کاربرد فناوری نانو در رنگهای خودتمیزشونده

مقدمه

نگهداری ساختمان و اجزای آن، از فعالیت های مهمی است که پس از ساخت بنا باید مورد توجه طراحان و کاربران ساختمان قرار گیرد. مانند هر وسیله دیگری، ساختمان هم نیاز به نگه داری و شستشو دارد. این مسئله، به ویژه در مورد سطوح در معرض دید، مانند نمای ساختمان اهمیت ویژه ای پیدا میکند. هزینه و نیروی انسانی که به این منظور صرف می شود، در ساختمان های ویژه (مانند آسمان خراش ها و ساختمان های بزرگی چون ورزشگاه ها) ارقام قابل توجهی را به خود اختصاص می دهد. به منظور کاستن از هزینه های نگهداری و تمیز نگاه داشتن سطوح ساختمان و همچنین کاهش تکرار این فرآیند، متخصصان عرصه فناوری نانو، از این فناوری نوین به منظور ایجاد امکانی برای تولید سطوح، با هدف خودتمیزشوندگی و آسان تمیزشوندگی استفاده کرده اند. امروزه محصولاتی که با این هدف تهیه می گردند، با استقبال چشمگیری از سوی طراحان، سازندگان و مالکان ابنیه مواجه شده است.

اصول خودتمیزشوندگی

پوشش های خودتمیزشونده به دو گروه آب گریز وآبدوست تقسیم می شوند و در هر دو نوع، پوشش به واسطه آب، آلودگی را از سطح می زداید، یکی به واسطه تشکیل قطرات کروی شکل و دیگری از طریق تشکیل ورقه های نازک آب روی سطح. در پوشش های آب دوست آب در سطح گسترده می شود و به این ترتیب می تواند آلودگی ها را با خود حمل کند و از بین ببرد. درحالیکه در سطوح آب گریزقطرات آب روی سطح می لغزند و آن را تمیز می کنند.

پدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماسی مایع با سطح بستگی دارد. زاویه تماسی مایع در فصل مشترک سه فاز جامد، مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می شود. به طورکلی، اگر زاویه تماسی کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آب دوست واگر بیشترازه۹ درجه باشد، سطح را آب گریزمی نامند. سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفردرجه ابرآبدوست وسطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابر آبگریز نام دارند. سطوح آبگریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، درحالیکه انرژی سطحی سطوح آب دوست بسیار بالاست. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دستیابی به سطوح ابر آبگریز و ابر آبدوست را ممکن ساخته است.

شکل ۱ . زاویه تماس، که میزان آب گریزی سطح را تعیین میکند. این زاویه، میزان ترشوندگی وعملکرد نسبی نیروی کشش سطحیبین آب، هواوسطح را توصیف می کند.

پوشش های آب گریز و ابر آب گریز

منبع الهام سطوح خودتمیزشونده آبگریزبه گیاه نیلوفر آبی باز می شود. این گیاه به این علت موردتوجه قرار می گرفته که از پاکی وتمیزی استثنایی برخوردار بوده است. در این گیاه، آب به محض 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 می زداید.

 

شکل ۲. خاصیت خودتمیزشوندگی برگ گیاه نیلوفرآبی، منبع الهام سطوح خودتمیزشونده بوده است.

خاصیت آب گریزی بعضی از گیاهان مانند نیلوفر آبی به دلیل وجود ناصافی های میکروسکوپی است که سبب می شود سطوح زبری بر روی برگ ها پدید آید که دارای خاصیت آب گریزی باشند. زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس میکرومتریا نانومترباشد، فصل مشترک بین هوا و آب دریک قطره که بر روی سطح قرار گرفته است افزایش پیدا می کند و نیروی موئینگی بین قطره وسطح شدید کم می شود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می گیرد و به راحتی جریان پیدا میکند و ذرات آلاینده موجود بر روی سطح، به قطرات آب چسبیده و با غلتیدن قطرات آب ، آلودگی هانیزاز سطح زدوده می شود.

با الهام از اثر نیلوفر آبی، امروزه سطوح و پوشش هایی تولید می شوند که به دلیل ریزساختار زبرشان دارای اثر خودتمیزشوندگی باشند. با استفاده از فناوری نانووایجاد سطوحی که زبری در مقیاس نانومتر داشته باشند سطوح فوق آبگریز پدید آمده اند که از امکان ترشدگی کمتری برخوردارند.

 

شکل ۳.تصویریک قطره آب بر روی برگ نیلوفر آبی، ذرات آلودگی روی قطره آب می چسبند و از سطح جدا می شوند.

