علم سرامیک

اخيرا استفاده از نانو رنگدانه‌هاي سراميكي(Pigment) در دكور كاشي‌هاي سراميكي (Inkjet Printing) رايج شده است در اين مقاله مكانيزم رنگ‌زني و عملكرد نانوپيگمنت‌هاي CoFe2O4,CoAl2O4,Au(TI,Cr,Sb)O2 با استفاده از XRD,DRS و كالريمتري بررسي شده است. اگرچه ميكروپيگمنت‌هاي رايج مورد استفاده در صنعت سراميك داراي شدت رنگ بالايي هستند مي‌توان از نانوپيگمنت‌ها برخلاف اندازه بسيار كوچك‌شان (زير 50 نانومتر) نيز شدت رنگ قابل قبولي گرفت. اما بايد توجه داشت كه نانوپيگمنت‌ها داراي محدوديت‌هاي دمايي بوده و امكان استفاده دما بالا از آنها به دليل رشد افراطي دانه‌ها وجود ندارد.

مقدمه:
نانوپيگمنت‌ها، مواد آلي يا غيرآلي با اندازه كمتر از 100 نانومتر هستند كه به‌طور شيميايي غير محلول بوده و از لحاظ فيزيكي نيز نسبت به پايه يا بايندرهاي كه همراه آنها مورد استفاده قرار مي‌گيرد خنثي مي‌باشد. امروزه يك رنج وسيع از مواد با اندازه دانه 100تا200 نانومتر در صنعت مورد استفاده قرار مي‌گيرند. به‌طور مثال پيگمنت‌هاي بر پايه ميكا با سايز دانه 20 نانومتر با اثر پيرلسنت در صنايع لوازم‌آرايشي، پلاستيك، پوشش‌ها و اتومبيل استفاده مي‌شود. كاربرد ديگر نانوپيگمنت‌ها، يك نوع جديد صفحه فسفري است كه در تيوب‌هاي كاتديك تلويزيون‌ها قرار داده شده و از نانو پيگمنت‌ها براي بهبود كنتراست و رنگ زمينه استفاده مي‌كند.
استفاده از نانو ذرات مي‌تواند عملكرد پيگمنت‌ها را بهبود بخشد. به‌طور مثال در پوشش‌هاي آلي، نانوپيگمنت‌ها مي‌توانند خواص مكانيكي و اصطكاكي مانند سختي، كرنش شكست، مقاومت كششي و مقاومت سايشي را با حفظ تافنس بهبود بخشند. خصوصيت ديگر نانوذرات، كوچك‌تر بودن آن نسبت به طول موج طيف مرئي است كه سبب عدم پراش و بازتاب در محدوده نور مرئي شده و در نتيجه مي‌توان نانوكامپوزيت ترانسپارنت ايجاد كرد. اين امر امكان توليد پوشش‌هاي ترانسپارنت با مقاومت بالا را مي‌دهد. اما بايد توجه داشت كه پودرها با اندازه دانه كوچك داراي سطح ويژه زيادي هستند و در نتيجه احتمال ايجاد آگلومره بسيار زياد مي‌شود. اما اين امر در مورد پيگمنت‌هاي سراميكي سبب ايجاد يك بازار مصرف زياد شده است زيرا به دليل سطح مخصوص زياد، پوشش سطحي آنها زياد بوده و با توجه به نقاط بازتابش فراوان، بازتابش را افزايش مي‌دهد.
علاوه‌بر آن استفاده از اين ذرات ريز در فرمولاسيون خمير چاپ، توزيع يكنواخت و هموژن همراه با بايندرها را نتيجه مي‌دهد كه سبب افزايش استحكام مكانيكي اين خمير چاپ‌ها بعد از خشك‌شدن مي‌شود. بعد از مخلوط شدن يكنواخت، پيگمنت‌هاي نانو سايز اثرات بهتري را در عمليات سايش و پوليش از خود نشان مي‌دهند.
اين مقاله دكورهاي سراميكي با استفاده از نانوذرات به خصوص در كاشي‌هاي پرسلاني را مورد بررسي قرار مي‌دهد. اين پيگمنت‌ها، افكت لوستر و هنري به لعاب مي‌دهد. بررسي‌هاي اخير درمورد لوستر‌هاي مدرن نشان مي‌دهد كه اين پيگمنت‌ها توسط نانوكريستال‌هاي مس و نقره شكل مي‌گيرد. هم‌چنين احتمال ايجاد آن توسط يك لايه نازك اكسيد‌تيتانيوم برروي يك پايه ترانسپارنت مانند مسكويت به جاي يك سطح پيرلسنت وجود دارد.
يكي از مهم‌ترين روش‌هاي دكورزني در سراميك استفاده از روتوكالرها است كه استفاده از نانوپيگمنت‌ها مي‌تواند مشكلات ناشي از استفاده ميكروپيگمنت‌ها مانند بسته شدن نازل‌ها و توزيع غير‌يكنواخت را كاهش‌دهد. علاوه‌بر آن كيفيت تصويري بهتري با استفاده از اين پيگمنت‌ها مي‌تواند ارائه شود. پيگمنت‌هاي سراميكي رايج با رنج اندازه بين 10-1 ميكرومتر مي‌باشد. اما نانوپيگمنت‌هاي سراميكي با رنج دانه 10 تا80 نانومتر اكنون مورد بررسي قرار گرفته‌اند و شدت رنگ خوبي در يك رنج گسترده در دماي پخت مي‌دهد.

