‌ ساخت نوع جدیدی از شیشه خود پاک‌شونده

این شیشه‌ها از چه نظر با دیگر شیشه‌های خود پاک‌شونده متفاوت است؟

معمولا در فرآیند تولید این شیشه‌ها از بستر رزینی استفاده می‌شود. رزین‌مانند چسب عمل کرده و موجب چسبیدن نانوذرات به سطح شیشه می‌شود. بستر رزینی‌مانند لاکی که روی سطح ناخن قرار می‌گیرد عمل می‌کند و پس از مدتی در اثر سایش از بین می‌رود. ما در این طرح جدید فرآیند ساخت شیشه را به گونه‌ای طراحی کردیم که نانوذرات شبیه یک لعاب روی سطح شیشه قرار گیرد. بنابراین لازم است شیشه داخل کوره قرار گیرد. به این ترتیب ذرات نانو دی‌اکسید تیتانیوم روی سطح شیشه نفوذکرده و پوششی دائمی در سطح شیشه ایجاد می‌شود.

موادی که در تولید این نوع شیشه‌ها استفاده می‌شود با دیگر شیشه‌های خود پاک‌شونده مشابه است و تنها تفاوت آنها در فرآیند تولید خلاصه می‌شود؟

بله. در حقیقت چگونگی چسبندگی ذرات نانو به شیشه متفاوت است. البته ترکیب نانو تیتان‌ها هم قدری متفاوت است. وقتی ذرات نانو دی‌اکسید تیتانیوم به اصطلاح با عناصر دیگر دوب می‌شود قابلیت خود پاک‌شوندگی بیشتری دارد و به عبارت دیگر فعالیت فتوکاتالیستی این ذرات افزایش می‌یابد. پس می‌توان گفت علاوه بر فرآیند تولید، ترکیب نانوذرات هم تا حدی تغییر پیدا کرده است.

منظور از دوب کردن چیست؟

هیچ واژه فارسی که بتواند معادل خوبی برای این واژه باشد وجود ندارد. دوب کردن یعنی به ماده اصلی ماده دیگری در حد بسیار ناچیز اضافه شود که اساسا قابل ردیابی هم نیست. این ماده ناچیز موجب تقویت برخی از خصوصیات ماده اولیه می‌شود، اما مقدار آن به اندازه‌ای نیست که در آنالیزها خود را نشان دهد.

چه عاملی موجب می‌شود این شیشه‌ها از قابلیت خودپاک‌شوندگی برخوردار شود؟

فرآیند فتوکاتالیست در خود پاک شوندگی شیشه‌ها نقش اصلی را به عهده دارد. یعنی می‌توان به جای ذرات نانو دی‌اکسید تیتانیوم از ترکیبات دیگری استفاده کرد که قابلیت فتوکاتالیستی داشته باشد. مثلا اکسید روی می‌تواند جانشین خوبی برای نانوذرات تیتانیوم باشد، اما در بین مواد مختلف نانو تیتان دوب شده عملکرد بهتری دارد.

آیا فرآیند فتوکاتالیستی منجر به حل‌شدن آلودگی‌ها می‌شود؟

خیر. این فرآیند مبنای فیزیکی دارد. الکترون از یک تراز انرژی به تراز دیگر انرژی منتقل می‌شود، این رفت و برگشت الکترون در سطحی که در اثر تابش اشعه فرابنفش خورشید به عنوان یک نیمه‌هادی عمل می‌کند، موجب می‌شود در سطح شیشه میل شدیدی به اکسیداسیون مواد ایجاد شود. این فرآیند میل به اکسیدکردن را در مواد افزایش می‌دهد. چربی‌ها معمولا از مواد آلی هستند و در اثر اکسیداسیون به آب و دی‌اکسیدکربن که موادی طبیعی هستند، تجزیه می‌شود. یعنی در اثر تجزیه چربی‌ها هیچ ماده سمی ایجاد نمی‌شود. فرآیند فتوکاتالیستی نه‌تنها موجب زدودن چربی از سطح شیشه می‌شود بلکه همزمان چسب، رزین یا هر ماده آلی دیگری که در سطح شیشه وجود داشته باشد را هم تجزیه می‌کند. پس اگر نانوذرات تیتانیوم را با استفاده از چسب روی سطح شیشه قرار دهید فرآیند فتوکاتالیستی می‌تواند رزین و موادی که موجب استقرار نانوذرات در سطح شیشه می‌شود را هم از بین ببرد. یعنی تنها ایجاد خراش روی سطح شیشه ساختار آن را تغییر نمی‌دهد.

پس برای این‌که یک سطح خود پاک‌شونده دائمی داشته باشیم باید تمهیداتی در این زمینه اندیشیده شود تا نانو دی‌اکسید تیتانیوم به کمک یک ماده آلی یا پلیمری روی سطح شیشه قرار نگرفته بلکه در سطح شیشه نفوذ کرده باشد. این طرح جدید است و به گفته داوری که این طرح را مورد ارزیابی قرار داده نمونه مشابه آن در سطح دنیا ثبت اختراع نشده است. این تغییرات، زاویه ترشوندگی آب را هم تحت تاثیر خود قرار می‌دهد. روی شیشه‌های معمولی پس از خشک‌شدن سطح شیشه ردپایی از قطرات آب بر جای می‌ماند. اما اگر زاویه تماس قطرات آب با سطح شیشه به صفر میل کند یعنی سطح شیشه خیلی آب دوست باشد آب روی سطح شیشه نمی‌چسبد بلکه جریان پیدا می‌کند. به این ترتیب دیگر نه تنها ردی از آب روی سطح شیشه باقی نمی‌ماند بلکه قطرات آب با حرکت روی سطح شیشه می‌تواند گرد و غبار احتمالی که وجود دارد را نیز شست‌وشو دهد.