 

خواص

کاربری آسان به طور مثال اسپری کردن و دمای معمولی اتاق

خواص ضدچسبندگی و آسان تمیزشوندگی؛ بعلاوه محافظت های سطحی ( برای فلزات)

خواص آنتی باکتریال و یا حفاظت در برابر خزه، قارچ و رشد جلبک

شفاف، چسبندگی خوب بر روی زیر لایه ها بدون فرآیند آماده سازی دشوار

مناسب برای فلزات، شیشه،  سرامیک، سنگ و سطوح پلاستیکی

مزیت ها

دفع کننده آب و خاک

خود تمیز شوندگی (توسط آب یا باران و یا روش های دیگر)

مدل های گوناگون تجاری قابل دسترس

شفافیت (مخصوصا برای سطوح تزئینی ، شیشه و پنجره ها دارای اهمیت می باشد)

 

شکل ۴. یک پوشش ابرابگریزکه قطرات آب بالغزیدن روی آن آلودگی را از روی سطح میزدایند.

بازار و کاربردها

جدول ۱. بازار و کاربرد پوشش های خودتمیزشونده (بیونیک)

صنایع	کاربرد
ساختمان	سطوح خارجی، که در معرض عناصری همانند نماهای خودتمیزشونده هستند سیمان، پلاستیک، آهن یا سطوح رنگ شده) پنجره ها، درودروازه
انرژی	پوشش های شیشه ای پانل های خورشیدی توربین های بادی (تیغه های چرخنده)
خودرو	پنجره های ماشین و آینه های آن
پارچه	پارچه های ضد لک و پوشاک
داخلی	در حمام
اپتیک و الکترونیک	لایه های نازک ضد انعکاس فیلترهای اپتیکی لنزهای چشمی آینه ها لنزهای دوربین نمایشگرهای الکترونیکی

پوشش های آب دوست و ابر آب دوست

نوع دیگر پوشش های خود تمیز شونده عملکردی کاملا متفاوت نسبت به پوشش های آبگریزدارند. پوشش های آب دوست منحصرا تکیه بر جریان آب برای تمیز کردن آلودگی سطح ندارند. این پوشش ها در اثر خاصیت فتوکاتالیستی خود، با قرار گرفتن در معرض نور آلودگی سطحی را تجزیه می کنند و با جریان یافتن آب روی سطح آلودگی ها پاک می شود. این گونه پوشش ها رشد تجاری بالایی در صنعت پیدا کرده اند.

شکل ۵. تجزیه و زدایش آلودگی از روی سطح با استفاده از خاصیت فوتوکاتالیستی سطح

درواقع خاصیت خودتمیزشوندگی برای سطوح آب دوست ناشی از دو خصوصیت فتوکاتالیستی و آب دوستی است. مواد فتوکاتالیست موادی هستند که در حضور نور (فوتو) از خود خاصیت کاتالیستی نشان میدهند. یعنی اگراین مواد در معرض تابش نور قرار گیرند، به عنوان یک کاتالیست می توانند سرعت انجام یک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزایش دهند. مواد فتوکاتالیست ساختار شیمیایی آلودگی ها را در مجاورت نور خورشید از بین می برند. در طول ترکیب آلی فرآیند فوتوکاتالیستی، ساختار شیمیایی آلودگیهای ارگانیک و سایر ناخالصی ها که بر روی پوشش قرار دارد به وسیله جذب نور خورشید شکسته می شود. شکل زیرشماتیکی از پدیده فتوکاتالیستی را نشان میدهد.

همچنین این مواد در معرض نور خورشید موجب ایجاد خواص آب دوستی سطح می شوند. خاصیت آب دوستی سطح نیز باعث می شود با کاهش زاویه تماسی، صفحاتی از آب بر روی سطح ایجاد شود که آلودگی ها را از بین برد.

شکل ۶. شماتیکی از پدیده فتوکاتالیستی

شکل زیر نیز پدید آب دوستی را با استفاده از دی اکسید تیتانیم نشان میدهد. هنگامی که پوشش در معرض نور خورشید قرار می گیرد دارای خاصیت آب دوستی می شود.

شکل ۷. ایجاد پیوندهای سطحی ایجاد شده در سطح آب دوست

 

شکل ۰۸ روند پدیده فتوکاتالیستی

شکل زیر نیز شماتیکی از خاصیت خودتمیزشوندگی که از ترکیب پدیده فوتوکاتالیستی به همراه پدیده فوق آب دوستی نتیجه می شود را نشان میدهد.

