بخشی از مقاله
بررسی کاربرد فناوری نانو در سطوح خود تمیز شونده شیشه ای
چکیده
نانو فناوری از فناوری های نوین است که با سرعت هر چه تمام تر در حال توسعه می باشد بطوریکه امروزه بیشتر تحقیقات به سمت طراحی و ساخت سازه ها و بناهای دوست دار محیط زیست، تمیزتر، سبکتر، و با کارایی بالاتر معطوف می باشد. کاربرد فناوری نانو در معماری بسیار گسترده که از آن جمله می توان به سطوح خود تمیز شونده، ضد خش، ضدباکتری، ضدانعکاس) اشاره نمود .سطوح خودتمیزشونده اولین بار با کشف ریز ساختار برگ نیلوفر آبی، که بر خلاف ظاهر صافش در مقیاس نانو یا میکرو زبر است، مورد توجه قرار گرفتند. پدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماس بستگی دارد و بر این اساس، سطوح خودتمیزشونده به دو دسته ابرآبدوست و ابر آبگریز تقسیم می شوند. برخلاف سطوح ابر آبگریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب برای اثر خودتمیزشوندگی استفاده می کنند، سطوح ابر آبدوست با فرایند فوتوکاتالیز ساختار شیمیایی الودگیها را در مجاورت نور خورشید از بین می برند، اما به علت آسانی فراوری ساخت و در دسترس بودن امکانات، سطوح ابر آبگریز امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند . تولید سطوح ابر آبگریز به دو روش کلی ایجاد زبری در یک ماده با انرژی سطحی پایین و اصلاح یک سطح زبر با یک ماده با انرژی سطحی پایین انجام می گیرد. که در این تحقیق بطور اجمالی به سطوح خود تمیز شونده شیشه ای پرداخته شده است .
کلمات کلیدی: نانوفناوری، ابر آبگریز، ابر آبدوست ، س طوح خودتمیزشونده، نانوپوششها ، نانوفوتوکاتالیست
مقدمه
نانو تکنولوژی دانشی است که رفته رفته رد پای خود را بر سایر علوم می گذارد و جهان پیرامون ما را متحول و متحیر می سازد. نانو در لغت یونانی نانوس (NANOS) مشتق شده است که به معنی کوتوله است. نانو با چشم انسانی قابل مشاهده نخواهد بود و نامرئی است چون طول موج کوتاهی دارد و در تراکنش نور خلاقند.
عبارت نانو پیشوندی است مانند دیگر پیشوندها نظير سانتی دسی ، کیلو، مگا و غیره بیانگر مقیاس است. یک نانو متر (lnm) به معنای - ۱۰ متر (یک میلیاردم متر) یا ۱۰ انگسترم است چنانچه بخواهیم معیار قابل لمسی از ابعاد نانو ارائه دهیم ، می توان گفت اگر یک قطره آب بر روی سطحی به مساحت امترمربع، پخش شود ، ضخامت یک لایه آب ، برابر با یک نانو متر خواهد بود .
معادل لاتین فناوری ، واژه تکنولوژی است که از ریشه یونانی تکنو(Techne) و لوکوس (Logy) گرفته شده است. که غالبا به معنای فن شناسی بکار می رود به عبارت دیگر عبارت است از کاربرد علم در هدف های علمی زندگی انسان ، یا تغییر و تسلط بر محیط انسانی و بکار گیری دانش برای مقاصد علمی در حوزه های خاص است. لذا نانو فناوری توانائی تولید مواد و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی ، اتم به اتم، برای ایجاد ساختار های بزرگ و کاملا نو در جهت استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می شود.
و رفتارهای خود تمیز شوندگی، ضد جرم، ضد آلودگی با استفاده از فناوری نانو در سطوح، نیاز به تمیز کننده های شیمیایی مضر را کاهش و حتی آلودگی ها را از هوای اطراف و محیط نیز می زداید و هم آلودگی روی خود را خنثی می کند و هم آلایش محیط خود را بهمراه دارد. مواد نانو ساختار با توجه به مساحت سطح مخصوص بالا و بنابر نوع ماده مصرفی می توانند سختی و استحکام ماده را در مصالح ساختمانی و بخصوص مواد سازه ای افزایش دهند، به این معنی که مواد کمتری با کیفیت بهتری برای یک عملکرد مشخص مورد نیاز خواهد بود.
امروزه نانو مواد را در قالب صفر بعدی (نانو ذرات)، یک بعدی (نانو رشته ها) ، دوبعدی (نانو پوشش ها) و سه بعدی توده ها) دسته بندی می کنند. از میان نانو مواد متعدد ساخته شده امروزه ذرات دی اکسید تیتانیوم به سبب قابلیت در تجزیه و رفع آلودگی ها از روی سطوح مختلف مشهور است.
١- نانو شیشه های خود تمیز شونده
- ۱ شیشه و نانو شیشه ها | شیشه بدلیل شفافیت و مقاومت بالا با هر شکل و رنگی بعنوان مصالح ساختمانی برای پنجره و نما شناخته شده است. البته لکه دار شدن سریع، انعکاس نامطلوب و عملکرد بد آن از نکات منفی آن است. پوشش های نانوئی این خواص منفی را بطور قابل ملاحظه ای کاهش می دهند و بدین وسیله زمینه های عملکردی جدیدی برای نمای شیشه ای به ارمغان می آورد.
