سطوح خود تمیز شونده

فناوری سطوح خود تمیز شونده به منظور افزایش دوام، کاهش هزینه‌ها و کاهش زمان مورد نیاز برای نگهداری از تجهیزات، در حال حاضر بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

این سطوح به منظور جلوگیری از رسوب آلودگی‌ها، به صورت پوششی بر روی سطوح مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربردهای فراوانی که سطوح خود تمیز شونده دارند باعث شده‌ در زمینه‌های مختلفی مانند صنعت نساجی، صنعت اتومبیل سازی، صنعت هواپیما سازی و صنایع نوری از آن‌ها استفاده شود.

دو مکانیزم اصلی سطوح خود تمیزشونده شامل آب‌دوستی و آب‌گریزی سطح است که در ادامه شرح داده شده است.

سطوح خود تمیز شونده با استفاده از خاصیت آب‌گریزی:

سطوح خود تمیز شونده آب‌گریز اولین بار با کشف ریز ساختار 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 جمع شده و با لغزش از روی سطح ذرات آلودگی و خاک را با خود از روی سطح می‌زداید.

بنابراین سطوح خود تمیز شونده آب‌گریز با ساز و کاری مشابه با برگ‌های نیلوفر آبی، علاوه بر دفع آب از روی سطح خود توانایی دفع آلودگی‌ها شامل ذرات جامد، مایعات آلی و آلودگی‌های زیستی را نیز دارند.

در طبیعت به جز برگ نیلوفر آبی سطوح آب‌گریز در بال مگس، پای نوعی عنکبوت و غیره نیز دیده می‌شود.

 

سطوح خود تمیز شونده

شکل ۱. سطح آب‌گریز برگ نیلوفر آبی.

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 می‌شود.

بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می‌گیرد و امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین می‌رود. به طور کلی برای دستیابی به خاصیت آب‌گریزی در یک سطح، می‌توان از رنگ‌ها و پوشش‌های آب‌گریز استفاده کرد.

ساختار شیمیایی آب‌گریز (تغییر مورفولوژی) و زبری سطح دو فاکتور مهم در استفاده از این پوشش‌ها و رنگ‌ها هستند. نانوذرات سیلیکا مرسوم‌ترین ماده‌ی مورد استفاده در پوشش‌های آب‌گریز است که کاربرد بیشتری نسبت به سایر اکسیدهای فلزی دارد.

با قرار گرفتن این نانوذرات در بستر پلیمری مناسب و عامل‌دار کردن سطح این ذرات، خاصیت آب‌گریزی مناسبی ایجاد می‌شود.

سطوح خود تمیزشونده با استفاده از خاصیت آب‌دوستی:

سطح مواد آب‌دوست به‌گونه‌ای است که باعث پخش شدن کامل آب روی سطح و در نتیجه تشکیل یک لایه نازک از آب می‌گردد.

سطوح آب‌گریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژی سطحی سطوح آب‌دوست بسیار بالاست. در یک سطح جامد، هر چه انرژی آزاد سطحی یا همان کشش سطحی بالاتر باشد ترشدگی ساده‌تر است.

مطالعه  تخلخل‌ها و روش‌های اندازه گیری آن

سطوح آب‌دوست ساختار شیمیایی آلودگی‌ها را در مجاورت نور خورشید از بین می‌برند. این فرایند فوتوکاتالیز (photocatalysis)  نام دارد.

این فناوری اساساً از فتوسنتز برگ سبز درختان الهام گرفته شده است. یکی از موادی که کاربرد زیادی به‌عنوان سطوح خود تمیز شونده آب دوست دارد، دی‌اکسید تیتانیم ‌است.

شیشه‌های پیلکینگتون (Pilkington Glass) اولین دسته از پوشش‌های خود تمیز شونده بودند که به ‌صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفتند.

این شیشه‌ها از لایه نازک و شفاف دی‌اکسید تیتانیم‌ ساخته شده بودند. دی‌اکسید تیتانیم ‌شیشه‌ها را از طریق دو‌ساز و کار‌مجزا، فوتوکاتالیز و آب‌دوستی، پاک می‌کند.

در طول فرایند فوتوکاتالیز، ساختار شیمیایی آلودگی‌های ارگانیک و سایر ناخالصی‌ها که بر روی پوشش قرار دارد به ‌وسیله جذب نور خورشید شکسته می‌شود.

خاصیت آب‌دوستی سطح نیز باعث می‌شود با کاهش زاویه تماسی، صفحاتی از آب بر روی سطح ایجاد شود که آلودگی‌ها را از بین می‌برد.

البته اکسید تیتانیم در ناحیه مرئی چندان فعال نیست و خواص بر آب‌دوستی را تحت نور ماورای بنفش از خود نشان می‌دهد.

با افزودن فلزاتی مانند کروم، منگنز، کبالت و آهن به نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم، توانستند فرایند تخریب فوتوکاتالیستی رنگدانه‌ها را به‌کمک این نانوذرات در شرایط نور مرئی انجام دهند.

بر آب‌دوست‌بودن دی‌اکسید تیتانیم نیز از طریق نور خورشید به آن القا می‌شود. حفره‌هایی که در پی تحریک نوری در دی‌اکسید تیتانیم ایجاد می‌شود از اکسیژن موجود در سطح ماده الکترون می‌گیرند و باعث اکسایش آن می‌شوند. بنابراین، رادیکال آزاد اکسیژن روی سطح ایجاد می‌شود که امکان پیوند با هیدروژن را فراهم می‌کند.

با ایجاد پیوند بین رادیکال‌های اکسیژن و هیدروژن، گروه‌های هیدروکسیدی روی سطح ایجاد می‌شود که زاویه تماس را کاهش می‌دهند.

خاصیت فوق آب‌دوستی به این معنا نیست که آب به سرعت جذب سطح  شود، بلکه منظور کاهش زاویه تماس قطره آب با سطح می‌باشد در ابعاد نانو نسبت سطح به حجم افزایش می‌یابد و امکان ایجاد حفره‌ها در سطح و تجزیه ترکیب شیمیایی آلودگی‌ها افزایش پیدا می‌کند.

به‌همین دلیل، معمولاً از نانوذرات اکسید تیتانیم به‌عنوان سطوح ابر آب‌دوست استفاده می‌شود. با کاهش ابعاد ذرات، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی افزایش پیدا می‌کند.

این سطوح مانع از مه‌‌ گرفتگی نیز می‌شود زیرا آب متراکم به جای تبدیل شدن به هزاران قطره‌ی بسیار کوچک (که ایجادکننده‌ی مه هستند)، بر روی سطح پخش می‌‌شود.

رفتار فوتوکاتالیستی تیتانیا همراه با تجزیه‌ی مواد آلی، کشتن باکتری‌‌ها و ضدعفونی‌‌کنندگی سبب شده که به عنوان یک ماده خود تمیز شونده معروف شود.

 

سطوح خود تمیز شونده

شکل ۲. سطح خود تمیزشونده آب‌دوست.

امروزه در سراسر دنیا تلاش‌ها برای دستیابی به سطوح آب‌گریز و آب دوست با استفاده از فناوری نانو و پوشش‌های مختلف ادامه دارد.



دیدگاهتان را بنویسید