خلاصه فناوری
امروزه در حوزه پوششها، پوششهای نانوکامپوزیتی با قابلیتهای دو یا چندگانه و خواص منحصر به فرد مورد توجه قرار گرفتهاند و پوششهای نانوکامپوزیتی متنوعی برای مقاصد گوناگون توسعه یافتهاند که از آن جمله میتوان به پوششهای نانوکامپوزیتی پایه پلیمری با حضور نانوساختارها مانند نانوذرات، نانولولهها و نانوصفحات اشاره نمود. در مقایسه، روشهای متعددی برای ساخت پوششهای نانوکامپوزیتی پلیمری وجود دارد که مبتنی بر پاشش پلیمرهای حلال دار (مانند رنگها و پلیمرهای دو جزئی حاوی حلال) یا پاشش پودری (اتصال الکترواستاتیک پودر و پخت نهایی در آون) است. در این میان، فناوری مورد استفاده در این طرح؛ از مزایایی چون عدم استفاده از حلالها (مسائل زیست محیطی) و عدم نیاز به زمان یا حرارت (کاهش زمان تولید و هزینهها) برخوردار است و با فناوریهای نوینی در این زمینه مانند استفاده از نانوسوسپانسیونها امکان ایجاد پوششهای نانوکامپوزیتی بدون مشکلاتی مانند آگلومره شدن نانوساختارها فراهم شده است. پوششهای پلیمری متنوعی را میتوان با این فرآیند پاششی ایجاد کرد که از آنجمله میتوان به پوششهای پلی اتیلنی، پلی تترافلورو اتیلن و یا پلی آمیدی اشاره نمود که محصولات تجاری و متداول آنها وجود دارد. در این میان پوششهای پلیمر-سرامیک متداولی به صورت کامپوزیتهای ذره-زمینه نیز به صورت تجاری در دنیا عرضه شدهاند. از اینرو میتوان با افزودن نانوذرات سرامیکی و نانوساختارهای کربنی، این پوششها را به صورت نانوکامپوزیتی ایجاد کرد تا علاوه بر کارایی بالاتر (محافظت بیشتر در برابر خوردگی) کارکردهای جدیدتری مانند پدیده ابرآبگریزی، ضدخزه بودن، آنتیباکتریال بودن و غیره قابل حصول باشد.
ضرورت مسئله
مقابله با پدیدههای مخربی چون خوردگی و تخریب قطعات و سازههای صنعتی و همچنین پیامدهای ناشی از عملکرد نامناسب در برخی موارد مانند شناورها و یا مقرههای انتقال برق موجب شده است تا نیاز به سطوح و پوششها با عملکرد چندگانه بیش از پیش احساس گردد. سطوح مورد نیاز در صنعت علاوه بر مقاومت در برابر تخریب مانند پدیدههای خوردگی، بایستی خواص منحصر به فردی چون ضدیخ زدگی، خودتمیزشوندگی، آنتی باکتریال بودن، ضد خزه و جلبک بودن و حتی خواص فیزیکی خاصی را باید از خود نشان دهند. امروزه سطوح و پوششها با خاصیت ابرآبگریزی توانستهاند پاسخگوی این نیازها باشند و تحول عظیمی را در آینده پوششهای محافظ عملگرا ایجاد نمایند. در خصوص ساخت پوششهای ابرآبگریز، روشهای گوناگونی برای ساخت مانند روشهای مبتنی بر سل ژل، لیتوگرافی، اچ شیمیایی و الکتروشیمیایی، جدایش فازی، روشهای مبتنی بر رسوب فیزیکی و شیمیایی بخار، و غیره وجود دارند که در اکثر این روشها پوششهای ابرآبگریز به دلیل عدم پایداری کافی مکانیکی و شیمیایی امکان توسعه صنعتی وجود ندارد و ضرورت دستیابی به روشهای ایجاد سطوح با کارایی بالا را دوچندان مینماید.
