کاربرد فناوری نانو در رنگ ها و پوشش های آب گریز (هیدروفوب)

اهمیت آبگریزکردن سطوح

وجود رطوبت و نشت آب به زیرساخت های مختلف قطعات ساختمانی و صنعتی مسئله های شناخته شده است. آب و رطوبت در صنایع مختلفی مانند صنعت ساختمان، صنایع دریایی، سطوح فلزی و غیره می تواند مشکل ساز 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 تر کهای ریز، مسئله های شناخته شده است. بیشتر مصالح ساختمانی مانند گچ، بتن و سیمان دارای تخلخل های بسیار ریز و گروه های هیدروکسیل در سطح خود هستند. این گروه های هیدروکسیل به خاطر شباهت با ساختار آب و ویژگی آبدوستی جاذب آب بوده، بنابراین به راحتی خیس شده و آب در سطح آنها نفوذ می کند. بنابراین به منظور جلوگیری از رشد ترکها، پوسته شدن سطوح رنگ و گچ، ایجاد کپک و قارچ در اثر رطوبت

وغیره آبگریز کردن این سطوح دارای اهمیت ویژه ای 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 آب سازی به آن پرداخته می شود.

استفاده از سطوح آبگریز به منظور افزایش دوام، کاهش هزینه ها و کاهش زمان مورد نیاز برای نظافت تجهیزات در صنایع مختلفی مانند، صنعت اتومبیل سازی، ساختمان وغیره مورد استفاده قرار گرفته است. پوشش ها و رنگهای خود تمیزشونده آبگریز به واسطه حرکت قطرات آب از روی سطح خود آلودگی های سطحی را می زدایند.

یکی دیگر از کاربردهای مهم سطوح آب گریز استفاده از آنها به عنوان ضد یخ است. در مناطق سردسیر یخ در سطح جامدات رسوب می کند و باعث افت خواص مکانیکی سیستم های جامد می شود. بنابراین سطوح آب گریز با مقدار انرژی سطحی پایین خود مانع ایجاد یخ زدگی بر روی سطوح می شوند.

 تاریخچه سطوح آب گریز

سطوح خود تمیز شونده آب گریز اولین بار با کشف ریزساختار 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 می زداید. بنابراین سطوح خود تمیز شونده آب گریز با سازوکاری مشابه با برگ های نیلوفر آبی، علاوه بر دفع آب از روی سطح خود توانایی دفع آلودگی ها شامل ذرات جامد، مایعات آلی و آلودگی های زیستی را نیز دارند

تعریف سطوح آب گریز

یکی از عوامل تعیین کننده در میزان ترشوندگی  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 می شود. هرچه زاویه تماس به صفر نزدیکتر باشد ترشوندگی بیشتر و با افزایش زاویه تماس میزان ترشوندگی سطح کاهش می یابد

روش های دستیابی به سطوح آب گریز

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 شدیداً کم می شود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می گیرد و امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین می رود .

به طور کلی برای دستیابی به خاصیت آب گریزی در یک سطح، می توان از رنگ ها و پوشش های آب گریز استفاده کرد. در استفاده از رنگ ها و پوشش ها، شرایط یکسانی برای دستیابی به آب گریزی سطح وجود دارد. ساختار شیمیایی آب گریز و زبری سطح دو فاکتور مهم در استفاده از این پوشش ها و رنگ ها هستند، که در زیر به توضیح مختصری پرداخته شده است:

انرژی سطحی پایین (ساختار شیمیایی آب گریز): برای دستیابی به آب گریزی سطحی، لازم است که يک سطح آب گريز با کشش سطحي بسيار پايين همراه با میکروساختارهاي مناسب ايجاد شود. در این روش با تغییر در مورفولوژی سطوحی با انرژی سطحی پایین و ایجاد زبری مناسب، می توان سطح آب گریزی ایجاد کرد.

زبری سطح:  ایجاد زاویه تماس بیشتر از 120 درجه بر روی یک سطح صاف فقط با اتکا به ساختار شیمیایی آب گریز آن سطح، بدون هیچ بافتی در ابعاد نانو یا میکرو، تقریبا ناممکن است. بنابراین، زبری سطح عاملی مهم در پوشش های آب گریز است. در این روش پوشش های نازکی از مواد با انرژی سطحی پایین به روش های مختلف بر روی سطوحی که زبر هستند، ایجاد می شود.

پوشش های آب گریز مبتنی برفناوری نانو

پوششهای آب گریز، 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 می شوند. نانوذرات سیلیکا مرسومترین ماده ی مورد استفاده در پوششهای آب گریز است که کاربرد بیشتری نسبت به سایر اکسیدهای فلزی دارد. با قرار گرفتن این نانو ذرات در بستر پلیمری مناسب و عامل دار کردن سطح این ذرات، خاصیت آب گریزی مناسبی ایجاد می شود. در شکل 6 فرایند آماده سازی یک پوشش فوق آب گریز نشان داده شده است.

