کاربرد فناوری نانو در کاشی و سرامیک

اصول خود تمیز شوندگی

پوشش های خود تمیز شونده به دو گروه آب گریز و آبدوست تقسیم می شوند. در پوشش های آب گریز به واسطه تشکیل قطرات کروی شکل و در پوشش های آب دوست از طریق تشکیل لایه های نازک آب روی سطح، الودگی ها از سطح زدوده می شوند.

آب دوست یا آب گریز بودن سطح به زاویه تماس بستگی دارد. زاویه تماس در فصل مشترک سه فاز جامد و مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می شود.

به طور کلی، اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آب دوست می گویند، در حالی که اگر این زاویه بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آب گریز می نامند.

سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابر آبدوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابرآب گریز نام دارند. 

سطوح آب گریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژی سطحی سطوح آب دوست بسیار بالاست. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دست یابی به سطوح ابر آب گریز و ابر آبدوست را ممکن کرده است.

زبری سطح و ساختار آن، نقشی بسیار مهم در افزایش زاویه تماس دارند. انسان ها با الهام از برگ های نیلوفر آبی، برای ساخت سطوح فوق آب گریز تلاش کرده اند.

در پوشش های آب گریز، آب به محض تماس با سطح به شکل قطرات کروی تجمع و از روی سطح لغزیده و ذرات آلودگی را با خود از روی سطح می زداید. 

زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس نانومتر باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی سطح قرار گرفته است افزایش پیدا می کند و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیدا کم می شود.

بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می گیرد و به راحتی جریان پیدا می کند و ذرات آلاینده ی موجود بر روی سطح، به قطرات آب چسبیده و با غلطیدن قطرات آب، آلودگی ها نیز از سطح زدوده می شود.

پوشش های نانو با ذرات در حد چند ده نانومتر، ضمن پوشش حفره های میان ذرات سطح و همچنین رساندن زاویه تماس آب با سطح به بیش از ۱۲۰ درجه، امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین برده و موجب کاهش تجمع آلودگی ها و چسبندگی آن روی سطح خواهند شد.

برخلاف سطوح آب گریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب برای اثر خودتمیزشوندگی استفاده می کنند، سطوح آب دوست ساختار شیمیایی آلودگی ها را در مجاورت نور از بین می برند. 

این فرایند فوتوکاتالیز نام دارد. در طول فرایند فوتوکاتالیز، ساختار شیمیایی آلودگی های ارگانیک و سایر ناخالصی ها که بر روی پوشش قرار دارد به وسیله جذب نور شکسته شده و به همراه آب از روی سطح جدا می شوند.

یکی از موادی که کاربرد زیادی به عنوان سطوح خود تمیز شونده آبدوست دارد دی اکسید تیتانیوم است. با کاهش ابعاد ذرات و افزایش نسبت سطح به حجم، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی ذرات افزایش پیدا می کند. به همین دلیل، معمولا از نانوذرات اکسید تیتانیوم به عنوان سطوح ابر آب دوست استفاده می شود.

شکل ۱ : مقایسه زاویه تماس بین سطوح آب دوست و آب گریز

شکل ۲  : عملکرد سطوح آب گریز

شکل ۳ : عملکرد سطوح آب دوست

در شکل ۳ تفاوت بین زاویه تماس آب با سطح پوشیده شده با لایه نازکی از دی اکسید تیتانیوم – سیلیکون قبل و بعد از تابش نور نشان داده شده است. 

قبل از تابش نور UV، زاویه تماس قطرات آب با سطح بیش از ۹۰ درجه است. با تابش نور، تجزیه و زدایش آلودگی از روی س طح به دلیل خاصیت فوتوکاتالیستی اتفاق می افتد. این زاویه به تدریج کم می شود (صفر درجه) و آب به همراه آلودگی های روی سطح به پایین ریخته می شود).

شکل ۴ : مقایسه بین کاشی معمولی و کاشی فوق آب دوست

در شکل ۴ مقایسه بین دو کاشی معمولی و فوق آب دوست بررسی شده است. با اعمال تست عوامل جوی ( آب گریزی) بر روی دو کاشی، کاشی با روکش اب دوست بیش از ۳۰۰۰ ساعت بدون هیچ تغییری سالم باقی ماند و توانایی خود تمیز شوندگی خود را حفظ کرد، به عبارت دیگر خاصیت خودتمیز شوندگی این کاشی در شرایط محیطی معمول بیش از ۱۰ سال دوام دارد.

