رابطه علم نانو با صنعت کاشی

مقدمه
    امروزه فناوری نانو به یکی از مهمترین شاخه های پیشــرفت علم در بســیاری از زمینه های علوم و مهندسی تبدیل شده اســت. صنعت کاشی نیز همانند سایر صنایع تحت تاثیر این تکنولوژی قرار گرفته است.

    کاشــی و ســرامیک ها یکــی از پرکاربردترین مصالح ســاختمانی هســتند که درقسمتهای مختلف یک ســاختمان مانند آشپزخانه، حمام و ســرویس بهداشتی، نمای ســاختمان و غیره استفاده میشوند. نشست ذرات آلاینده به همراه رطوبت بر روی سطوح کاشی و سنگ و متعاقب آن آلودگی سطوح منجر به ایجاد فضای نامناسب برای ســاختمان، افزایش هزینه های نگهداری و تحمیل خسارتهای گسترده میشود.همچنین، کاشی های معمولی فضا را برای رشد انواع باکتری و قارچ آماده کرده و انتقال آلودگی و بیماری را در مکان های مورد استفاده افزایش میدهند.

    در ســالیان اخیر محققان موفق به شناســایی ترکیباتی فلزی با خاصیت آنتی باکتریال و خودتمیز شونده شده اند که این ترکیبات میتوانند از رشد و نمو باکتریها و قارچ ها و دیگر عوامل بیماری زا جلوگیری کنند. اســتفاده از فناوری نانو در تولید کاشی و سرامیک خودتمیزشونده و آنتی باکتریال، مانع از کثیف شدن، جذب رطوبت و ایجاد هرگونه آلودگی بر روی سطوح مورد نظر میشود.

اصول خود تمیزشوندگی

    پوششهای خودتمیزشونده به دو گروه آب گریز و آب دوست تقسیم میشــوند. 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 ســطح، آلودگی ها از سطح زدوده می شوند.

    آبدوست یا آبگریز بودن سطح به زاویه تماس قطره آب با سطح بســتگی 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 کلــی، اگر زاویه تماس کمتر از 90 درجه باشد، سطح را آبدوست می گویند، در حالی که اگر این زاویه بیشــتر از 90 درجه باشد، سطح را آب گریز می نامند. ســطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآب دوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از 150 درجه ابر آب گریز نام دارند. سطوح آب گریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژی ســطحی ســطوح آب دوست بسیار بالاست. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دســتیابی به ســطوح ابر آب گریز و ابر آب دوست را ممکن کرده است.

پوشش های آب گریز و ابرآب گریز

    زبری ســطح و ساختار آن، نقشــی بسیار مهم در افزایش زاویه تماس دارند. انســان‌ها با الهام از برگ‌های نیلوفر آبی، برای ســاخت سطوح فوق آب‌گریز تلاش کرده‌اند.‌ در پوشش‌های آب‌گریز، آب به محض تماس با ســطح به شــکل قطرات کروی تجمع یافته و از روی سطح لغزیده و ذرات آلودگی را با خود از روی سطح می‌زداید. زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس نانومتری باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی ســطح قرار گرفته است افزایش پیدا می‌کنــد و نیروی موئینگی بین قطره و ســطح شــدیداً کم می‌شــود. بنابراین، قطره آب شکل‌ کروی به خود می‌گیــرد و به راحتی جریان پیدا می‌کند و ذرات آلاینده‌ی موجود بر روی ســطح، به قطرات آب چسبیده و با غلطیدن قطرات آب، آلودگی‌ها نیز از سطح زدوده می‌شود. پوشش‌های نانو با ذرات در حد چند ده نانومتر، ضمن پوشش حفره‌های میان ذرات سطح و همچنین رساندن زاویه تماس آب با ســطح به بیش از 120 درجه، امکان ایستای ذرات آب روی سطح را از بین برده و موجب کاهش تجمع آلودگی‌ها و چسبندگی آن روی سطح خواهند شد.

پوشش های آب دوست و ابر آب دوست

    برخلاف ســطوح آب‌گریز که فقط از ســازوکار جریــان قطرات آب برای اثر خودتمیزشــوندگی اســتفاده می‌کنند، ســطوح آب‌دوست ساختار شــیمیایی آلودگی‌ها را در مجــاورت نور از بین می‌برند. این فرایند فوتوکاتالیز نام دارد. در طول فرایند فوتوکاتالیز، ساختار شیمیایی آلودگی‌های ارگانیک و سایر ناخالصی‌ها که بر روی پوشش قرار دارد به‌وســیله جذب نور شکسته شده و به‌همراه آب از روی سطح جدا می‌شــوند. یکی از موادی که کاربرد زیادی به‌عنوان سطوح خودتمیز شونده آب‌دوست دارد دی‌اکسیدتیتانیوم است. با کاهش ابعاد ذرات و افزایش نسبت سطح به حجم، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی ذرات افزایش پیدا می‌کند. به‌همین دلیل، معموال از نانوذرات اکسیدتیتانیوم به‌عنوان سطوح ابرآب‌دوست استفاده می‌شود.

