علم سرامیک

پيشرفت صنعت در سالهاي اخير امكان تركيب مواد را حداقل در يك بعد و در ابعاد نانومتري (1تا 100 نانومتر) فراهم ساخته است كه باعث بروز و مشاهده ويژگيها و عملكرد متفاوت مواد جديد نسبت به حالت اصلي آنها در ابعاد ميكرومتري ميشود. مواد در ابعاد نانومتري داراي محدوده گسترده‌اي از كاربردها مي‌باشند و به طور ويژه در علوم الكترونيك، مواد، ارتباطات و مخابرات و سامانه‌هاي زيستي داراي مصارف ويژه مي‌باشند. براساس پيش‌بيني آناليزهاي اقتصادي، حجم تجارت تكنولوژي نانو تا سال 2015 داراي سرمايه در گردشي بين 750 ميليون تا 2 ميليارد يورو در سال خواهد بود. هرچند به دليل عدم استفاده از فناوري نانو در بخش سراميك فوايد وكاربردهاي آن براي اين صنعت به طور دقيق مشخص نشده است اما به طور مثال خصوصيات ضد ميكروبي كه ذرات نانو با جنس مشخص در تركيب با سراميك‌ها ميتوانند ايجاد نمايند از جمله ويژگي‌هاي اين فناوري در صنعت سراميك محسوب مي‌شود.
ظهور نسل جديدي از مواد، به محصولات سراميكي اين امكان را مي‌دهد تا قابليت‌هاي ضد باكتريايي و ضد قارچي بدست آورند به نحوي كه قادر خواهند بود تا از رشد ميكروارگانيسم‌هاي بيماري‌زا جلوگيري نموده و يا آن‌ها را نابود نمايند و از اين طريق شرايط بهداشتي محيط را ارتقاء دهند.
صنعت سراميك مي‌تواند با نوآوري در ساخت و افزايش كيفيت، سبب بالا بردن ارزش افزوده در توليد گرديده و قدرت رقابت اين محصولات را در بازار بالا ببرد.

عضو  مقدمه :
بهداشت عمومي، ‌از موضوعات مورد توجه در جوامع امروزي مي‌باشد. اخبار وجود آلودگي‌هاي گوناگون توسط ميكروارگانيسم‌هاي بيماري‌زا در مناطق بحراني مانند بيمارستان‌ها، كشتارگاه‌ها، رستوران‌ها، فضاهاي صنعتي و غيره به طور هشدار دهنده‌اي در حال افزايش بوده و سبب ايجاد نگراني در سطح جامعه شده و تقاضا براي محصولات و مواد ضدميكروب، به طور روز افزون در حال افزايش مي‌باشد. از جمله اين مواد انواع شيشه، پلاستيك، رنگ‌ها، لعاب‌ها و غيره مي‌باشد كه به تازگي با ويژگي‌هاي ضد باكتريايي وارد بازار شده‌اند. در ميان يون‌هاي فلزي كه داراي خصوصيات ضدميكروبي مي‌باشند عنصر نقره در شكل يون نقره به واسطه اثر آن در از بين بردن طيف وسيعي از ميكروارگانيسم‌ها مشهور مي‌باشد و به همين دليل در بخش سراميك در گذشته تلاش‌هايي جهت توليد محصولات با ويژگي‌هاي ضدميكروبي كه به طور عمده از عنصر يون نقره بهره گرفته‌اند، انجام شده است. تحقيقات جديد نشان مي‌دهد كه اجزاء نقره در ابعاد نانومتري (1 تا 100 نانومتر) خصوصيات ضد باكتريايي را نشان مي‌دهند، بر طبق بررسي‌ها مقدار مساوي از ذرات نقره در ابعاد نانو در قياس با نيترات نقره، داراي فعاليت ضدميكروبي قوي‌تر و فعال‌تري مي‌باشد. نتايج اين تحقيق در كنار توجه به ويژگي ضرر اندك اين ذرات براي سلامتي انسان، نانوذرات نقره را به عنوان عوامل ضد باكتري موثر و سودمند معرفي مي‌نمايد. تحقيق پيش‌رو براي نخستين بار يك آزمايش سيستماتيك و اصولي را از عملكرد ذرات نقره در اندازه نانو در محصولات سراميكي معرفي مي‌نمايد.

