چگونگی آب‌گریزی سطوح توسط فناوری نانو/راهکار مقابله با خاموشیهای «خوزستان»

به گزارش خبرنگار علمی باشگاه خبرنگاران پویا، فناوری نانو با ساختارهای مختلف ماده که دارای ابعادی از مرتبه یک میلیاردم (10 به توان منفی9) هستند، سروکار دارد. این فناوری، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستمهای جدید با کنترل سطوح مولکولی و اتمی برای استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می‌شود.

استفاده از فناوری نانو در رنگ باعث ایجاد خواص جدید در رنگ، افزایش کیفیت رنگ و کاهش مصرف آن می‌شود. کاربرد فناوری نانو در صنایع رنگ و پوشش در بخش مواد اولیه بیشتر شامل رنگدانه‌ها است.

در بحث رنگدانه‌ها، اندازه ذرات اهمیت به سزایی دارد و با پیش رفتن به سمت مقیاس نانو و افزایش سطح فعال نانو ذرات (به دلیل دارا بودن تعداد بسیار زیاد اتم در سطح) خواص متفاوت و جدیدی مانند ضد سایش، آنتی باکتریال، خود تمیز شونده، ضد خش، ضد سایش و خواص حفاظت الکترومغناطیس در رنگ ایجاد می‌شود.

بنابراین رنگهای نانو با بهره‌گیری از نانو ذرات فعال و گروه‌های عاملی مناسب در ساختار خود، قادرند تا در مقابل محرکهای محیطی عکس‌العملهای هوشمندانه محافظتی، از خود نشان دهند.

رنگهای ضد آب نانو نیز دسته‌ای دیگر از رنگهای محافظتی هستند که به منظور افزایش دوام قطعات و کاهش هزینه‌ها دارای کاربردهای وسیع در صنایع مختلف هستند.

راه‌حلهای مشکل - اهمیت آب‌گریز کردن سطوح

وجود رطوبت و نشت آب به زیرساختهای مختلف قطعات ساختمانی و صنعتی مسئله‌ای شناخته شده است. آب و رطوبت در صنایع مختلفی مانند صنعت ساختمان، صنایع دریایی، سطوح فلزی و غیره می‌تواند مشکل‌ساز باشد، به عنوان نمونه در زیر به برخی از مشکلات مرتبط با آب در صنایع مختلف اشاره شده است:

•    رسوخ در مصالح ساختمانی، نشت آب به علت خلل و فرج داخلی و ترکهای ریز، مسئله‌ای شناخته شده است. بیشتر مصالح ساختمانی مانند گچ، بتن و سیمان دارای تخلخلهای بسیار ریز و گروه‌های هیدروکسیل در سطح خود هستند. این گروه‌های هیدروکسیل به خاطر شباهت با ساختار آب و ویژگی آب دوستی جاذب آب بوده، بنابراین به راحتی خیس شده و آب در سطح آنها نفوذ می‌کند. ‌
بنابراین به منظور جلوگیری از رشد ترکها، پوسته شدن سطوح رنگ و گچ، ایجاد کبک و قارچ در اثر رطوبت وغیره آب گریز کردن این سطوح دارای اهمیت ویژه‌ای است.  
•    خوردگی سطوح فلزی و فولادی به ویژه در نواحی ساحلی و جلوگیری از تضعیف مقاومت مصالح ساختمانی بتنی، مسئله مهم دیگری است که در ضد آب‌سازی به آن پرداخته می‌شود.
•    استفاده از سطوح آب‌گریزها به منظور افزایش دوام، کاهش هزینه‌ها و کاهش زمان مورد نیاز برای نظافت تجهیزات در صنایع مختلفی مانند اتومبیل‌سازی، ساختمان وغیره مورد استفاده قرار گرفته است.
پوششها و رنگهای خود تمیز شونده آب‌گریز به واسطه حرکت قطرات آب از روی سطح خود آلودگیهای سطحی را می‌زدایند.
•    یکی دیگر از کاربردهای مهم سطوح آب‌گریز استفاده از آنها به عنوان ضد یخ است. در مناطق سردسیر یخ در سطح جامدات رسوب می‌کند و باعث افت خواص مکانیکی سیستمهای جامد می‌شود. بنابراین سطوح آب‌گریز با مقدار انرژی سطحی پایین خود مانع ایجاد یخ‌زدگی بر روی سطوح می‌شوند.