    علاوه بر نانوذرات اکســیدتیتانیوم، نانوذرات دیگری ماننــد اکســید‌روی (ZnO)، کادمیم ســولفید(CdS) ، اکسید‌تنگســتن (WO3) و دی‌اکســید زیرکونیوم (ZrO2) در پوشش‌های خودتمیزشونده کاربرد دارند.

    در شکل 3 تفاوت بین زاویه تماس آب با سطح پوشیده شده با لایه نازکی از دی‌اکسید تیتانیوم-سیلیکون قبل و بعد از تابش نور نشان داده شده اســت. قبل از تابش نور UV، زاویه تماس قطرات آب با سطح بیش از 90 درجه است. با تابش نور، تجزیــه و زدایش آلودگی سیلیکون می‌شوند.

    در مثالی دیگر، فرایند خود تمیزشوندگی سطح بر پایه نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم نشان داده شده است ( شکل5 ) . تصاویر مربوط به مقایسه سطح دو کاشی استفاده شده در نمای ساختمان بعد از 33 ماه است ، که در یکی از پوشش خود تمیزشونده دی اکسید تیتانیوم استفاده شده و دیگری بدون پوشش است. 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.

    نانو ذرات نقره ، یکی از پرکاربردترین ذرات در حوزه نانو فناوری هستند که به دلیل داشتن خصوصیات ضد میکروبی مشهور بوده و به عنوان یک کاتالیست قادرند بیش از 650 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 99 درصد افزایش می یابد.

    با به کارگیری پوشش های باکتریال و خود تمیز شونده در کاشی ، سرامیک و سنگ و استفاده از آنها در اماکن عمومی نظیر بیمارستان ها ، ار 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.همچنین با استفاده از نانو پوشش ها ی آنتی باکتریال ویژگی ضد باکتری ذاتی در سطوح ایجاد می شود که با شستشو یا مواد شوینده از بین نمی روند.

    کاشی های سرامیکی دارای پایداری شیمیایی و ظاهری بالایی هستند و به همین دلیل به طور گسترده ای در محیط های مختلف مانند محیط های بیمارستانی و خانگی استفاده می شوند.متاسفانه کاشی های سرامیکی به خودی خود دارای خاصیت آنتی باکتریال نبوده و میکروارگانیسم به راحتی و به خصوص در محیطهای مرطوب روی سطح ان تکثیر می شوند.حضور و تکثیر میکروارگانیسم روی سطح کاشی ، سلامی انسان ره به خطر می اندازد.

    علاوه بر نانوذرات نقره ، نانو ذرات اکسید روی ( ZnO ) ، اکسید مس ( CuO ) ، اکسید آلومینیوم ( Al 2 O 3 ) ، دی اکسید تیتانیوم ( TiO 2 ) و اکسید نیکل ( NiO ) دارای خاصیت میکروبی قوی در برابر باکتری های گوناگون هستند.

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

عملکرد ضد باکتری نانو ذرات نقره

    ویژگی ضد باکتری بودن نقره به علت انتشار آرام و اهسته ، اما مداوم یون های نقره است.نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانو ذرات نقره سبب می شود که یون ها به سهولت منتشر شده و با سرعت بیشتر و به شکل موثرتری میکروب ها را بکشند.نانو ذرات نقره در مسیر ماده مغذی سلول انقطاع ایجاد کرده و سبب 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 ار هیچ گونه ماده شیمیایی ، میکروب ها به شکل موثری از بین می روند.

    تحقیقات نشان می دهد که دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فوتوکاتالیست قوی ، مانند مواد آنتی باکتریال عمل می کند.و اثر بخشی آن سه برابر قوی تر از کلر و 1.5 برابر قوی تر از اوزون است.این ماده توانایی از بین بردن ویروس سارس و آنفولانزا و باکتری استفیلو کوسوس زرد را با بازدهی قریب به 100 درصد دارد.همچنین 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.

مزایای استفاده از فناوری نانو در صنعت کاشی و سرامیک :

1- کاهــش اســتفاده از مــواد شــوینده برای تمیز‌سازی سطح تا70درصد؛

2- کاهش هزینه‌های پاکسازی و ضدعفونی‌کردن محیطی؛

3- کاهش دوره‌های پاک‌سازی؛

4- کاهش آلودگی‌های محیط و محافظت سطوح از تاثیر نم و کثیفی‌ها؛

5- سهولت در تمیز کردن لکه‌های سخت مانند سیلیکون، چربی و روغن با استفاده از آب؛

6- جلوگیری از رشد و گسترش کپک، جلبک و مشابه آن‌ها در محیط‌های بیمارستانی، حمام و سرویس بهداشتی؛

7- کاهش سایش و فرسایش سطوح؛

8- بی‌خطر و سازگار بودن مواد با محیط‌زیست.

