علم سرامیک

ـ چكيــده :

در اين مقاله به كاربرد نانو فناوري در صنعت توليد شيشه بويژه شيشه خودرو اشاره گرديده است . در اين زمينه به فناوري بكار رفته در ساخت شيشه هاي خود تميز شونده ، تشريح عملكرد سطوح دفع آب ، سطوح آبدوستي و مكانيزم خـود تميز شوندگـي اشاره گرديـده است . همچنين عملكـرد شيشه هاي رنگي حاوي نانو ذرات و شيشه هاي ذخيره كننده انرژي بيان گرديده است . در پايان خلاصه پژوهش هاي صورت گرفته در اين خصوص در مركز تحقيقات شركت سايپا شيشه اشاره شده است .

ـ كلمات كليدي :

نانو فناوري – شيشه خود تميز شونده – سطـح آبدوست – سطـح آب گريز – نانـو ذرات – ذخيره كننده انرژي .

Results from Application of Nanotechnology in Glass Production Indusrty

ABSTRACT :

IN THIS ARTICLE , APPLICATION OF NANO TECHNOLOGY FOR PRODUCTION OF GLASS ( ESPECIALLY VEHICLE GLASS ) IS MENTIONED . ALSO APPLIED TECHNOLOGY IN SELF CLEANING GLASS MANUFACTURING AND APPLICATION OF HYDROPHOBIA AND HYDROPHILIC SURFACE IS DESCRIBED . THEN PROPERTIES OF NANO PARTICLE GLASS AND LOW-E GLASS IS EXPLAINED AND FINALLY CONCLUSION OF RESEARCHING ABOUT THIS MATTERS THAT APPLYING IN SAIPA GLASS R&D DEPARTMENT IS MENTIONED .

KEY WORD :

NANOTECHNOLOGY – SELF CLEANING GLASS – HYDROPHILIC – HYDROPHOBIA – NANOPARTICLE – LOW _E .

ـ مقدمه :

امروزه پيشرفت فعاليت ها در حوزه نانو مواد با پشتوانه و سرمايه هاي روز افزون مالي ادامه دارد و شركتها به دنبال شناخت روشهاي جديد هستند . پيشرفت در روش هاي توليد با كيفيت و بازدهي محصول را بهبود مي بخشد و باعث ايجاد افقي روشن در زمينه توليد انبوه مي گردد . عمومي شدن بحث فناوري نانو و سود دهي بالاي آنها موجب شده تا بيشتر محققان در زمينه گسترش كاربردهاي فناوري نانو به كار خود ادامه دهند . نيرومحركه همه اين فعاليتها ، گسترش مداوم نانو مواد به علاوه خصوصيات و قابليتهاي جديدي است كه كشف شده است . همچنين براي افزايش تعداد تقاضا براي نانو مواد ، نوآوريهايي انجام مي شود تا عملكرد آنها اصلاح يافته و سود دهي افزايش يابد . در بسياري از حوزه ها مانند خودرو كه صنايع در آن به حد رشد رسيده اند ، استفاده از نانو مواد در واقع تلاش براي مرگ و زندگي است . به عبارت ديگر استفاده از نانو مواد در اين صنايع و ديگر صنايع به عنوان روش كسب برتري در بازار ، دائماً در حال گسترش است . بنابراين در اين مقاله به كاربردهاي فناوري نانو در صنعت توليد شيشه خودرو و مزاياي استفاده از اين فناوري ها اشاره گرديده است و تحقيقاتي كه در اين زمينه در مركز تحقيقات شركت سايپا شيشه در اين خصوص صورت گرفته است ، بيان گرديده است .

الف ) شيشه هاي خود تميز شونده :

شيشه هاي خود تميز شونـده (‌ فتوكاتاليتي + آب دوستي ) از سـال 2002 در بـازار در دسترس بوده اند و هـر روز نياز و تقاضا استفاده از آن شيشه هـا افزايش مي يابد كه براي عمـل خـود تميز شوندگي اين شيشه ها نور UV به عنوان يك پيش شرط لازم است . بنابراين شيشه هـا را مي توان تنها براي سطوح خارجي بكار برد . با اعمال پوشش خـاص ( اكسيدتيتانيوم ) و بكارگيـري UV كه در بخشي از نور خورشيد وجود دارد ، تشكيل اكسيژني فعال بر روي سطح شيشه تسريع مي گردد شكل(1).

