بخشی از مقاله
چکیده
از آنجایی که قطعات اپتیکی و شیشهها در شرایط آبوهوایی مرطوب و بارانی و یا در حضور انواع آلودگیها، دچارکاهش نور عبوری و ایجاد مه روی سطح شیشه میشوند، توجه به طراحی پوششی با خاصیت فوتوکاتالیستی و فوق آبدوستی منجر به تولید قطعه اپتیکی با خاصیت خودتمیزشوندگی شده است. بهمنظور تولید لایه نازک نانوکامپوزیتی سیلیکای توخالی- دی اکسید تیتانیوم، ابتدا لایهنشانی سیلیکای توخالی و سپس لایهنشانی دیاکسید تیتانیوم صورت گرفت. برای مشخصهیابی لایه نازک اعمالشده از میکروسکپ الکترونی روبشی گسیلمیدانی - FESEM - استفاده شد. همچنین، زاویه تماس قطرات آب روی سطح پوشش اندازهگیری شد. نتایج نشان داد که زاویه تماس شیشه معمولی از61 درجه به 3 درجه در حالت پوشش داده شده با لایه نازک نانوکامپوزیتی کاهش یافت.
-1 مقدمه
یکی از روشهای جلوگیری از تشکیل مه بر روی سطوح اپتیکی و در نتیجه رفع مشکلات ناشی از آن، استفاده از پوششهای فوقآبدوست میباشد. بکارگیری پوشش فوقآبدوست با خاصیت ضدمه در تجهیزات اپتیکی از جمله پنجرههای ساختمان، شیشه وآینه اتومبیل، لنز دوربین، عدسیها، عینک طبی و شنا، شیشه و آینه حمام اهمیت بسزایی در افزایش کارایی این تجهیزات در محیط های مختلف عملیاتی دارد . بهدلیل وجود خاصیت ضدمه در طراحی پوشش فوق آبدوست، در صد نور دریافتی در محیطهای مرطوب توسط تجهیزات اپتیکی کاهش نمی یابد و منجر به افزایش کارایی تجهیزات میگردد .[1]
در سالهای اخیر پوششهای ضدمه بر اساس خاصیت فوقآبگریزی و یا فوقآبدوستی طراحی شدهاند. آبدوستی و آبگریزی از جمله خصوصیات فیزیکی سطحی یک ماده هستند. فوقآبدوستی کاربردهای ویژهای را به سطح القا می کند که از جمله آنها میتوان به خاصیت ضدمهگرفتگی و خاصیت خود تمیزشوندگی اشاره نمود .[3 ,2] درواقع برروی یک سطح فوقآبدوست هیچ قطره آبی تشکیل نمیشود و بهجای آن، فیلم نازک یکپارچهای از آب بر روی سطح تشکیل میگردد و این لایه یکنواخت از تشکیل مه جلوگیری میکند.[4] خاصیت فوقآبدوستی در برخی از مواد به صورت ذاتی و بدون نیاز به عامل خارجی ایجاد میشود و در برخی از مواد دیگر در اثر تابش نور - اغلب تابش نور فرابنفش - ایجاد میشود.
5] این پوششها شامل نیمههادی اکسیدی میباشند که یکی از مهمترین آنها دی اکسید تیتانیوم میباشد که توسط فوجیشیما و هوندا در سال 1972 کشف شد. تابش نور فرابنفش به این پوششها باعث انجام واکنشهای شیمیایی برگشتپذیر در سطح و ایجاد خاصیت آبدوستی و فتوکاتالیستی میشود.[6] درواقع با تابش نور فرابنفش به سطوح برخی از نیمه هادیها ازجمله دیاکسید تیتانیوم، جفت الکترون-حفره تشکیل میشود که در اثر واکنش با سطح خاصیت فوقآبدوستی را ایجاد میکند. وانگ و همکاران در سال 1997 برای اولین بار گزارش کردند که زاویه تماس در سطح دیاکسیدتیتانیوم بعد از قرارگیری در معرض تابش نور فرابنفش به صفر کاهش مییابد.[7 ,6]
علاوه بر دی اکسید تیتانیوم، نیمه هادی های دیگر از جمله V2O5 ,SnO2 ,ZnO ,WO3 هم وجود دارند که انرژی شکاف نوار آنها با ناحیه طول موج فرابنفش مطابقت دارند، اگرچه این مواد در مکانهای تاریک برای مدت زمان مشخصی خاصیت فوق آبدوستی دارند و از لحاظ تنوع نیز محدود میباشند.[8 , 6] درواقع خاصیت آبدوستی در این پوششها با قرارگیری در محیط تاریک از بین میرود که بزرگترین مشکل این پوششها به حساب میآید. بنابراین علاوه بر وجود لایه دی اکسید دی تیتانیوم، حضور نانو ذرات با ساختار متخلخل سه بعدی در لایه نازک دی اکسید تیتانیوم باعث افزایش و دوام خاصیت آبدوستی میشود.