شرایط استفاده و نگهداری :

· مکان اجرای نانو بایستی ترجیحا سرپوشیده و به دور از تابش مستقیم نور آفتاب ، گرد و غبار و بارندگی باشد .

· دمای محیط و سطح مورد نظر بین 5 تا 25 درجه سانتیگراد باشد .

· هنگام استفاده از AZ و نانو ، حتما از دستکش تمیز و یکبار مصرف استفاده نمائید تا اثر چربی و کثیفی پوست شما روی سطح باقی نماند.

· دمای نگهداری بین5 تا30 درجه سانتی گراد می باشد.

· دور از نور مستقیم آفتاب نگهدار ی شود

· این محصول خوراکی نبوده و از دسترس کودکان دور نگهداری شود.

نحوه استفاده :

1- سطح مورد نظر را کاملا شسته و خشک نمایید ، سپس اسفنج نانو ( غول خاکستری ) را مرطوب نموده و سطح را با اسفنج کاملا تمیز کرده بطوری که اثر هیچگونه لکه ، چربی و یا کثیفی روی آن نماند سپس آثار به جا مانده اسفنج را از روی سطح با دستمال کاملا پاک نمایید.

2- محلول پیش تمیز کننده AZ را بر روی سطح اسپری نموده و با یکی از دستمال های موجود در بسته سطح را کاملا تمیز نمائید ، سپس سطح را با آب خالی شسته و کاملا خشک نمایید.

3- محلول نانو را بر روی سطح مورد نظر اسپری نمایید و با دستمال کاملا تمیز داخل بسته ، نانو را روی سطح یک دست نمایید بطوری که تمامی سطح آغشته به نانو گردد ، پس از20 دقیقه دستمال مخصوص نانو را با محلول نانو آغشته و به صورت دورانی سطح مورد نظر را به آرامی ماساژ دهید . ( صرفا به جهت یک نواخت شدن بیشتر محلول نانو بر روی سطح ) نانو بعد از 24 ساعت بر روی سطح سخت می گردد. در طول این مدت هیچگونه رطوبت ، گرد و خاک و یا کثیفی با سطح در تماس نباشد .

ماندگاری محصول :

. بین 1 تا 3 سال

. برای ماندگاری اثر نانو پس از اجرا به هیچ عنوان از مواد شوینده برای شستشو استفاده نگردد.(شستشو فقط با آب - خالی و دستمال) 

بازار نانو پوشش

    تقاضای بازار جهانی نانوپوشــش‌ها در ســال 2012، 255 کیلوتــن و با تخمیــن درآمدی حدود 14950 میلیون دلار بوده اســت. البته افزایش تقاضای مواد پیشرفته در صنایع پزشکی و خودروســازی، دلیلی برای رشد نانوپوشش‌ها بوده است. پوشش‌های توســعه‌یافته بر اساس فناوری‌نانــو، دارای مزیت‌هایی از قبیل افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش، انعطاف‌پذیری و شــفافیت بالا نســبت به پوشش‌های مرسوم هســتند. انتظار می‌رود افزایش آگاهی در مورد پوشــش‌های ضد‌میکروبی و خودتمیزشــونده کاربــرد آن‌ها باعث بهبود تقاضــای بازار در ســال‌های آینده شود. در نمودار زیر حجم بازار نانوپوشــش‌ها ( بر حسب کیلوتن ) و محصولات مورد تقاضا در بین ســال‌های 2012 تا 2020 نشان داده شده است.

پتنت

    به ‌منظــور تعییــن اختراعات ارائه شــده در زمینه‌ی پوشش‌های خودتمیزشونده در زمینه کاشــی و ســرامیک، پتنت‌های ارائه شده در این زمینه بررســی شــدند. 5 پتنت در زمینه کاشی‌های خودتمیز‌شونده یافت شد که از این تعداد، اولین پتنت ثبت‌شده مربوط به شرکت TOTO کشور ژاپن در سال 1999، یک پتنت مربوط به کشور کره در سال 2001، دو پتنت مربوط به کشــور چین در ســال‌های 2008 و 2013 و یک پتنت مربوط به کشــور تایوان در سال 2013 است.

شرکت

    در جدول زیر اســامی برخی از شــرکت‌های داخلی و خارجی فعال در زمینه تولید کاشــی و سرامیک‌های آنتی‌باکتریال و خودتمیزشونده ذکر شده است.