بخشی از مقاله
چکیده
سطح پانلهاي کامپوزیت آلومینیوم1 نماهاي ساختمان که با شفافپوشههاي بر پایهي رزین پلیوینیلیدینديفلوراید/آکریلیک توسط فنآوري کلاف پوشانی2 پوشانده میشوند، پس از مدتی در اثر عوامل محیطی دچار آلودگی سطحی با عوامل آلودهکننده گوناگونی میگردند که این امر سبب میگردد تا جلوهي ظاهري این نماها از بین رفته و در عین حال سطح در اثر این عوامل مستعد تخریبهاي شیمیایی گردد. بنابراین براي رفع این مشکل باید متحمل هزینه و زحمت عملیات تمیزکاري به طور منظم شد.
در تحقیق انجام گرفته با بهره بردن از خاصیت فوتوکاتالیکی نانودياکسیدتیتانیوم از نوع آناتاز، براي ساخت یک پوشش خودتمیزشونده در جهت رفع این مشکل اقدام گردید. بدین منظور در ابتدا یک شفافپوشه بر پایهي رزین پلیوینیلیدیندي-فلوراید/آکریلیک فرموله شد و خواص فیزیکی، مکانیکی و دوام آن با استانداردهاي متداول شفافپوشههاي مورد استفاده در کامپوزیت نما مورد ارزیابی قرار گرفت.
پس از حصول نتایج قابل قبول، نسبت به ساخت نمونههاي متفاوتی از شفافپوشه خودتمیزشونده با حضور درصدهاي 1.5 ، 2.5 و 3.5 از نانودياکسیدتیتانیوم اقدام شد و خاصیت خودتمیزشوندگی آنها از طریق اندازهگیري زاویهي تماس آب روي سطح و میزان تخریب ماده رنگزاي متیلنبلو ارزیابی گردید و مجددا کلیه خواص فیزیکی، مکانیکی و دوام مورد ارزیابی قرار گرفت.
همینطور جهت حصول اطمینان از یک پراکنش قابل قبول از نانو ذرات دياکسیدتیتانیوم در محمل از DLS و جهت تحلیل ریختشناسی سطح از AFM بهره گرفته شد. نتایج بدست آمده از نمونه با میزان 2.5 درصد، گواه از عملکرد مناسبی از خودتمیزشوندگی سطح با حفظ سایر خواص این شفافپوشه را میدادند .در این مقاله نتایج حاصل از آزمون DLS و اثر فوتوکاتالیستی نمونه 2.5 درصد گزارش شده است .
-1 مقدمه
امروزه، نانوذرات به ویژه نانوذرهي دياکسیدتیتانیوم به دلیل خواص نوري، الکتریکی و کاتالیستی بسیار عالی توجه بسیاري از دانشمندان را به خود جلب نموده است و داراي کاربردهاي بسیار مهمی در صنایع مختلف میباشد. از جمله این کاربردها به اثر فوتوکاتالیستی در ایجاد سطوح خودتمیزشونده و پاكسازي محیط زیست میتوان اشاره نمود. امروزه بهره بردن از خاصیت خودتمیزشوندگی سطوح در صنایع مختلف رنگ و پوشش و ساختمان مورد توجه ویژه قرار گرفته است
عبارت »خودتمیزشونده«1 و lotus-effect بهصورت مترادف بکار میروند . این واژهها بیانگر سطوحی میباشند که نیازي به تمیز کردن آنها از سوي انسان نیست و تنها باید چنین سطوحی را در معرض ریزش آب قرارداد و نحوه کارکرد آب را تماشا کرد. بهترین نمونه از این سطوح، نیلوفر آبی میباشد .
ویلیام بارتلات - کاشف و توسعه دهندهي اثر نیلوفر آبی - از دانشگاهبنآلمان، چشماندازى از یک شهر منهتن خودتمیزشونده را مطرح نموده است که در آن یک باران کوچک، پنجرهها و دیوارهاى آسمان خراشها را همانند یک نیلوفر آبیکاملاًتمیز می - کند. گیاه نیلوفر آبی در آب گل آلود میروید اما برگهاى آن، پس از بیرون آمدن چند متر بالاتر از سطح آب قرار میگیرد که این امر از کثیفی آن جلوگیرى میکند. قطرات آبی که بر روى یک برگ نیلوفر آبی قرار میگیرند، درخشش عجیبی دارند و آب باران آلودگیها را به سادگی و راحتتر از هر گیاه دیگرى از آنها پاك میکند.