اين اكسيژن به لكه هاي چربي آلي روي سطح شيشه حمله كرده و با تجزيه سطح تماس بين شيشه و چربي چسبندگي كاهش مي يابد و چربي مي تواند بهتر شسته شود ، بنابراين چربي بطور كامل خـارج مي شود . به طور طبيعـي شيشه هايي با تركيبي از خواص فتوكاتاليتي و آب دوستي تحت عنـوان شيشه هاي خود تميز شونده ناميده مي شوند شكل(2).

در ساخت شيشه ، ليزرهاي فتوكاتاليتي روي نوارهاي شيشه اي داغ در دماي بالاي c ° 600 پاشيده مي شوند . اين فرآيند پوشش دهي پيروليز ( PYROLYSIS )‌ ناميده مي شود كه از دهـه 60 براي محافظت در برابر اشعه خورشيد و پوشش هاي عايق حرارتي استفاده شده است . پوشش هاي فتوكاتاليتي بسيار پايدارند و نياز به تجديد و بازسازي دوباره ندارند . پوشش هاي با ضخامت 40 نانومتر را مي توان به روش CVD اعمال نمود .

شكل (1)-اثر فوتو كاتاليستي

شكل(2)-اثر فوتوكاتاليستي برروي سطح شيشه

عمل دفع چربي و سطوح تميز شونده روي سطح شيشه :

l سطوح دفع آب ( HYDROPHOBIA ) :

ـ با بكار بردن پوشش هاي خاص ، امكان افزايش كشش سطحي شيشه وجود دارد . احتمالاً بهترين مثال شناخته شده ، سطح يك جسمي است كه به تازگي واكس زده شده است . در اين حالت به راحتي مي توان اثر آب گريزي را مشاهده كرد . به دليل كشش سطحي افزايش يافته ، آب دفع شده و به شكل دانه هايي جريان مي يابد . در اين حالت به دليل آنكه سطح واكس زده شده است ، آب نمي تواند به سطح بچسبد . در واقع به دليل همين رفتار آب است كه به اين ويژگي آب گريزي گفتـه مي شـود . HYDRO آب است و PHOBIA به معناي تـرس مي باشـد . در واقـع اصطلاح HYDROPHOBIA ترس آب را از چيزي بنام سطح توصيف مي كند .

ـ دراين حالت آب به شكل قطرات و دانه هايي متراكم و به دنبال اين رفتارسعي مي كند كه از سطح فرار كند . عمل تميز كنندگي اين پوشش ها به اين علت است كه نه تنها آب ، بلكه لكه چربي ها و آلودگي ها نيز قادر به چسبيدن به سطح نيستند و همين باعث مي شود كه اگر بر روي سطح آب ريخته شود يا بعدها باران ببارد ، سطح شسته مي شود . ( لكه چربي ها دفع مي گردند و سطح به راحتي تميز مي شود . )

ـ به دليل كشش سطحي بالاتر ، نياز است قطرات آب قبل از چكيدن وزن بالاتري بدست آورند. قطرات كوچك به اندازه كافي سنگين نبوده و حتي بر روي سطوح لعاب كاري شده ممكن است خشك شده و بر روي شيشه بصور لك و خال ، اثرات آنها باقي بماند . هر آلودگي چسبنده از سطوح HYDROPHOBIA خيلي آسان تر از سطح يك شيشه معمولي مي توانند خارج شوند .

تشكيل فيلم :HYDROPHILIC

ـ با عمل آب دوستي (‌HYDROPHILIC به معني دوست داشتن ) كشش سطحي كم مي شود. در چنين حالتي قطرات آب بر روي سطح پخش شده و يك فيلم آب بر روي سطح تشكيل مي دهند . تشكيل اين فيلم آب دو مزيت دارد : مقدار يكساني آب سطح بزرگتري را خيس مي كند . اين عمل بطور طبيعي راندمان تميز كـاري را در مقايسـه با سطح شيشه هاي معمولـي بهبود مي بخشد . دوم اين كه هيچ قطره باراني بعد از باران باقي نمي ماند و فيلم آب جريان مي يابد . بدين ترتيب شيشه سريعتر خشك شده و هيچ اثري از لكه باران روي شيشه باقي نمي ماند .

مكانيزم خود تميز شوندگي :

ـ تيتانيا يك ماده نيمه هادي است كه باند ممنوعه نسبتاً وسيع ( حدود2/3 الكترون ولت ) دارد. وقتي يك پرتو نور با انرژي مساوي يا بالاتر از 2/3 الكترون – ولت به آن بتابد ، الكترون از باند ظرفيت خارج شده و به باند هدايت مي رود . بدين ترتيب يك حفره در باند ظرفيت و يك الكترون در باند هدايت ايجاد خواهد شد . در نتيجه اين عمل يك جفت الكترو – حفره بوجود مي آيد . يون هاي هيدروكسيل ( OH ) در داخل حفره مي افتد و منجر به تشكيل راديكال هاي هيدروكسيلي مي شوند كه عاملين اكسيداسيون بسيار قوي هستند .