[3] به همین دلیل توجه محققین را به سمتروشهایی برای ایجاد و القای زبری همچون لیتوگرافی و ساخت نانوذرات متخلخل متمایل کرد.کبکی و همکارانش لایه نازک نانو متخلخل قابل کنترل به روش لایه به لایه از نانو ذرات سیلیکا تهیه نمودند که دارای زاویه تماس قطره آب با سطح کمتر از 5 درجه و زمان پخش شدن 0/5 ثانیه بود. این زاویه تماس پایین به نفوذ سریع آب به داخل شبکه ای از نانو تخلخلهای سه بعدی نسبت داده شد.
[5] زوربا و همکاران نیز با ساخت دیاکسید تیتانیوم متخلخل سلسله مراتبی یک پوشش فوق آبدوست پایدار بدون نیاز به تابش نور فرابنفش را ارائه نمودند.[9] ماچیدا و همکارانش نیز با اضافه کردن سیلیکا به دی اکسید تیتانیم 10 - الی 30 درصد مولی - و تشکیل فیلم نانوکامپوزیتی دی اکسید تیتانیم- سیلیکا باعث بهبود خواص آب دوستی لایه نازک دی اکسید تیتانیم خصوصا در مکانهای تاریک و فاقد تابشهای نور فرابنفش شدهاند.[10] در همین راستا، در این پژوهش لایه نازک نانو کامپوزیتی سیلیکای توخالی- دی اکسیدتیتانیوم بر زیرلایه شیشهای لایه نشانی و خواص آبدوستی آن بررسی شد.
-2 مواد و روش تحقیق
لایهنشانی پوشش های نانوکامپوزیت سیلیکای توخالی- دیاکسیدتیتانیوم توسط روش غوطهوری از سل های تهیه شده به وسیله دستگاه غوطهوری انجام شد. ابتدا سل سیلیکای توخالی - دیاکسید سیلیسیم با هستههای پلیمری - به صورت زیر تهیه گردید. 0/3 گرم پلیاکریلیک اسید در 4/5 میلیلیتر آمونیا که تحت همزدن شدید است، حل گردید و سپس 90 میلیلیتر اتانول به محلول اضافه گردید و در ادامه 2/5 میلیلیتر تترااتیل ارتوسیلیکات طی 5 مرحله و به فاصله زمانی 15 دقیقه به صورت قطره قطره به محلول فوق تزریق شد.
پس از آن سل به مدت 20 ساعت همزده شد و به مدت 48 ساعت نیز تحت پیرسازی در دمای محیط قرار گرفت. برای تهیه سل دی اکسید تیتانیوم ابتدا تترابوتیل اورتو تیتانات، اتانول و استیل استون با نسبتهای مولی 1 :20 :0/2 را ترکیب نموده و به مدت 30 دقیقه تحت همخوردن قرار می دهیم. سپس محلول دوم با ترکیب اتانول، استیک اسید و آب دیونیزه با نسبتهای مولی :3 20 :1/5 که به مدت 30 دقیقه تحت هم خوردن قرار گرفتهاست را به آرامی به محلول اول اضافه مینماییم. پس از30 دقیقه هم خوردن سل دیاکسید تیتانیوم برای لایهنشانی آماده است.
به منظور آمادهسازی سطحی، زیرلایه شیشهای با پنبه و ماده شوینده به همراه آب مقطر شسته و خشک گردید . در مرحله اول زیرلایه در سل سیلیکای توخالی بهمدت 60 ثانیه غوطهور شد و سپس با سرعت 3 میلیمتر برثانیه از سل خارج گردید. پس از خشک شدن بمدت 10 دقیقه در هوا، عملیات خشک کردن درون آون با دمای 100 درجه سانتیگراد و نرخ افزایش دمای 1 درجه سانتیگراد در دقیقه به مدت 1 ساعت انجام شد.
