Nanomaterials in the Coating Industry: Transforming Performance and Applications (باللغة الإنجليزية)

1. المقدمة

شهدت صناعة الطلاء تحولاً ملحوظاً مع ظهور المواد النانوية. تتميز المواد النانوية بحجمها الصغير للغاية في نطاق النانومتر (1-1000 نانومتر)، وتمتلك خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية فريدة من نوعها تختلف عن نظيراتها الكبيرة. وقد فتحت هذه الخصائص سبلاً جديدة لتحسين أداء الطلاءات عبر نطاق واسع من التطبيقات، بدءًا من الاستخدامات الصناعية المتطورة إلى الأغراض المعمارية والزخرفية اليومية. سواء كان ذلك#في عام 39 لحماية الأجزاء الخارجية من الطائرات والسفن والسيارات من الظروف البيئية القاسية أو تعزيز جماليات ومتانة الجدران الداخلية والخارجية للمباني، أثبتت المواد النانوية أنها إضافات لا تقدر بثمن.

2. المواد النانوية في الطلاءات

2.1 نانوسيليكا (ثاني أكسيد الكربون)

النانوسيليكا هي مادة نانوية رئيسية في صناعة الطلاء. ويوجد على شكل مسحوق أبيض غير متبلور مع سطح غني بالروابط المتبقية غير المشبعة ومجموعات الهيدروكسيل. تشكل البنية الجزيئية للنانوسيليكا سلسلة معقدة ثلاثية الأبعاد، والتي تمنح العديد من الخصائص المفيدة للطلاء. واحدة من وظائفها الأساسية هي تعزيز ثينثوجتروبي واستقرار تشتت الطلاءات. الثقل الحركي مهم لأنه يسمح بطلاء بسهولة أثناء عملية الدهان، ويتدفق بسلاسة عند القص (كما هو الحال أثناء وضع الفرشاة أو الأسطوانة) ومن ثم التسمك والبقاء في المكان بمجرد إزالة قوة القص، مما يمنع الترهل.
وعلاوة على ذلك، نانوسيليكا#قدرات الانعكاس القوية للأشعة فوق البنفسجية في 39 هي نعمة للطلاء. عند التعرض لأشعة الشمس، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية، تشكل النانوسيليكا تأثيرًا واقيًا. يساعد هذا التدريع في تحقيق الشيخوخة المضادة للأشعة فوق البنفسجية، والتي هي مهمة بشكل خاص للطلاءات المستخدمة في التطبيقات الخارجية. يمكن للأشعة فوق البنفسجية أن تسبب تلاشي الطلاء، تشققه، وفقدان سلامته مع مرور الوقت. عن طريق عكس الأشعة فوق البنفسجية، تطيل نانوسيليكا عمر الطلاء. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يزيد من العزل الحراري من الطلاءات. في المباني، وهذا يمكن أن يسهم في توفير الطاقة كما أنه يساعد في الحفاظ على درجة حرارة أكثر استقرارا داخل المباني.
وعند إضافتها إلى الطلاءات، فإن النانوسيليكا تحسن بشكل ملحوظ -يمكن أن يؤثر. وهذا يشير إلى مظهر وقابلية استخدام الطلاء عند فتح العلبة لأول مرة. فهو يمنع التجشّح، ويضمن أن المكونات المختلفة للطلاء تبقى مختلطة بشكل جيد. وفيما يتعلق بالأداء الإنشائي، فإن طلاء نانوسيليكا المحسن يكون أسهل في تطبيقه، كما أنه يظهر خصائص محسنة لمكافحة تقادم العمر، واستقرار حراري، وقوة. على سبيل المثال، في طلاء السيارات، يمكن أن تساعد نانوسيليكا الطلاء على تحمل صرامة الظروف الجوية المختلفة، والحفاظ على بريقها وخصائصها الوقائية لفترات أطول.