همچنین تعدادی از ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون، که به منظور آب بندی پنل های آلومینیوم و پنجره ها استفاده می شود، با آب باران شسته شده و موجب کثیف شدن دیوارها می شوند اما ایجاد پوشش های فوق آبدوست مانع از کثیف شدن دیوارها به وسیله ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون می شوند.

در مثالی دیگر، فرایند خود تمیز شوندگی سطح بر پایه نانوذرات دی اکسید تیتانیوم نشان داده شده است (شکل ۵). تصاویر مربوط به مقایسه سطح دو کاشی استفاده شده در نمای ساختمان بعد از ۳۳ ماه است، که در یکی از پوشش ها، از مواد خودتمیز شونده دی اکسید تیتانیوم استفاده شده و دیگری بدون پوشش می باشد. کاملا مشخص است که سطح پوشش داده شده کاملا تمیز مانده و ذرات گرد و غبار و آلودگی تغییری در ظاهر آن ایجاد نکرده اند.

پوشش های آنتی باکتریال

پوشش های آنتی باکتریال از تشکیل باکتری ها، رشد جلبک ها و میکروب ها روی سطح جلوگیری می کنند. استفاده از پوشش های آنتی باکتریال باعث حفاظت سطوح در برابر تشکیل کپک و قارچ در اماکن عمومی، سرویس های بهداشتی، آشپزخانه ها و کارخانجات فراورده های غذایی می شود.

نانوذرات نقره، یکی از پرکاربردترین ذرات در حوزه نانوفناوری اند که به دلیل داشتن خصوصیات ضدمیکروبی مشهور بوده و به عنوان یک کاتالیست قادرند بیش از ۶۵۰ گونه باکتری، ویروس و قارچ را نابود سازند.

نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش دهی کم می باشد، ولی زمانی که به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل می شود خاصیت میکروب کشی آن بیش از ۹۹ درصد افزایش می یابد.

با به کارگیری پوششهای آنتی باکتریال و خودتمیز شونده در کاشی، سرامیک و سنگ و استفاده از آنها در اماکن عمومی نظیر بیمارستان ها، از انتشار و انتقال باکتری های بیماری زا ممانعت به عمل آمده و به این ترتیب علاوه بر پیشگیری، از شیوع بیماری در بین افراد جلوگیری می شود.

هم چنین با استفاده از نانو پوشش های آنتی باکتریال ویژگی ضدباکتری ذاتی در س طوح ایجاد می شود که با شست و شو یا مواد شوینده از بین نمیروند.

کاشی های س رامیکی دارای پایداری شیمیایی و ظاهری بالایی هستند و به همین دلیل به طور گسترده ای در محیطهای مختلف مانند محیط های بیمارستانی و خانگی استفاده می شوند.

متأسفانه کاشی های سرامیکی به خودی خود دارای خاصیت آنتی باکتریال نبوده و میکروارگانیسم ها به راحتی و به خصوص در محیط های مرطوب روی سطح آن تکثیر می شوند. حضور و تکثیر میکروارگانیسم ها روی سطح کاشی، سلامت انسان را به خطر می اندازد.

نانو ذرات آنتی باکتریال، سازگار با محیط زیست هستند و برای بدن انسان بی ضررند. بنابراین با قراردادن این نانوذرات در لعاب کاشی و سرویس های بهداشتی، خاصیت آنتی باکتریال دایمی در سطوح کاشی ایجاد می شود.

عملکرد ضد باکتری نانوذرات نقره

ویژگی ضد باکتری بودن نقره به علت انتشار آرام و آهسته، اما مداوم یون های نقره است. نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانوذرات نقره سبب می شود که یون ها به سهولت منتشر شده و با سرعت بیشتر و به ش کل مؤثرتری میکروب ها را بکشند.

نانوذرات نقره در مسیر ماده مغذی سلول انقطاع ایجاد کرده و س بب می شوند که دیواره و غشاء سلولی میکروب ها سست و ناپایدار گردد که این ناپایداری غشای سلولی به معنی مرگ زودرس میکروب خواهد بود. به این ترتیب، بدون استفاده از هیچ گونه ماده شیمیایی، میکروب ها به شکل موثری از بین میروند.

