نانو فناوری چیست؟

واژه نانو مشتق از واژه یونانی(Dwarf) به معنی ذرات بسیار کوچک ماده در اندازه یک هزارم میکرون یا یک بیلیونیوم متر است. نانو فناوری عبارت است از فناوری کاربرد ذرات در مقیاس نانو و سازمان دهی آن ها به شیوه ای مناسب به منظور تولید مواد جدید با ویژگی های چندگانه و خواص بهبود یافته است که با روش های معمول امکان پذیر نباشد.

کاربرد در صنعت پوشش

استفاده از نانو ذرات در صنعت پوشش مدت زیادی است که مورد استفاده قرار می گیرد. امولسیون های لاتکس با اندازه ذرات بین 100 و 500 نانومتر در ترکیب رنگ های ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرند. روتیل(Rutile TiO₂)که یکی از پلی مورف های معدنیTio₂ استو نانو سیلیکا به عنوان عامل تیکسوتروپیک، ازجمله موارد مثال های متعدد کاربرد مواد نانو در پوشش ها می باشند.

ذرات با اندازه میکرون همراه با رنگدانه ها و پرکننده های ماکرو (درشت) توسط روشهای اختلاط کلاسیک بکار می روند. در این نوع مخلوط ها، ناهمگنی در مقیاس ماکرو کاملا وجود دارد. از آنجایی که یک مرز فازی بزرگ (به خاطر وجود فاز های پلیمری و ماده معدنی) وجود دارد نمی توان به بسیاری از خواص از جمله خواص نوری، مکانیکی و نفوذپذیری مناسب دست یافت. اما اگر ذرات نانو در اندازه های بین 10 تا 100 نانومتر وارد ترکیب پوشش شوند منجر به تشکیل مخلوط ها در مقیاس مولکولی شده و به این ترتیب مرزهای فازی وجود نخواهد داشت و این خود به تشکیل ترکیبات همگن با خواص بهبود یافتهمنجر خواهد شد.

مجموعه خواصی از پوشش که با استفاده از ذرات نانو می توان در آن تغییرات اساسی ایجاد کرد عبارتند از:

خواص فیزیکی همچون چگالی
خواص مکانیکی همچون سایش، خمش، ضربه
خواص نوری و ضریب شکست نوری
قابلیت افزایش مقاومت در برابر اشعه UV
بهبود خاصیت ایجاد تاخیر در اشتعال پذیری
اصلاح خصوصیات ضد خوردگی

در حال حاضر نانو ذرات معمولا به شکل پودر در سطح تجاری مورد استفاده قرار می گیرند و مواردی که بیش از ذرات دیگر کاربرد صنعتی دارند عبارتنداز: نانو سیلیکا، نانو رس، نانو روتیل ( نانو اکسید تیتانیوم)، نانواکسید روی، نانواکسید آهن، نانو ذزات کربن و نانو تیوب های کربن.

در برخی از موارد این نانو ذرات در زمان واکنش تولید می شوند و پساز آن با سامانه پلیمری از طریق روش های مناسب مخلوط می گردند.

از نقطه نظر فنی، وارد کردن نانو ذرات درپوشش می تواند به یکی از روش های زیر صورت پذیرد:

اختلاط شیمیایی ( مثلا روش سل ژل(sol-gel)
اختلاط فیزیکی تحت کنترل مانند دیگر پرکننده ها و اکستندرها (extenders)
اصلاح با ترکیبات آلی مناسب
ایجاد پیوند شیمیایی

انواع پوشش های اصلاح شده با استفاده از نانو فناوری:

پوشش های ضد سایش:

پوشش های ضد سایش از جنس نانو کامپوزیت های اپوکسی سیلیکا مخصوص فولاد را می توان با همراه کردن آلکوکسی سیلان هاAlkoxysilane (گروهی از ترکیبات سیلیکونی بوده که شامل الکل و سیلیس می باشد.) و مشتقات آن ها با رزین های اپوکسی از طریق فرایند سل ژل تهیه نمود. رزین های اپوکسی مایع با گرانروی کم که توسط روش مناسب به نانو سیلیکا پیوند زده شده اند به دسته جدیدی از پوشش های اپوکسی منجرمی شوند که از مقاومت خوبی در برابر خراش و سایش برخوردارند.

پوشش های بیرونی با دوام طولانی:

این پوشش ها بر پایه لاتکس سیلیکون آکریلیک اصلاح شده با نانو سیلیکا قرار دارند. آلکوکسی سیلان ها از طریق هیدرولیز و پلیمریزاسیون، پلیمرهای سیلیکونی را وارد لاتکس امولسیون آکریلیک می کنند. با توجه به میزان نانو سیلیکا، لاتکس های آکریلیکی با دوام، بهبود قابل ملاحظه ای را در برابر خوردگی، گچی شدن، حفظ فام و براقیت از خود نشان می دهند.

پوشش های مقاوم در برابر خراش پذیری:

این پوشش ها را می توان با استفاده از پوشش های بر پایه نانو سیلیکا تهیه کرد. مقاومت در برابر سایش و مقاومتدر برابر پرتو های UVپوشش های آکریلیکی سخت شونده نسبتا بالا است. این خاصیت را می توان از طریق تقویت کردن با نانو ذرات بر پایه سیلیکا یا سیلان های آلی تا حد زیادی تقویت کرد. مقاومت نانو سیلیکای کپسوله شده با سیلان ها در برابر خراش و سایش ده برابر بزرگتر از کف پوش معمولی است.

