ادامه مقالات و آموزشهای رایگان

نانو سیلیکا و نانو آلومینا در صنعت پوشش

خواص مواد وقتی اندازه شان (حداقل در یک بعد) به مقدار کمتر از 100 نانومتر (1nm=10^-9 m) کاهش پیدا کند به میزان قابل توجهی تغییر می کند این واقعیت اساس نانو تکنولوژی است.

مواد نانو-اندازه در حال حاضر در موارد مختلفی از صنعت و همچنین پوشش های سطحی به کار گرفته می شوند.

ذرات نانو می توانند خواص سیستم های پوششی را در موارد مختلف بهبود دهند اما در زمان حاضر بیشترین تمرکز بر روی بهبود پایداری در برابر uv با(Zno) و افزایش مقاومت خراش با آلومینا (AL₂o₃) و سیلیکا (Sio₂) است.

به خوبی معلوم است که ذرات سختی، نظیر آلومینا و سیلیکا وقتی وارد فیلم پوشش شوند مقاومت خراش را بهبود خواهند داد ولی در صورت وارد کردن این ذرات با اندازه میکرونی براقیت و پشت نمایی (transparency) پوشش شفاف (clear coat) از یک طرف و از طرف دیگر انعطاف پذیری کاهش شدید پیدا می کند و در نتیجه این گونه کاریرد، عملی نخواهد بود.

ولی باذرات نانو شرایط متفاوت است، سیلیکا و آلومینا بصورت نانو-اندازه مقاومت خراش را بهبود داده و تأثیرشان بر روی سایر خواص ناچیز بوده و خواص براقیت، پشت نمایی و انعطاف پذیری بدون تغییر باقی می مانند.

مهمترین عامل در استفاده از ذرات نانو در پوشش ها پخش کردن و پایدار سازی آنهاست که این مشکلات با تأمین این افزودنی ها بصورت پخش شده در یک مایع حمل کننده (آب یا حلالی آلی) توسط شرکت های سازنده حل شده است.در این حالت اضافه کردن افزودنیها با اختلاط و تحت تنشی متوسط امان پذیر است.

سنتز ذرات نانو

ذرات نانو-اندازه با دو روش: بالا به پایین با استفاده از ذرات بزرگتر (مثل آسیاب کردن) یا پایین به بالا و با استفاده از ذرات کوچکتر (اتمها و مولکولها) ساخته می شوند.

در تکنولوژی نانو از روش ثبت شده (patented) پایین به بالا یا سنتز فاز بخار پلاسما : روش سنتز بخار فیزیکی و نانو آرک استفاده می شود.

فلزات یا اکسیدهای فلز (بصورت پودر یا میله های جامد) بعنوان خوراک وارد راکتوری می شوند که در آن انرژی پلاسما برای تولید بخار در دمای بالا بکار می رود و یک گاز واکنش دهنده نظیر اکسیژن (هوا) به سیستم اضافه می شود و بلافاصله بعد از این مرحله بخار با سرعت کنترل شده و ذرات نانو شکل می گیرند.

مشخصه های مهم ذرات نانو عبارتند از:

-ترکیب شیمیایی

-اندازه

-شکل

-ساختمان

-شیمی سطح

البته باید توجه داشت که روشهای مختلف سنتز بر روی ساختمان ذرات نانو و در نتیجه خواص آنها تأثیر گذار است.

با روش سنتز پلاسمای فاز بخار ذراتی غیر متخلخل با اندازه 7 تا 65 نانومتر تولید می شوند که دارای نسبت منظر (aspect ratio) پایین، خلوص شیمیایی بالا و خواص سطحی کنترل شده هستند.

خواص سطحی ذرات در هنگام اضافه کردن آنها به محیط مایع نظیر آب، حلالهای آلی یا بطور مستقیم به خود پوششهای پایه آب یا پایه حلال بسیار مهم است.

سهولت پخش شدن، پایداری ترکیب پخش شده (بدون جدایی) و رئولوژی سیستمها به میزان زیادی به خواص سطحی ذرات بستگی دارد.

آمایش (پوشش) سطح ذرات نانو، هم در فاز بخار و هم فاز مایع تنوع فراوانی در اصلاح سطح برای دسترسی به خواص مختلف ایجاد میکند.

آلومینای نانو برای بهبود مقاومت خراش بهتر

همانطور که اشاره شد یکی از کاربردهای اصلی ذرات نانو استفاده از آنها برای تقویت مقاومت خراش بخصوص در پوششهای چوب، مبلمان و پوششهای صنعتی است.

مقاومت خراش با دستگاه (dry scrub abrasion tester) و اندازه گیری براقیت بعد از تست فوق برآورد می شود.

روشهای آزمون گوناگونی برای برآورد مقاومت خراش در دسترس است و نتایج تست نیز تا حدود گسترده ای به روش دستگاه بکار گرفته شده بستگی دارد.