بررسی تصاویر میکروسکوب الکترونی روبشی از سطح این گیاه توسط بارتلات در دههي هفتاد نشان داد دو خصوصیت در سطح برگ این گیاه - مومسانی این برگ و برآمدگیهاى میکروسکوپی در ابعاد چند میکرون که سطح آن را پوشاندهاند - ایجاد میشود. وى از فیزیک پایه دریافت که تنها ویژگی مومسانی این برگها باعث آبگریز بودن آنها میگردد. در چنین مادهاى قطرات آب به شکلی قرار میگیرند که کمترین سطح تماس را با سطح ماده داشته باشند .
آب بر روى یک ماده با خاصیت آبدوستی بیشتر بر روى سطح ماده پخش می شود تا سطح تماس، بیشینه شود. براى یک سطح آبدوست، زاویهى تماس - زاویهاى که از برخورد سطح قطره با ماده ایجاد میشود - کوچکتر از 30 درجه است؛ در حالی که زاویهى تماس یک سطح آبگریز، بزرگتر از 90 درجه است. علاوه بر این وى کشف کرد که برآمدگیهاى بیشمارى موجب میشوند که سطح این نیلوفر،اَب رآبگریز باشد - یعنی زاویهى تماس بیش از 150 درجه باشد - . قطرات آب بر روى چنین سطحی به صورتقطرات کوچکتقریباًکروى درمیآیند که سطح تماس بسیار کوچکی دارد و به سهولت بر روى سطح میغلتند. آب همانند شخصی که بر روى بسترى از میخ دراز کشیده باشد، بر روى نوك برآمدگیها مینشیند. هواى گیرافتاده بین آب و سطح برگ در فضاهاى اطراف برآمدگیها، زاویهى تماسی را افزایش میدهد.
-1-1 ترشوندگی
ترشوندگی توانایی یک مایع براي حفظ تماس خود با سطح است که این توانایی وابسته به نیروهاي میان آنها میباشد. درجه ترشوندگی سطوح از موازنهي بین نیروهاي چسبندگی و پیوستگی تعیین میشود. غلبه نیروهاي چسبندگی بین جامد و مایع بر نیروهاي پیوستگی مولکولهاي مایع موجب پخش شدن مایع برروي سطح جامد میشود و برعکس نیروهاي پیوستگی باعث ایجاد قطره با زاویه تماس معلوم بر روي سطح میشود. معیار طبقهبندي سطوح از نظر درجهي ترشوندگی زاویهي تماس، زاویهي بین فصل مشترك مایع-گاز با مایع-جامد است. با افزایش تمایل یک مایع براي تر کردن یک سطح زاویهي تماس کاهش مییابد. در واقع زاویهي تماس با توانایی ترکنندگی مایعات رابطهي عکس دارد. جدول1 درجهي ترشوندگی سطوح و قدرت برهمکنشهاي بین مولکولی جامد و مایع را نشان میدهد.
جدول - - 1 - درجه ترشوندگی سطوح
در مورد آب سطح ترشونده را آبدوست و سطح غیرترشونده را آبگریز مینامند. در مورد مایعات دیگر براي شرایط زاویهي تماس کم lyophilic و زاویهي تماسهاي بیشتر lyophobic استفاده میشود. همچنین براي مایعات قطبی و غیرقطبی به ترتیب omniphobic وomniphilic به کار میرود.
به طورکلی جامدات از نظر پیوندهاي بین مولکولی و انرژي پیوستگیشان به دو دسته زیر تقسیم میشوند:
جامداتی مانند فلزات، شیشه، سرامیک که به علت داشتن پیوندهاي شیمیایی قوي - کووالانسی، یونی و فلزي - به عنوان جامدات سخت یا سطوح پرانرژي شناخته میشوند. این سطوح توسط اکثر مایعات تر میشوند. - محدودهي کشش سطحی: - 500 – 5000 erg/cm2
کریستالهاي مولکولی و جامداتی مانند هیدروکربنها، پلیمرهاي فلوئورکربنی، سیلیکونها و ... که داراي پیوندهاي ضعیف فیزیکی - واندروالسی، هیدروژنی و ... - هستند سطوح کم انرژي نامیده میشوند. - کشش سطحی - 50 erg/cm2 وابسته به نوع مایع این سطوح رفتار ترشوندگی متفاوتی خواهند داشت.
براي این منظور زیسمن با یک سري مایعات هموژن - آلکانهاي نرمال - رفتار ترشوندگی سطح کم انرژي را با رسم نمودار Cosθ-γ مورد بررسی قرار داد و با برونیابی کشش سطحی بحرانی یعنی جایی که Cosθ=1 است را بدست آورد. - کشش سطحی بحرانی زیسمن - 18 erg/cm2 = کشش سطحی بحرانی علاوه بر جامد به مایع نیز بستگی دارد هرچند در مورد مایعات واندروالسی - مایعات مولکولی ساده - مشاهده کرد که این کشش سطحی مستقل از نوع مایع است و فقط یک خصوصیت جامد است
شکل - - 1 - نمودار زیسمن براي سطوح تفلون