 

شکل ۹. شماتیک پدیده خودتمیزشوندگی

انواع مختلفی از اکسید و سولفید فلزی که در ابعاد نانومتری دارای خاصیت خود تمیزکنندگی هستند، طی مهروموم های اخیر کشف شده اند که از جمله آنها ,TiO , WO , ، ZrO , ، ZnO و Cds را می توان نام برد. این مواد قدرت خود تمیزکنندگی متفاوتی را در سطح ایجاد می کنند. از بین این نیمه هادی ها ,TiO خواص بسیار مناسبی نسبت به بقیه از خود نشان می دهد و یکی از مواد فتوکاتالیستی است که کاربرد زیادی به عنوان سطوح خودتمیزشونده آب دوست دارد. دی اکسید تیتانیم یک ماده ایده آل برای پدیده های فوتوکاتالیستی است. زیرا:

• ارزان و قابل دسترس است
• مقاومت به خوردگی بالا دارد
• اکسیدکننده قوی است
• پدیده فوتوکاتالیستی می تواند در دماهای معمول رخ دهد
• واکنش می تواند در اتمسفر اکسیژن رخ دهد

ذرات و پوشش های با مقیاس نانو (ابعاد در اندازه بین ۱ تا ۱۰ نانومتر) و ذرات و پوشش های با ابعاد میکرو و ماکروی تیتانیا خواص متفاوتی از خود نشان میدهند. نیمه هادی ها با ابعاد فیزیکی نانو خواصی از خود نشان می دهند که در مقیاس توده ای در آنها دیده نمی شود. در ابعاد نانو نسبت سطح به حجم افزایش می یابد و خواص الکترونی نیز تغییر می یابد. امکان ایجاد حفره های الکترونی درسطح و تجزیه ترکیب شیمیایی آلودگی ها افزایش پیدا میکند. به همین دلیل، معمولا از نانوذرات اکسید تیتانیم به عنوان سطوح ابرآبدوست استفاده می شود. با کاهش ابعاد ذرات ، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی نیز افزایش پیدا می کند.

جدول ۲. نانوپوششهای فوتوکاتالیستی – بازار و کاربردها

صنعت	کاربرد
ساخت وساز	تصفیه هوا (داخل ساختمان) پوشش های خودتمیزشونده شیشه پوشش جاده ای بتن
انرژی	پوشش پنل های سلول خورشیدی
سلامت و بهداشت	پوشش های سطوح کلینیکی خود ضدعفونی کننده
غذایی	تولید غذا و پوشش بسته بندی ها
فیلتراسیون آب	استریلزاسیون ضایعات آب

رنگ های خودتمیزشونده

پوشش های خودتمیزشونده می توانند به صورت رنگ روی سطوح ایجاد شوند و انواع مختلفی از این رنگ ها به بازار عرضه شده است. مزیت اینگونه رنگ ها ظاهر تمیزتر و کاهش قابل توجه نیاز به نگهداری سطح پوشش شده است. کاهش تعداد دفعات نظافت در سال، به معنای کاهش مصرف مواد شوینده و کاهش استهلاک سطوح در اثر شستشونیزاست. برای ایجاد رنگ های خودتمیزشونده آب گریزاز اثر نیلوفر آبی استفاده می شود. درواقع با استفاده از نانوساختارها در رنگ که موجب به وجود آمدن سطح ناصاف در محدوده نانومتری شوند، می توان به رنگ با خاصیت خودتمیزشوندگی رسید. این گونه رنگ ها به صورت تک لایه یادولایه روی سطح ایجاد می شوند. در شرایط مناسب، مانند استفاده بر روی سطوح داخلی و بیرونی ساختمان، این رنگ ها از دوام بسیار عالی برخوردارند و اگر سطح مورد نظر در معرض عبور آب باشد، تمیز باقی خواهد ماند.

شکل ۱۰. رنگ های خودتمیزشونده آبگریز که با حرکت قطره های آب روی سطح آن آلودگی ها پاک می شود

در رنگ های خودتمیزشونده آب دوست اکثرا از نانوذرات ,TiO به عنوان ماده فتوکاتالیستی استفاده می شود. با حضور نانوذرات دی اکسید تیتانیم در معرض تابش پرتوی فرابنفش، زاویه تماسی کمتر از یک درجه برای سطح حاصل می شود. برای تولید رنگ های خودتمیزشونده آب دوست باید روش ساخت به شکلی باشد که نانوذرات غیر آلی به طور همگنی در زمینه پلیمر آلی پخش شوند تا یک شبکه سه بعدی را در پوشش ایجاد کنند و خواص خودتمیزشوندگی مناسبی روی سطح ایجاد شود. به دلیل نیاز به آب و نور خورشید برای فعالیت رنگ های آب دوست ، کاربرد این گونه رنگ ها در فضاهای بیرونی بیش از فضای داخلی ساختمان خواهد بود.

