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. نانو نه یک ماده است نه یک جسم، فقط یک مقیاس است. نانومواد به موادی گفته می شود که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس 1 تا 100 نانومتر باشد .
چوب، کامپوزیت طبیعی میباشد که به دلیل ضعف خود در برابر برخی عوامل نظیر رطوبت و آتش، حمله باکتریها و قارچها، دوام طبیعی و مقاومتهای فیزیکی و مکانیکی، نیازمند اعمال اصلاحاتی به منظور بهبود ویژگیهای خود میباشد.
صنعت چوب با توجه به نیازهای خود از استفادهکنندگان مواد نانوساختار به شمار میرود. تدابیری که به کمک فناوری نانو برای چوب اندیشیده شده است، در مراحل آغازین پیشرفت قرار دارد و در آینده میتواند صنايع چوب کشور را با تحول زيادي روبهرو کند.
از جمله کاربردهای فناوری نانو در این زمینه استفاده از نانوپوششهای چوب در جهت بهبود خواص و افزایش عمر چوب میباشد. مزایای نانوپوششهای چوب عبارتند از پايداري در برابر رطوبت، اشعه فرابنفش، فساد ميكروبي و مقاومت در برابر آتش.
در این نوشتار، انواع نانوپوششهای چوب و کاربردهایشان به اختصار توضیح داده شده است.
فناوری نانو و ارتقای کیفیت چوب
افزایش مقاومت چوب در برابر جذب رطوبت و نور
سطوح چوب و کامپوزیتهاى چوبى همواره در معرض فرسایش بهوسیله نور(مانند اشعه فرابنفش) و رطوبت است و در برابر این دو عامل بسیار آسیبپذیر است. در مقایسه با سایر مواد و مصالح ساختمانی تاثیر رطوبت بر روی ویژگیهای مکانیکی و مقاومتی چوب اهمیت بیشتری دارد. چوب میتواند مقادیر قابل توجهی آب، ( تا حدود 200 درصد وزنی خود) جذب کند. انقباض و تورم ناشی از تغییرات رطوبت، میتواند سبب ساز مشکلاتی نظیر ایجاد ترک در چوب شود.
پیشرفتهای اخیر در علم و فنآوری، امکان استفاده از محصولات ارگانوسیلیکون[1]را برای ضدآب کردن انواع مختلف محصولات چوبی فراهم ساخته است. بنابراین با ایجاد نانوپوششهای مناسب بر روی سطح چوب و مسدود کردن منافذ و جلوگیری از تماس رطوبت با سطح چوب میتوان از نفوذ رطوبت جلوگیری و مقاومت چوب رادر برابر نفوذ رطوبت با استفاده از نانوذرات افزایش داد.
انواع روش های ضدآب کردن چوب
بهطورکلی برای ضد آب کردن چوب از مواد پوششدهنده یا نفوذکننده استفاده میشود.
1– پوششدهندهها
مسائل اقتصادی و استفاده آسان تر از پوششهای ضد آب، باعث کاربرد گسترده این پوششها در صنایع مختلف از جمله صنعت چوب شده است. در سطح دنیا محصولاتی چون رنگهای آکلریکی، سنتزی و پلیمرهای سیلیکونی معمولاً برای ضدآب کردن سطوح استفاده میشوند. اندازه ذرات این پوشش دهندهها بیش از 100 نانومتر است که این مسئله باعث میشود که نتوانند به داخل منافذ چوب نفوذ کنند، بلکه لایهای ایجاد کنند که سطح چوب را بپوشاند و مانع جذب آب شود.
2-نفوذکننده ها
بیشتر نفوذکنندهها پایه حلالی هستند و شامل مواد منومری محلول با اندازه کوچکتر از 6 نانومتر میباشند. این مواد به منافذ و شبکههای چوب نفوذ و خاصیت آبگریزبودن سطح را ایجاد میکنند.
معرفی نانوپوششهای چوب با خاصیت ضدآب و مقاوم در برابر نور :
- سیلانها
سیلانها مواد منومری هستند که بهعنوان دستهای از محصولات ضدآبسازی شناخته شدهاند. محصولات استفاده شده برای ضدآب کردن به آلکیل آلکوکسی سیلان معروفاند. در ساختار آلکیل آلکوکسی سیلانها دو گروه وجود دارد :
الف)گروه آلکیل (R)، وجود این گروهها در سطح خاصیت آب گریزی را ایجاد میکند.
