانی انسان به‌وجود می‌آورد. همچنین به‌دلیل گستردگی استفاده از ابزارهای الکترونیکی در زندگی روزمره تداخل امواج الکترومغناطیس نیز همواره مسئله‌ای قابل توجه بوده و یکی از آلودگی‌های مهم زندگی کنونی بشر به شمار می‌رود. به‌همین دلیل محققان از دیرباز به دنبال یافتن روش‌های موثر و کارآمد به‌منظور کاهش اثرات مضر این امواج بوده‌اند، اما مشکلاتی نظیر اثربخشی نسبتا کم مواد محافظ، هزینه بالا و نیز فرایند ساخت پیچیده این مواد همواره پیش رو بوده است.

حفاظت تداخل الکترومغناطیسی و دلایل استفاده:

تداخل امواج الکترومغناطیس(EMI)[1] به معنای وقفه یا کاهش عملکرد موثر وسایل و تجهیزات، در اثر تابش‌های الکترومغناطیس از یک منبع ناخواسته در محدوده فرکانس‌های مشابه فرکانس کاری می‌باشد. منظور از حفاظت در برابر امواج الکترومغناطیس رسیدن به حد مطمئن تضعیف این امواج است که این کار به وسیله انعکاس و جذب این امواج توسط مواد حفاظتی صورت می‌گیرد. حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی برای محافظت از وسایل الکترونیکی، مدارهای حساس از اشعه ها و امواج ناشی از کامپیوترها و ابزار مخابراتی، پیشگیری از نظارت غیرمجاز و جلوگیری از اشکال مختلف جاسوسی الکترومغناطیسی لازم است. اختلال در عملکرد ابزارآلات الکترونیکی بسیار خطرناک است؛ زیرا این ابزار در سیستم‌های استراتژیکی نظیر هواپیما، راکتورهای هسته‌ای، ترانسفورماتورها، سیستم‌های کنترل، مخابرات و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. از دیرباز استفاده از مواد متداول حفاظتی پایه فلزی مرسوم بوده ‌است، بعدها استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری هادی الکتریسیته به‌دلیل وزن سبک، مقاومت به خوردگی، انعطاف‌پذیری و مزایای دیگر توجه زیادی را به خود جلب کردند. در دهه گذشته با پیشرفت علوم و فناوری‌های نوین و رشد چشمگیر کاربرد امواج الکترومغناطیس در صنایع مختلف، توجه محققان به استفاده از فناوری‌های جدیدی مانند کاربرد فناوری نانو به‌منظور بهبود خواص پوششی حفاظت در این زمینه معطوف شده است. به‌عنوان مثال می‌توان به کاربرد گسترده نانوکامپوزیت‌های پلیمری در مواد محافظ الکترومغناطیس اشاره کرد. استفاده از نانوکامپوزیت پلیمری به‌جای سیستم‌های آلومینیومی ، وزن سازه را کاهش داده و خوردگی آن را، که ناشی از سخت افزارهای مورد نیاز برای نگهداری آلومینیوم در محل است،‌ از بین می‌برد.

مکانیزم حفاظت تداخل الکترومغناطیس:

به‌طور‌کلی عملکرد مواد در میدان‌های الکترومغناطیس، به‌وسیله جابه‌جایی الکترون‌های آزاد و حرکت‌های اتمی آن‌ها در میدان مغناطیسی تعیین می‌شود. سازوکار اصلی حفاظت الکترومغناطیس، شامل تولید میدان مغناطیسی مخالف با میدان مغناطیسی برخوردی و در نتیجه اتلاف انرژی در محیط محافظ و تضعیف امواج ورودی است(شکل1).  در استفاده از مواد نانو مقیاس، این حفاظت به دلیل رسانایی بالای نانوکامپوزیت‌ها بسیار موثرتر از مواد محافظ دیگر است.

شکل1: مکانیزم حفاظت الکترومغناطیس  (EMI)، با عبور امواج عبوری از پوشش محافظ شدت امواج خروجی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد]1[.

 

فناوری نانو و رنگ‌های محفاظ^[2] در تداخل الکترومغناطیسی:

در طول دهه گذشته فناوری نانو و دست‌یابی به مواد نانو مقیاس با ویژگی‌ها و عملکردهای منحصر به فرد، افق نویدبخشی در زمینه استفاده از رنگ‌های محافظ الکترومغناطیس برای محققان گشوده است. اساسا نانومواد گامی نوین در تکامل استفاده از مواد محافظ در برابر اشعه و تداخل الکترومغناطیسی به شمار می‌روند. عمدتا اثربخشی حفاظت الکترومغناطیسی یک ماده کامپوزیتی به هدایت ذاتی ماده محافظ و ضریب گذردهی الکتریکی آن بستگی دارد. در این میان استفاده از نانو موادی نظیر نانوفیبرهای کربنی و لایه‌های گرافیت به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و فیزیکی برای استفاده در کامپوزیت‌ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. قطر کوچک، نسبت ابعادی بالا، رسانش زیاد و استحکام مکانیکی بالای نانولوله‌های کربنی این مواد را به‌عنوان یک انتخاب عالی برای بکارگیری در کاربردهای حفاظت تداخل الکترومغناطیس با درصدهای وزنی کم و عمکرد بالا مبدل ساخته است. نانو لوله کربن  تک دیواره[3]، چنددیواره[4] و گرافن (شکل2)، دارای کاربرد ویژه‌ای در کامپوزیت‌های مورد استفاده در رنگ‌های حفاظت الکترومغناطیسی هستند. از طرفی با توجه به گستردگی و تنوع پلیمرها، اپوکسی با داشتن خصوصیات مناسبی چون مقاومت عالی در برابر خوردگی، خصوصیت چسبندگی خوب، دانسیته کم و قیمت ارزان عمدتا جز اصلی نانوکامپوزیت‌های محافظ به شمار می‌رود. در زیر به برخی از نتایج تحقیقات در زمینه کاربرد نانو کامپوزیت‌های محافظ اشاره شده است.

