عنوان اختراع: تولید پوشش ابرآبگریز نانوكامپوزیتی پلی پروپیلن با استفاده از نانوذرات اكسید روی

خلاصه اختراع

تولید پوشش جدید ابرآبگریز نانوكامپوزیتی پلی پروپیلن با استفاده از نانوذرات اكسید روی چكیده امروزه پیشرفت فعالیت ها در حوزه نانومواد با پشتوانه سرمایه های روز افزون مالی ادامه دارد و شركت ها به دنبال شناخت روش های جدید هستند. پیشرفت در روش تولید، كیفیت بازدهی محصول را بهبود می بخشد و باعث ایجاد افقی روشن در زمینه تولید انبوه می گردد. عمومی شدن بحث فناوری نانو و سوددهی بالای آن موجب شده تا محققان بیشتر در زمینه گسترش كاربردهای فناوری نانو به كار خود ادامه دهند. نیرو محركه همه این فعالیت ها گسترش مداوم نانومواد به علاوه خصوصیات و قابلیت های جدیدی است كه كشف شده است. همچنین برای افزایش تعداد تقاضا برای نانومواد، نوآوری هایی انجام می شود تا عملكرد آنها اصلاح یافته و سوددهی افزایش یابد. در بسیاری حوزه ها مانند خودرو و ساختمان كه صنایع در آن ها به حد رشد رسیده اند. استفاده از نانومواد در واقع تلاش برای بهبود زندگی است. به عبارت دیگر استفاده از نانومواد در این صنایع ها و صنایع دیگر به عنوان روش كسب در بازار دایما در حال گسترش است. نانوپوشش های ابرآبگریز و خود تمیزشونده (Self Cleaning)، از جمله مهمترین دستاوردهای بهره گیری از فناوری نانو در عرصه ساخت و تولید پوشش ها به شمار می روند كه علاوه بر كاركردهای گوناگون و چند منظوره، انتظارات مصرف كننده را در زمینه صرفه جویی در هزینه و انرژی برآورده می سازند. مواد نانوساختار در پوشش های هوشمند ضدخوردگی، ضدرادار، تصفیه كننده هوا، پوشش های زیست فعال و خود تمیزشونده بكار می روند. این مواد با بهره گیری از برخی عوامل محیطی از جمله نور، گرما و یا با حساسیت به برخی تغییرات شیمیایی همچون وقوع واكنش خوردگی، عكس العمل مناسب و كاركردهای مورد انتظار را بروز می دهند. این نانو پوشش ها می توانند مقدار خوردگی در تجهیزات دریایی را كاهش دهد و از تشكیل خزه و جلبك در تجهیزات متحرك و یا ساكن دریایی جلوگیری نماید. نانوپوشش های هوشمند خود تمیزشونده یكی از پركاربردترین این نانوپوشش ها می باشند.. عموما فرایند پاك سازی و تمیز كردن نمای ساختمان ها، شیشه ها و برخی دیگر از اجزای داخلی با صرف هزینه و وقت زیادی همراه است و استفاده از پوشش هایی كه زمینه های تمیز شدن خود به خودی سطوح را فراهم آورند، بسیار مفید واقع می شود. همچنین این دسته از پوشش های تمیز شونده با اهداف ضد مه كردن و پاك سازی، قابل استفاده بر روی سطوح شیشه ها و بدنه اتومبیل ها هستند. از اثر آبگریزی در ساخت پوشش های خود تمیزشونده استفاده می گردد. خاصیت آبگریزی سطوح با تكیه بر ایجاد سطوح زبر نانوساختار و یا میكرو / نانوساختار ایجاد می شود. اما خاصیت آبدوستی بر اساس خاصیت نور آبدوستی نانوذرات نیمه هادی ایجاد می گردد. این گونه پوشش ها كاربرد فراوانی می توانند داشته باشند. چرا كه ابرآبگریزی باعث ایجاد خاصیت دیگری به نام خود تمیز شوندگی نیز شده كه در كاربردهای مختلفی این خصوصیت مورد نیاز است. این پوشش ها همچنین به عنوان پوشش های ضدبرف، غبار و ضدگرد نیز كاربرد داشته باشد. در پوشش های آبگریز آب نمی تواند به سطح بچسبد در واقع