ب)گروه آلکوکسی(OR)، این گروه با چوب و محصولات چوبی واکنش می دهند.
شکل1 : ساختار آلکیل آلکوکسی سیلان
بیشتر مصالح ساختمانی از جمله چوب، بر روی سطح خود گروههای هیدروکسیل (OH) دارند. این گروه های OHمیتوانند با گروههای آلکوکسی سیلان واکنش دهند و با زیرلایه پیوندهای سیلوکسان هیدروژنی تشکیل دهند.
شکل2 : تصاویر مربوط به چوبهای ضد آب
نمونهای از محصولات تجاری مواد آبگریز:
- لیگنول
پوشش نانو بنیان محافظ چوب که با نام تجاری لیگنول به بازار عرضه شده است، نوعی پوشش چند منظوره اشباع کننده پایهآبی است که برای حفاظت چوب از عوامل جوی (به ویژه در سطوح عریان و فضای بیرون ساختمان) کاربرد دارد. سازوکار این پوشش بر پایه استفاده از ذرات نانوبنیانی است که در حفرههای سطحی چوب نفوذ کرده و راه را بر نفوذ آب و دیگر عوامل مهاجم میبندد. همچنین مواد جذبکننده پرتوی فرابنفش در ترکیب این ماده، بر پایداری و دوام آن میافزاید و هیچ تغییری در شفافیت پوشش ایجاد نمیکند.
ویژگیهای این پوشش
- آبگریزی عالی و در نتیجه پیشگیری از اثرات نامطلوب بارش باران بر روی سطوح چوبی
- محافظت کامل در برابر پرتوهای فرابنفش و جلوگیری از تیرهشدن چوب در اثر آفتابخوردگی
- غیرفعال بودن این پوششها و عدم واکنش با مواد شیمیایی اطراف خود
- قابلیت استفاده در سازه های دریایی، اسکلهها و ساختمانهای ساحلی
شکل3 : تصاویر مربوط به چوبها با پوشش ضد آب و رطوبت که در کارهای دریایی و ساختمانهای واقع در مناطق مرطوب استفاد میشوند.
- زایکوسیل
زایکوسیل، محصولی برخاسته از فناوری نانو و محلول در آب، برگرفته از ساختمان برگ نیلوفرآبی با ساختار شیمیایی ارگانوسیلان است.
——————————
[1]Organo-Silicon
وِیژگیهای این پوشش
- 100درصد سیلان
- پایدار در برابر اشعه UV و حرارت
- طول عمر 20 تا 30 سال
- نفوذکننده در منافذ و ترکهای بسیار ریز
- دوستدار محیط زیست، بیرنگ و بیبو
- غیر قابل اشتعال
شکل4: برقراری پیوند زایکوسیل با سطح چوب
استفاده از نانوذرات فلزی برای بهبود مقاومت چوب :
از نانوذرات به منظور کاهش رنگ پریدگی چوبی که در معرض نور آفتاب قرار دارد نیز به عنوان افزودنی در پوشش استفاده میشود. از نانوذرات ZnO برای محافظت از چوب، پلاستیک و منسوجات در مقابل نور خورشید و آلودگیهای میکروبی استفاده میشود. در فرمولاسیون پوششهای محافظ چوب، محافظت در برابر شستشو، جذب آب و تخریب ناشی از فرابنفش نیز سهمی دارند. سطوحی که در معرض نور مستقیم خورشید قرار دارند معمولا به خاطر نور فرابنفش ترکیبات ارگانیکشان از جمله موارد زیر از بین میروند.
- رنگ و رنگدانه
- چسباننده ها
- پلیمرها
- مواد ارگانیک درون چوب
جاذبهای UV معمول ارگانیک پس از مدتی که زیر نور آفتاب قرار میگیرند خاصیت خود را از دست میدهند، اما جاذبهای UV معدنی نانو ZnO پایدار باقی میمانند و از پوشش برای چندین سال محافظت میکنند. بعلاوه، مزایایی همچون ثابت ماندن طیف جذب UV نیز دارند. فیلمهای نانوبلوزی بر پایه اکسید روی به عنوان پوششهایی فعال با مقاومت در برابر خوردگی و چسبندگی مناسب به سطح توسعه داده شده اند.
