پوشش های خودتمیزشونده

پوشش های خودتمیزشونده Self-cleaning coatings پوششی از مواد نانو حاوی ذره های نانومتری برای ایجاد سطوح آبگریز و کاهش آلودگی سطح، به کار می روند. این فراورده در حالت محلول، از ذره های نانو برخوردار است. پس از حذف حلال، ذره ها روی سطح و بین مولکول های آن به طور یکنواخت توزیع می شوند. سطح حاصل به شدت آبگریز است و از تر شدن و یا نفوذ آب در سطح جلوگیری می کند. بنابراین سـطح، تمیز باقی می ماند و آلودگی ها همراه با آب حذف می شـوند. همچنیـن نفوذناپذیری نسـبت به آب از میزان تخریب و خوردگی سطح حاوی پوشش می کاهد. در ادامه از جم شیمی به بررسی مقاله شیمی خواص و کاربرد انواع پوشش های خودتمیزشونده و مواد خودتمیز شونده می پردازیم.

مقدمه

بسياری از فناوری ها در جهان امــروز از طبيعت الهام گرفته شده اند. بهره گيری از خاصيت آبگريز بودن و خود تميز شوندگی هم يکی از اين فناوری هاست. در طبيعت اطراف ما، بال پروانه ها و بــرگ گياهانی همچون نيلوفــر آبی، ســطوحی آبگريزند و خاصيت خود تميز شوندگی دارند. به علت کاربرد گسترده سطوح خود تميز شــونده در شيشه پنجره های ساختمان ها، صفحه های خورشــيدی و صنعت نساجی، اين فناوری در قرن بيست و يکم مورد توجه فراوان قرارگرفته اســت. فناوری خود تميز شوندگی موجب کاهش هزينه های مربوط به نگهداری و مدت زمان لازم برای تميز نگهداشتن تجهيزات و افزايش دوام آن ها شده است. سطوح خود تميز شونده به دو دسته تقسيم میشوند: سطوح خود تميز شونده آبدوست و سطوح خود تميز شونده آبگريز که هر دو، به کمک آب، خود را تميز می کنند.

در پوشش های آبدوست، آب در سطح، گسترده می شود. از اين حالت به ورقه ای شدن آب ياد می شود که در نتيجة آن می تواند ذره ها و آلودگی های ديگر را همراه خود ببرد. درحالی که در سـطوح آبگريز قطره های آب روی ســطح غلت میزنند يا سر می خورند و به اين روش، سطح را تميز می کنند. مزيتی که ســطوح خود تميز شونده آبدوست نســبت به انواع آبگريز دارند اين است که اگر در ساختار آن ها از اکسيدهای فلزی مناسب اســتفاده شود، تابش نور خورشيد سبب توليد الکترون در آن ها می شود و انجام واکنش با آلودگی، به از بين رفتن آلودگی ها می انجامد. با اين حال امروزه، به علت توسعه فناوری های موجود، سطوح آبگريز کاربرد بيشتری دارند. در اين مقاله به معرفی دو نوع سطح خود تميز شونده، ساز و کار و عملکرد آن ها، کاربرد ســطوح آبگريز در صنعت، و نمونه هايی از پوشش های خود تميز شونده می پردازيم.

اثر خودتمیزشوندگی

پديده خود تميز شــوندگی به زاويه تماس لکه با سطح بستگی دارد. زاويه تماس در فصل مشــترک سه فاز جامد و مايع و گاز، يا در محل تماس قطره مايع با ســطح جامد تشــکيل می شود. در مجموع، اگر زاويه تماس کمتر از 90 درجه باشــد، سطح را آبدوســت می گويند اما اگر اين زاويه بيشتر از 90 درجه باشد، ســطح را آبگريز می خوانند. ســطوح با زاويه تماس نزديک به صفر درجه، فرا آبدوست به شمار می روند و سطوح با زاويه تماس بيشــتر از 150 درجه فرا آبگريز در نظر گرفته می شوند. سطوح آبگريز دارای انرژی ســطحی بســيار پايين هستند، درحالی که انرژی سطحی سطوح آبدوست بسيار بالاست. استفاده از فناوری نانو و ايجاد خواص متفاوت در ابعاد نانومتری، دستيابی به سطوح فرا آبگريز و فرا آبدوست را ممکن کرده است.

پوشش های آبگریز و فراآبگریز

وانگ و همکارانش برای نخســتين بار مشاهده کردند که برگ نيلوفر آبی در مرداب ها همواره تميز اســت و آلودگی ای در سطح آن ديده نم یشــود. در دهه ،1960 بررسی هايی که به وسيله ميکروســکوپ الکترونی روبشی انجام گرفت نشان داد، سطوحی که کاملا از ديد ماکروسکوپی صاف به نظر میرسند، در مقياس ميکروسکوپی زبر هستند و پستی و بلندی های زيادی دارند. زمانی که يک سطح، بافتی در مقياس ميکرومتر يا نانومتر داشته باشد، فصل مشترک ميان هوا و آب، در قطره هایی که روی سطح قرارگرفته است، افزايش پيدا می کند و نيروی موئينگی بين قطره و سطح، به شــدت کم می شود. بنابراين قطره آب، شــکل کروی به خود می گيرد و به راحتی جريان پيدا می کند در اين حال، ذره های آلودگی و غبار هم بهتر به آن می پيوندند.