به دلیل همین آب است كه به این ویژگی آبگریزی گفته می شود. Hydro به معنای آب است و Phobia به معنای ترس می باشد. در واقع اصطلاح Hydrophobic ترس رفتار آب را از چیزی به نام سطح توصیف می كند. در این حالت آب به شكل قطرات و دانه های متراكم و به دنبال این رفتار سعی می كند كه از سطح فرار كند. عمل تمیز كنندگی این پوشش ها به این علت است كه نه تنها آب بلكه آلودگی ها نیز قادر به چسبیدن به سطح نیستند كه اگر بر روی سطح، آب ریخته شود یا بعدها باران ببارد سطح شسته می شود. بكارگیری نانوذرات در ساخت پوشش های آبگریزی، باعث بهبود خواص آبگریز می شود. شرح اختراع 1. عنوان اختراع تولید پوشش جدید ابرآبگریزن انوكامپوزیتی پلی پروپیلن با استفاده از نانوذرات اكسید روی 2. زمینه فنی مربوط به اختراع اساس كار این پوشش بر مبنای انرژی سطحی كم و زبری بالا می باشد كه از دو ساختار میكرو و نانو تشكیل شده است یك سطح كاملاً ابرآبگریز بدست می آید كه زاویه تماسی بالای 150 را پدید می آورد. كه برای آن به لحاظ انرژی، داشتن هر گونه تماسی با سطح نامطلوب است (180=θe). كه طبق نظریه Cassie-Baxter زاویه تماس هر چه بالاتر باشد سطح آب گریز تر خواهد بود به طوری كه اگر این مقدار به 150 تا 180 درجه برسد سطح ابرآب گریز خواهد شد و همچنین مدل Wenzelمی باشد. 3. مشكل فنی و بیان اهداف اختراع : عموماً فرایند پاك سازی و تمیز كردن نمای ساختمان ها، شیشه ها و برخی دیگر از اجزای داخلی با صرف هزینه و وقت زیادی همراه است و استفاده از پوشش هایی كه زمینه های تمیز شدن خود به خودی سطوح را فراهم آورند، بسیار مفید واقع می شود. همچنین این دسته از پوشش های تمیز شونده با اهداف ضدمه كردن و پاك سازی، قابل استفاده بر روی سطوح شیشه ها و بدنه اتومبیل ها هستند. از اثر آبگریزی در ساخت پوشش های خود تمیزشونده استفاده می گردد. خاصیت آبگریزی سطوح با تكیه برایجاد سطوح زبر نانو ساختار و یا میكرو / نانوساختار ایجاد می شود. اما خاصیت آبدوستی بر اساس خاصیت نور آبدوستی نانوذرات نیمه هادی ایجاد می گردد. سطوح ابرآبگریز طبیعی نظیر برگ نیلوفرآبی زنده هستند. سطوح آنها می توانند به راحتی تعمیر یا بازآرایی شوند. برای سطوح ابرآبگریز ساخته ی بشر، از توانایی دفع آب به تدریج كاسته شده كه این كاهش در اثر استفاده ی طولانی مدت و تجمع آلاینده ها رخ می دهد. ساختن نانو و میكروساختارهای مستحكم، از اهمیت كلیدی در كاربرد این سطوح برخوردار است به طور كلی، تولید سطوح ابرآبگریز هنوز در مرحله ی اولیه خود قرار دارد. اما می توان گفت كه كاربرد سطوح ابرآبگریز در زندگی واقعی در آینده، واقعی خواهد شد. هدف از انجام این پروژه تاثیر غلظت نانوذارت اكسید روی بر خواص ابرآبگریزی پلی پروپیلن به منظور ایجاد زبری بالا تر و خود تمیزشوندگی بیشتر پوشش های آبگریز می باشد. چرا كه ابرآبگریزی باعث ایجاد خاصیت بیشتر "خودتمیزشوندگی" شده كه در كاربردهای مختلفی این خصوصیت مورد نیاز است. 4. شرح وضعیت دانش پیشین و سابقه پیشرفت هایی كه در ارتباط با اختراع ادعایی وجود دارد به طور كلی پوشش ها را به سه دسته تقسیم بندی می‌كنند كه هر كدام مزایا و معایب خاص خودشان را دارند 1- پوشش های آبدوست 2- پوشش های آبگریز 3- پوشش های ابرآبگریز در دهه