وقتي كه تله ها براي الكترون ها گونه هاي اكسيژني باشند ، منجر به تشكيل گونه هاي سوپر اكسيدي O ₂ مي شوند كه عوامل كاهنده قوي هستند . توليد اين عوامل كاهنده و اكسيد كننده قوي سبب مي شوند تا ماده آلي به CO ₂ يا H₂O تبديل شود . بدين ترتيب قدرت چسبندگي ماده آلي روي سطح شيشه كم شده و محصولات توليد شده حاصل از واكنش چربي ها با پوشش در اثر وزش باد يا بارش آب باران از سطح جدا مي شوند شكل (3) .

ـ در محيط هايي كه ميزان نور و اشعه UV براي فعال شدن خاصيت كاتاليستي كافي نباشد ، انرژي براي خارج كردن الكترون هاي باند ظرفيت تيتانيا كم است . براي كاهش باند ممنوعه تيتانيا اگر بخواهيم دوباره جفت الكترون – حفره ها را با هم تركيب كنيم ، به دنبال آن خاصيت فتوكاتاليستي كم مي شود

براي رفع اين مسئله يك راه مناسب براي كاهش باند ممنوعه تيتانيا دپ كردن يون هاي فلزي به تيتانيا است . به دنبال اين كار خاصيت فتوكاتاليستي ، آنتي باكتريال و خود تميز شوندگي تا حد زيادي بهبود مي يابد .

شكل(3)-تفاوت شيشه معمولي وآبدوست

ـ مزايا و ويژگي هاي شيشه هاي خود تميز شونده :

1 ـ پس زدن آب و روغن از روي سطوح .

2 ـ عدم چسبيدن آلودگي و كثافات بر روي سطوح

3 ـ پاك شدن گل و لاي بوسيله آب باران .

4 ـ عدم رسوب گرفتن سطوح .

5 ـ ممانعت از خوردگي شيشه .

6 ـ بكار بردن اين شيشه ها در خودرو باعث مي شود سطح شيشه اتومبيل تا 000/50 كيلومتر بدون برف پاك كن تميز بماند .

7 ـ افزايش استحكام و مقاومت شيشه در برابرخش افتادگي

8 ـ جلوگيري از تشكيل اثر انگشت روي شيشه .

9 ـ تا 20 % شيشه روشن تر و شفاف تر مي شود .

10 ـ تا 30 % سطح شيشه يكنواخت تر مي شود .

11 ـ افزايش ديد از طريق شيشه در شرايط بد آب و هوايي .

12 ـ‌كاهش انتقال صدا تا 24 % در مقايسه با شيشه هاي معمولي .

13 ـ كاهش مقدار عبور اشعه UV از شيشه بدين ترتيب از كدر شدن سطوح كنترلي و داشبرد جلوگيري مي شود .

14 ـ شيشه تا مدت زمان طولاني تميز باقي مي ماند .

ب ) شيشه هاي رنگي حاوي نانو ذرات :

در سال هاي اخير نوع جديدي از بدنه هاي فلورسان بسيار درخشان شامل يك شيشه حاوي ذرات نانويي نيمه هادي پراكنده ساخته شده اند . اين بدنه ها بر خلاف بدنه هاي فلورساني كه تاكنون گسترش يافته اند ، مي توانند نور مرئي را از هـر طول موجـي جذب كند . در اين شيشه هـا ذرات نيمه هادي ، پايداري بالا و چسبندگي يكنواختي با بدنه فلورسان دارند . بدين ترتيب مي توان اين شيشه ها را براي توسعه قطعات مختلف بكار برد .

بخش پژوهشي فتونيك انستيتو بين المللي تكنولوژي و علوم صنعتي پيشرفته ( AIST ) اولين بار توانسته است نوع جديدي از شيشه هاي فلورسان با روشنايي حدود سه برابر بدنه هاي شيشه هاي معمولي را توليد نمايد . اين شيشه برخي خواص خيلي عالي نظير شفافيت ، استحكام مكانيكي ، مقاومت حرارتي و پايداري شيميايي را دارد .