علاوه بر وجود رطوبت، پرتوهای فرابنفش از عواملی هستند که موجب پوسیدگی و از بین رفتن مصالح چوبی میشوند.
استفاده از نانوذرات دیاکسید تیتانیم، اکسید روی و دیاکسید زیرکونیم میتواند باعث افزایش مقاومت چوب در برابر نور و عوامل جوی شود.
با توجه به نمودار با افزودن نانوذرات دی اکسید زیرکونیم به چوب مقدار تغییرات رنگی چوب (∆E ) بعد از گذشت 600 ساعت کمتر از چوب خالص میباشد]6[.
جدول ۱– نانوپوششهای مقاوم به UV، نانومواد استفاده شونده، اصول، خواص و کاربردها
| دسته | |
| نانومواد | · اکسید روی
· دی اکسید تیتانیوم · اکسید سریوم |
| اصول | · کاهش پراکندگی نور با رسیدن اندازه ذره به مقیاس نانو. تجزیه فوتوشیمیایی که توسط نور UV رخ میدهد یکی از دلایل معمول از بین رفتن پوششها است. این باعث اکسید شدن و تجزیه شدن فیلمهای پلیمری و رنگدانههای ارگانیک و غیر ارگانیک میشود. تثبیت کنندگان UV ارگانیک نیز بعد از زمانی از بین میروند. با استفاده از نانوذراتی مانند تیتانیا و اکسید روی خاصیت مقاومت در برابر UV را با جذب و یا بازتاب امواج مضر بهبود میبخشد. همچنین، آنها توسط نور UV به آسانی از آسیب نمیبینند و بنابراین طول عمر و مقاومت رنگها را افزایش میدهند.
· پوششهای نانوکامپوزیت محافظ UV، با به کار گیری نانوبلورهای TiO2, ZnO, SiO2 و Al2O3 در بستر پلیمری ساخته میشوند. مزیتهایی که با بکار گیری نانوذرات در بستر پلیمری بدست میآید بسیار صرفه اقتصادی دارند، چرا که جند خاصیت مطلوب به صورت همزمان بدست میآید. مانند شفافیت به همراه محافظت از UV |
| خواص | · نانوذرات ZnO و TiO2 که در یک پوشش به کار رفتهاند به صورت موثری از سطح در برابر نور UV محافظت میکنند. حتی در غلظتهای کم عملکرد بهتری از ذرات میکرونی دارند.
· غیر سمی و پایداری شیمیایی در دمای بالا و در معرض UV. · دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی نانومقیاس در جذب و پراکنده کردن نور UV عملکرد مناسبتری نسبت به سایز معمولی دارند و بنابراین نور UV را بهتر دفع میکنند. این به خاطر نسبت سطح به حجم بیشتر نانوذرات نسبت به مواد معمولی میباشدو |
| اثر | · ذرات TiO2, ZnO, SiO2 و Al2O3 در پلیمرهای نیمه شفاف محافظت بهتری و طولانیتری را ادز مقابل امواج UV و محیطهای خشن در اختیار میگذراند.
· جذب کنندههای UV، پایداری جلا و رنگ را برای مدت طولانی نگه میدارد و از آسیبهای تابش UV محافظت میکند و باعث تغییر رنگ نمیشود. |
شکل7:تصویر مربوط به آزمایش دو قطعه چوب تحت اثر عوامل جوی در یک دوره شش ماهه : چوب معمولی و بدون پوشش در بالا و چوبی که تنها یک نیمه آن (نیمه سمت چپ) مسلح به پوشش لیگنول است.