محققان با استفاده از اچ کردن سطح ستونهای میکرومقیاس سیلیکونی موفق به تولید نانوپوششی شدند که دارای خواص آب گریزی بالایی است. این نانوپوشش می تواند برای متراکم کردن بخارات آب در نیروگاه های حرارتی مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این نانوپوشش، برای کاربرد در محیط های پر بخار بسیار اهمیت دارد. با افزایش قدرت حرکتی ذرات مایع روی سطح می توان متراکم شدن بخار آب را با کارایی بالا انجام داد. این قابلیت در نیروگاه های حرارتی که در آن گرما موجب بخار شدن آب می شود، برای جمع آوری کارا تر ذرات آب، می تواند مورد استفاده قرارگیرد. این فناوری مانع از هدر رفت آب شده و همچنین مانع از یخ زدن سطح بال هواپیماها می شود. برای ایجاد چنین نانوپوششی 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 نانودانه های پلیمری موفق به ساخت نانوپوششی شفاف شدند که آب گریز و روغن گریز است.  روشهایی که پیش از این ارائه شده است به شکلی بوده که محصول نهایی قابل استفاده در همه حوزه ها نیست که دلیل این امر شفاف نبودن پوشش است.

فلوئور دارای خواص مناسب برای استفاده در پوشش نهایی در تمامی حوزه ها است اما به دلیل قیمت بالا و خطرات زیست محیطی استفاده از آن با محدودیت هایی روبرو است. اخیرا محققان موفق به ارائه پوشش پلی اورتان فاقد فلوئور شده اند. این ماده ارزان قیمت بوده و به راحتی به سطوح مختلف م یچسبد. نتایج یافت ههای اخیر نشان م یدهد که این پوش شهای ارائه شده جدید دارای قیمت مناسب و شفافیت بالا حتی تا ضخامت  10میکرون هستند. برای تولید این پوشش، محققان از زنجیره پلیمری پلی)دی متیل سیلوکسان( PDMS(4( و یک روغن سیلیکونی زیست سازگار استفاده کرده اند. این پوشش جدید قادر است اثر انگشت، جوهر و رنگ را از خود دور کند. از این پوشش می توان روی سطح نمایشگر تلفن همراه استفاده کرد.

رنگ های آب گریز مبتنی برفناوری نانو

اصولا در رنگ های آب گریز از ترکیبات حاوی عناصر سیلیکون، مانند پلی اورگانو سیلیکان، اپوکسی پلی سیلوکسان و پلیمرهای حاوی فلوئورین استفاده می شود. زاویه تماسی که در اثر استفاده از این رنگهای آب گریز ایجاد می شود کمتر از 90 درجه است. استفاده از افزودن یهای سیلان، اورگانوسیلان و فلوروسیلان می تواند این زاویه را به کمی بیشتر از 90 درجه  (یعنی داشتن سطح با خاصیت آب گریز) افزایش دهد. شدت آب گریزی پایین و همچنین پایداری کم از معایب این رنگها به شمار می رود.

در اینجاست که استفاده از فناوری نانو در رنگهای آب گریز می تواند راه گشا باشد، تا بتوان به رنگ فوق آب گریز و با خواص مطلوب دست یافت. استفاده از افزودنی های نانومتری به منظور افزایش زبری سطح و در نتیجه افزایش زاویه تماس، دلیل استفاده از نانو ذرات با خاصیت آب گریز (مانند نانو ذرات سیلیکا) در رنگ است. عموما در رنگ های فوق آب گریز نانویی از نانوکامپوزیت های آلی- معدنی استفاده می شود.

به عنوان مثال در نمونه ای از رنگ های آب گریز مبتنی بر فناوری نانو از نانوکامپوزیت های آلی- معدنی (نانوکامپوزیت آکریلیک- سیلیکا) استفاده شده است، اندازه ذرات سیلیکا استفاده شده حدود 15 تا 30 نانومتر و اندازه نانوکامپوزیت تشکیل شده زیر 200 نانومتر است.

همچنین تیمی از محققان بین المللی، نوعی رنگ فوق العاده آب گریز تولید کرده اند که در برابر آب و روغن غیرقابل نفوذ است و دارای خاصیت خود تمیز شوندگی است. این رنگ جدید را می توان 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 می کند. رنگ جدید که از نانوذرات پوشش یافته دی اکسید تیتانیوم ساخته شده است، می تواند سطح مقاوم تری را تولید کند که در برابر سائیدگی و خراش های  روزمره مقاوم هستند و از این رو می توان از آن ها برای طیف گسترده ای از کاربردها مانند پوشاک و خودرو بهره برد.

کاربردهای پوششها ورنگ های ضدآب مبتنی برفناوری نانو

استخر، سونا و جکوزی

آثار گلی، کاشی و سفالها

سنگ های طبیعی و مصنوعی

آجرهای بدون حفاظ

سطوح چوبی

ستون های دریایی

برج های خنک کننده

تصفیه خانه فاضلاب

تراورس های خط آهن

تونلها

باراندازها

کارخانه های کشتی سازی