آیا عوامل محیطی می‌تواند ویژگی این شیشه‌ها را تحت تاثیر قرار دهد؟

بستگی به این دارد که نانو تیتان‌ها دوب شده باشد یا نه. اگر دوب نشده باشد شیشه عملکرد خوبی برای از بین بردن آلودگی‌ها ندارد. شیشه‌های خود پاک‌شونده باید مدت زمان مناسبی در معرض تابش نور خورشید قرار گیرد. این شیشه‌ها به اشعه فرابنفش خورشید نیاز دارد. می‌توان از لامپ‌هایUV هم برای شارژ این شیشه‌ها استفاده کرد. چون باید شیشه به عنوان نیمه‌هادی عمل کند تا قابلیت خود پاک‌شوندگی داشته باشد.

یعنی این شیشه زمانی از قابلیت خودپاک‌شوندگی برخوردار است که در مقابل نور خورشید قرار گیرد؟

بله دقیقا. این شیشه‌ها باید مانند باتری با نور خورشید شارژ شود. در غیر این صورت اصلا قابلیت خود پاک‌شوندگی ندارد. در شیشه‌های جدید از نانوتیتان‌های دوب شده با دیگر عناصر به عنوان پوشش استفاده می‌شود که در بهبود خواص این شیشه‌ها نقش مهمی دارد و در این صورت دیگر برای شارژ شیشه به اشعه فرابنفش نیازی نیست.

یک شیشه معمولی در چه فرآیندی تبدیل به یک شیشه خود پاک‌شونده می‌شود؟

در مرحله اصلی تولید شیشه‌های خود پاک‌شونده ابتدا باید نانو دی‌اکسید تیتانیوم را با عناصر دیگر دوب کرد تا فرآیند فتوکاتالیستی با قدرت بیشتری در سطح شیشه انجام شود. پس از سنتز نانوذرات باید این ذرات را به عنوان پوشش روی سطح شیشه قرار داد. تجربه نشان می‌دهد بهترین روش برای این کار غوطه‌ورسازی است. برای این کار محلولی از نانو دی‌اکسید تیتانیوم تهیه شده و شیشه در آن غوطه‌ور می‌شود. البته می‌توان از روش چاپ هم برای استقرار این پوشش در سطح شیشه استفاده کرد.

آیا در این روش محدودیتی در ماندگاری خواص و ویژگی‌های شیشه ایجاد می‌شود؟

خیر. در واقع بعد از این فرآیند وقتی شیشه خشک می‌شود در داخل کوره قرار می‌گیرد و مرحله پخت را پشت سر می‌گذارد در اثر حرارت دی‌اکسید تیتانیوم در سطح شیشه نفوذ می‌کند.

آیا تغییر فرآیند تولید در هزینه نهایی شیشه اثر می‌گذارد؟

به هر حال کوره دمای بالایی دارد و ممکن است فرآیند پوشش دهی در مقایسه با شیشه‌هایی که در آنها برای پوشش دهی از رزین استفاده می‌شود قدری بیشتر باشد. برای تامین دمای کوره باید هزینه سوخت پرداخت شود، اما تاثیر چندانی در قیمت آن نمی‌گذارد. قیمت شیشه‌های خود پاک‌شونده نسبت به شیشه‌های معمولی بیشتر است. اگر نانو تیتان‌ها را داخل کشور تولید کنیم هزینه تولید این شیشه‌ها کمتر می‌شود.

از شیشه‌های خود پاک‌شونده در چه زمینه‌هایی می‌توان استفاده کرد؟

هیچ محدودیتی در استفاده از این شیشه‌ها وجود ندارد. این شیشه‌ها هیچ محدودیتی در دید ایجاد نکرده و می‌توانند به عنوان ضد بخار عمل کنند. این شیشه‌ها نه تنها خود پاک‌شونده هستند بلکه ویژگی آنتی‌باکتریال هم دارند. باکتری‌ها هم ترکیباتی آلی دارند. بنابراین در اثر فرآیند فتوکاتالیست این موجودات نیز از بین می‌روند. این ویژگی موجب می‌شود شیشه‌های خود پاک‌شونده کاربرد بیشتری داشته باشد. با توجه به اهمیت استفاده از تجهیزات آنتی‌باکتریال در موزه‌ها با هدف جلوگیری از تاثیر باکتری‌ها بر اشیای قدیمی به نظر می‌رسد این شیشه‌ها در موزه‌ها هم کاربرد داشته باشد، اما به طور کلی ساختمان و خودروها از مهم‌ترین زمینه‌های کاربرد این شیشه‌هاست.

فرانک فراهانی‌جم / گروه دانش