2-2 عربة النانو (Ag)

وقد أحدث Nanosilver ثورة في الخصائص المضادة للبكتيريا ومضادة للفطريات من الطلاء المعماري. وفي وجود ضوء الاشعة فوق البنفسجية، تخضع الجسيمات النانوية الفضية لعملية كيميائية رائعة. وهي تتحلل إلى إلكترونات سالبة الشحنة (e في الاتجاه الأفقي) وثقوب موجبة الشحنة (h في الاتجاه الأفقي)، وتشكل أزواج ثقب الإلكترون. هذه الأزواج عالية التفاعل ويمكن أن تتفاعل مع الأكسجين والماء في الهواء. ونتيجة لذلك، يتكون الأكسجين الذري (O) وجذور الهيدروكسيل (HO·). هذه الأنواع لديها نشاط كيميائي عالي للغاية ويمكن أن تتفاعل مع المواد العضوية الموجودة في البكتيريا. ومن خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة، تتحلل البكتيريا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، مما يؤدي إلى قتلها بشكل فعال.
إضافة سيلفر النانو إلى الطلاءات يمنحهم مجموعة من الوظائف. بالإضافة إلى الخصائص المضادة للبكتيريا والفطريات، تتميز هذه الطبقات أيضًا بمقاومة الفطريات وإزالة الروائح الكريهة وقدرات التنظيف الذاتي. في الجدران الداخلية للمنازل والمستشفيات، حيث النظافة ذات أهمية قصوى، يمكن للطلاء النانوي الذي يحتوي على منع نمو البكتيريا الضارة والفطريات والعفن. كما يمكنها إزالة الروائح الكريهة والحفاظ على السطح نظيفًا. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تلعب طلاء الفضة النانوية دورًا في تنقية الهواء والماء. وبالتفاعل مع السموم العضوية الضارة الموجودة في الهواء او الماء، يمكن ان تحللها الى مواد غير مؤذية، مؤدية وظيفة التنظيف. على سبيل المثال، في المستشفيات، يمكن لهذه الطلاءات أن تساعد على الحد من انتشار الأمراض المعدية عن طريق قتل البكتيريا والفطريات على الجدران.

2-3 أكسيد الزنك (ZnO)

أكسيد الزنك النانوسي يتميز بخصائص فريدة تحت أشعة الشمس، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية. وعلى غرار سيلفر النانوي، فإنه يمكن أن يتحلل إلى إلكترونات حرة الحركة (e في الاتجاه الأفقي) وثقوب موجبة الشحنة (h في الاتجاه الأفقي). هذه الثقوب يمكن أن تنشط الأكسجين في الهواء، وتحوله إلى أنواع الأكسجين التفاعلية. هذه الأنواع من الأكسجين التفاعلي لها نشاط كيميائي قوي وقادرة على أكسدة المواد العضوية المختلفة، بما في ذلك تلك الموجودة داخل البكتيريا. ونتيجة لذلك، يمكن لأكسيد الزنك النانوي القضاء على عدد كبير من مسببات الأمراض والفيروسات.
وعند الجمع بين أكسيد الزنك ومواد نانوية أخرى في الطلاءات، فإنه يعطي فوائد متعددة. ويكتسب الطلاء خصائص واقية من الأشعة فوق البنفسجية، والتي تحميها من التأثيرات المهينة للأشعة فوق البنفسجية. كما أن لديها قدرات امتصاص الأشعة تحت الحمراء، والتي يمكن أن تسهم في الإدارة الحرارية في بعض التطبيقات. وتساعد الآثار المضادة للبكتيريا والفطريات لأكسيد الزنك النانوي في الحفاظ على السطح المغطى نظيفًا وخاليًا من النمو الميكروبي. وبالإضافة إلى ذلك، فإن وظائف تنقية الهواء وإزالة الروائح الكريهة من البكتيريا تجعله مناسباً للاستخدام في الطلاءات الداخلية والخارجية. على سبيل المثال، في الطلاءات المعمارية في الهواء الطلق، فإنه يمكن أن يحمي واجهة المبنى من تلف الأشعة فوق البنفسجية مع الحد من وجود البكتيريا والفطريات، والتي يمكن أن تسبب تغير اللون وتدهور السطح. وعلاوة على ذلك، أكسيد الزنك النانوي#إن قدرة ال 39 القوية على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية تجعلها مادة ممتازة مضادة للشيخوخة في الطلاءات، مما يطيل عمر الطبقة ويحافظ على مظهرها.

