Loading...
طراحی و تولید پوشش‌های نانوکامپوزیتی ابرآبگریز برای سطح شناورهای دریایی و مقره‌های سرامیکی برق
تاریخ شروع : 1403/04/01
مهلت ارسال : 1403/05/30
گرنت صندوق نوآوری و شکوفایی:
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500 میلیون تومان



طراحی و تولید پوشش‌های نانوکامپوزیتی ابرآبگریز برای سطح شناورهای دریایی و مقره‌های سرامیکی برق

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@