نانو فن آوری در صنایع پوشش های خودرویی

تحقیق و توسعه در زمینه رو پوشه ها در جهت بهبود پایداری آنها در برابر کلیه شرایط محیطی و جوی و اتخاذ ضمانت لازم جهت ارائه به مشتری با استفاده از فن آوری نانو، همچنان ادامه داشته و تاکنون منجر به تهیه محصولاتی مانند شفاف پوشه های مقاوم به خراش شده است.

نانو سیلیکا

ذرات سیلیکا در صنایع پوشش دهی بسیار جالب توجه اند و این توجه تا حدی به خاطر قیمت سیلیکا است ولی علت دیگر آن انطباق ضریب انکسار آن با بسیاری از پلیمرهای آلی است. اگر به عنوان ماده خام اولیه از سوسپانسیون کلوئیدی استفاده شود، می توان مرحله خرد کردن فرایند را حذف کرد. برای آنکه بتوان نانو ذرات فرایندپذیر داشت، سطح آنها را باید طوری اصلاح کرد که بتوانند در داخل مواد آلی به عنوان نانو افزودنی مورد استفاده قرار گیرند. اثر اصلاح سطح سیلیکا بر روی قابلیت سازگاریش با رنگ ها مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است.

در اولین گام، شفافیت آمیزی شامل 5 درصد وزنی نانو ذرات سیلیکا در ترکیبات یک رنگ خاص بررسی شد می توان شفافیت را با بکار بردن  ضریب عبور (g) ارزیابی کرد. ضریب عبور متأثر از اندازه ذره و اختلاف در شاخص های شکست مواد است. کوچک بودن g به آن معنی است که شفافیت بالاست در حالیکه اگر g بزرگتر از 100 باشد بی شک ماده مات است. با بکار گیری روش اصلاح سطح مناسب، رسیدن به پراکندگی در حد عالی میسر خواهد شد.

نانو سیلیکا با سایز 30-80 نانو متر به روش سل-ژل تهیه می شود که مثل سیلیکای عامل دار شده توسط هیدرولیز آلکوکسی سیلان ها یا مشتقات آن تهیه می شود. برعکس پرکنندهای غیر آلی، این سل سیلیکای نانو، عملا ً به تنهایی پراکنده می شود، کلوخه نمی شود و شفاف است و ویسکوزیته پایینی دارد. در انتها، این سل ها تحت تراکم حرارتب به تنهایی و یا با یک نیمه پلیمری عامل دار شده یک شبکه سیلوکسان بوجود می آورد که خواص بسیار تازه ای در پوشش ایجاد می کند. مزیت نانو سیلیکا این است که استحکام مکانیکی، مقاومت سایشی، مقاوت در برابر خراش، سختی سطح و مقاومت در برابر آلودگی را بهبود و کاهش براقیت، گچی شدن، بروز اختلاف رنگ و نفوذ پذیری در مقابل گازها را کاهش می دهد. فرایند کندانسیون به تشکیل شبکه سیلوکسان منتهی می شود و در انتها نانو سیلیکا به اضافه آب یا الکل (به عنوان محصول جانبی) بدست می آید.

نانو آلومینا

در بحث پوشش ها خراش معمول ترین نوع تخریب سطح است. استفاده از موا پرکننده مثل آلومینا مقاومت مقاومت در برابر خراش رنگها و پوششها را افزایش می دهد و از میزان خش می کاهد. استفاده از آلومینا در ابعاد میکرو باعث پراکنده شدن نور می شود و ظاهر سطح را مات می کند. با رساندن ابعاد ذره در حد نانو توزیع ذرات به صورت همگن تر انجام می شود و هم مقاومت به خراش بالا می رود.

در این حالت آزمایش مقاومت به خراش از طریق آزمایش خراش خشک و با استفاده از یک برس نایلونی که روی سطح پوشش حرکت می کند انجام می شود مقدار 1% نانو آلومینا از ایجاد خراشهای بزرگتر جلوگیری می کند. اگر از آلومینا در حد 2% استفاده شود ظاهر سطح حفظ می شود ولی براقیت اولیه تحت پوشش قرار نمی گیرد. در حالت کلی دلیل اینکه نانو آلومینا چگونه مقاومت به خراش را بالا می برد ثابت نشده است ولی به عواملی نظیر خواص پلیمر، کنترل شیمیایی سطح نانو ذره، خواص نانو ذره مثل ساختار، اندازه و توزیع آن بستگی دارد.

محدودیت های نانو فناوری

فناوری نانو و نانو کامپوزیت ها دارای محدودیت های زیر می باشند:

♦ حمل و نقل و پخش نانو مواد به صورت سالم و بدون خطرات زیست محیطی

♦ مشکلات در ساختن پراکنه های پایدار و بدون کلوخه از این مواد

♦ مشکلات در تشکیل ماتریس ماده پوششی به دلیل مشکلات سازگاری با محیط

♦ محدودیت در دسترس بودن بخاطر محدود بودن تعداد کارخانجات سازنده

♦ قیمت بالا

واضحاست که نانو فناوری فصل جدیدی در تحقیقات به پوششها بوجود آورده است و این توسعه به خواص ویژه و راه حلهای جدیدی برای صورت مسئله های موجود در صنایع منتهی می شود. قیمت بالا و محدودیت در دسترس بودن ذرات نانو، توسعه این ناوری را در سطوح وسیع تر محدود می کند حتی گاهی حضور آن را از ذهن طراحان پوششها در می گرداند.