لایه شفاف با مقاومت خراش پذیری بسیار بالا مخصوص خودرو:

نحوه مقاومت بدنه خودرو در برابر آزمون اسید شویی و خراش پذیری بسیار حائز اهمیت استبه این دلیل که اثر به سزایی در شکل ظاهری خودرو و نیز مقاومت آن در برابر برس های شستشو دارد. جدیدترین محصول در حال حاضر متعلق به شرکتPPG میباشد که بر پایه نانو ذرات سیلیکاتی استوار است، منجر به تولید نسل جدید از لایه های شفاف مخصوص خودرو شده است که از شفافیت خوب و مقاومت عالی در برابر خراش پذیری، UV و اسید شویی برخوردار است.

پوشش های چوب:

متداولترین مشکل در پوشش دهی چوب زردگرایی است به دلیل اینکه لیگنوم(Lignum)( لیگنوم یک پلیمر پیچیده است که بعد از سلولوز رایج ترین ترکیب در ساختار گیاهان چوبی و غیر چوبی می باشد.) موجود در چوب توسط نور اکسید می شود و شفافیت لایه نهایی چوب را از بین می برد. مرسوم ترین راه حل برای برطرف کردناین مشکل استفاده از جاذب های UVآلی و HALS (پایدار کننده های نوری از نوع آمین های ممانعت کننده) است. این مواد سمی هستند و کارایی خود را در طول عمرکاری چوب از دست می دهند. نانو ذرات( 5 تا 10% نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم Tio₂یا نانو اکسید روی) می تواند این مشکل را به طور کامل بر طرف کند. آن ها سپر قوی و مناسبی در برابر پرتو های UVA و UVB ایجاد می کنند. سمی نبودن و دوام بسیار طولانی آن ها به دلیل این است که این مواد معدنی هستند. نانو TiO₂، نانو ZnO و نانو اکسید آهن هر سه به عنوان فیلتر های موثر برای پرتو های UV عمل می کنند و مانع از تخریب چوب و مشکل زرد گرایی می شوند.

پوشش های ضد سایش:

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در پوشش ها محافظت کننده شیرآلات مخصوص صنایع نفت و گاز و پتروشیمی کاربرد دارد. در مقایسه با پوشش های معمولی مقاومت ان ها در برابر سایش ناشی از شن های خشک 25 بار و مقاومت در فرسایش مکانیکی 3 برابر افزایش یافته است.

پوشش های ضد آلاینده:

رنگ های بر پایه نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم می توانند آلاینده های زیانبار هوا نظیر CO،NOx را جذب کنند و آن ها را از طریق اکسید کردن با رادیکال های پراکسی و هیدروکسی به وجود آمده در سطح به گاز های بی خطر تبدیل کنند.

پوشش های خود تمیز شونده:

پوشش ها با خواص بیولوژیک وکاربرد بهداشتی

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم می تواند آلودگی های آلی چسبناک واقع بر سطح را اکسید کند و به مواد نچسب تبدیل نماید. در ضمن این رادیکال های فعال می توانند اثر ضد میکروبی و بیولوژیک داشته و سطوح را از وجود میکروب ها عاری سازند. دو خاصیت سهولت در امر پاک کنندگی و ضد میکروب بودن نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده از آن را در کاربرد های خاص پوشش های بهداشتی و بیمارستانی فراهم می سازد. این نوع پوشش ها معمولا آب پایه هستند. و دارای خواصSelf-Cleaning هستند که از عمق فیلم رنگ به سطح فیلم رنگ انتقال داده می شود.

پوشش های خود تمیز شونده با تاثیر ضد خوردگی

عملکرد این پوشش ها از طریق کاهش انرژی سطح می باشد و از طریق ایجاد سطح صیقلی باعث خود تمیزشوندگی سطح می شوند. این پوشش ها معمولا حلال پایه هستند. پژوهشگران در سراسر دنیا تلاش کرده اند سطوحی تولید کنند که هم انرژی سطحی آن ها بسیار کم باشد و هم بتواند در مقیاس میکرو و نانو کنترل شوند. به این ترتیب بود که سطوح فرا آبگریز ایجاد شدند. بنابر پژوهش ها، ایجاد زاویه تماس بیشتر از 120 درجه روی یک سطح صاف، فقط با تکیه بر ساختار شیمیایی آبگریز آن سطح و بدون وجود هیچ بافتی در ابعاد نانو یا میکرو، تقریبا امکان ناپذیر است. بنابراین برای ایجاد سطوح فرا آبگریز دو شرط زبری و آبگریز بودن سطح ( انرژی سطحی پایین) باید وجود داشته باشند. نفوذ ناپذیر بودن سطح در برابر آب باعث کاهش تخریب و خوردگی فراورده پوشش داده شده می شود.

واضح است که نانو فناوری روند توسعه و تحقیقات در زمینه پوشش ها را تغییر داده است و راهکارهای نوینی را برایبهبود عملکرد پوشش ها ارائه میدهد اما بالا بودن قیمت، راه را برای توسعه در مقیاس وسیع سد کرده است، هر چند که طراحان تحقیقات و توسعه در زمینه پوشش ها همواره بخشی از اندیشه خود را متمرکز بر این بخش قرارداده اند و پیش بینی می شود که موج عظیمی ازروشهای طراحی جدید و پوشش های نوین با خواص منحصر به فرد، دنیای رنگ ها و پوشش ها را در بر خواهد گرفت.

مرجع:

Surface Coating International,Part Aنشریه انجمن تولیدکنندگان رنگ و رزین، شماره 30

تنظیم و اقتباس گزارش: ستاره عسگری