مسئله اصلی تحقیق
پوششهای ابرآبگریز به دلیل رفتار ویژه خود در برابر سیالات (عدم ترشوندگی) توجه بسیار زیادی را به خود جلب کردهاند و در موارد مختلفی مانند محافظت در برابر خوردگی، ضدیخ زدگی، خودتمیزشوندگی، آنتی باکتریال بودن، ضد خزه و جلبک بودن، و جداسازی مخلوط روغن-آب کاربرد دارند. اگر چه روشهای متعددی برای دستیابی به خواص ابرآبگریزی وجود دارد؛ اما اصول علمی آن مشترک بوده و دو شرط اساسی: 1- ساختار سلسله مراتبی میکرو و نانو مقیاس (وجود زبری نانومتری بر روی زبری سطحی در مقیاس میکرونی)؛ و 2- انرژی سطحی پایین برای دستیابی به خواص ابرآبگریزی نیاز است، که منجر به زاویه ترشوندگی بیش از °150 و زاویه سر خوردن قطره آب کمتر از °10 میگردد. روشهای گوناگونی برای ساخت پوششهای ابرآبگریز مانند سل ژل، لیتوگرافی، اچ شیمیایی و الکتروشیمیایی، جدایش فازی، روشهای مبتنی بر رسوب فیزیکی و شیمیایی بخار و ... وجود دارند. در اکثر این روشها زبری سلسله مراتبی باید ایجاد شوند و سپس با استفاده از یک ماده با انرژی سطحی پایین (عوامل آلی با انرژی سطحی کم مانند پلیمرها و اسیدهای چرب)، به سطحی با عدم ترشوندگی تبدیل میشوند. مشکل اساسی پوششهای ابرآبگریز عدم پایداری کافی مکانیکی و شیمیایی آنها به منظور کاربرد صنعتی میباشد به طوری که حتی در برخی از روشهای تولید، بعد از تماس مکرر با آب و حتی در اثر سایش با دست این خاصیت از بین میرود. لزوم عاملدار کردن سطح با استفاده از عوامل آلی کم انرژی از جمله اصلیترین نقطه ضعفهای پوششهای ابرابگریز متداول است، چرا که عاملدار کردن سطح پوشش با این مواد آلی کم انرژی تنها محدود به سطح پوشش بوده و در صورت قرار گرفتن پوشش در شرایط کاری ساینده خواص ابرآبگریزی به سرعت از بین خواهد رفت. از اینرو باید روشهای مبتنی بر ایجاد ساختار سلسله مراتبی (زبری میکرونی و نانومتری همزمان) در سطح خود "مواد با انرژی سطحی کم" توسعه یابند. بنابراین ایجاد لایهای از مواد با انرژی سطحی کم بر روی بسترهای مورد نظر، راهکار مناسبی به نظر میرسد و در این میان درحین ایجاد این لایهها (پوششها)؛ ساختار سلسله مراتبی بایستی ایجاد شود. در نتیجه پوششدهی سطوح با مواد ذاتا کم انرژی مانند پلیمرهای خاص، یک راهکار عملی و صنعتی خواهد بود که در آنها زبری میکرونی جزو خصوصیات ذاتی این پوششها است و برای دستیابی به زبری نانومتری از قراردادن نانوذرات و نانوساختارها در زمینه این پوششها استفاده میشود و پوشش پلیمری نانوکامپوزیتی بایستی ایجاد شود. علاوه بر این، ایجاد ساختارهای سلسله مراتبی (زبری دوگانه میکرونی و نانومتری) موجب ایجاد نقاط تمرکز تنش در پوشش میگردد که احتمال ترک خوردگی و آسیب پوشش در شرایط کاری را به همراه دارد و پوشش بایستی از خواص مکانیکی بالایی برخوردار باشد که با ساخت به صورت نانوکامپوزیتی افزایش خواص مکانیکی حاصل میشود.