اصلاح و بهبود مقاومت چوب در برابر باکتریها و قارچها با استفاده از فناوری نانو
وجود رطوبت در چوب باعث رشد و تکثیر انواع قارچها و باکتریها میشود، زیرا رطوبت، اکسیژن و غذای مورد نیاز برای آنها درون چوب فراهم است. حال میتوان با استفاده از نانوذرات، محیط را برای حمله باکتریها و قارچها ناامن نمود. به طورکلی محصولات چوبی در معرض حمله عوامل محیطی همچون قارچهای لکهآبی، پوسیدگی سفید و قرمز و همچنین انواع مختلف کپکها قرار دارند. جلوگیرى از تماس باکترىها با سطح چوب مىتواند روش مناسبى براى به حداقل رساندن تکثیر کلونىهاى میکروبى یا تشکیل کپک در چوب باشد.
انواع نانوپوشش های چوب آنتی باکتریال:
- نانوذرات سیلیکا
نانوذرات سیلیکا، تکثیر باکترىها و کلونىهاى قارچها را به طور چشمگیرى کاهش مىدهد. ذرات کروى سیلیکا، با قطر حدود 10نانومتر، از طریق یک لایه اتصالى پلىکاتیونى و با استفاده از یک فرایند ساده به سطوح متصل مىشوند. از این روش مىتوان براى ساخت روکشهاى نانوکامپوزیتى پلیمرى با خاصیت خودتمیزشوندگی و حذف آلایندههاى میکروبى استفاده نمود.
- نانوذرات نقره
نانوذرات نقره به دلیل خاصیت منحصر به فرد ضدمیکروبی بودن امروزه مورد توجه زیادی قرار گرفتهاند. با توجه به اینکه نانوذرات دارای سطوح بسیار زیادی هستند، این افزایش سطح باعث خواهد شد که یک گرم از نانوذرات نقره برای ضدباکتری کردن یک صد مترمربع از سطح یک ماده کافی باشد. بنابراین میتوان با نانوذرات نقره سطوح چوب را پوشش داد که با این کار میتوان سطوح چوبی را در برابر قارچها و باکتریها ایمن نمود.
در شکل (الف) چوب بدون روکش نانوذرات به مدت 20 روز در معرض رطوبت زیاد بوده است. نقاط تیره و سیاه رنگ نشاندهنده رشد کپک در سطح چوب است. (ب) چوب روکش دادهشده با نانوذرات نقره در همان شرایط، دارای ظاهر بسیار شفافتر و آلودگی کمتری در سطح خود است]8[.
- نانوکپسولها
نانوکپسولها توان آزادسازی مداوم آفتکشها و قارچکشها را دارند و درصورتیکه در پوششهای مورد مصرف در مبلمانهای چوبی نظیر پلیاستر، سیلر وکیلر استفاده شوند، طبق برنامه زمانبندی مشخص آزادسازی مواد قارچکش را انجام دهند. نانوذره دیاکسید تیتانیوم نقش کلیدی درآزادسازی مواد قارچکش ایفا میکند.
افزایش مقاومت چوب در برابر شعله و آتش با استفاده از نانوفناوری
یکي از کاربردهاي مهم فناوري نانو در جهت بهبود خواص چوب، بالابردن مقاومت اين مواد در برابر آتش است. اين مواد عموماً در دماهاي بالا ايمن نيستند، اما با استفاده از فناوري نانو امکان ديرسوز نمودن آنها وجوددارد. بطور مثال، آلومینیوم هیدروکسید یکی از مواد مهم تاخیر انداز آتش است.
ویژگی بازدارندههاى آتش
- کاهش قابلیت اشتعال
- کاهش پخش حرارت
- کاهش گسترش شعله
مقایسه قابلیت اشتعال و پخش شعله در دو چوب در زمانهای مختلف، در چوب پائینی از نانومواد ضد آتش استفاده شده است.
اصلاح خواص مقاومتی چوب بانانولولههای کربنی
محصولات چوبی (مبلمان، دکوراسیون و…) در هنگام استفاده تحت تاثیر تنشها و کرنشهای متفاوتی قرار میگیرند و نیروهای خمشی، کششی، فشاری و برشی بر آنها وارد میشود. حال میتوان با استفاده از نانولولههای کربنی ، خواص مقاومتی این چوبها را افزایش داد.
