فناوری نانو رویکردی جدید به علوم و فنون است؛ جلب توجه کشورهای پیشرفته و شرکت های بزرگ موید این مهم می باشد. بهره گیری از فناوری های نوین را می توان در اثرات ویژه و بهبود خواص محصولات درک نمود. اعمال سطحی پلاسما (اصلاح سطحی و ایجاد تغییرات سطحی) و ایجاد پوشش های نانوساختار بر روی سطوح به کار رفته در تجهیزات و ماشین آلات و محصولات صنایع حمل و نقل ریلی، به منظور ایجاد خواص جدید از جمله این موارد است.
معرفی فناوری پلاسمای سرد
یکی از فناوری های کاربردی که دستیابی به اهداف مورد نظر را ممکن می سازد، فناوری پلاسمای سرد است.
پلاسما یکی از چهار فاز اصلی ماده است. پلاسما یک گاز یونیزه شدهای است که شامل الکترون های آزاد، یون ها و رادیکال ها، ذرات خنثی (اتم ها و مولکول ها) است که با اعمال ولتاژ بالا به گازها ایجاد می شود.
در بیانی ساده تر، پلاسما به عنوان فناوری نوین عملیات سطحی بر اصلاح بیرونی ترین لایه سطوح، شامل چند لایه اتمی و در حد چند نانومتر می پردازد که باعث ایجاد قابلیت هایی متنوع بر روی سطوح مختلف منسوجات، پلیمرها، فلزات و سرامیک ها می شود.
مزایای عملیات سطحی پلاسمای سرد
توسعه فناوری پلاسمای سرد در سال های اخیر و دستیابی به خصوصیات کلیدی بر روی سطوح، محبوبیت روز افزون به این فناوری بخشیده است. رسوخ این فناوری در صنایع مختلف از جمله حمل ونقل، نساجی، غذایی، پزشکی، بسته بندی و مبلمان موید ادعای فوق است.
برخی از مزایای فناوری پلاسمای سرد در سطوح منسوجات که به ذهن میرسد در صنایع حمل و نقل ریلی پر کاربرد و کارآمد است عرضه می گردد؛
- ایجاد خصوصیات سطحی دفعی آب و روغن (ضد آب و لک) برای کاربرد در پارچه های مصارف بیرونی (مانند پرده)، روکش مبلمان و …
- – آنتی باکتریال و استریل نمودن سطوح منسوجات بهداشتی (مانند ملحفه) با بهبود خاصیت چسبندگی و ضد میکروبی را می توان ممکن ساخت.
- بهبود خواص کلیدی منسوجات از جمله رنگ پذیری، چاپ پذیری یکی از بارزترین قابلیت های پلاسمای سرد می باشد و این بهبود با افزایش چسبندگی سطحی ممکن می گردد.
- منسوجات مانند ضد لک نمودن سطوح منسوجات در برابر آب و روغن بدون ایجاد تغییر در خصوصیات عمقی مواد
به کار گیری پلاسمای سرد اتمسفری برای ایجاد و بهبود خواص سطوح پلیمری (پلاستیکی) از صنعتی ترین کاربردهای این فناوری است. تکنولوژی بهبود و اصلاح سطحی پلاسما به عنوان راه حلی نوآورانه برای حل مشکلات چسبندگی و جذب آب (خیس شدن) در بسیاری از صنایع توسعه یافته است.
- استفاده از پیش عملیات پلاسمایی برای فرآیندهای اتصال (چسبندگی)، رنگ (چاپ) پذیر نمودن و پوشش دهی محافظتی سطوح پلیمری یکی از مهمترین عوامل افزایش کیفیت در فرآیندهای فوق محسوب می شود. اصلاح و بهبود سطوح پلیمری به عنوان یک راه حل اقتصادی و مقرون به صرفه به عنوان پیش عملیات مورد استفاده قرار می گیرد.
صنایع حمل و نقل ریلی نیز بدون شک از این کاربرد تجاری شده فناوری پلاسما در بسیاری از سطوح پلیمری (سطوح PP و سطوح PET و …) ماشین آلات خود، مانند دیواره های واگن ها، مبلمان ها داخل واگن ها و سایر بخش های مرتبط، می تواند از این ویژگی استفاده نماید.
افزایش میزان زبری سطح از جمله عواملی است که سبب افزایش میزان چسبندگی و رنگ پذیری سطوح می شود. بمباران سطح توسط یونها، رادیکال های آزاد و الکترون های موجود در پلاسما می تواند سبب ایجاد خلل و فرج هایی از مرتبه نانو متر تا میکرو متر شود. شکل سمت راست تصاویر AFM از سطح پلیمر PETقبل و بعد از اعمال پلاسمای اتمسفری هوا می باشد که سبب افزایش زبری سطح به اندازه حدود 10 نانومتر شده است.
