پوشش نانو سرامیک؛ نگاهی به فرمولاسیون و ویژگی ها

حتما تا به حال با مطالب زیادی درباره انواع پوشش نانو سرامیک و ویژگی های هر یک مواجه شده اید اما چیزی که کمتر به آن توجه شده نوع شکل گیری و فرمولاسیون این ماده است. لذا در این مطلب نگاه دقیق تری به نوع شکل گیری نانو سرامیک و خواص شیمیایی مواد تشکیل دهنده آن خواهیم نمود. نانو سرامیک، سرامیک خودر و پوشش نانو سرامیک همگی معادلی برای واژه Ceramic Coating هستند که در واقع یک لایه محافظ شفاف، غیر آلی و با دوام طولانی (نه دائمی) است که می‌تواند بر روی سطوح مختلفی اعمال گردد. پوشش نانو سرامیک به خاطر خاصیت تمیزکنندگی آسان و محافظت در برابر شرایط آب‌وهوایی، در حوزه‌های مختلفی چون دیتیلینگ خودرو، وسایل نقلیه دریایی و معماری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پایه فرمولاسیون پوشش نانو سرامیک شامل موارد زیر است:

• رزین (مواد پلیمری که بیس و سختی پوشش سرامیک را ایجاد می‌نمایند).
• حلال ها
• مواد افزودنی

رزین یکی از اجزای اصلی سیستم نانو سرامیک است. رزین های رایج شامل پلیمرهایی بر پایه سیلیکون مانند پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان‌ها (PDMS) هستند.  این نوع رزین های سیلیکونی به علت غیر سمی و غیر قابل اشتعال بودن و پایداری در برابر اشعه ماورا بنفش معمولا در فرمولاسیون پوشش‌های نانو سرامیک استفاده می‌گردند.

پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان‌هابه عنوان مولفه اصلی پوشش‌های نانو سرامیک، سختی، براقیت و آبگریزی را فراهم می‌سازند. ساختار و شکل‌گیری این نوع پوشش‌های نانو سرامیک در زیر نشان داده شده است:

متاسفانه این پلیمرهای سیلیکونی به خودی خود چسبندگی ضعیفی به رنگ، پلاستیک و ... دارند. لذا با افزودن سیلان به فرمولاسیون آن‌ها، قدرت چسبندگی‌شان افزایش پیدا کرده و قادر به ایجاد پیوندی طولانی‌مدت با سطوح می‌شوند که در شکل زیر نیز نشان داده شده است:

گروه عملکردی سیلان (Si-O-R) با سطح واکنش نشان داده و یک پیوند کووالانسی قوی ایجاد می‌نماید که ضمن تقویت چسبندگی پوشش نانو سرامیک به بهبود دوام آن نیز (به خصوص در هنگام شست‌شو) کمک می‌نماید.

پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان‌ها چگونه یک لایه محافظتی سخت و آبگریز ایجاد می‌نمایند؟

پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان‌ها یا PDMS به محض تماس با رطوبت هوا شروع به ایجاد پیوند با سطوح می‌نمایند. پخت یا پیوند سرامیک یک فرآیند زمان‌بر بوده که با حضور کاتالیزورها تسریع می‌گردد. معمولا پوشش نانو سرامیک در عرض چند ساعت خشک می‌گردد اما فرایند پیوند یا پخت کامل آن بین 5 تا 7 روز زمان می‌برد. به همین دلیل گفته می شود که پس از اجرای سرامیک، حداقل تا یک هفته نباید بدنه خودرو تماسی با آب داشته باشد. با شروع هیدرولایز شدن (تجزیه‌شدن در اثر برخورد با آب) پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان‌ها، هر مولکول آن به یک مولکول دیگر متصل شده و یک زنجیره طولانی را ایجاد می‌نمایند. در واقع هنگام اجرای پوشش نانو سرامیک، این مایع در اثر برخورد با رطوبت موجود در هوا دچار فعل و انفعالاتی می شود که در نتیجه آن یک لایه محافظ نازک اما مستحکم روی سطح ایجاد می‌گردد. واکنش هیدرولایز را در تصویر زیر مشاهده می‌نمایید:

در اثر واکنش هیدرولایز، متانول (یا هر نوع ترکیبی از الکل‌ها) منتشر می‌گردد که به عنوان ترکیبات آلی فرار یا VOC شناخته شده و بوی قوی نیز دارند. برخی پوشش‌های نانو سرامیک دارای VOC بسیار کم یا صفر هستند؛ بدین معنی که در حین فرایند پخت یا پیوند سرامیک، محصول جانبی VOC کمتری منتشر می‌کنند.

سختی پوشش‌های نانو سرامیک مبتنی بر PDMS به عوامل اتصال عرضی در فرمولاسیون سرامیک بستگی دارد. بدون افزودن عوامل اتصال عرضی به سیستم نانو سرامیک، مولکول‌های PDMS تمایل به واکنش در امتداد زنجیره اصلی دارند و در نتیجه یک زنجیره بلند با حداقل پیوند متقابل را تشکیل می‌دهند. لذا هر چه تراکم این پیوندهای عرضی بیشتر باشد سختی سرامیک نیز بیشتر می‌شود. 

هم‌چنین آب‌گریزی این پوشش‌های نانو سرامیکی، در طی فرایند پخت و هنگام پیوند Si-O-Si ایجاد می‌گردد.

در طی فرایند پخت سرامیک، گروه‌های متیل به‌گونه‌ای جهت‌یابی می‌شوند که رو به سطح پوشش داده شده (مطابق شکل زیر) قرار گیرند. در نتیجه یک خاصیت آب‌گریزی فوق‌العاده را ایجاد می‌نمایند. بسته به فرمولاسیون نانو سرامیک، زاویه تماس با آب می‌تواند بین 91 تا 120 درجه باشد. بدین معنی که این مولکول ها زاویه ای روی سطح زیرین خود ایجاد می کنند که موجب آبگریزی آن می گردد و هرچه میزان این زاویه بیشتر باشد قدرت و شدت آبگریزی نیز بیشتر می شود.

خاصیت آبگریزی موجب می‌شود که اکثر آلودگی‌ها، جرم‌ها، شیره درختان، فضله پرندگان و ... قادر به نفوذ به سطوح سرامیک‌شده نباشند و در نتیجه فرایند تمیز کردن و محافظت از سطوح بسیار آسان‌تر می‌گردد.

علاوه بر این، PDMS به دلیل مقاومت عالی در برابر گرما، مواد شیمیایی و اشعه ماورا بنفش، اسید، بنزین، گازوئیل و غیره شناخته شده هستند و از رنگ خودرو یا ساختمان در برابر محو شدن و تخریب رنگ‌دانه‌ها توسط نور خورشید جلوگیری می‌نمایند.