ویژگی نانولوله های کربنی
- وزن کم و ضخامتی برابر یک اتم کربن
- مقاومت مکانیکی بالا
- توزیع الکتریسیته ساکن
- مقاومت کششی بالایی در حدود صد گیگا پاسکال
نتیجه گیری :
ویژگی کلی نانو پوشش های چوب
* پوشش سطوح منفذدارچوب
*امکان تمیز شدن لکها ازجمله چربیها وروغنها با آب
* حفظ تنفس سطوح
* جلوگیری از ایجاد کپک، جلبک و مشابه آنها
* حفظ سطوح در برابرعوامل محیطی
* محافظت سطوح از تاثیر رطوبت و ایجاد پوسیدگی
* افزایش مقاومت چوب در برابر آتش
* بهبود خواص استحکامی چوب
وضعیت فناوری چوب در ایران و جهان
کل پتنتهای ثبت شده تا سال 2014 در مورد فناوری نانو در صنعت چوب 93 مورد است. بر اساس گزارشات موجود و با توجه به تعداد پتنتهای ثبت شده نسبت به زمان، میتوان متوجه شد که در سال های اخیر با کمک فناوری نانو تحقیقات زیادی بر روی چوب و کامپوزیتهای چوبی انجام گرفته است. از بین کل پتنتهای ثبت شده حدود 70% مربوط به کشور چین میباشد. بر اساس این گزارشات، در سال های اولیه تا سال 2000 به دلیل مباحث بازار و انحصاری بودن دانش فنی مربوطه و عدم شناخته شدن، تعداد پتنت زیادی ثبت نشده است. از سال 2010 به بعد احتمالاً به دلیل رشد بازار مربوط به تکنولوژی نانو در صنعت چوب و شناختهشدن این دانش تحقیقات بیشتری بر روی آن صورت گرفته است.
نمونه هایی از شرکتهای فعال در زمینه نانوپوششهای چوب
الف) نمونه هایی از شرکت های فعال در ایران :
(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)
| نام شرکت | مشخصات محصول | اطلاعات تماس |
| شرکت نانوپوشش طوس | نانو زایکوسیل | www.nano-p-toos.com0511-7253440 |
| شرکت نانواکسیر پردیس | نانو زایکوسیل | www.zycosil.ir 051-36662020 |
| شرکت تیکو آریا | پوششهای محافظ چوب | www.ticoarya.ir
021-22217760 |
| شرکت نانو پارسه | پوششهای محافظ چوب در برابر باران، خاک، نور خورشید، رطوبت | nanoparse.com
026-33413169 |
| شرکت نانوپوشش نوین البرز | پوششهای ضد آب | www.n-alborz.ir
78 253 87 0912 |
ب) برخی از شرکتهای فعال درخارج از کشور:
| نام شرکت | کشور | مشخصات محصول |
|
Kayuna
|
استرالیا |
پوشش های Nanotec-
مراقبت از چوب در برابر رطوبت، ترک و خراش |
|
Nanovation |
استرالیا |
پوششهای Lignol –
محافظت چوب از جذب رطوبت و نور |
|
Mirage |
کانادا |
پوششهای Nanolinx-
مناسب برای محیط های پر رفت و آمد |
|
Nanophase |
امریکا |
پوششهای Nanophase-
مقاومت چوب در برابر خراش |
——————————————
منابع
- en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology
- nano.ir
- http://www.southscope.net
- swiss-architects.com
- Leydecker S : Nano material (in Architecture Interior Architecture and Design), Berlin, Germany.
- Caichao Wan, Yun LU, Qingfeng Sun,Hydrothermal synthesis of zirconium dioxide coating on the surface of wood with improved UV resistance, Applied Surface Science, 321(2014).
- Fengna Chen, Xudong Yang, Antifungal capability of TiO2 coated film on moist wood, Building and Enviromental 44(2009).
- Jo, Y., Kim,B.H., Antifungal activity of silver ions and nanoparticles on phytopathogenic fungi, 93(2009).
9- نانو فناوری در معماری و مهندسی ساختمان، دکتر محمود گلابچی، دکتر کتایون تقیزاده و احسان سروش نیا. انتشارات دانشگاه تهران
—————————————————
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.
==============================================================================================================================