افزایش میزان چسبندگی پلیمر پلی اتراترکتون (PEEK) در اثر اعمال پلاسمای سرد
عملیات سطحی پلاسما بر روی سطوح فلزی با اتکاء به برتری پلاسما به عنوان یک فرآیند خشک در مقایسه با سایر فرآیندهای تمیز کاری توسط مواد شیمیایی ناسازگار با محیط زیست (مانند هیدروکربن های کلر) توسعه ایده آل و چشم گیری داشته است.عملیات پلاسمایی سطوح فلزی (مانند آلومینیوم) قبل از اتصال، آب بندی، رنگ آمیزی (نقاشی) و حذف مواد آلی از سطوح یا حذف اکسیداسیون سطحی از کاربردهای تجاری شده این فناوری بر روی سطوح فلزی می باشد.
فعال سازی سطح آلومینیوم توسط پلاسما جت تمیزکاری سطح آلومینیوم قبل از جوشکاری
افزایش میزان آبدوستی و زبری فلزات از جمله مهمترین عوامل برای افزایش میزان رنگ پذیری آنها می باشد. شکل سمت راست طیف اسپکتروسکوپی فتوالکترون پرتو X مربوط به فلز آلمینیوم قبل و بعد از اعمال پلاسمای سرد هوا رانشان می دهد که پس از اعمال پلاسما به میزان قابل توجهی ترکیبات اکسیژن دار افزایش یافته اند که نشان دهنده افزایش میزان آبدوستی سطح می باشد.
تعمیر و نگهداری محصولات برای کاربردهای صنعتی هزینه های بالایی را در بر می گیرد لذا حفظ مشخصات شیمیایی مواد مثل انرژی سطحی بالا در مدت زبان طولانی از اهمیت بسزایی برخوردار است. شکل سمت چپ به بررسی میزان آبدوستی سطح چندین فلز در مدت زمان شش روز پس از اعمال پلاسما پرداخته است که نشان دهنده ثبات این مشخصه در مدت زمان طولانی می باشد.
تکنولوژی پلاسمای سرد علاوه بر اینکه به طور گسترده برای افزایش انرژی سطوح پلیمری، افزایش میزان چسبندگی و چاپ پذیری استفاده می شود، به تازگی به عنوان یک ابزار قدرتمند برای ضد عفونی سطح مواد غذایی و همچنین در بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود که منجر به افزایش زمان ماندگاری مواد غذایی می گردد.
خلاصه ای از مطالعات انجام گرفته روی دو پلیمر PP و PET به منظور بسته بندی مواد غذایی
| پلیمر | منبع پلاسما | شرایط اعمال پلاسما | مشخصات کلیدی | مرجع |
| PP | AC discharge (50 Hz, 2electrodes, 1000 Pa) | Air plasma (30kV,
20dm3/hr, 120s) |
آبدوستی á
چسبندگی á |
Carrino, Moroni, and Polini (2002) |
| PP | Jet plasma DC discharge (35W, diffusivefilamentary mode) | Air plasma (20m/s, 6W/cm2)
Nitrogen plasma (15m/s, 3-5W/cm2) |
آبدوستی á | Akishev, et al. (2008) |
| PP | Glow discharge (DC)
(400V,10W, 25mA) |
Air plasma
(0.2mbar, 2-20min) |
آبدوستی á
چسبندگی á قطبیدگی á زبری á تجزیه پذیری á |
Navaneetha Pandiyaraj, Selvarajan, Deshmukh, and Gao (2008)
|
| PP | DBD plasma (3-20kV,25-50kHz) | Air plasma (upto 6.7J/cm2) | آبدوستی á
نسبت O/C á |
Sorrentino, Carrino, and Napolitano (2007) |
| PET | Glow discharge
(400V) |
Air plasma (0.2mbar,
2-25min) |
آبدوستی á
چسبندگی á قطبیدگی á زبری á تجزیه پذیریá |
Pandiyaraj, Selvarajan, Deshmukh, and Bousmina (2008) |
| PET (biaxially oriented) | Jet plasma (285V, 6A, 16kHz) | Air plasma (0.16-
0.81m/s) |
آبدوستی á | Gotoh, Yasukawa, and Taniguchi (2011) |
| PET | DBD plasma (3-20kV, 40-80kHz) | Air plasma (9.6, 14, 21.9W/cm2) | آبدوستی á
نسبت O/C á |
Cui, Upadhyay, Anderson, Meenan, and Brown (2007) |
خلاصه ای از مطالعات انجام گرفته روی بررسی ماندگاری اثرات پلاسما بر پلیمرهای PP و PET به منظور بسته بندی مواد غذایی
| پلیمر | منبع پلاسما | شرایط اعمال پلاسما | زماان ماندگاری | توضیحات | مرجع |
| PE | DBD plasma
(3-20kV, 40-80kHz) |
Air plasma (9.6, 14, 21.9W/cm2) | 3 ماه | کاهش میزان آبدوستی به میزان جزئی | Cui, et al.(2007) |
| PP | DBD plasma (3-20kV,25- 50kHz) | Air plasma (up to 6.7J/cm2) | 30 روز | کاهش زاویه تماس آب به ازای دوز بالا | Upadhyay, Cui, Anderson and Brown (2004) |
| PP | DC plasma (1-30kV) | O2 plasma (5-120s, 0.5-2kPa) | 30 روز | کاهش 5% آبدوستی در روز اول و 18% پس از 30 روز | Sorrentino, et al. (2007) |
خوب است دانست که شرکت Dow Corning Plasma Solutions (DCPS) با اعطای لیسانس فناوری پلاسمای سرد اتمسفری به شرکت آلمانی Freudenberg Forschungsdiensteامکان اعمال فیلم های متنوع پوشش داده شده بر روی سطوح منسوجات مختلف ایجاد کرد.