شکل2: شمایی از نانو لوله‌های کربنی تک دیواره، چند دیواره و گرافن

 

• نانوکامپوزیت های پروکسی- نانو لوله کربنی تک دیواره

در شکل3 اثر بخشی حفاظتی الکترومغناطیس برحسب دسیبل (db) به‌ازای مقادیر وزنی مختلف SWCNT برای کامپوزیت پروکسی- کربن نانو تیوپ تک دیواره نشان داده شده است. روند افزایشی حفاظت مغناطیسی با افزایش مقدار SWCNT به‌وضوح در شکل قابل مشاهده است. این اثربخشی حفاظتی برای کامپوزیت‌های پروکسی- کربن نانو تیوپ تک دیواره با 15% وزنی افزودنی SWCNT حدود 49 دسیبل در فرکانس MHz  10 و حدود  dB 15 -20 در محدوده MHz 500 تا  GHz 5/1 به‌دست آمده است]3[.

شکل3: روند اثربخشی حفاظت EMI به ازای درصدهای وزنی مختلف SWCNTs در نانوکامپوزیت پروکسی- نانو لوله کربنی تک دیواره

 

• نانو کامپوزیت پلی آکریلیک – نانو لوله کربنی چند دیواره شکل

مطالعات نشان می‌دهد که به‌طور کلی اثر بخشی حفاظتی کربن نانو لوله چند دیواره در مقایسه با کربن نانو لوله تک دیواره بیشتر بوده و این محافظت در درصدهای وزنی پایین‌ نیز به خوبی مشاهده می‌شود. اثربخشی حفاظتی بالا در نانو لوله کربنی چند دیواره اساسا به هدایت بالاتر و تراکم تعداد زیاد این نانولوله‌ها در شبکه نسبت داده می‌شود. در شکل4 روند اثربخشی حفاظت الکترومغناطیس به‌ازای درصدهای وزنی مختلف MWCNTs در فرکانس مغناطیسی 450 مگاهرتز و 10 گیگاهرتز برای نانو کامپوزیت پلی آکریلیک- کربن نانو تیوپ چند دیواره نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، میزان اثربخشی برای در فرکانس GHz10روند افزایشی قابل ملاحظه‌ای دارد]4[.

شکل4: روند اثربخشی حفاظت EMI به ازای درصدهای وزنی مختلف MWCNTs در نانوکامپوزیت پلی‌آکریلیک – نانو لوله کربنی چند دیواره

 

• نانو کامپوزیت اپوکسی- گرافن

گرافن نیز از جمله موادی است که به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد کاندید مناسبی برای حفاظت EMI به‌شمار می‌رود. گرافن حتی در درصدهای وزنی پایین تاثیر بسزایی در بهبود خواص حفاظتی کامپوزیت دارد. با توجه به شکل5 مشاهده می‌شود که اثر بخشی حفاظت الکترومغناطیس با افزایش مقدار نانو ماده افزایش یافته و برای همه محدوده‌های فرکانسی روند مطلوبی دارد. میزان اثربخشی حفاظت به‌ازای 15% وزنی گرافن( 8/8 حجمی) 21 دسیبل به‌دست آمده است]5[.

شکل5: روند اثربخشی حفاظت EMI به ازای درصدهای وزنی مختلف گرافن در نانو کامپوزیت نانو کامپوزیت اپوکسی– گرافن

 

• استفاده از نانو مواد هیبریدی که با ترکیب شدن مواد کربنی نانو ساختار با اجزای مغناطیسی نظیر آهن و نیکل تولید می شوند، می توانند به‌طور مؤثر در رنگ‌های محافظ، مورد استفاده قرار گیرد.

به‌طور کلی بهترین روش برای اعمال نانو کامپوزیت های پلیمر- کربن، رنگ و اسپری کردن این محلول بر روی سازه های مورد نظر است. درصورت مناسب بودن ویسکوزیته و غلظت محلول، پوشش یکنواختی روی سازه تشکیل می شود که اثربخشی مورد نیاز را تامین خواهد کرد. استفاده از این رنگ‌ها با قیمت بسیار کمتر و سازگارتر در محافظت از سازه‌های زمینی، هوانوردی، تجهیزات پزشکی و سیستم‌های فضایی و ماهواره‌ها  قابل استفاده است.

