سطوح خود تمیز شونده
پدیده خود تمیز شوندگی به زاویه تماس بستگی دارد و بر این اساس، سطوح خود تمیز شونده به دو دسته ابرآبدوست و ابرآبگریز تقسیم می‌شوند. بر خلاف سطوح ابرآبگریز که فقط از ساز و کار جریان قطرات آب برای اثر خود تمیز شوندگی استفاده می‌کنند، سطوح ابرآبدوست با فرایند فوتوکاتالیز ساختار شیمیایی آلودگی‌ها را در مجاورت نور خورشید از بین می‌برند. اما به علت آسانی فراوری ساخت و در دستر‌س بودن امکانات، سطوح ابرآبگریز امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. تولید سطوح ابرآبگریز به دو روش کلی ایجاد زبری در یک ماده با انرژی سطحی پایین و اصلاح یک سطح زبر با یک ماده با انرژی سطحی پا یین انجام می‌گیرد. در زمینه‌های مختلفی مانند صنعت نساجی، صنعت اتوموبیل‌سازی، صنعت هواپیماسازی، و صنایع نوری محصولات تجاری زیادی با استفاده از این فناوری به مرحله تولید رسیدهاند.
اثر خود تمیز شوندگی
پدیده خود تمیز شوندگی 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 می‌شود. به طور کلی، اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبدوست می‌گویند، در حالی که اگر این زاویه بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبگریز می‌نامند. سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآبدوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابرآبگریز نام دارند. سطوح آبگریز دارای انرژی سطحی بسیار پا‌یینی هستند، در حالی که انرژی سطحی سطوح آبدوست بسیار بالاست. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دستیابی به سطوح ابرآبگریز و ابرآبدوست را ممکن کرده است.
سطح آب دوست و آب گریز
بر خلاف سطوح آبگریز و ابرآبگریز که فقط از ساز و کار جریان قطرات آب برای اثر خود تمیز شوندگی استفاده می‌کنند، سطوح آبدوست ساختار شیمیایی آلودگی‌ها را در مجاورت نور خورشید از بین می‌برند. این فرایند فوتوکاتالیز نام دارد.
یکی از موادی که کاربرد زیادی به عنوان سطوح خود تمیز شونده آبدوست دارد، دی اکسید تیتانیم است. در سال ۲۰۰۱ 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. دی اکسید تیتانیم شیشه‌ها را از طریق دو ساز و کار مجزا، 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.
کاربرد سطوح ابرآبگریز
یکی از مهمترین کاربردهای سطوح آبگریز استفاده از آنها به عنوان ضد یخ است. در مناطق سردسیر یخ در سطح جامدات رسوب می‌کند و باعث افت خواص مکانیکی سیستم‌های جامد می‌شود. سطوح ابرآبگریز مانع ایجاد یخ بر روی جامدات می‌شوند.
سطوح خود تمیز شونده در صنعت
سطوح خود تمیز شونده در زمینه‌های مختلفی کاربرد دارند. در حال حاضر، این فناوری در صنعت نساجی (پارچه‌های خود تمیز شونده)، صنعت اتومبیل‌سازی، شیشه‌های خود تمیز شونده، بدنه ماشین، و آ‌یینه‌ها (صنایع نوری) دوربین‌ها، سنسو‌رها، لنزها، تلسکو‌پ‌ها (صنعت کشتی‌سازی(، پوششهای ضدخوردگی، و صنعت هواپیماسازی (سطوح غیرچسبنده) کاربرد فراوانی دارد. پوششهای خود تمیز شونده می‌توانند به عنوان پنجر‌ه‌ها، رنگ‌ها و صفحات خورشیدی نیز مورد استفاده قرار بگیرند. اکنون، محصولات خود تمیز شونده بسیاری به صورت تجاری وجود دارند.
کاربردهای مهم این پوششهای نانو
از این پوششها میتوان در موارد زیر استفاده کرد.
