شیشه خودتمیزشونده

شیشه خودتمیز شونده. تفاوت بین شیشه معمولی و سطح شیشه ای آبگریز

شیشه خودتمیزشونده (به انگلیسی: Self-cleaning glass) یکی از انواع سطوح خود تمیز شونده است و مشخصا به شیشه‌هایی گفته می‌شود که سطح‌شان کثیف نمی‌شود.

در عمل، تمیز کردن سطوح مصالح ساختمانی مانند شیشه، کاشی و سطوح نما سازی، با مشکلات متعددی توأم است. مسائلی از قبیل مصرف مقادیر زیاد انرژی و مواد شوینده شیمیایی و به تبع آن هزینه‌های زیاد. به منظور درک فرایند خود تمیز شوندگی مصالح یکی ویژگی هیدروفوبیک (آب گریزی) و دیگری ویژگی هیدروفیلیک (آب دوستی) مورد توجه قرار می‌گیرد.

میزان ترشوندگی یک جسم جامد با آب (در سرعتی که محیط فراگیرنده، هوا باشد)، بستگی به ارتباط بین نیروهای کشش بین سطحی (آب و هوا، آب و جسم جامد و هوا و جسم جامد) دارد. نسبت بین این نیروهای کششی است که زاویه تماس قطرات آب با سطح را تعیین می‌کند. زاویه تماس سطوح صفر درجه، به معنای تر شدگی کامل و زاویه تماس صد و هشتاد درجه، به معنای خشک ماندن کامل است.

سطوح آب گریز، دارای قابلیت ترشوندگی اندک و زاویه تماسی حدود صد درجه هستند از مدتهای مدید شناخته شده‌اند. هرچه زاویه تماس بالاتر برود، قابلیت دگر چسبی سطوح، کمتر خواهد شد و سطح به سمت سطوح آب گریز متمایل می‌شود و برعکس با کاهش زاویه تماس بر قابلیت دگر چسبی افزوده شده و سطح مورد نظر، آب دوست لقب می‌گیرد. اصولاً زاویه تماس برای سطوح آب گریز بیش از نود درجه و برای سطوح آب دوست کمتر از سی درجه است.

روش‌های تمیز کردن که بر اساس کاهش زاویه تماس عمل می‌کنند، از زمان کشف صابون (هزاره سوم پیش از میلاد مسیح) به دنیا معرفی شده است. به‌طور کلی، مواد شوینده از اثر کشش سطحی آب کاسته و زاویه تماس آب با سطح را کمتر می‌کنند.

برخی از حوزه‌های کاربردی که بشر می‌تواند از سطوحی با چنین ویژگی‌هایی استفاده کند، عبارتند از: شیشه‌های ساختمانی، مصالح نما سازی، در و بدنه حمام، استخر، سونا، پانل‌های خورشیدی تولید انرژی و گلخانه.

فناوری نانو در صنعت ساختمان

فناوری نانو در صنایع ساختمان هم نقش بسزایی دارد، در این راستا بیشترین سهم را صنایع فولاد، شیشه و بتن ایفا می‌کنند. کاربرد نانوذرات در صنعت ساختمان که مهم‌ترین آن‌ها نانولوله‌های کربنی (CNT) و دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2) هستند، عموماً در سازه‌های اصلی باعث افزایش خواص مکانیکی نمونه‌ها شده و در بخش نازک کاری نیز کاربرد نانوپوشش‌ها در نمای داخلی وخارجی ساختمان‌ها نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

برای مثال، گل رس و سرامیک را می‌توان به ابعاد نانو درآورد و به صورت پودر با نانو پلیمرها مخلوط کرده و در محیطی خنثی مصالحی سخت و مقاوم را که نمونه آن تا به حال دیده نشده به‌وجود آورد.

فناوری نانو و پوشش‌های ساختمانی

نانوپوشش‌های ساختمان ضمن اینکه باعث دفع آب شده و جذب کثیفی را به حداقل می‌رسانند، نمای ساختمان را در مقابل اشعه UV مقاوم می‌سازند. این نانوپوشش‌ها در سطوحی از جمله؛ سیمان، آجر، سفال، سنگ معمولی، کاشی، مرمر، چوب، سرامیک، شیشه، فولاد و بتن به کار می‌روند.

ساخت بتن تقویت شده، خود تعمیرکننده و خود تمیز شونده، شیشه‌های خود تمیز شونده، مقاوم در برابر آتش و کنترل‌کننده انرژی و در نتیجه صرفه جویی در مصرف انرژی، استفاده از رنگ‌های حاصل از علم نانو که باعث عدم نفوذ باکتری‌ها به ساختمان‌های اداری، مسکونی، بیمارستان‌ها و غیره شده و به آنها عمری طولانی، محیطی عاری از باکتری و ماهیتی غیرقابل کثیف شدن و فرسودگی می‌بخشند نیز از دیگر کاربردهای مهم فناوری نانو در صنعت ساختمان است.