ج ) شيشه هاي ذخيره كننده انرژي :

امروزه توسعه فن آوري توليد پوششهاي چند لايه (window film ) توانسته است مشكلات متعدد كاربرد شيشه در اتومبيل ها را به ميزان قابل توجهي رفع نمايد . چنين محصولاتي معمولاً‌ از 6 لاية بهم فشرده تشكيل شده اند و هر لايه منشاء ايجاد خاصيت مشخصي ميباشد . ضخامت نهايي اين محصولات حدود 50 ميكرون است و براي نصب آنها هيچ احتياجي به خارج كردن شيشه ها و يا تعويض آنها نخواهد بود .

جلوگيري از ورود حرارت خورشيد

آيا تا به حال از گرماي شديد نورخورشيد و تابش مستقيم آن ، هنگامي كه داخل اتومبيل نشسته ايد آزرده

شده ايد ؟

پوششهاي مدرن با كاهش ورود حرارت خورشيد به طور متوسط به ميزان 40% از افزايش دماي داخل اتومبيل جلوگيري مي نمايند . در نتيجه فشار كمتري به سيستم سرمايش اتومبيل وارد شده و آسايش سرنشينان در فصول گرم بسادگي تأمين خواهد شد . در ضمن چه داخل اتومبيل خنك باشد و چه نباشد ، وقتي آفتاب مستقيماً‌ به سرنشينان بتابد باعث آزارآنها خواهد شد . اما با استفاده از پوششهاي مدرن ، به علت آنكه اكثر قسمت حرارت زاي نور خورشيد فيلتر مي شود ، حتي تابش مستقيم هم فقط گرماي اندكي ايجاد مي نمايد .

روش هاي رايج مختلفي براي پوشش دهي شيشه ها نظير آينه ها ،CRT و فسفرها وجود دارد. روش پاششي ( SPUTTERING ) روش اصلي براي اعمال پوشش هاي كنترل كننده انرژي و حرارت در شيشه هاي ساختمان و اتومبيل مي باشد . روش پاششي شامل تجزيه فيزيكي بخار ( PVD ) است كه در

يك محفظه خلاء انجام مي شود . در اين روش ابتدا شيشه تميز مي شود و سپس لايه هاي نازكي از مواد بطور يكنواخت بر روي سطح شيشه تشكيل مي شود .

تأمين سلامت سرنشينان و لوازم خودرو

احتمالاً‌ شما هم شاهد ترك خوردگي و رنگ پريدگي قطعات داخلي خودرو در اثر تابش خورشيد بوده ايد ؟ يا اينكه به حساسيت هاي پوستي ناشي از تابش خورشيد مبتلا شده ايد .

شايد بدانيد كه علت پيدايش تمامي اين مشكلات اشعه مضر فرابنفش خورشيد ( UV ) است كه به دليل داشتن فركانس بالا داراي انرژي زيادي بوده و مي تواند از شيشه ها عبور كرده و به راحتي قطعات داخلي خودرو را دچار رنگ پريدگي و ترك خوردگي نمايد .

همچنين 80% از چين و چروك هايي كه در پوست ديده مي شود حاصل تابش اشعه فرابنفش در بيست سال اول زندگيست كه آثار سوء ‌آن مدتي نهفته مي ماند و در سنين بالا نمايان ميشود .

اما پوششهاي مدرن به علت بكارگيري گونه هاي شيميايي UVabsorbers در ساختار آنهاقادر هستند به ميزان 99% تا 99.9% از ورود اشعه مضر فرابنفش

( UV ) جلوگيري نمايند . همچنين عدد SPF اين محصول 100 مي باشد به عبارت ديگر آثار سوء اشعه فرابنفش به يكصدم كاهش مي يابد . اين مزيت در كرم هاي ضد آفتاب استاندارد بين 15 تا 45 مي باشد .

لازم به ذكر است كه پيشرفته ترين انواع اين تكنولوژي موفق به دريافت توصيه نامه بنياد جهاني سرطان پوست The skin cancer foundation گرديده است .

بطور عمده دو نوع پوشش بر روي شيشه ها اعمال مي گردد: :

1 ـ پوشش هاي كنترل نور خورشيد .

2 ـ پوشش هاي با گسيل پايين ( LOW-E )‌ .

هدف اوليه پوشش هاي كنترلي انرژي خورشيدي كم كردن راندمان حرارتي از طريق كاهش عبور انرژي خورشيدي ميباشد . راه حل مرسوم براي رفع اين مشكل استفاده از موادي است كه انرژي خورشيد را جذب يا دوباره منعكس مي كنند مي باشد .

اين شيشه ها در مقايسه با شيشه هاي معمولي انعكاس بالاتري دارند . اين پوشش ها شامل يك تا سه لايه و حتي بيشتر مي باشـد . اين پوشش ها شامل عناصر مختلف نظير فولاد زنگ نزن و يا دي اكسيد تيتانيوم مي باشند .