نتایج نشان می دهد که مخلوط نانو ذره و افزودنی های سیلیکونی معمول (پلی سیلاکسانهای اصلاح شده) می تواند بازده افزودنی های نانو را افزایش دهد.

چگونگی این اثر هم افزایی (synergistic effect) بین ذرات نانو و افزودنیهای سطح سیلیکونی به خوبی درک نشده است ولی نتایج آزمایشهای مختلف نشان می دهد که اختلاط ذرات نانو و افزودنی های سیلیکونی بهترین مقاومت خراش را ایجاد می کند و میزان کارایی این ترکیب به ماهیت شیمیایی شبکه و ساختان افزودنی بستگی دارد، البته به وضوح مشخص است که سازه –هسته-پوسته (core-shell) تشکیل شده سازگاری بین ذرات نانو اندازه، شبکه رزینی و به همین علت در کل پیشنهاد می شود که ذرات نانو اندازه اصلاح نشده ر ترکیب با افزودنی های سطح پایه پلی سیلاکسان استفاده شوند تا بازده ای آنها افزایش یابد.

ذرات نانو با سطح اصلاح شده

همانطور که قبلا ً نشان داده شد تأثیر ذرات نانو بر روی مقاومت خراش وقتی با پلی سیلاکسان مخلوط شوند تقویت می شود. مرحله بعدی استفاده از ذرات نانو اصلاح شده با سیلیکون می باشد که در آنها پلی سیلاکسان بصورت شیمیایی به ذرات نانو متصل می شود.

بعلاوه این افزودنی های نانو تأثیر منفی بر روی ویسکوزیته، فرصت کاریری (pot life) رنگهای دو جزئی، جریان و همترازی براقیت، مه گرفتگی، انعطاف پذیری، قابلیت پوشش مجدد و مقاومت به آب در پوشش نهایی ندارند.

ذرات آلومینا در مقایسه با سیلیکا

هر دو نوع ذرات نانو آلومینا و سیلیکا برای تقویت مقاومت خراش قابل استفاده هستند ولی اغلب ذرات آلومینا بعلت سختی بالا ترجیح داده می شوند (سختی Mohs برای آلومینا 9 و برای سیلیکا 7 می باشد).

بعلت نرمتر بودن ذرات سیلیکا میزان بیشتری از این ذرات باید مصرف شود ولی از طرفی سیلیکا بر روی شفافیت پوششهای شفاف، تأثیر کمتری دارد.

میزان کدری ایجاد شده در پوشش های شفاف بوسیله ذرات جامد به اندازه و ضریب شکست آنها بستگی دارد.

نانو ذراتی از نوع آلومینا و سیلیکا با اندازه های 20 تا 40 نانومتر به اندازه کافی کوچک هستند که تنها تأثیر اندکی بر روی کدری داشته باشند ولی اختلاف بین ضریب شکست نوری این دو نوع کماکان باقی می ماند.

البته پارامتر مهم در واقع اختلاف بین ضریب شکست ذرات و رزین استفاده شده در سیستم است به این صورت که هرچه این اختلاف بیشتر باشد کدری بیشتر خواهد بود.

آلومینا دارای ضریب شکست 72/1 و سیلیکا ضریب شکستی معادل 55/1 دارد در حالی که ضریب شکست اغلب رزین ها در حدود 5/1 است و این دلیل تأثیر اندک ذرات نانو سیلیکا را بر روی کدری پوششهای شفاف (کلر) نشان می دهد.

بنابراین ذرات آلومینا برای بهبود مقاومت خراش بهترند و ذرات سیلیکا تأثیر کمتری بر روی کدری فیلم پوشش های شفاف دارند.

البته مواردفوق در مورد ذرات اصلاح نشده صحیح است ولی با اصلاح سیلیکونی ذرات نانو عملکرد آنها به مقدار قابل توجه ای بهبود پیدا کرده و بازده ای ذرات سیلیکا در حد ذرات آلومینا اصلاح نشده قرار می گیرد.

این موضوع که در آن مقدار کمی از ذرات سیلیکا که سطح آن اصلاح شده است، مقاومت خراشی بالایی را ایجاد کرده است.

نانو ذرات سیلیکای اصلاح شده برای سیستم هایی که شفافیت بالا در کنار مقاومت خراش بالا (پوششهای تعمیراتی خودرویی و سایر کاربردهای صنعتی) مورد نیاز باشد مناسبند.

ذرات نانو، پتانسیل بهبود بسیاری از خواص پوششهای سطحی را علاوه بر مقاومت خراش دارا هستند.

هم اکنون افزایش مقاومت UV بوسیله ذرات نانو-اندازه، اکسید روی در دست مطالعه و بررسی بوده و بنظر بسیار معقول و مؤثر خواهد بود، در نهایت اینکه سایر افزودنی های نانو با خواص جالب تر در راهند.

نانو سیلیکا و نانو آلومینا در صنعت پوشش