ساختارهای مرتبه ای میکرو و نانو

برگ نيلوفر آبی دارای ساختار مرتبه ای است. برگ اين گياه شــيارهايی به اندازه 3 تــا 10 ميکرومتر دارد و ذره هايی به اندازه 100 نانومتر در سرتاسر شيارهای آن به صورت پراکنده قرارگرفته اند.

ساختارهای ریزخطوط هم راستا

 بــرگ رامی با ســاختاری هم راستاسـت و در آن فيبرهايی با قطر 1 تــا 2 ميکرومتر در سرتاســر سطح ديده می شــوند. اين يافته ها راه را برای توسعه روش هــای تهيه ســطح فراآبگريز، با تقليد از انــواع موجود در طبيعت هموار کرد.

ایجاد خاصیت فراآبگریزی

پژوهشگران در سراسر دنيا تلاش کرده اند سطوحی توليد کنند که هم، انرژی سطحی آنها بسيار کم باشد و هم بتوان از ديدگاه ساختارشناســی، آن ها را در مقياس ميکرو و نانو کنترل کرد. به اين ترتيب بود که سطوح فراآبگريز ايجاد شدند. بنا بر پژوهش ها، ايجاد زاويه تماس بيشــتر از 120 درجه روی يک سطح صاف، فقط با تکيه بر ساختار شيميايی آبگريز آن سطح و بدون وجود هيــچ بافتی در ابعاد نانــو يا ميکرو، تقريباً امکان ناپذير اســت. بنابراين، برای ايجاد ســطوح فراآبگريز دو شرط زبری و آبگريز بودن سطح (انرژی سطحی پايين) بايد وجود داشته باشند. زاويه تماس آب در سطوحی که انرژی کمی دارند، به شدت با افزايش تخلخل و زبری سطح افزايش پيدا می کند. در ادامه، به دو حالت برای ايجاد خاصيت فراآبگريزی اشاره می شود

آ. ایجاد سطح زبر از ماده ای با انرژی سطحی پایین

در اين روش با تغيير در ســاختار سطوحی که آبگريز هستند آنها را به سطوح فراآبگريز تبديل می کنند.

ب. اصلاح یک سطح زبر از ماده ای با انرژی سطحی پایین

در اين روش پوشش های نازکی از مواد با انرژی سطحی پايين، روی سطوحی که زبر هستند ايجاد می شوند. معمولاً برای ايجاد چنين ســطوحی از تلفيق دو روش آ و ب اســتفاده می شود. از متداول ترين اين روش ها میتوان به رسوب دهی الکتروشيميايی، روش های لايه به لايه، سل-ژل و واکنش های پليمری اشاره کرد.

کاربرد پوشش های فراآبگریز

پوشش نانو کاربرد گستردهای در بهسازی ساختارهای شهری و تميزی ســطوح مختلف داخل و خارج ســاختمان ها دارد. از جمله اين کاربردها ايجاد پوشش روی مکان های مذهبی، حفظ  بناهای تاريخی و ميراث فرهنگی، نمای ساختمان ها، سرويس ها و ايســتگاه های حمل و نقل، ســرويس های بهداشتی عمومی، سراميک کف، ســطوح نمای بتونی پل ها و زيرگذرها، سنگ و آجرنمــا، پارچه پرچم و لباس، نقاشــی های ديواری و تابلوهای تبليغاتی، مبل و پرده، ســطوح فلــزی مانند نمای آلومينيمی ساختمان ها و لوسترها و سطوح تزيينی و بسياری از لوازم خانگی ديگر است.

محلول پوشش نانو در حالت محلول، حاوی ذره های نانومتری برای ايجاد ســطوح آبگريز و کاهش آلودگی ســطح است. پس از حذف حــلال، ذره های نانو روی ســطح و بين مولکول های ســطحی اين فراورده ها به طور يکنواخت توزيع می شوند. سطح به شدت آبگريزی ايجاد می شود که در برابر تر شدن يا نفوذ آب به سطح، پايداری نشان میدهد. بنابراين سطح، تميز می ماند يا آلودگی های آن همراه با آب حذف می شوند. همچنين در نتيجه نفوذناپذير بودن سطح در برابر آب، از تخريب و خوردگی فراورده پوشــش داده شــده به طور چشمگير کاســته می شود. اســتفاده از پوشش تميــز روی بســياری از فراورده های صنعتــی از جملــه رنــگ خودروها، امکانپذير است.

نتیجه گیری

پوشش های نانو پايداری چندانی ندارند و چسبندگی کمی به سطوح نشان می دهند با اين حال، پس از چند بار شست و شو و پاک کردن پوشش از روی سطح، کماکان چسبندگی به سطح حفظ می شود. پوشش های آبگريز چســبندگی خوبی روی سنگ، سراميک، سطوح رنگشده، پارچه و فلزها از خود نشان می دهند. گوناگونی مواد زمينه سبب افزايش کاربرد پوشش های آبگريز شده است. استفاده از محلول های آبگريز موجب کاهش هزينه های مربوط به نگهداری و مدت زمان لازم برای تميز نگهداشتن تجهيزات و همين طور سبب افزايش دوام آن ها می شود.