عضو  مواد مورد استفاده و روش آزمايش :
2-1- مواد مورد استفاده: در انجام اين آزمايش مواد زير مورد استفاده قرار گرفتند: كلوئيد نقره با عيار 73 درصد و كائولن حاوي نقره كه داراي 22 درصد نقره مي‌باشد. كلوئيد نقره شامل اجزاء نقره با ابعاد نانو و يك پروتئين به عنوان پايداركننده مي‌باشد كه براي آماده‌سازي سوسپانسيون‌هاي آب‌دار نانو ذرات نقره مورد استفاده قرار گرفتند. اين آزمايش از طريق جابجايي ذرات الكترون (با رعايت وجود نانو ذرات نقره با ابعاد كمتر از 20 نانومتر) انجام شد. در كائولن حاوي نقره كاني كائولن به عنوان شكل فرعي و زير لايه‌اي عمل نموده و اين درحالي‌است كه نانو ذرات نقره از طريق فرآيند جذب سطحي در بخش‌هاي سطحي ماده قرار گرفته و ته‌نشين شده‌اند.

عضو  كاشي‌هاي فتوكاتاليست: محدوديت‌ها و كاربردها
قطعاً شما تمايل داريد كه سطح كاشي‌هاي مورد استفاده در منازل و يا محيط كار و حتي بيمارستان‌ها تميز باشد. اما مي‌دانيد كه فرآيند تميز كردن سطح كاشي‌ها، علاوه بر سخت بودن، بسيار زمان‌بر و پرهزينه بوده و بايد با استفاده از محلول‌هاي شيميايي ضدعفوني و پاك‌كننده اين كار صورت گيرد. حتماً تجربه استفاده از وايتكس، انواع جرم‌گير و محصولات مشابه براي زدودن ذرات آلوده سطح كاشي‌ها را داشته‌ايد و ديده‌ايد كه استفاده از اين مواد براي سيستم تنفسي بدن نيز خطرناك است. خدا نكند كه اشتباهاً دو ماده واكنش دهنده از محصولات جرم‌گير را با هم مخلوط كرده باشيد و گاز متصاعد شده از آن را تنفس كرده باشيد. آيا راه‌حل ديگري در اين ميان وجود دارد؟ يكي از راه‌حل‌هاي موجود كه امروزه محققين و صنعتگران براي رفع اين مشكل به آن روي آورده‌اند اتسفاده از كاشي‌هاي فتوكاتاليست است. كاشي‌هاي فتوكاتاليست در حقيقت كاشي‌هاي ضدميكروب، خودتميزكننده و تجزيه‌كننده آلودگي سطح كاشي با استفاده اندكي از نور خورشيد، اكسيژن و مقداري رطوبت محيط هستند. نتيجه كار محيط تميزتر، سطح بدون آلودگي و هزينه كم‌تر نظافت است.

كاشي‌هاي فتوكاتليست چيستند؟
در ابتدا بد نيست كه كمي به دانشي كه پشت اين قضيه وجود دارد نيم نگاهي نموده باشيم. تعريف پديده "فتوكاتاليست" بدين ترتيب است كه فلز نيمه‌هادي راديكال‌هاي آزاد را با كمك آب موجود در محيط، اكسيژن هوا و نور ماورا بنفش خورشيد توليد باردار نموده بدون اينكه خود فلز آسيب ببيند. اين راديكال‌هاي آزاد باردار به عنوان يك عامل محرك بيولوژيكي و شيميايي عمل مي‌نمايند. مواد زيادي هستند كه خاصيت فتوكاتاليستي دارند. دي‌اكسيد تيتانيوم به عنوان يكي از اصلي‌ترين مواد مناسب براي استفاده در فرآيند فتوكاتاليست شناخته شده است. دي‌اكسيد تيتانيوم يا TiO2 در سه شكل كريستالي در طبيعت وجود دارد و از اين ميان ساختار "آناتاز" به عنوان يكي از موثرترين مواد فتوكاتاليست زير نوز ماورا بنفش عمل مي‌نمايد. بعد از اينكه در دهه 1970 اين خاصيت شناخته شد TiO2 به عنوان عامل واكنش فتوكاتاليست مورد تحقيق و بررسي قرار گرفت. كاشي‌هاي سراميكي با لايه‌اي نازك از دي‌اكسيد تيتانيوم در سطح‌‌شان امروزه در بازار با خاصيت بي‌نظير و يكتاي خودتميزشوندگي شناخته شده‌اند.

عضو  خصوصيات كاشي‌هاي فتوكاتاليست
يكي از خصوصيات مهم TiO2 به عنوان ماده فتوكاتاليست اين است كه اين ماده براي انسان سمي نمي‌باشد و قدرت اكسيدكنندگي بالاي اين ماده در هنگامي كه در مواجهه با نور ماورا بنفش كه با طول موج كم‌تر از 385 نانومتر است قرار مي‌گيرد بسيار حايز اهميت است. با راديكال‌هاي هيدروكسيل و يون‌هاي سوپراكسيد، فتوكاتاليست‌هاي TiO2 مي‌توانند مواد ارگانيك را با استفاده از واكنش‌هاي اكسيداسيون متوالي به دي‌اكسيدكربن تبديل نمايند. TiO2 هم‌چنين خاصيت تركنندگي سطح را به وسيله افزايش زاويه بين آب و پوشش TiO2 بهبود مي‌بخشد. اين خاصيت دي‌اكسيد تيتانيوم و ساير مواد فتوكاتاليست مي‌تواند سه مزيت براي اين مواد ايجاد نمايد:

نقش ضد ميكروبي:
بسياري از ميكروارگانيسم‌ها شامل باكتري‌ها، ويروس‌ها، قارچ‌ها و ... مي‌تواند توسط اين پوشش از بين بروند. پوشش ديواره سلولي اين موجودات، به وسيله فتوكاتاليست‌ها تجزيه شده و در نتيجه ميكروارگانسيم مذكور كشته مي‌شود‌ و سپس خاصيت تركنندگي سطح باعث مي‌شود كه تركيبات باقي مانده در سطح نيز شسته شوند.

رفع بوي بد:
راديكال‌هاي آزاد اين قابليت را دارند كه تركيبات بخار شدني ارگانيك روي سطح را كه منجر به ايجاد بوي بد مي‌شوند را با شكستن پيوندهاي مولكولي بين‌‌شان از بين ببرد. برخي از تركيبات بدبو نظير فرمالدييد، بنزين و تعداد زيادي از هيدروكربن‌هاي ديگر شامل اين موضوع مي‌شود. هم‌چنين فتوكاتاليست‌ها، عناصر آلوده‌كننده ارگانيك را نيز از بين مي‌برند.

تصفيه هوا
مواد فتوكاتاليست هم‌چنين باعث ايجاد خلوص در هوا، با از بين بردن مواد سمي موجود در هوا از قبيل تركيبات اكسيد نيتروژن (NOx) مي‌شود. NOx منجر به ايجاد بيماري‌هاي فراوان تنفسي در انسان مي‌‌شود و هم‌چنين به همراه اكسيد سولفور كه سمي است با باران‌هاي اسيدي مي‌توانند به محيط زيست نيز آسيب برسانند.

كاربرد كاشي‌هاي فتوكاتاليست در كجاست؟
خاصيت خودتميزكنندگي كاشي‌هاي فتوكاتاليست منجر به استفاده از اين كاشي‌ها در محيط‌هاي مختلفي هم‌چون آشپزخانه، بيمارستان‌ها، ساختمان‌هاي شهري و ... مي‌گردد. علاوه بر مزيت‌هاي سه‌گانه گفته شده استفاده از كاشي‌هاي فتوكاتاليست منجر به كاهش استفاده از مواد شيميايي و بهداشتي شده كه باعث كاهش آلودگي محيط زيست و در نتيجه ايجاد نشدن مواد آلي و غيرآلي آلوده كننده براي توليد اين مواد خواهد شد. اين كاشي‌ها براي مناطق آلوده شهري بسيار مناسب هستند. با نصب اين كاشي‌ها در محيط بيروني ساختمان علاوه بر جلوه زيباي سطحي، محيط زيست از نظر گازهاي سمي تصفيه شده و هم‌چنين نماي بيرون ساختمان همواره تميز باقي مي‌ماند.

محدويت‌هاي TiO2 چيست؟
عملكرد صحيح اكسيد تيتانيوم وابسته به همساني لايه TiO2 در سطح كاشي دارد و اگر بين لايه‌هاي TiO2 فاصله نباشد عملكرد اين لايه بسيار بهتر خواهد شد. اين لايه در تمامي محدوده‌هاي دمايي كاربرد دارد اما در دماهاي زير 10 درجه سانتيگراد فعاليت آن كم‌تر ملموس است. هم‌چنين در محيط‌هاي بسيار خشك نيز اين فاكتور كه نياز به رطوبت محيط دارد فعاليت‌ كم‌تري خواهد داشت. بنابراين در روزهاي خشك و سرد فعاليت فتوكاتاليستي محدود خواهد شد. باران مي‌تواند به فعاليت بهتر سيستم كمك كند و فقدان باران در محيط از تميزشدن سطح مي‌كاهد. با توجه به اينكه خاصيت فتوكاتاليستي به‌طور خود بخود از بين نمي‌رود، بنابراين شاهد از بين رفتن خودبخودي اين خاصيت در سطح كاشي نيستيم اما فعاليت آن مجدداً با شستشوي عناصري كه منجر به محدوديت كاركرد اين خاصيت مي‌شود برقرار مي‌گردد.
امروزه آزمايشات زيادي براي افزايش خاصيت فتوكاتاليستي با استفاده از فعاليت مواد نيمه هادي براي افزايش خاصيت آنتي باكتريالي كاشي‌ها در تمامي دنيا در حال انجام است و در آينده قطعاً شاهد نوآوري‌هاي بيشتري در اين خصوص خواهيم بود.
منبع نشريه tilemagonline