بدین ترتیب به راحتی می‌توان تشخیص داد که ما با دنیای تازه‌ای به نام فناوری نانو روبرو هستیم. متخصصان علم نانو بر این باورند که بعد از تولید ماشین‌های بخار، موتور و توسعه IT، فناوری این علم افق‌های تازه‌ای را به دنیای انسان‌ها بازخواهد کرد. فناوری نانو، قادر است مواد را تا اندازه‌ای کوچک کند که با دوباره‌سازی آن‌ها بتوان مواد و فناوری‌های جدیدی را به دنیا عرضه نمود.

نانوپوشش‌های ساختمان در سطوح داخلی و خارجی ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. در این سطوح (سطوح هوشمند) که عموماً فوق آبدوست یا فوق آبگریز هستند واکنش‌ها بر روی سطح صورت می‌گیرد. لازم است ذکر شود که نانوپوشش‌ها ساختمان آنتی باکتریال بوده و برای سلامتی انسان بی‌ضرر هستند.

شیشه و نانوتکنولوژی

از کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت ساخت شیشه می‌توان به محصولاتی مانند شیشه‌های خودتمیز شونده، شیشه‌های کنترل‌کننده انرژی و شیشه‌های محافظ در برابر آتش اشاره کرد. در ساخت شیشه‌های خود تمیز شونده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده می‌شود. این شیشه‌ها دارای خاصیت ضدلک و ضدعفونی‌کنندگی هستند. ساخت شیشه‌های خود تمیزشونده که حتی مشکل تمیزکاری پنجره‌ها به‌خصوص در ساختمان‌های بلند را از میان برمی‌دارد، با کمک فناوری نانو حاصل شده است.

شیشه‌های محافظ در برابر آتش از طریق قرار دادن یک لایه شفاف محتوی نانوذرات سیلیس در میان دو صفحه شیشه‌ای ساخته می‌شوند. شیشه‌های کنترل‌کننده انرژی سبب کاهش عبور امواج ماورای بنفش و مادون قرمز، و تنظیم عبور نور مرئی و هم چنین جلوگیری از اتلاف انرژی در بخش‌های مختلف و استفاده بهینه انرژی در ساختمان شده است. از طرفی به حفظ و نگهداری ساختمان برای مدت طولانی، و همچنین مقاوم‌سازی آن، حتی در برابر حوادث غیرمترقبه کمک بسیاری می‌کند.

عامل کثیفی و لک بر روی شیشه فرورفتگی‌های میکروسکوپی در سطح شیشه و نشست ذرات گردوغبار و ترکیب آن‌ها با آب و چربی‌ها است. ماده نانوئی دی‌اکسید تیتانیوم با قرار گرفتن بر روی سطح شیشه، باعث پوشش فرورفتگی‌ها شده و سطح شیشه کاملاً مسطح می‌گردد. از اینرو مانع از کثیف و خیس شدن سطح می‌شود و در نتیجه با یک بار بارش باران یا آب ریختن بر روی سطح تمامی کثیفی آن از بین می‌رود.

نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم

نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم عضوی از خانواده بزرگ نانو ذرات هستند به سبب ایجاد خاصیت خود تمیزکنندگی برای سطوح، از ابتدای شکل‌گیری فناوری نانو، مورد توجه ویژه واقع شده‌اند. از این نوع فوتو کاتالیست می‌توان برای ساخت شیشه‌ها و آجرهای خود تمیز کن در نمای ساختمان‌ها استفاده کرد. علاوه بر این با پوشش دهی نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر زیر لایه‌های مناسب، می‌توان فیلترهای کار آمدی برای از بین بردن بو، تصفیه هوا و آب و فاضلاب ساخت.

پوشش‌هایی از ماده دی‌اکسید تیتانیوم را با استفاده از روش‌های گوناگون، بر روی شیشه لایه نشانی می‌کنند. این پوشش با توجه به خاصیت نیمه هادی اکسیدی دی‌اکسید تیتانیوم طی دو مکانیزم باعث به وجود آمدن دو خاصیت می‌شود. زمانی که پوشش دی‌اکسید تیتانیوم بر روی شیشه‌ها در معرض تابش UV (که بخش اعظم نور خورشید را تشکیل می‌دهد) قرار می‌گیرد، آلودگی‌هایی مانند گرد و غبار و ذرات همراه باران را که به مرور زمان بر روی شیشه باعث آلوده شدن و عدم دید خوب می‌شود، تجزیه می‌کند.

شیشه‌های کم گسیل و خود تمیز شونده

پوشش‌های Nanoprotect AG که در صنعت خودرو‌سازی کاربرد دارد، موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده و به راحتی می‌توان سطح آن را تمیز کرد. این روکش همچنین ضدسایش بوده و علاوه بر مقاوم بودن در برابر پرتوهای فرابنفش، از دوامی طولانی برخوردار است.