در دهه اخير تقاضاي بازار براي شيشه هاي پوشش داده شده به عنوان كنترل كننده نور خورشيد و عايق حرارتي افزايش يافته است . پوشش هاي اعمال شده بر روي اين شيشه ها در ضخامت نانومتري مي باشد .

شيشه هـاي با نشر پايين باعـث ذخيره سـازي انرژي و در عين حـال صرفه جويـي در پول مي شوند . اين شيشه ها اجازه عبور نور مرئي را مي دهند در حاليكه نور ماوراء بنفش و مادون قرمز را منعكس مي كنند .

ـ نتيجه گيري :

در شركت سايپا شيشه نمونه شيشه خود تميز شونده و نمونه شيشه LOW-E ( با گسيل پايين ) تست گرديد . بر روي نمونه هاي شيشه خود تميز شونده به كمك ماژيكي كه آغشته به مواد آلي بوده بر روي سطح شيشه لايه اي از مواد آلي آغشته گرديد و سپس با در معرض قرار دادن شيشه ها در مقابل لامپ UV ( ماوراء بنفش ) مشاهده گرديد كه لايه آلي از روي سطح شيشه زدوده شد و بدين ترتيب عملكرد خود شويندگي شيشه ها تأئيد گرديد .

ـ همچنين در مورد شيشه هاي LOW-E همانطور كه مي دانيم مطابق شكل (4) شيشه LOW-E مي بايست بتواند اشعه مادون قرمز (IR ) كه طول موج آن كمتر از 400 نانومتر و همچنين اشعه ماوراء بنفش كه طول موج آن بيشتر از 800 نانومتر مي باشد را بطور كامل يا بخشي از آن را جذب نمايد و محدوده روشنايي كه مورد نياز براي بينايي انسان مي باشد و طول موج آن مابين 400 تا 800 نانومتر است را كاملاً عبور دهد .

شكل(4)-طيف امواج الكترومغناطيسي

به همين منظور ابتدا شيشه معمولي خودرو با دستگاه اسپكتوفتومتر مورد آزمايش قرار گرفت كه مطابق شكل (5) اشعه UV در مقياس متـوسط 80 % و اشعـه IR در مقياس 60 % از جداره شيشه عبـور مي نمايد كه همانطور كه قبلاً اشاره گرديد مطلوب نمي باشد ، چرا كه عبور اشعه IR باعث گرم شدن داخل كابين خودرو و عبور اشعه UV باعث فرسودگي زودرس مبلمان و اثاثيه داخل كابين خودرو و همچنين آسيب رساندن به سلامت سرنشينان خودرو مي گردد .

شكل(5)-نمودار عملكرد شيشه معمولي نسبت به طيف نور

اما شيشه LOW-E نمونه سازي شده در آزمايشگاه عملكرد آن مطابق شكل (6) مي باشد .

يعني اشعه UV را در مقياس متوسط 40 % ( نصف شيشه معمولي خودرو ) و اشعه IR را در مقياس متوسط 20 % ( يك سوم شيشه معمولي خودرو ) از خود عبور داده است و محدوده طول موج نور روشنايي را در مقياس متوسط 91 % از خود عبور داده است .

بنابراين شيشه LOW-E نمونه سازي شده دو طول موج مضر ( IR و UV ) را از خود عبور نداده يا دست كم عبور كمتري داده و طول موج ( محدوده بينايي ) را با شرايط بهتري از خود عبور داده است كه اين مهمترين مزيت اين نوع از شيشه ها مي باشد .

شكل(6)- نمودار عملكرد شيشه LOWE نسبت به طيف نور

ـ تقدير و تشكر :

در پايان بر خود واجب مي دانم كه از زحمات آقاي مهندس برجعلي كه در انجام تست ها و آزمايش ها همكاري فرمودند ، تشكر نمايم .

مراجع:

http://www.nanoforum.org/

· http://www.azonano.com

· http://mae.pennnet.com

· http://www.ee.leeds.ac.uk/nanomsc

· http://www.apnano.com/

· http://www.nanotechwire.com/

· http://www.technologyreview.com/

· http://www.magnafabrics.com/category/425.htm

· http://www.nanoindustries.com/

· http://www.azom.com/

· http://www.compositesworld.com/

· http://www.nanoeurope.org/

· http://www.nanoproofed.at/

· http://www.thenanotechnologygroup.org/

· http://nanotechnologyinvestment.com/

· http://www.chemsoc.org/networks

· http://www.bedin.no/php