از جمله عوامل محیطی که در زوال شیشه موثر می باشند عبارتند از : 1- اثر رطوبت و آب ۲- آفتاب زدگی ٣- متراکم شدن ۴- ارتعاش ۵- میکرو ارگانیسم ها. رشد میکروارگانیسم ها میتواند خسارتی را در شیشه موجب شود کثیف بودن سطح شیشه رشد میکروارگانیسم ها و خسارات ناشی از آن را تسریع می نماید .
کیفیت خود تمیز شوندگی در این شیشه ها به کمک استفاده از پوششهای به ضخامت چند نانومتر میسر می شود که شفاف بوده و اثر فتوکاتالیز و آب دوستی را همزمان دارند ، نانو ماده اصلی پوششهای شیشه است . اکسید تیتانیوم در حالت عادی پودری سفید رنگ است و با فناوری عادی نمی توان از این پودر به عنوان پوشش روی شیشه استفاده کرد زیر، شیشه را مات و کدر می کند و امکان دیدن اجسام در آن سوی شیشه دیگر ممکن نخواهد بود. اما فناوری های جدید اجازه ساخت شیشه با پوشش هائی به ضخامت ۱۵ نانومتر را فراهم کرده است و همین امر باعث می گردد که از لحاظ ظاهری هیچ تفاوتی با شیشه های عادی نداشته باشد و در عین حال تفاوت عمده ای در عملکرد این شیشه ها نسبت به شیشه های معمولی حین بارندگی و در مقابل الودگی وجود دارد.
از مزایای شیشه های خود تمیز شونده عواملی از جمله : ۱- کاملا بی خطر ۲- عدم چسبندگی آلودگی بر روی سطوح ۳- پاک شدن گل و لای بوسیله آب باران ۴- عدم رسوب گرفتن سطوح ۵- افزایش و استحکام و مقاومت شیشه در برابر خش افتادگی ۶- جلوگیری از تشکیل اثر انگشت روی شیشه ۷- شیشه تا مدت زمان طولانی تمیز باقی می ماند ۸- دوام بالا ۹- باعث کاهش نیاز به مواد شوینده و پاک کننده می باشد.
نکته ای که باید به آن توجه داشت زاویه قرارگیری شیشه ها و امکان تابش مداوم نور خورشید و ریزش آب بر آنها است و آماده سازی بستر شیشه ای به این صورت می باشد که در ابتدا سطح را با آب مقطر شستشو داده می شود و برای چربی زدائی سطح نمونه ها از محلول سود ۵٪ استفاده می شود به این ترتیب نمونه های شیشه ای را درون محلول سود فروبرده ، سپس خارج کرده و با آب مقطر شستشو داده می شود پس از شستشو مجدد با آب مقطر در محلولی که نسبت هگزان به متانول برابر یک میباشد برای چربی گیری نهائی فروبرده می شود.2
استفاده از فناوری هایی از این دست که نیاز به انرژی کمتر و استفاده کمتر از مواد شوینده و شیمیایی دارند، خود گامی در جهت تحقق اهداف معماری پایدار و پایداری زیست محیطی خواهد بود.
- ۱ - نانو ذرات نانو فناوری با ترکیب و پیوند ریزذراتی موسوم به نانو ذرات ، فرایند تولید " مصالح نانو" و کاربرد آنها سرو کار دارد . نانو ذرات از ده ها یا صدها اتم یا مولکول با اندازه ها و مورفولوژی های مختلف (آمورف، کروی، سوزنی) ساخته شده اند و بصورت پودر خشک یا مایع می باشند.
با توجه به خواص ذرات نانوئی و تغییراتی که اندازه ذرات در افزایش و بهبود خواص شیمیایی می تواند داشته باشد
استفاده از این مواد با در نظر گرفتن نکاتی از قبیل موارد ذیل می توانند در سطوح شیشه ای مورد استفاده قرار گیرند:
١ - بوجود نیامدن هیچ تغییری در ظاهر شیشه ۲- ضخامت پوششی بسیار کم ٣- سازگاری ترکیب و ساختار آن با شیشه اصلی ۴- جدا بودن خصوصیات شیشه اصلی و پوشش دهنده مشخصه اصلی نانو مواد به خود مواد بر نمی گردد، بلکه به اندازه ذرات بنیادین آنها مربوط می شود. هر چقدر دانه ریزتر شوند، سطح جانبی آنها افزایش یافته و نتیجه آن افزایش سطح، فعال تر شدن واکنش پذیری بهتر آنها خواهد بود.