گذشته، مطالعات بسیار زیادی و همچنین اختراعات گوناگونی در زمینه پوشش های پلیمری ابرآبگریز در دنیا به ثبت رسیده است. به ویژه، از زمان ظهور نانوتكنولوژی و كاربرد مواد نانویی در این پوشش ها توجه شدیدی به این موضوع معطوف شده است. اكثر تحقیقات انجام شده در زمینه پوشش ها از نوع ابرآبگریز و از روشهای پرهزینه استفاده شده است و به ندرت از روش ریخته گری محلولی استفاده شده است كه روشی كم هزینه می باشد و اكثر كارهایی كه در زمینه پوشش های ابرآبگریز است در زمینه با مواد دیگر بوده است كه قیمت مواد آنها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. 5.افشای اختراع ارائه راه حل برای مشكل فنی موجود ، همراه با شرح دقیق و كافی و یكپارچه اختراع با توجه به اینكه تولید این پوشش ها در مرحله ابتدایی خود قرار دارد. پوشش بدست آمده از پلی پروپیلن و نانوذرات اكسید روی دارای ساختار میكرو و نانو با زبری بالا می باشد كه از روش های ساده و ارزان كه به تجهیزات خاصی نیاز ندارد از قبیل ریخته گری محلولی و آغشته سازی محلولی می باشد بدست آمده است وقتی قطره روی پوشش قرار می گیرد زاویه تماس بالای 150 درجه را دارا می باشد و هنگا می كه شروع به غلتیدن می كند باعث تمیز شدن سطح می شود كه براحتی آلودگی را از سطح پاك می كندو از چسبیدن هر گونه آلودگی به خود جلوگیری می كند . اكسید روی با توجه به تاثیرات منحصر به فرد خود با مورفولوژی های مختلف كاربردهای وسیع بالقوه ای را در سیم مقاومت الكتریكی، حسگرهای گازی، سرامیك و دستگاه های نوری و الكتریكی دارا هستند. نانوذرات اكسید روی ذراتی غیرآلی و فعال هستند. كوچكی كریستال ها و خاصیت غیرچسبندگی آن ها باعث شده كه نانوذرات اكسید روی به صورت پودر سفید رنگ كروی و متخلخل باشند. استفاده از این نانوذرات در پوشش های ابرآبگریز و خود تمیزشونده باعث پایداری، كاهش هزینه‌ها و بازدهی بالا پوشش می شود. اثرات سطحی و فعالیت‌ بالای نانوذرات اكسید روی ناشی از سطح موثر بسیار زیاد آن است. همچنین نانوذرات اكسید روی به لحاظ فوتوكاتالیستی و پایداری خوبی كه دارند از اهمیت زیادی برخوردار هستند. در پوشش های ابرآبگریز بلورینگی از اهمیت زیادی برخوردار است بطوری كه ماده هر چه بلورینگی بیشتری داشته باشد آبگریزتر خواهد بود پلی پروپیلن (Polypropylene) یكی از موادی است كه با توجه به بلورینگی خوب و لغزندگی سطحی كه دارد در بین پلیمرها یك پلیمر آبگریز به شمار می رود از جمله شاخصه هایی كه به شناسایی این پلیمر در بین سایر نمونه ها كمك می نماید، عدم خراش پذیری سطح آن، ارزان بودن و نیز مقاومت آن در برابر خرد شدن است. شكل1- نمونه ای از پوشش تولید شده و پروفایل قرار گرفتن قطره روی آن 6.نحوه ساخت و پیاده سازی در این پژوهش از ریخته گری محلولی جهت آماده سازی پوشش استفاده می گردد. به طوری كه مقدار مشخصی از گرانو PP (پلی پرو پیلن ) به طور كامل در زایلین در دمای 120 درجه سلسیوس حل شده و سپس نانوذرات اكسید روی به محلول افزوده می شوند و محلول به مدت معینی همزده شده تا نانوذرات به خوبی پراكنده شوند. در نهایت محلول ها روی شیشه تمیز شده از قبل ریخته شده و خشك می شوند تا تاثیر دما نیز بررسی گردد. هنگام تهیه پوشش باید نكات زیر مد نظر قرار داده شوند 1-پایین بودن هزینه مواد 2- در عملیات فرآیندی در حین هم خوردن محلول اگر دما افت شدید پیدا كند ژل تشكیل می شود. برای جلوگیری از تشكیل ژل باید دما را كم كم پایین آوریم 3- خشك كردن پوشش 4- تعیین مقدار بهینه نانوذرات اكسید روی 5- بالا نبودن دما در حین عملیات فرآیندی به ویژه در حین همزدن 7.