2-4 نانو -كربونات الكالسيوم (كربونات الكاكو)

لطالما كانت كربونات الكالسيوم حشوة صباغ أساسية في صناعة الطلاء، وغالبا ما تستخدم بكميات كبيرة. ومع ذلك، تقدم كربونات النانو الكالسيوم العديد من المزايا عن نظيراتها الأكبر حجمًا. وهو دقيق للغاية، مع توزيع حجم الجسيمات موحد. بياضها العالي يجعله خيارا مثاليا للطلاء حيث نقاء اللون والسطوع مهمة. بالإضافة إلى ذلك، لديه خصائص بصرية جيدة.
كما يتم تنقية حجم جسيمات كربونات الكالسيوم إلى المقياس النانوي، تحدث تغييرات كبيرة على المستوى الذري. وتزداد نسبة الذرات على سطح جزيئات الحشو نسبة إلى العدد الإجمالي للذرات. وهذا يؤدي إلى تأثيرات سطحية وتأثيرات صغيرة الحجم لا تمتلكها الجسيمات التقليدية. وتنتج هذه الآثار سلسلة من الخصائص الفيزيائية الكيميائية الممتازة. وعند إضافتها إلى طبقات الطلاء، يمكن أن تزيد كربونات النانو والكالسيوم من الشفافية. وهذا مفيد في التطبيقات التي تتطلب طلاء واضح، ولكن واقي، كما هو الحال في بعض الطلاء المعماري والزخرفي. كما أنه يحسن الحوسبة اللونية، التي تساعد في عملية التطبيق، والتسوية، وضمان الانتهاء السلس وحتى.
والغشاء الذي يتكون من الطبقات التي تحتوي على كربونات النانو والكالسيوم له تأثير سطحي بسبب الجسيمات النانوية. هذا التأثير السطحي يخلق تأثير درعي، مماثل لتأثير نانوسيليكا، والذي يساعد في تحقيق مقاومة الشيخوخة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يحسن القوة الميكانيكية للطلاء. وفي الطلاءات الصناعية، مثل تلك المستخدمة في الآلات والمعدات، فإن القوة الميكانيكية المعززة التي توفرها كربونات النانو والكالسيوم يمكن أن تحمي الطبقة التحتية من التآكل والتآكل، مما يزيد من متانة المادة المطلية.

2.5 أكسيد الحديد الجسيمات النانوية

يحتفظ أكسيد الحديد النانوسكال بالتركيب الكيميائي والشكل البلوري لأصباغ أكسيد الحديد التقليدية، ولكن مع خصائص معززة. يتمتع باستقرار كيميائي ممتاز، غير سام، عديم الرائحة، ورخيص نسبياً. هذه الخصائص تجعله خيارًا فعالاً من حيث التكلفة لمختلف تطبيقات الطلاء. أكسيد الحديد النانوسكال لديه مقاومة جيدة لدرجة الحرارة، مقاومة الطقس، مقاومة الحمض، والمقاومة القلوية. فهو يوفر صبغًا عاليًا، وقوة تلوين عالية، وشفافية عالية، متغلبًا على قيود أصباغ أكسيد الحديد التقليدية.
غالباً ما تعاني أصباغ أكسيد الحديد التقليدية من انخفاض التشبع وعدم كفاية سطوع الألوان، مما يحد من استخدامها في الطبقات عالية النهاية. أما الجسيمات النانوية لأكسيد الحديد الشفاف فلديها قدرة أقوى على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. ولا تمنحها هذه الخاصية الاستقرار البصري فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين خصائص مقاومة الشيخوخة للبوليمرات المختلفة عند دمجها في الطلاءات. ونتيجة لذلك، فإنها تستخدم على نطاق واسع في الطبقات الصناعية والمعمارية والزخرفية الراقية. فعلى سبيل المثال، يمكن لجسيمات أكسيد الحديد النانوية الشفافة توفير لون غني طويل الأمد في طلاء السيارات ذات النهاية العالية، مع حماية الطلاء أيضًا من تلف الأشعة فوق البنفسجية، مما يضمن المركبة#نهاية 39 لا تزال نابضة بالحياة لسنوات