 تاریخچه سطوح آب‌گریز

سطوح خود تمیز شونده آب‌گریز اولین بار با کشف ریز ساختار برگ نیلوفر آبی که بر خلاف ظاهر صافش، دارای سطحی زبر در مقیاس میکرو و نانو است، مورد توجه قرار گرفت.

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 می‌زداید. بنابراین سطوح خود تمیز شونده آب‌گریز با سازوکاری مشابه با برگهای نیلوفر آبی، علاوه بر دفع آب از روی سطح خود توانایی دفع آلودگیها شامل ذرات جامد، مایعات آلی و آلودگیهای زیستی را نیز دارند.

تعریف سطوح آب‌گریز

یکی از عوامل تعیین کننده در میزان تر شوندگی یک سطح، زاویه تماسی مایع با آن است. زاویه تماس برای یک مایع (قطره) در فصل مشترک فاز جامد و مایع، در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می‌شود. هر چه زاویه تماس به صفر نزدیک‌تر باشد تر شوندگی بیشتر و با افزایش زاویه تماس میزان تر شوندگی سطح کاهش می‌یابد.

ارائه راه‌حلهای مبتنی بر فناوری نانو - روشهای دستیابی به سطوح آب‌گریز

زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس نانومتری باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی سطح قرار گرفته است، افزایش یافته و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیدا کم می‌شود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می‌گیرد و امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین می‌برد.

به طور کلی برای دستیابی به خاصیت آب‌گریزی در یک سطح، می‌توان از رنگها و پوششهای آب‌گریز استفاده کرد. در استفاده از رنگها و پوششها، شرایط یکسانی برای دستیابی به آب‌گریزی سطح وجود دارد.

ساختار شیمیایی آب‌گریز و زبری سطح دو فاکتور مهم در استفاده از این پوششها و رنگها هستند که در زیر به توضیح مختصری پرداخته شده است:

•    انرژی سطحی پایین (ساختار شیمیایی آب‌گریز): برای دستیابی به آب‌گریزی سطحی، لازم است که یک سطح آب‌گریز با کشش سطحی بسیار پایین همراه با میکروساختارهای مناسب ایجاد شود. در این روش با تغییر در مورفولوژی سطوحی با انرژی سطحی پایین و ایجاد زبری مناسب، می‌توان سطح آب‌گریزی ایجاد کرد.
•    زبری سطح: ایجاد زاویه تماس بیشتر از 120 درجه بر روی یک سطح صاف فقط با اتکاء به ساختار شیمیایی آب‌گریز آن سطح، بدون هیچ بافتی در ابعاد نانو یا میکرو تقریبا ناممکن است.
بنابراین، زبری سطح عاملی مهم در پوششهای آب‌گریز است. در این روش پوششهای نازکی از مواد با انرژی سطحی پایین به روشهای مختلف بر روی سطوحی که زبر هستند، ایجاد می‌شود.

پوششهای آب‌گریز مبتنی بر فناوری نانو

پوششهای آب‌گریز، پوششهای نازک نانومتری کاملا شفاف بوده که قابل استفاده بر روی سطوح مختلف، مانند شیشه، چوب، سنگ وغیره هستند و با روشهای متفاوتی بر روی این سطوح پوشش داده می‌شوند.

نانوذرات سیلیکا مرسوم‌ترین ماده مورد استفاده در پوششهای آب‌گریز است که کاربرد بیشتری نسبت به سایر اکسیدهای فلزی دارد. با قرار گرفتن این نانو ذرات در بستر پلیمری مناسب و عامل‌دار کردن سطح این ذرات، خاصیت آب‌گریزی مناسبی ایجاد می‌شود.