مشکل آلودگی سطوح مخصوصاً در مورد سطوح با انرژی بالا همانند شیشه یا فلز که تمایل به جذب مولکول‌های دیگر دارند، فراگیر است. راهبرد معمول برای حل این مشکل، کاهش انرژی آزاد سطحی این مواد بدون از بین رفتن ویژگی‌هایی همانند شفافیت است. برای رسیدن به سطوح آسان تمیزشونده باید به طریقی انرژی سطح را کاهش داد. یکی از مثال‌های آشنای این مورد، روکش‌های پرفلوئوره (تفلون) بر روی ظروف آشپزی نظیر تابه‌های نچسب است.

معمولاً زمانی که زاویه تماس آب بالای ۱۰۰ درجه است، ویژگی دفع روغن و آب افزایش می‌یابد. نکته قابل تأمل این است که این نوع پوشش‌های کاهنده انرژی سطحی بر روی موادی چون شیشه قابل استفاده نیست؛ زیرا اساس استفاده از شیشه، که شفافیت است را به شدت کاهش می‌دهد. برای رسیدن به شیشه با انرژی سطحی پایین باید از لایه‌های نازک بر روی سطح استفاده شود، تا شفافیت تغییر قابل ملاحظه‌ای نداشته باشد. در عین حال بتواند خواص جدید مورد نیاز را نیز تأمین کند. برای این منظور می‌توان از مواد مختلفی استفاده کرد. این مواد باید به گونه‌ای انتخاب شوند که پس از نشستن بر روی سطح شیشه گروه‌های آبگریز آن‌ها (نظیر متیل، اتیل و …) به سمت خارج جهت‌گیری کند، تا ضمن کاهش جذب آلودگی به راحت‌تر تمیز شدن آن نیز کمک کند.

نحوه عملکرد پوشش نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر روی شیشه

خاصیت دومی که این پوشش به شیشه می‌دهد خاصیت آب دوستی است به این ترتیب که آلودگی‌های تجزیه شده هیدروکربن‌های آلی بر روی شیشه، بر اثر بارش باران یا آبی که به صورت مصنوعی بر روی شیشه ریخته می‌شود، به صورت ورقه‌ای پایین می‌آید.

ویژگی‌ها

• پس زدن آب و روغن از روی شیشه
• عدم چسبیدن آلودگی و کثیفی بر روی شیشه
• پاک شدن گل و لای به وسیلهٔ آب باران
• عدم رسوب گرفتن شیشه
• ممانعت از خوردگی
• افزایش استحکام و مقاومت شیشه در برابر خش افتادگی
• جلوگیری از تشکیل اثر انگشت روی شیشه
• روشن‌تر و شفاف تر شدن شیشه تا ۲۰٪
• یکنواخت تر شدن سطح شیشه تا ۳۰٪
• افزایش دید از طریق شیشه در شرایط بد آب و هوایی
• تمیز باقی ماندن شیشه تا مدت زمان طولانی
• ضد انعکاس

دیگر ویژگی‌های شیشه‌های پوشش داده شده با نانو اکسید تیتانیوم:

• بدون هیچ گونه تغییر رنگ و کشیدن لایه‌ای بر روی سطح شیشه (برخلاف رزین‌ها) با سطح شیشه واکنش می‌دهد و سطحی کاملاً صیقلی را شکل می‌دهد. (آنتی استاتیک: عدم جذب گرد و غبار)
• خاصیت خود تمیز شوندگی: به دلیل عدم جذب آلاینده‌ها بر روی سطح شیشه؛ با وزش باد و بارش باران شیشه تمیز می‌شود.
• عدم رسوب گرفتن سطح شیشه در استخرها و سرویس‌های بهداشتی.
• شفاف باقی ماندن سطح شیشه برای مدت طولانی.
• افزایش مقاومت شیشه در برابر سایش و خوردگی (برای شیشه‌های ساختمان و خودروها)
• اجرای آسان محلول بر روی سطح شیشه
• کاملاً مقرون به صرفه برای مصارف خانگی و صنعتی و پیمانکاری.
• در صورت لازم افزودن خاصیت فتوکاتالیستی به محلول (تمیز شدن شیشه در زیر نور آفتاب)

جستارهای وابسته

• آب‌گریز_بادوام
• سطوح خود تمیز شونده
• فناوری نانو
• نازک کاری

منابع

• ماهنامه فناوری نانو، سال دهم، مهر ۹۰
• https://web.archive.org/web/20140221104558/http://www.bhrc.ac.ir/portal/Default.aspx?tabid=207
• http://edu.nano.ir
• گلابچی، محمود (۱۳۹۰). نانو فناوری در معماری و مهندسی ساختمان. تهران: دانشگاه تهران.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)

• Yang، S (۲۰۰۲). Physics and chemistry of Nanostructured materials. New York: Tailor&Francis.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
• Ramsden، J (۲۰۰۹). Applied Nanotechnology. Oxford: Elsevier.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)