3. إعداد الطلاءات النانوية

3-1 البلل والتشتت

يمثل إعداد الطلاءات النانوية تحديات فريدة بسبب طبيعة المواد النانوية. وتكون جزيئات الصباغة في الطلاءات النانوية صغيرة للغاية، مما يعطيها نشاطًا سطحيًا عاليًا. ويؤدي هذا النشاط السطحي المرتفع إلى جعل الجسيمات عرضة للتجمع. يمكن أن يؤدي التجميع إلى توزيع غير موحد للمواد النانوية في الطلاء، والذي بدوره يمكن أن يؤثر على أداء الطلاء. على سبيل المثال، إذا تكدّست جزيئات سيلفر النانو في طلاء، فإن الخواص المضادة للبكتيريا قد تتعرض للخطر حيث أن الجسيمات الفردية لم تعد موزعة بالتساوي لقتل البكتيريا بشكل فعال.
وبالتالي فإن التبلل والتشتت الفعالين هما من القضايا الهامة في طلاء النانو. وتلعب المعالجة السطحية للمواد النانوية دوراً حاسماً في هذا الصدد. معالجة السطح يمكن أن تنطوي على استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي أو غيرها من العوامل الكيميائية لتعديل سطح المواد النانوية. ويمكن لهذه المواد الخافضة للتوتر السطحي أن تقلل من التوتر السطحي بين المواد النانوية ومصفوفة الطلاء، مما يسهل ترطيب المواد النانوية بواسطة مكونات الطلاء. كما تؤثر طريقة إضافة المواد النانوية بشكل مباشر على حالة تشتت الطلاءات النانوية. على سبيل المثال، يمكن أن تساعد إضافة المواد النانوية ببطء ومع الإثارة المستمرة في تحقيق تشتت أكثر اتساقًا مقارنة بالإضافة السريعة. في بعض الحالات، يمكن استخدام العلاج بالموجات فوق الصوتية لمزيد من تفكيك التكتلات وضمان انتشار أفضل للمواد النانوية في الطلاء.

3.2 عملية الطحن

ولتحقيق الأداء الأمثل لنظام الصباغ في الطلاءات النانوية، فمن الضروري تقليل حجم الجسيمات في الصباغ إلى مستوى أصغر وضمان توزيع أكثر اتساقًا. كثافة اللون، اللمعان، الشفافية، وغيرها من خصائص الطلاء تعتمد بشكل كبير على حجم الجسيمات من الصبغة. تعتمد الطرق التقليدية لطحن الأصباغ فائقة الدقة في سياق الطلاءات النانوية بشكل أساسي على طواحين الكرات أو طواحين الرمال. في هذه العمليات، يتم إضافة كمية معينة من خرز الزركونيا. هذه الخرز تعمل كوسائط طحن.
عندما يتم طحن الصبغة في طاحونة كرات أو طاحونة رمل، تصطدم خرز الزركونيا مع جزيئات الصبغة، مما يقلل تدريجيا من حجمها. الهدف هو تقليل متوسط حجم الجسيمات من الصبغة إلى مستوى صغير جدا. عموما، بالنسبة للطلاء النانومتري، يجب أن يكون متوسط حجم الجسيمات من الصبغة أقل من 500 نانومتر. ومع ذلك، في حالة صبغات الحبر عالية الجودة، وهي نوع من أنواع الطلاء النانومتري المتخصص، يمكن تقليل حجم الجسيم إلى أقل من 200 نانومتر أو حتى أقل من 100 نانومتر. وقد وجد أن استخدام خرز الزركونيا في نطاق حجم 0.1 ملم إلى 0.3 ملم فعال في طحن الأصباغ إلى حجم الجسيمات المطلوب. إن اختيار حجم الخرزة وسرعة الطاحونة ومدة الطحن كلها معلمات يتم التحكم فيها بعناية لتحقيق توزيع حجم الجسيمات المطلوب وأداء الطلاء. على سبيل المثال، في إنتاج دهانات السيارات المتطورة، يعد التوزيع الدقيق لحجم الجسيمات أمرًا ضروريًا لضمان الحصول على لمسة نهائية لامعة مع اتساق الألوان والمتانة الممتازين.
وخلاصة القول، كان للمواد النانوية أثر عميق على صناعة الطلاء. وقد مكنت خصائصها الفريدة من تطوير الطلاءات ذات المتانة المحسنة ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية والخصائص المضادة للعفن والمضادة للبكتيريا ومقاومة الماء ومقاومة التآكل ومقاومة البقع. ويعد التحضير المناسب للطلاءات النانوية، بما في ذلك عمليات الترطيب والتشتت والطحن الفعالة، أمرًا ضروريًا لتسخير إمكانيات هذه المواد النانوية بالكامل. ومع استمرار البحث والتطوير في مجال المواد النانوية والطلاءات النانوية، يمكننا أن نتوقع رؤية طلاءات أكثر إبداعًا وعالية الأداء في المستقبل، تلبي مجموعة واسعة من الصناعات والتطبيقات.