علاوه بر نانوذرات نقره، نانوذرات اکسید روی (ZnO)، اکسید مس (CO)، اکسید آلومینیوم (Alo)، دی اکسید تیتانیوم (Tio) و اکسید نیکل (NiO) دارای خاصیت ضد میکروبی قوی در برابر باکتری های گوناگون می باشند.

شکل ۵ : مقایسه خود تمیز شوندگی سطوح کاشی

شکل ۶ ـ عملکرد آنتی باکتریال نانو ذرات نقره

مزایای استفاد از فناوری نانو در صنعت کاشی و سرامیک

• کاهش استفاده از مواد شوینده برای تمیزسازی سطح تا ۷۰ درصد.
• کاهش هزینه های پاکسازی و ضدعفونی کردن محیطی
• کاهش دوره های پاک سازی – کاهش آلودگی های محیط و محافظت سطوح از تاثیر نم و کثیفی ها.
• سهولت در تمیز کردن لکه های سخت مانند سیلیکون، چربی و روغن با استفاده از آب.
• جلوگیری از رشد و گسترش کپک، جلبک و مشابه آنها در محیط های بیمارستانی، حمام و سرویس بهداشتی
• کاهش سایش و فرسایش سطوح – بی خطر و سازگار بودن مواد با محیط زیست

بازار نانو پوشش ها

تقاضای بازار جهانی نانو پوشش ها در سال ۲۰۱۲، ۲۵۵ کیلوتن و با تخمین درآمدی حدود ۱۴۹۵۰ میلیون دلار بوده است. البته افزایش تقاضای مواد پیشرفته در صنایع پزشکی و خودروسازی، دلیلی برای رشد نانوپوشش ها بوده است.

پوشش های توسعه یافته بر اساس تکنولوژی نانو، دارای مزیت هایی از قبیل افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش، انعطاف پذیری و شفافیت بالا نسبت به پوشش های مرسوم هستند.

انتظار می رود افزایش آگاهی در مورد پوشش های ضدمیکروبی و خودتمیزشونده و کاربرد آنها باعث بهبود تقاضای بازار در سال های آینده شود. در نمودار یک حجم بازار نانوپوشش ها (بر حسب کیلوتن) و محصولات مورد تقاضا در بین سالهای ۲۰۱۲ تا ۲۰۲۰ نشان داده شده است.

نمودار ۱ ـ حجم بازار نانو پوشش‌ها (بر حسب کیلوتن) و محصولات مورد تقاضا در بین سالهای ۲۰۱۲ و ۲۰۲۰

پتنت

به منظور تعیین اختراعات ارایه شده در زمینه پوشش های خودتمیزشونده در زمینه کاشی و سرامیک، پتنت های ارایه شده در این زمینه بررسی شدند.

۵ پتنت در زمینه کاشی های خود تمیز شونده یافت شد که از این تعداد، اولین پتنت ثبت شده مربوط به شرکت TOTO کشور ژاپن در سال ۱۹۹۹، یک پتنت مربوط به کشور کره در سال ۲۰۰۱، دو پتنت مربوط به کشور چین در سالهای ۲۰۰۸ و ۲۰۱۳ و یک پتنت مربوط به کشور تایوان در سال ۲۰۱۳ است.

در جدول یک اسامی برخی از شرکت های داخلی و خارجی فعال در زمینه تولید کاشی و سرامیکهای آنتی باکتریال و خودتمیزشونده ذکر شده است.

تحقیقات نشان می دهد که دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فوتوکاتالیست قوی، مانند مواد آنتی باکتریال عمل می کند و اثربخشی آن ۳ برابر قوی تر از کلر و ۱/۵ برابر قوی تر از اوزون است.

این ماده توانایی از بین بردن ویروس سارس و آنفولانزا و باکتری استفیلوکوسوس زرد را با بازدهی قریب به ۱۰۰ درصد دارد. هم چنین اسپری دی اکسید تیتانیوم با خاصیت ضد باکتری برای استفاده بر روی کاشی ها، درب ها، سقف و کف اتاق ها دارای کاربرد تجاری است.

جدول ۱ ـ شرکت های فعال در زمینه کاشی آنتی باکتریال