به هر حال لازم به توزیح است که با فرایندهای جدید تولید در سطوح بالاتر برای تولید کنندگان پوششها بالاترین قیمت در مواد اولیه، قیمت نانو مواد خواهد بود ولی در عوض به این وسیله دریچه ای به سوی نسل جدیدی از پوششهای تخریب ناپذیر گشوده می شود.

می توان پیش بینی کرد که فناری نانو دورنمایی به قرن بیست و یکم می گشاید که در آن فن آوران پوششها قادر خواهد بود استحکام محملهای پلیمری را افزایش دهند و چهره پوششها را نسبت به سابق چندین برابر متفاوت سازند و عاملیت هوشمند و ظاهر  و نحوه کاربری نامتعارفی به آن بدهند. قابلیت اصلاح با ذرات نانو، سیستمهای پوشش را قادر نموده تا به خواصی مشابه لایه های نازک پوشش سرامیکی برسند.

چنانچه در قرن بیستم بیاد داریم که با کشف ماکرو مولکولها توسط شیمیست ها تحول جدیدی دراین صنعت ایجاد شد.

اثر نوع سیلیکا بر خواص پوشش های پلی یورتان

تغییر خواص پلی یورتان با افزودن نانو سیلیس بررسی شده است. در برخی مقالات رزین آکریلیک سنتز شده و با ایزوسیانات در دمای 60 درجه سانتی گراد پخت شده  است ذرات نانو در فصل مشترک یا سطح فیلم مشاهده نشده ولی خواصی مثل سختی، سایش، خراش، کشش بهبود یافته است بدین ترتیب با بهبود حاصل شده در پروژه حاضر سیستم رزینی دیگری که شیمی متفاوتی دارد (اکریلیک – ملامین که در دمای 140 درجه پخت می شود) انتخاب شده است. نانو کامپوزیتهای آلی –غیر آلی در زمینه بهبود خواص مقاومت گرمایی، مقاومت به جلا و خواص الکتریکی و مکانیکی با افزودن سیلیکا پیشرفتهای زیادی کرده اند.

نانو کامپوزیتها می توانند به طور مستقیم با مخلوط کردن مواد آلی با نانو ذرات یا به وسیله روش سل ژل با یک الکوکسید فلزی به دست آیند. بررسی روی افزودن نانو سیلیس یر روی پلی هیدروکسی اتیل متاکریلات (HEMA) انجام شده و مشاهده شد که مقاومت به سایش بهتر شده است. همچنین دوام شفاف پوشه بهبود یافته است. آماده کردن لایه نازک نانو کامپوزیت به دو صورت انجام شده است. در یکی از این روشها ذرات نانو سیلیکای اصلاح شده و اصلاح نشده به طور مستقیم با رزین آکریلیک در دمای 60 درجه برای مدت یک ساعت با سرعت بالا مخلوط شدند. در روش دیگر استفاده از پلیمریزاسیون در جا، به طوری که نانو سیلیس ابتدا همراه با منومر توسط اولتراسونیک بهمدت نیم ساعت پراکنده و سپس پلیمریزاسیون انجام شد.

ترکیب سطحی و فصل مشترک لایه نازک پلی یورتان که حاوی 5% نانو سیلیس یا میکرو سیلیس بود توسط XPS بررسی شد و مشاهدات نشان داد که Si در سطح و فصل مشترک لایه ها چه در حالت میکرو و چه در حالت نانو وجود ندارد و این نشانگر این است که SiO₃ ترجیح می دهد به داخل توده (بالک) مهاجرت کند. آزمونهای انجام شده شامل سختی سنجی، مقاومت به سایش، آزمون خواص مکانیکی، مدول یانگ، مقاومت به خراش، خواص نوری و مشاهدات TEM و UV-Vis بود.

آزمون مقاومت به سایش بر طبق استاندارد GB79،120-1768 انجام می گردد. در این آزمایش از چرخ سمباده سایشی استفاده شد. ابتدا سطح لایه برای 100 بار ساییده شد و وزن اولیه پوشش ثبت شد. برای هر 200 سیکل سایش کاهش وزن یادداشت شد و به این ترتیب مقاومت به سایش پوشش آزمون گردید.

افزایش هر دو نانو سیلیکا و میکروسیلیکا مدول ذخیره لایه پلی یورتان را بالا می برند، اما به نظر می رسد که نانو سیلیکا مؤثرتر از میکروسیلیکا باشد، زیرا سطح فصل مشترک با ماتریس پلی یورتان بیشتر است.

آزمون مقاومت به خراش با دستگاه اثر گذار نانو XP که ساخت کشور آمریکا است انجام شد. مقاومت به خراش تحت بار نرمال از محدوده 200 میکرو نیوتن تا 50 میلی نیوتن بر روی مقطع عرضی انجام شد. افزودن مقدار کم نانو سیلیس 1% به پوشش به صورت معجزه آسایی مقاومت به خراش را بهبود بخشید.

هرچه مقدار نانو سیلیس کمتر باشد رزین و لایه هر دو شفاف خواهند بود ولی با بالا رفتن درصد نانو سیلیس 5% و 10% هم لایه و هم رزین به ترتیب نیمه شفاف و کدر می شوند که دلیل این امر می تواند ایجاد تجمعات به دلیل بسیار دانه ریز بودن ذرات SiO₂ باشد زیرا در این حالت تمایل به توده ای شدن زیاد است.

نتیجه گیری کلی که از افزودن سیلیکا در پلی یورتان بر پایه آکریلیک حاصل می شود این که نانو سیلیس علاوه بر بهبود مقاومت به سایش، مقاومت به خراش، مقاومت به استحکام کششی و مدول یانگ را نیز بهبود می بخشد. در حالی که میکروسیلیس و سیلیکای فوم فقط سختی و مقاومت به سایش را بهبود می بخشند.