در نمای ساختمان
عناصر زیبا شناختی از باستان مورد توجه بشر در ساخت خانه‌ها و شهرها بوده است. امرزه نیز با توجه به توسعه انواع نماها، هزینه‌های گزافی صرف این گونه نماها شده است. آلودگی هوا و عواقب ناشی از آن مانند باران اسیدی، گرد و غبار هوا سبب از بین رفتن تدریجی این نماها یا از بین رفتن جلوه آنها می‌شود.
رطوبت اثرات مخربی بر مواد ساختمانی دارد. با توجه به ساختار متخلخل عمده مواد ساختمانی و خاصیت مویینگی این مواد مولکول‌های آب به داخل این مواد وارده شده و سبب صدمات گوناگونی در این مواد می‌شوند. شوره زدگی، پوسته شدن رنگ‌ها، قارچ،ها، کپک‌ها و کثیف شدن به عنوان صدمات ظاهری و کاهش مقاومت مصالح ساختمانی به ویژه بتن می‌شود. این محلول‌ها از ایجاد شوره دورن بتن، آجر و دیگر مصالح دارای نمک جلوگیری می‌نماید. اغلب این گونه مصالح دارای نمک‌هایی از جمله اکسید کلسیم هستند که در مصالح معمولی هنگامی که آب به درون نفوذ می‌کند با این نمک‌ها واکنش می‌دهد و حاصل آن ایجاد شوره بر روی مصالح است در حالی که با استفاده از پوششهای نانو آب به درون آنها نفوذ نمی‌کند و در نتیجه شوره بر روی این مصالح ایجاد نمی‌شود.
سطوح صیقلی مانند شیشه، فلز، سرامیک و کاشی
گر چه سطوح صیقلی بر خلاف سطوح جذبی مانند آجر، بتن، سنگ و چوب دچار شوره زدگی یا لک‌های غیر قابل پاک شدن نمی‌شود اما مرور زمان سبب کدر شدن و یا ایجاد لک‌هایی می‌شود که دیگر به آسانی قابل پاک شدن نبوده و انرژی و هزینه زیادی سبب بازگرداندن جلای اولیه لازم است. همچنین در بسیاری از موارد مانند سینک دست شویی امکان بازگرداندن جلای اولیه وجود نخواهد داشت. بسته به اینکه سطح پوشش داده شده در معرض نور خورشید یا اشعه فرابنفش قرار داشته باشد، میتوان از خود تمیز شونده یا محلول آب گریز استفاده کرد. بدین ترتیب با ایجاد لایه آبگریز میتوان مانع ایجاد لک‌های سطحی ناشی رطوبت گشت.
همچینین به دلیل خاصیت آنتی استاتیک این لایه‌ها، گرد و غبار کمتری نیز بر روی آنها می‌نشیند.
ازدیگر مزایای این پوششها که برای سطوح فلزی بسیار ایده‌ال هستند خاصیت ضد خوردگی یا همان ضد زنگ زدگی آنان است. این پوششها اکسیدی و پیدار بوده و از ورود رطوبت که عامل اصلی در فرایند زنگ زدن است جلوگیری می‌نماید. این موضوع در سوطحی مانند نقره، از کدر شدن سطح جلوگیری می‌نماید.
ابنیه تاریخی
اثار باستانی و بناهای تاریخی به عنوان سازه‌های بارز و میراث هر کشوری به شمار می‌روند. لذا لازم است که این بناها در هر مرحله اول به خوبی مرمت و بازسازی شوند در مرحله بعدی از آنها محافظت دائمی به عمل‌آورد. فناوری نانو با ایجاد پوششهای پیشرفته جهت محافظت سطوح ابنیه می‌تواند آنها را از تخریب با عوامل محیطی و تخریب توسط بازدیدکنندگان به طور دائمی محافظت می‌کند.
نانو پوششهای فوق آبگریز مقاوم به کثیفی و همچینین مقاوم به جوهر و رنگ جهت جلوگیری از نوشتن یادگاری و این گونه تخریب‌ها هستند. این پوششها که به صورت شیمیایی مواد معدنی ابنیه باستانی ترکیب شده و در برابر خراش و شرایط بد آب و هوایی نیز مقاوم است . این مواد که در برابر تشعه uv نیز مقاومند اجازه چسبیدن رنگ و دیگر ذارت آلاینده را به سطح بنا نمی‌دهد.