كارهاي تجربي
چهار نوع سوسپانسيون نانوپيگمنت براي چاپ توسط روتوكالر با رنگ‌هاي زرد، مشكي، ارغواني و فيروزه‌اي تهيه شد. اين سوسپانسيون‌ها (جوهرهاي نانوسايز) به صورت اكسيدهاي سراميكي يا فلزات سنتز شده در يك حلال آلي تهيه مي‌شود. آناليز اين پيگمنت‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی SEM-FEG و (STEM (Transmission Electron Microscopy Supra40 و یا با استفاده از سیستم (DLS(Dynamic Light Scattering و Instrument.Malven UK و بررسي تركيب فازي با استفاده از پراش اشعه ايكس دما بالا (Xpert Pro, panalyticalAlmelo,The Netherland) انجام شد، تمامي جوهرهاي نانوسايز به صورت تست drop 0.05 تا 0.1 (ميلي‌گرم/سانتي‌متر مربع) بر روي بدنه‌هاي خام سراميكي و با كنترل ميزان نفوذ براي رسيدن به ميزان تجمع واقعي پيگمنت‌ها اعمال مي‌شود. پوشش‌هاي شيشه‌اي تجاري (F1,F2,F3,4) و لعاب‌هاي (S1,S2,S3) و يك بدنه پرسلاني استون‌ور با خواص شيميايي و فيزيكي متفاوت انتخاب مي‌شوند. اين نمونه‌ها در يك كوره الكتريكي با سيكل سريع (60MIN- Cold To Cold) در دماي حداكثر با رنج 800 تا1200 درجه سانتيگراد پخت مي‌شود. نمونه‌هاي پخته شده توسط پراش اشعه ايكس براي بررسي تغيير فاز و اندازه دانه‌ها مورد مطالعه قرار مي‌گيرد و سپس اندازه دانه‌ها با استفاده از معادله Scherrers محاسبه مي‌شود.
طيف جذبي نوري نمونه‌هاي پخته شده در رنج (300 تا 1100 نانومتر VV-VISIBLE-NIR با اسپكتروسكوپي بازتابشي نفوذي (DRS,λ35,Perkin Elmer,Wellesley,USA)ثبت شد. بازتابش (∞R) با استفاده از معادله Kubelka-Munk به جذب (k/S) تبديل مي‌شود:
k/S= 2(1-R∞).(2R∞)-1
پارامترهاي CIE lab از طريق اندازه‌گيري‌هاي انجام شده توسط يك اسپكتروفتومتر پرتابل با 65=D و زاويه جذب استاندارد10 درجه (MSXP400 Hunterlab Miniscan, white glazed tile refrence 31.5=x ,33.3=y) انجام گرفت.
براي مقايسه رنگزني نانوپيگمنت‌ها با پيگمنت‌هاي معمولي، چهار پيگمنت كه در مقياس ميكرومتريك زرد مشكي ارغواني و فيروزه‌اي هستند با لعاب S1 و پوشش شيشه‌اي F1 مخلوط مي‌شود. بايد دقت شود كه ميزان پيگمنت‌ها در همه يكسان باشد. اين نمونه‌ها در كوره الكتريكي پخت شده و تحت آناليز با دستگاه‌هاي كالريمتري، XRD,UV-VISIBLE-NIR قرار مي‌گيرند.

نتايج و بحث
نانوپيگمنت‌هاي ارغواني
طيف‌هاي قرمز توسط نانوذرات فلز طلا ايجاد مي‌شود. در حقيقت ذرات نانوفلزات مانند طلا، نقره و مس داراي جذب زياد بوده و نور مرئي را پراكنده ساخته و شدت رنگ را زياد مي‌كنند. اين خاصيت منحصربه‌فرد به دليل نوسان‌هاي تجمعي الكترون‌هاي هادي كه به نام سطح پلاسما شناخته مي‌شوند، مي‌باشد. رزونانس اين الكترون‌ها سبب ايجاد يك جذب پهن در طيف نور مرئي مي‌شود.
انرژي و شكل باند پلاسما براساس سايز و مورفولوژي نانوذرات تغيير مي‌كند و مي‌تواند براساس رزونانس انرژي و پهناي باند تخمين زده شود. طيف بازتابشي نفوذي سراميك‌هاي رنگ شده با پيگمنت‌هاي نانوطلا، يك باند پلاسمايي را نشان مي‌دهد كه از خصوصيات ذرات كروي است و داراي انرژي ثابت (1-Cm 19000 يا 1- ev 2.3)