•    محققان با استفاده از اچ کردن ســطح ستونهای میکرومقیاس سیلیکونی موفق به تولید نانو پوششی شدند که دارای خواص آب‌گریزی بالایی است. این نانو پوشش می‌تواند برای متراکم کردن بخارات آب در نیروگاه‌های حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از این نانو پوشش، برای کاربرد در محیطهای پر بخار بسیار اهمیت دارد.
با افزایش قدرت حرکتی ذرات مایع روی سطح می‌توان متراکم شدن بخار آب را با کارایی بالا انجام داد. این قابلیت در نیروگاه‌های حرارتی که در آن گرما موجب بخار شدن آب می‌شود، برای جمع‌آوری کاراتر ذرات آب، می‌تواند مورد استفاده قرارگیرد.
این فناوری مانع از هدر رفت آب شده و همچنین مانع از یخ زدن سطح بال هواپیماها می‌شود. برای ایجاد چنین نانو پوششی محققان این پروژه روی سطح، با استفاده از فتولیتوگرافی و اچ کردن یون فعال ستونهای میکرومقیاس از جنس سیلیکون ایجاد کردند.
•    محققان کانادایی با استفاده از نانودانه‌های پلیمری موفق به ساخت نانو پوششی شفاف شدند که آب‌گریز و روغن گریز است.
روشهایی که پیش از این ارائه شده است به شکلی بوده که محصول نهایی قابل استفاده در همه حوزه‌ها نیست که دلیل این امر شفاف نبودن پوشش است.
فلوئور دارای خواص مناسب برای استفاده در پوشش نهایی در تمامی حوزه‌ها است اما به دلیل قیمت بالا و خطرات زیست فناوری استفاده از آن با محدودیتهایی روبرو است.
اخیرا محققان موفق به ارائه پوشش پلی‌اورتان فاقد فلوئور شده‌اند. این ماده ارزان قیمت بوده و به راحتی به سطوح مختلف می‌چسبد.
نتایج یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که این پوششهای ارائه شده جدید دارای قیمت مناسب و شفافیت بالا حتی تا ضخامت 10 میکرون هستند. برای تولید این پوشش، محققان از زنجیره پلیمری پلی (دی‌متیل سیلو کسان) و یک روغن سیلیکونی زیست سازگار استفاده کرده‌اند. این پوشش جدید قادر است اثر انگشت، جوهر و رنگ را از خود دور کند. از این پوشش می‌توان روی سطح نمایشگر تلفن همراه استفاده کرد.

رنگهای آب‌گریز مبتنی بر فناوری نانو

اصولا در رنگهای آب‌گریز از ترکیبات حاوی عناصر سیلیکون، اپو کسی پلی سیلو کسان و پلیمرهای حاوی فلوئورین استفاده می‌شود. زاویه تماسی که در اثر استفاده از این رنگهای آب‌گریز ایجاد می‌شود کمتر از 90 درجه است.
استفاده از افزودنیهای سیلان، اور گانو سیلان و فلوروسیلان می‌تواند این زاویه را به کمی بیشتر از 90 درجه (یعنی داشــتن سطح با خاصیت آب‌گریز) افزایش دهد. شدت آب‌گریزی پایین و همچنین پایداری کم از معایب این رنگها به شمار می‌رود.

در اینجاست که استفاده از فناوری نانو در رنگهای آب‌گریز می‌تواند راهگشا باشد، تا بتوان به رنگ فوق آب‌گریز و با خواص مطلوب دست یافت.

استفاده از افزودنیهای نانومتری به منظور افزایش زبری سطح و در نتیجه افزایش زاویه تماس، دلیل استفاده از نانو ذرات با خاصیت آب‌گریز (مانند نانو ذرات سیلیکا) در رنگ است.

عموما در رنگهای فوق آب‌گریز نانویی از نانو کامپوزیتهای آلی- معدنی استفاده می‌شود. به عنوان مثال در نمونه‌ای از رنگهای آب‌گریز مبتنی بر فناوری نانو از نانوکامپوزیتهای آلی- معدنی (نانوکامپوزیت آکریلیک- سیلیکا) استفاده شده است، اندازه ذرات سیلیکا استفاده شده حدود 15 تا 30 نانومتر و اندازه نانو کامپوزیت تشکیل شده زیر 200 نانومتر است.

همچنین تیمی از محققان بین‌المللی، نوعی رنگ فوق‌العاده آب‌گریز تولید کرده‌اند که در برابر آب و روغن غیرقابل نفوذ و دارای خاصیت خود تمیز شوندگی است.