دیوارهای شهری
بهترین نوع پوشش برای معابر شهری، پوششهای خود تمیز شونده است. چرا که با استفاده از نور خورشید امکان تجزیه آلودگی های شهری بر روی این دیوارها امکان پذیر است. همچنین به دلیل خاصیت آبگریزی این پوششها در اثر باران امکان جذب آب و گل وجود نداشته و در نتیجه این موضوع به زیبا شناختی شهری نیز مکم شایانی خواهد نمود.
سطوح قابل اعمال
در نگاه کلی سطوح مختلفی که قابلیت اعمال این گونه پوششها بر روی آنها وجود دارد به چند دسته زیر تقسیم می‌شوند. انواع سنگ، آجر،بتن، چوب، پارچه، الیاف، کاغذ و سطوح فلزی.
هر چند به لحاظ فنی معمولاً سطوح مختلف را بر اساس میزان قابلیت جذب محلول تقسیم بندی می‌نمایند. بدین ترتیب انواع مختلف سطوح را به چند دسته زیر تقسیم بندی نمود.
- سطوح الیافی مانند انواع پارچه
- سطوح صیقلی با قابلیت جذب بسیار پایین مثل فلزات
- سطوح جذبی با قابلیت جذب بالا مثل بتن، آجر ،سن
- سطوح شیشه‌ای
- سطوح حساس به فرسایش مثل ابنیه تاریخی
مزایای این پوششها
از ویژگی‌های این پوششها میتوان نام برد.
- جلوگیری از کثیف شدن و آلودگی سطح
- کاهش سایش و فرسایش سطوح
- کاهش آلودگی های محیط
- جلوگیری از بی رنگ شدنسوطح و تخریب رن
- حفظ نمای ساختمان در برابر شرایط محیط
- ضد شوره، ضد قارچ و خزه
- عدم ایجاد تغییرات ظاهری
- نفوذ چند میلیمتری به عمق بدون ایجاد روکش فیزیکی
- ماندگاری مادام العمر
مکانیسم عمل پوشش
تمامی مراحل انجام شده توسط پوششهای خود تمیز شونده به شرح زیر است.
نانو ذره موجود در نانو پوشش خود تمیز شونده با تابش اشعه فرابنفش خورشید با آلودگی‌های روی سطح شروع به انجام واکنش می‌کند و از این طریق آلودگی‌های موجود را تجزیه می‌کند. این عمل موجب جدا شدن این آلودگی‌ها زا روی سطح می‌شود.
مرحله دوم
سطح پوشش داده شده، از خاصیت آب دوستی برخوردار است. بنابراین آب بر روی این سطوح به شکل قطره در نمی‌آید بلکه یک لایه نازک (فیلم) از آب تمام سطح را می‌پوشاند.
مرحله سوم
لایه آلودگی که بر اثر خاصیت فتوکاتالیستی پوشش نانو از سطح جدا شده بود اکنون لایه نازک آب زیر آن نفوذ می‌کند و تمام آلودگی‌ها را از روی سطح می‌شوید.
نحوه اعمال پوشش
بر خلاف تصور عموم این پوششها بر روی سطوح، بسته به نوع پوشش و نوع سطح متفاوت است. به طور کلی این پوششها را میتوان در هنگام ساخت بر روی سطوح نشاند. همچنین بعد از اتمام فرایند ساخت و حتی بعد از نصب شدن این سطوح، میتوان این مواد را بر روی سطوح به سادگی اسپری کرد.
نتیجه گیری
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 دو دسته ابرآبگریز و ابرآبدوست تقسیم شدهاند و با سازوکارهای نسبتاً مشابهی، 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. محصولات تجاری زیادی با استفاده از این فناوری به مرحله تولید رسیدهاند.