با توجه به مطالب ذکر شده در خصوص چالشهای پیشرو برای دستیابی به پوشش ابرآبگریز، بایستی روشهایی برای پوششدهی مواد با انرژی سطحی کم (مانند پلیمرها) توسعه یابد که ساختار سلسله مراتبی (زبری دوگانه میکرونی و نانومتری) در پوشش ایجاد شود و علاوه بر قابلیت ایجاد یک پوشش نانوکامپوزیتی، قابلیت ایجاد در مقیاسهای بزرگ و صنعتی را داشته باشد. امروزه در حوزه پوششها، پوششهای نانوکامپوزیتی با قابلیتهای دو یا چندگانه و خواص منحصر به فرد مورد توجه قرار گرفتهاند و پوششهای نانوکامپوزیتی متنوعی برای مقاصد گوناگون توسعه یافتهاند که از آن جمله میتوان به پوششهای نانوکامپوزیتی پایه پلیمری با حضور نانوساختارها مانند نانوذرات، نانولولهها و نانوصفحات اشاره نمود. روشهای متعددی برای ساخت پوششهای نانوکامپوزیتی پلیمری وجود دارد که مبتنی بر پاشش پلیمرهای حلال دار (مانند رنگها و پلیمرهای دو جزئی حاوی حلال) یا پاشش پودری (اتصال الکترواستاتیک پودر و پخت نهایی در آون) است. در این میان، فناوری پاششی در این طرح؛ از مزایایی چون عدم استفاده از حلالها (مسائل زیست محیطی) و عدم نیاز به زمان یا حرارت (کاهش زمان تولید و هزینهها) برخوردار است و با فناوریهای نوینی در این زمینه مانند ساخت سوسپانسیون پایدار، امکان ایجاد پوششهای نانوکامپوزیتی بدون مشکلاتی چون آگلومره شدن و از بین رفتن توزیع یکنواخت نانوذرات در پوشش نهایی فراهم شده است. پوششهای پلیمری متنوعی را میتوان با فرآیند پاشش سوسپانسیونی ایجاد کرد که از آن جمله میتوان به پوششهای پلی اتیلنی، پلی تترافلورو اتیلن و یا پلی آمیدی اشاره نمود که محصولات تجاری و متداول آنها وجود دارد. در این میان پوششهای پلیمر-سرامیک متداولی به صورت کامپوزیتهای ذره-زمینه نیز به صورت تجاری در دنیا عرضه شدهاند. از اینرو میتوان با افزودن نانوذرات سرامیکی و نانوساختارهای کربنی، این پوششها را به صورت نانوکامپوزیتی ایجاد کرد تا علاوه بر کارایی بالاتر (محافظت بیشتر در برابر خوردگی) کارکردهای جدیدتری مانند پدیده ابرآبگریزی، ضدخزه بودن، آنتی باکتریال بودن و غیره، قابل حصول باشد.
درباره تیم پژوهشی:
نام و نامخانوادگی |
رشته/ مقطع تحصیلی |
همکار/ مشاور طرح |
وضعیت شغلی |
مهدی خدایی |
نانوفناوری-مهندسی مواد/دکتری |
مجری |
عضو هیئتعلمی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی |
سپهر شادمانی |
مواد پیشرفته/دانشجوی دکتری |
همکار |
دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی |
عرفان بهرامی |
انتخاب و شناسایی مواد/دانشجوی کارشناسی ارشد |
همکار |
دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی |
حمید دهاقین |
متالورژی صنعتی/کارشناسی |
مشاور |
مشاور صنعتی |
سوابق عرضهکننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی:
دکتر مهدی خدایی: ایشان عضو هیئتعلمی دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی هستند و از سال 1393 کار خود را در زمینه نانوپوششها با پروژه "پرایمرهای غنی از روی حاوی نانو لوله کربنی برای پوششدهی الکترواستاتیک" که با همکاری یک شرکت رنگسازی انجام شده و نمونه نیمه صنعتی در این پروژه ساخته شده است؛ آغاز نمود. در ادامه پروژههای "ساخت پوششهای نانوکامپوزیتی مقاوم به سایش و خوردگی نیکل-نانوذرات سرامیکی به روش الکترولس" تحت حمایت شرکت ملی گاز ایران و "ساخت پوششهاي نانوکامپوزيتي ابرآبگريز به روش شيميايي" تحت حمایت صندوق حمایت از پژوهشگران انجام شده است که یکی از خروجیهای آن علاوه بر مقالات و ثبت اختراع مورد تایید سازمان پژوهشها، شرکت در جشنواره ملی دریا در مسیر پیشرفت بوده است که در بخش چالشی تحت عنوان "جداسازی نفت و آب"، طرح ارائه شده تحت عنوان فیلترهای فلزی جاذب مواد نفتی و روغنی بر اساس خاصیت ابرآبگریزی و روغن دوستی عنوان طرح برگزیده مقام اول را کسب نموده است. در سال 1396 پروژه ایشان تحت عنوان "ساخت نانوپوشش های ابرآبگریز در مقیاس بزرگ"
در صندوق علمی راه ابریشم میان ایران و چین مورد تصویب قرار گرفت و نتایج آن (دو نوع پوشش ابرآبگریز) برای ثبت اختراع در دو کشور در حال اقدام است. در این میان علاوه بر انجام پروژههایی در زمینه نانوپوششها (مانند پروژه گالوانیزه گرم نانوکامپوزیتی که مورد تایید پژوهشگاه نیرو، شرکت توانیر و تاییدیه صنعتی سازمان پژوهشها)، در حال حاضر پروژه نانو پوششهای فلزی ساخته شده به روش پاشش حرارتی برای استفاده در بویلرها به سفارش شرکت برق حرارتی به عنوان پروژه فعال گروه میباشد.