 

 

 

 

 

 

شکل6: اعمال پوشش‌های حفاظت الکترومغناطیسی به‌صورت رنگ یا اسپری کردن بر روی سطوح مورد نظر

 

پیش‌بینی بازار جهانی:

با توجه به گسترش روزافزون فناوری و الکترونیک در صنایع مختلف و گسترش آلودگی‌های الکترومغناطیس و نیاز برای مقابله با این آلودگی‌های زیستی، بازار جهانی، رشد چشمگیری را در استفاده از مواد محافظتی برای چند سال آینده پیش‌بینی می‌کند. از طرفی توجه به در نظر گرفتن مواد محافظتی با کارایی بالا، به‌منظور کاهش هزینه‌های اعمالی و جلوگیری از نیاز به تجهیزات گران‌قیمت، این بازار را به سمت استفاده از فناوری‌ نانو، خصوصا استفاده از نانولوله‌‌های کربنی، نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری و پلیمرهای رسانای ذاتی سوق داده است. این بازار رشد قابل توجهی را برای مواد محافظ الکترومغناطیس در بین سال‌های 2013 تا 2020 برآورد کرده است، به‌طوری که  بازار 9/7 میلیار دلاری برای مواد محافظ الکترومغناطیس در سال 2020 تخمین زده شده است]6[.

 

شکل7: روند رو به رشد بازارپیش‌بینی شده  برای مواد محافظ الکترومغناطیس در سال‌‌های 2013 تا 2020

 

 

 شرکت‌های فعال در حوزه رنگ ‌های محافظ:

با توجه به نیاز روزافزون بازار به ‌کاربرد رنگ‌های محافظ الکترومغناطیس توسعه شرکت‌های موجود در دنیا در این حوزه در حال گسترش می‌باشد که در زیر به تعدادی از رنگ‌های محافظ (EMI)  موجود در بازار اشاره شده است.

• رنگ Y-SHIELD

خصوصیات رنگ:

• قابل استفاده برای فرکانس‌های بالا بوده و در همه سطوح قابل استفاده است.
• کاهش قدرت میرایی db 30 موج به ازای هر لایه رنگ
• دارای مقاومت 10 اهم بر متر
• طول عمر رنگ محافظ 15 ماه است.
• رنگ مورد نظر مشکی می باشد که برای رسیدن به هر رنگ دلخواه می توان از رنگ مورد نظر بر روی رنگ محافظ استفاده کرد.
• رنگ GEOVITAL T98

خصوصیات رنگ:

• قابل استفاده در فرکانس های بالا(کاهش قدرت db 50 برای فرکانس‌ GH10)
• دارای قابلیت کاهش امواج تا 999%
• دارای حفاظت طولانی مدت

 

• رنگ Super Shield Graphite Conductive

خصوصیات رنگ:

• استفاده از صفحات گرافیت با قابلیت کاهش تداخل امواج رادیویی و الکترومغناطیس
• هدایت بالا و مقاومت سطحی پایین (47 Ω/sq) در یک لایه پوشش
• مقاوم در برابر خوردگی
• سازگار با محیط

نتیجه گیری:

فناوری ‌نانو، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با كنترل سطوح مولكولی و اتمی برای استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر می‌شود. با کمک فناوری نانو و خصوصا استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری در رنگ‌، می‌توان به‌راحتی و با صرف هزینه‌های اندک بر مشکل گسترش و تداخل آلودگی‌های الکترومغناطیس غلبه نمود. همچنین با کمک این فناوری، رشد چشمگیری در استفاده از مواد محافظتی و رنگ‌های محافظ الکترومغناطیس مبتنی بر فناوری نانو در سال‌های آینده پیش‌بینی می‌شود.

منابع:

[1]M.Jaroszaewski, J.Ziaja, EM shielding- theory and development of new materials, research signpost, kerala, 2012.

[2] Kuldeep Singh, Anil Ohlan ,S.K. Dhawan, Polymer-Graphene Nanocomposites: Preparation, Characterization, Properties, and Applications. Nanotechnology and Nanomaterial, 2012.

 

[3] Li, N., Y. Huang, F. Du, X. He, X. Lin, H. Gao, Y. Ma, et al. Electromagnetic interference

(EMI) shielding of single-walled carbon nanotube epoxy composites. Nano Letters 2006.,

[4] P Saini, V Choudhary, BP Singh, RB Mathur, Polyaniline–MWCNT nanocomposites for microwave absorption and EMI shielding, Materials Chemistry and Physics, 2009.

 

[5] J Liang, Y Wang, Y Huang, Y Ma, Z Liu, J Cai, C Zhang, Electromagnetic interference shielding of graphene/epoxy composites, Carbon, 2009.

 

[6] www.slideshare.net

 

[1] Electromagnetic interference (EMI)

 

[2] Shielding

[3] single-walled carbon nanotube )SWCNT)

[4] single-walled carbon nanotube )SWCNT)

 

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• سارا مقیمیان
• گروه ترویج صنعتی کامپوزیت و پلیمر

  (مبنا پژوهان فناوری‌های نوین آتیه)

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه 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]

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