این رنگ جدید را می‌توان بر روی لباس، کاغذ، شیشه و فولاد استفاده کرد که در ترکیب با مواد چسبنده، خواص خود تمیزشوندگی خود را حتی پس از پاک شدن، خراشیده شدن با چاقو یا سائیده شدن با سمباده حفظ می‌کند. رنگ جدید که از نانوذرات پوشش یافته دی اکسید تیتانیوم ساخته شده است، می‌تواند سطح مقاوم‌تری را تولید کند که در برابر سائیدگی و خراشهای روزمره مقاوم هستند و از این رو می‌توان از آنها برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند پوشاک و خودرو بهره برد.

 مزایای رنگهای آب‌گریز مبتنی بر فناوری نانو

از جمله مزایای رنگهای آب‌گریز مبتنی بر فناوری نانو می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:  

•    افزایش نفوذ رنگ بر روی سطح به دلیل استفاده از ذرات نانومتری
•    افزایش چسبندگی رنگهای نانو بر روی سطح نسبت به رنگهای معمولی
•    ضخامت بسیار کمتر رنگ نانو پوشیده شده بر روی یک سطح نسبت به رنگهای معمولی و در نتیجه صرفه‌جویی در مصرف رنگ
•    سازگار بودن رنگهای نانو با محیط زیست

کاربردهای پوششها و رنگهای ضد آب مبتنی بر فناوری نانو

•    استخر، سونا و جکوزی  
•    آثار گلی، کاشی و سفالها
•    سنگهای طبیعی و مصنوعی  
•    آجرهای بدون حفاظ
•    سطوح چوبی
•    ستونهای دریایی
•    برجهای خنک کننده  
•    تصفیه‌خانه فاضلاب  
•    تراورسهای خط آهن  
•    تونلها  
•    باراندازها  
•    کارخانه‌های کشتی‌سازی

نتیجه‌گیری

بر این اساس فناوری نانو طبق مجموعه گزارشهای صنعتی ستاد فناوری نانو معاونت علمی ریاست جمهوری، یکی از بزرگترین فناوریهای نوین در قرن حاضر است که استفاده از آن در راستای برطرف کردن نیازهای صنایع می‌تواند راهگشا باشد.

همگام با توسعه فناوری نانو در صنایع مختلف، توجه به کاربردهای این علم، در صنعت رنگ و پوشش منجر به پیشرفتهایی در این زمینه شده است.

رنگها و پوششهای ضد آب نانویی، نمونه‌ای از کاربرد این فناوری در صنعت رنگ است که در چند سال اخیر مورد استقبال و توجه بسیاری از شرکتها قرار گرفته‌اند و فرصتهای جدیدی را در بازارهای جهانی ایجاد کرده‌اند.

به گزارش خبرنگار علمی باشگاه خبرنگاران پویا، در پی بروز بحران خاموشی استان خوزستان از حجم بالای گردوغبار و رطوبت هوا روی مقره‌های دکلهای برقی که باعث از بین رفتن خاصیت عایق بودن آنها شده است، بسیاری از کارشناسان و فعالان حوزه نانو با ارائه راهکارهایی درباره ایجاد پوششهای نانویی روی مقره‌ها برای جلوگیری از نشست خاک و ترکیب آن با رطوبت هوا (ایجاد کننده خاصیت رسانایی برای مقره‌ها)، به صراحت گفته‌اند که برای جلوگیری از طولانی شدن خاموشیها در این استان دولت باید ردیف بودجه مستقلی را علاوه بر شستشو، برای ایجاد پوششهای نانویی داشته باشد.

برخی فعالان این حوزه معتقدند که برای ایجاد پوشش نانویی، نیازی نیست که مقره‌ها از دکلها جدا شود بلکه می‌توان با اسپلشها اقدام به پاشش نانو مواد روی این تجهیزات برقی کرد. آنها معتقدند که انجام چنین کاری نهایتا منجر به افزایش 10 تا 15 درصدی هزینه شستشوی مقره‌ها می‌شود. بنابراین به نظر می‌رسد مسئولان کشور باید توجه خاصی به این مقوله داشته باشند تا در آینده شاهد خاموشیهای کمتری در استانهای مختلف کشور مخصوصا خوزستان باشیم.

انتهای پیام/