مزیت ها

باکتری ها و ویروس ها را میکشد

نامریی

روغن میتواند فقط با استفاده از پارچه یا اسفنج نمناک تمیز شود – نیازی به تمیزکننده های مضر برای محیط زیست وجود ندارد.

سطح به نظر تمیزتر می آید : غبار در همه جا به صورت یکسان پخش میشود- نقطه کثیف وجود ندارد

غبار ارگانیک میتواند توسط نور ماورا بنفش از بین برود و با آب پاک شود

ترکیبات بودار و روغنی را حذف میکند

 

خواص

چسبندگی مناسب بر روی شیشه و فلز

سختی سطحی شبیه شیشه

شیوه اعمال به صورت تجاری موجود است. مانند اسپری ، غوطه وری، شارشی و چرخشی

آنتی استاتیک – غبار را جذب نمیکند

بسیار شفاف به خاطر وجود ترکیبات غیرآلی نانومقیاس

مقاومت شیمیایی بالا در برابر حلالها و اسیدها

بازار رنگ های خودتمیزشونده

استفاده از نانومواد می تواند به بهبود محصولات و فرآیندهای تولید کمک شایان توجهی نماید. استفاده از این دسته مواد در محصولات تجاری به سرعت در حال رشد است. ادعا شده است که در سال ۲۰۰۶ ، ۳۰۰ محصول تجاری به کمک فناوری نانو بهبود خواص یافته اند. که این رقم در سال ۲۰۱۰ چهار برابر شده است. به علت پتانسیل فناوری نانو، شرکت های زیادی در سرتاسر جهان به میزان  بالایی در این بخش سرمایه گذاری می کنند. فناوری نانو در زمینه های گوناگون کاربردهای مختلفی دارد. شکل زیر تخمین سهم بازار فناوری نانو را در این حوزه های ذیل طی مهروموم های ۲۰۱۰-۲۰۲۵ نشان میدهد.

 

شکل ۱۱. رنگ خودتمیز شونده آب دوست در مقایسه با رنگ معمولی

 

نمودار۱. درآمد از نانوپوشش های خودتمیزشونده(ابر آبگریز) از سال ۲۰۱۰- ۲۰۲۵، دلار آمریکا

در سال ۲۰۰۹ نرخ بازار جهانی برای محصولات فوتوکاتالیستی ۸۴۸ میلیون دلار بود. نرخ رشد سالانه محصولات در سال ۲۰۱۴ حدود ۱۴ / ۳ درصد افزایش یافته و به مقدار ۱/۷ میلیارد دلار رسیده است.

با توجه به نرخ رشد سالانه انتظار می رود محصولات مصرفی در طول پنج سال (۲۰۰۹ تا سال ۲۰۱۴) ۱۳/۲درصد افزایش یابد که متناسب با آن حجم فروش این محصولات در بازار از ۸۵/ ۱ میلیون دلار در سال ۲۰۰۹ به ۱۵۸/۴میلیون دلار در سال ۲۰۱۴ افزایش می یابد. محصولات دیگر از مجموع ۲۲/ ۱ میلیون دلار فروش در سال ۲۰۰۹ حجم کوچک تری را به خود اختصاص دادند. فوتوکاتالیستهای نانومقیاس در داخل این مقادیر گنجانده شده اند اما به صورت جزئی تأکیدی بر آنها نشده است. با این حال، درصد محصولات نانومقیاس قابل تولید در طول مهروموم های اخیر افزایش یافته است و این روند احتمالا در آینده ادامه خواهد داشت.

شرکتها

شرکت “مهندسی شیمیائی و رنگ سازی نیلی فام ری” در حال حاضر رنگ آکریلیک پایه آب خودتمیزشونده را به بازار عرضه می کند که قابل اعمال بر روی سطوح مختلف، حتی سطوح از پیش رنگ آمیزی شده است. این رنگ با بهره گیری از خاصیت فتوکاتالیستی نانوذرات دی اکسید تیتانیم طراحی و عرضه شده است.

 

منابع:

www.nano.ir

IVAN p.Parkin, Robert G. Palgrave, Journal of Materials Chemistry, 2004

Shunsuke Nishimotoab, Bharat Bhushan, RSC Advances 2012.

www.alcoa.com