برای اتصال چراغ های عقب و جلو وسائط نقلیه و صرفه جویی در هزینه ها- Openair®FG5001Plasma Generator
همچنین اخیرا در صنعت حمل و نقل ریلی و جاده ای از LED ها برای افزایش طول عمر چراغ ها و همچنین حذف نیاز به تغییر لامپ استفاده می شود. برای اطمینان از این عمر طولانی، چراغ ها باید در برابر رطوبت به خوبی محافظت شوند. با ایجاد لایه ای از پلیمر های پلی پروپیلن (PP) و پلی کربنات (PC) این مشکل به راحتی حل می شود که برای افزایش میزان چسبندگی این پلیمرها به سطح LED ها از تکنیک پلاسمای سرد استفاده شده است. اولین بار از تکنیک پلاسمای سرد برای این منظور در سال 1995 در آلمان استفاده شده است. در حال حاضر در شرکت HELLA در استرالیا نیز از این تکنولوژی استفاده می شود.
Openair®Plasma Generator – در بهبود کیفیت صنعت حمل و نقل
در ساختار یخچال هایی که در صنعت حمل و نقل در داخل تریلیرها استفاده می شوند از هیچ گونه میخ و پرچ استفاده نمی شود، همچنین در ساخت دیوارها و سقف های تریلیرها از روش ساندویچی (پیوند چندین لایه پلیمری) استفاده شده است. این پنل ها از دو ورق استیل کوت داده شده با پلاستیک و فوم سخت پلی یورتان (PU) با چگالی بالا به عنوان هسته تشکیل شده است. در نهایت این پنل به ریل های آلمینیومی متصل می شود. برای دستیابی به یک چسبندگی عالی در داخل پنل و اتصالات ریلی و همچنین مهر و موم مفاصل اتصال از پلاسما به عنوان یک روش زیست سازگار برای افزایش میزان انرژی و فعال سازی سطوح استفاده شده است.
از سال 2003 کمپانی Schmitz Cargobull AG ، تولید کننده تریلر پیشرو در اروپا، سالانه در بیش از 15000تریلیر از پلاسما Openair® استفاده می کند. هدف اصلی عدم استفاده از حلال های آلی و در نتیجه حذف خطر آلودگی محیط زیست می باشد.
خلاصه مدیریتی
در سال های اخیر به دلیل افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش آلودگی های زیستی از طرفی و افزایش اهمیت کیفیت خدمات شهری و شهروندی از جانبی دیگر، استفاده از حمل و نقل های عمومی از جمله حمل و نقل ریلی نیازمند تغییر نگرشی نو برای رفع چالش های موجود داشته و خواهد داشت.
امید ان می رود، با همین رویکرد استفاده از فناوری پلاسمای سرد به عنوان فناوری نوین و متداول در سطح دنیا به جهت
- جایگزینی فرآیندها و محصولات قدیمی
- تولید و ایجاد محصولات با کیفیت و دوام بیشتر
- ایجاد خواص مورد نظر در سطح محصول بدون تحت تاثیر قرار گرفتن کل حجم و توده محصول
- بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع
- دوستدار محیط زیست
- فرآیندی به صرفه و اقتصادی
- قابلیت ایجاد تحولی بزرگ در صنایع کلیدی و مهم کشور
- راهی مناسب، ارزان و در دسترس برای ورود به بازارهای جهانی
جزء لاینفک تصمیمات مدیران این حوزه باشد.
————————————————–
تهیه و تنظیم:
- گروه صنعت و بازار با همکاری 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]
====================================================================================