به دلیل امکان استفاده از چند جزء در ساخت پوششهای نانوکامپوزیتی، دستیابی به عملکردهای مختلف از این پوششها امکان پذیر خواهد بود؛ به طوریکه علاوه بر عملکرد محافظتی آنها (عمدتاً در برابر خوردگی فلزات)؛ عملکردهای دیگر نیز قابل دستیابی است. به عبارت دیگر، استفاده از فازهای دیگر (بهویژه نانوساختارها) در ساخت پوششهای پلیمری نه تنها موجب افزایش کارایی پوشش میگردد، بلکه خواص دیگری مانند ابرآبگریزی، خودتمیزشوندگی، ضد یخ بودن و حتی بروندادهای فیزیکی مانند خواص مغناطیسی، اپتیکی، و الکتریکی خاصی را خواهد داشت. در محصولات پلیمری نانوکامپوزیتی این طرح؛ از روشهای حلالی (که مشکلات زیست محیطی داشته و نیازمند زمان زیاد برای خشک شدن هستند) و همچنین الکترواستاتیک پودری (که نیازمند عملیات حرارتی ثانویه برای ساخت پوشش هستند) استفاده نشده است و پوشش نانوکامپوزیتی درجا بر روی سطح با سرعت تولید بالا در مقیاسهای بزرگ و صنعتی قابل اجرا است.
صنعت برق: با توجه به نیاز کشور در حوزه انتقال برق به مقرههای خود تمیز شونده، علاوه بر ساخت مقرههای پلیمری پایه سیلیکونی RTV، نیاز است تا مقرههای سرامیکی نیز توسط پوششهای آبگریز بهبود کارایی داشته باشند که روش پوششدهی پاشش سوسپانسیونی میتواند راهکاری مناسب به منظور ایجاد نانوپوششهای ابرآبگریز مورد نظر باشد.
لازم به ذکر است صنایع دیگری مانند نفت، گاز و پتروشیمی نیز از دیگر مشتریان بالقوه این طرح میباشند که این نانوپوششها میتوانند جایگزینی مناسب برای پوششهای متداول بهویژه در خطوط انتقال باشند. این موضوع نیازمند بازارسازی در این زمینه میباشد. شایان ذکر است، در زمینه پوششدهی سازهها و خطوط انتقال، چندین شرکت در دنیا وجود دارند که پوششهای پاششی زمینه پلیمری کامپوزیتی (پلیمر-سرامیک) را توسعه دادهاند و محصولات تجاری در این زمینه دارند.
در این طرح در نظر است، پوششهای نانوکامپوزیتی زمینه پلیمری با افزودن نانوذرات سرامیکی و نانوساختارهای کربنی ساخته شود. در روش پیشنهادی این طرح از روشهای مبتنی بر ساخت نانوسوسپانسیونها جهت توزیع پایدار نانوذرات و عدم آگلومره شدن آنها استفاده میشود و در نهایت پوششی با یکنواختی بالا ایجاد میشود. با توجه به انجام مطالعات اولیه پژوهشی انتظار میرود در این طرح، مراحل زیر انجام شود و نتایج زیر حاصل گردد:
- ساخت نانوسوسپانسیون پایدار بدون آگلومره شدن (به مدت یک تا دو ساعت موردنیاز جهت اعمال فرایند پوششدهی)
- ساخت پوششهای نانوکامپوزیتی (حصول ضخامتهای حدود 300 تا 500 میکرون)
- بررسی خواص مختلف پوشش (زاویه تماس، زبریسنجی، چسبندگی) و کارایی (خودتمیزشوندگی و ماندگاری) در شرایط مختلف جوی (آب و هوایی و دما)
- زاویه ترشوندگی بالای 150 درجه
- ساخت پوشش بر روی مقرههای سرامیکی جهت بررسیهای میدانی
- هزینه اجرای طرح حدود 500 میلیون تومان برآورد میشود.
- مدتزمان اجرای طرح حدود 14 ماه برآورد میشود.
- مالکیت معنوی: مشارکتکننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکتکننده در ژورنالهای داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانسها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دستاندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتابدهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجهبه سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعهدهنده، سهم مالکیت قابلمذاکره و توافق است).
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@