مزایای اختراع 1- تولید و تهیه آسان 2-صرفه جویی در هزینه و زمان 3-قابلیت خود تمیزشوندگی بالا 4- استفاده از روش ریخته گری محلولی وعدم نیاز به تجهیزات خاص 5- مقرون به صرفه بودن مواد مورد استفاده 6- ضد غبار 7- ضد برف 8- سمی نبودن 9- پایداری نسبتا خوب 10- مقاومت بالا 11- عدم حساسیت به تداخل و تاثیرات محیطی 12- عمر نسبتا خوب 13- آبگریزی بالا 14-عمر نسبتا خوب 15- زبری بالا و انرژی سطحی كم 8.روش اجرایی برای به كار گیری اختراع این پوشش كه شامل آبگریزی بالا می باشد و تنها از مواد ارزان و كم قیمت بدست آمده است. هنگامی كه این پوشش بر روی شیشه یا فلز اجرا شود خاصیت خود تمیزشوندگی به آنها می دهد. بطوری كه ابتدا باید سطح را از هر گونه آلودگی پاك كنیم.سپس مقدار مشخصی از محلول را روی شیشه یا فلز می ریزیم. فرآیند تمیز كاری شیشه یا برای ارتقا چسبندگی لایه ها و نیز جلوگیری از نفوذ آلودگی به سطح شیشه كه از اهمیت زیادی برخوردارند انجام شد. 9.كاربرد صنعتی از كاربردها ی صنعتی این طرح می توان در حوزه خودرو، ساختمان، عینكها، پنجرههای نوری برای تجهیزات الكترونیكی، كاهش كشش سیال، سطح بیولوژیك، ضدجرم گیری زیستی، جلوگیری از خوردگی ناشی از آب،و صنایع دیگر نام برد نانوپوشش های ابرآبگریز و خود تمیزشونده (Self Cleaning)، از جمله مهم ترین دستاوردهای بهره گیری از فناوری نانو در عرصه ساخت و تولید پوشش-ها به شمار می روند كه علاوه بر كاركردهای گوناگون و چند منظوره، انتظارات مصرف كننده را در زمینه صرفه جویی در هزینه و انرژی برآورده می سازند. بطوری كه هر جا نیاز به تمیز بودن باشد می توان از این پوشش ها استفاده كرد. 10.نتایج در این پژوهش، پوشش ابرآبگریزی از پلی پروپیلن با حضور نانوذرات اكسید روی تهیه شد. زاویه تماس نمونه ها با افزایش درصد نانوذرات اكسید روی به ترتیب افزایش و كاهش یافت. نتایج زاویه تماس (CA) حاكی از آن است كه با افزایش درصد نانوذرات اكسید روی زاویه تماس افزایش پیدا می كند با افزودن بیش از اندازه نانوذرات اكسید روی از زاویه تماس و آبگریزی پوشش به شدت كاسته می شود. دمای خشك كردن یكی از پارامتر های موثر در پوشش های آبگریز می باشد بنابراین هنگامی كه دمای خشك شدن بالا ( 100 درجه سانتیگراد) می رود از بلورینگی پوشش كاسته و پوشش ناپایدار می شود همچنین آبگریزی آن كاهش پیدا كرد. دمای خشك كردن بهینه، 50 درجه سانتیگراد بود. نتایج میكروسكوپ الكترونی روبشی (SEM) نشان دهنده مورفولوژی كروی شكل و زبر بودن سطح پوشش می باشد كه از زبری دوتایی میكرو و نانو تشكیل شده است كه سبب بهبود آبگریزی می شود و با افزایش بیش از حد نانوذرات اكسید روی زبری آن كاهش پیدا می كند به دلیل انباشتگی نانوذرات اكسید روی كراتی در حد چند میكرون بوجود می آید كه باعث كاهش آبگریزی می شود. بنابراین، این پوشش ابرآبگریز بدلیل بلورینگی پلیمر خواصی شامل زبری و زاویه تماس بالا را دارا می باشد.