و در طبیعت خاصیت فوتوکاتالیستها جهت خودتمیزشوندگی عمدتا در دو ماده اکسید روی (ZnO) و دی اکسید تیتانیوم (TiO2) یافت می شوند که امروزه دی اکسید تیتانیوم بنابه دلایلی نظیر دسترسی آسان، غیرسمی بودن و قیمت پایین آن کاربرد بیشتری یافته اند. |
دی اکسید تیتانیوم (TiO2) بنام تیتان یک نیمه هادی است که بدلیل پایداری ترکیب شیمیائی ، مقاومت شیمیائی بالا، پایداری مکانیکی بالا، قدرت جذب نور فرا بنفش قیمت پائین و غیر سمی بودن بعنوان یک فتوکاتالیزور مطلوب بکار گرفته شده است و از این قابلیت برخوردار است که بسیاری از مواد مضر و باکتری ها را تجزیه و نابود کند و برای تمیز کردن خودبخودی و ضد لک ، ضد مه و ضد اثر انگشت سطوح استفاده می شود.
دی اکسید تیتانیوم عامل اصلی رفع چرک های روی سطوح است زیر دی اکسید تیتانیوم ابر آب دوست است و باعث می شود تا قطرات آب روی سطوحی که با این ماده پوشانیده شده اند همواره با زاویه بسیار کم قرار گیرند و تمایل به پخش شدن روی سطح و خیس کردن آن را داشته باشند و بصورت قطره روی سطح باقی نمی ماند و در نتیجه کشش و جاذبه بالای نانو تیتان فرایند جداسازی چرک از سطوح را سرعت می بخشد و تاثیر پایدار و دائمی را بر جا می گذارد. بیشترین کاربرد کاتالیزور در شیشه ، سرامیک و سطوح بزرگ نما است.
3-1نانو پوشش ها
در دنیای کنونی تغییرات سطحی به یک فرایند مهم و اساسی تبدیل شده است و استفاده از پوشش یا لایه های محافظ از منظرهای مختلف و در راس آنها جهت ایجاد مانع و جدائی بین اجسام و محیط اطراف از زمانهای بسیار قدیم معمول و مرسوم بوده است. بطور کلی موادی را که به عنوان مانع یا پوشش های حفاظتی بکار می برند می توان به سه دسته تقسیم نمود : مواد بی اثر ، مواد کند کننده و مواد از بین رونده. استفاده از پوشش ها به منظور های مختلف صورت می گیرد که معمولا دارای خواص فیزیکی، شیمیائی و مکانیکی ویژه ای از جمله مقاومت در برابر سایش و خوردگی ، قابلیت انتشار حرارتی و ایجاد خاصیت ضد مه ضد لک و ضد خش می باشند البته در بعضی موارد شکل و نمای ظاهری و تزئینی آنها نیز مد نظر قرار میگیرد و افزایش کار آئی و محافظت از سطوح را بدنبال دارد.
و تولید انبوده پوشش های فوق نازک به مدد روش های شیمیایی را نگرش ساخت از پائین به بالا می نامند، زیر از ریز ترین ساختارها مثل اتم آغاز شده و به محصول نهائی منجر می شود. روش های بکار رفته در تولید مواد خام سنتی، رویکردی از بالا به پائین را دنبال می کند از قطعات بزرگ مواد ، به اجزای خردتر می رسیم ، و سپس آنها را در هم می آمیزیم .
پوشش هائی که امروزه تولید می شوند بطور ورقه های بسیار نازکی تولید می شوند که میتواند یکپارچگی خود را حفظ کرده و حتی به شکل خود ایستا ، پایداری خود را حفظ نماید. در بسیاری از کاربردها ، لایه های متعدد متشکل از مواد نانو بنیان را به صورت متوالی و پی در پی می سازند که این لایه های گوناگون دارای ویژگی ها و خواص گوناگوی بوده و هریک را با هدف انجام وظیفه مشخصی ایجاد میکنند. روش های پوشش دهی عبارتند از :۱- روش اسپری کردن ۲- کوت نمودن 3- شناور سازی غوطه وری نمونه در محلول می باشد.
پوشش های ضد نقش که بر روی سطوح اعمال می شود، برای کاهش چسبندگی مواد بکار رفته برای نوشتن و کشیدن تصویر بر روی سطوح است موجب می شود تا سطوح مصالح رفتار آب گریز از خود به نمایش گذارند. این کیفیت عالی آب گریزی موجب میشود تا نوشته ها روی سطوح به آسانی پاک شوند.
و پوششش های ضد خش که برای روی سطوح اعمال می شوند، بکمک آن میتوان مقاومت سطوح را نسبت به خط افتادن و سایش افزایش داد روکش هائی از این دست که بوسیله نانو تولید می شوند بعلت اصطکاک کمی که بین سطوح آنها و دیگر سطوح در می گیرد از خطر فرسایش و سایش کاسته و عمر و دوام مواد را افزایش می دهند.
پوشش های ضد باکتری و میکروب کش که بر روی سطوح اعمال میشوند، با استفاده از نانو ذرات نقره ، می توان سطوح فتوکاتالیزی پدید آورد که میکروب ها و باکتری ها را از بین ببرند. باکتری ها می توانند سبب فساد ، رنگ پریدگی یا لکه دار شدن سطوح شوند. سطوح ضد باکتری هم باکتری ها را کشته و هم مانع از رشد و تکثیر آنها می شوند. از این سطوح باید در کاربردهائی
