پوشش های نانومتری برپایه ارگانوسیلان آب گریزکننده نما و آجر

تغییر ساختمان‌ها یکی از فاکتورهای مهم و اقتصادی در هر کشور است. باتوجه به تفاوت شرایط ساختمان سازی نسبت به کار، تعمیر و محافظت، در هر مرحله طراحی ساختمان امکان درنظرگرفتن تمام نکات مناسب در طراحی ساختمان‌ها وجود ندارد. چراکه نوع ساختمان‌ها و نوع مصالح بکار رفته آن‌ها بسیار متنوع می‌باشد. اما بیشتر مصالح ساختمانی از جمله بتن مسلح، ملات، آستر سیمانی، بلوکه‌ های سیمانی ساختمان، ورقه های سیمانی سقف، لوله های سیمانی و… که ساختار سیمانی دارند مشاهده شده است که دوام این مصالح بستگی به عوامل جوی و شرایط محیطی دارد. تجربه نشان داده است که عامل اصلی تخریب، ماهیت شیمیایی دارد بطوریکه مصالح سیمانی بعلت عوامل جوی و محیطی دچار واکنش‌های شیمیایی(واکنش سیلیکات قلیایی، کربنات شدگی، باران اسیدی، خوردگی مواد (در بتن مسلح) می‌شوند. در برخی از این واکنش ها، آب واکنش دهنده است. ولی در بیشتر واکنش ها، آب نقش متصل و واسطه واکنش را ایفا می‌کند. این مصالح را می‌توان در مقابل نفوذ آب با استفاده از فناوری مختلف ضد آب سازی محافظت کرد. انتخاب روش مقاوم سازی که محافظتی طولانی ایجاد کند (استفاده از لایه های پوششی و یا فناوری محافظتی و پوشش دهی)، که بسیار متداول است، ازاهمیت خاصی برخوردار است. با این وجود به علت عوامل جوی و قرارگرفتن در معرض اشعه فرابنفش، محصولات پوششی عمر کوتاهی دارند و نیازمند تعمیرات دوره ای می‌باشند؛ بطوریکه ضدآب کردن مصالح ساختمانی درطول هزاره اخیر همیشه مشکلی فراگیر بوده است. پیشرفت های اخیر در علم و فناوری، عملاً استفاده از فناوری نانو را در تولید محصولات ارگانوسیلان و پوشش های نانومتری سازگار با محیط زیست برای ضد آب کردن انواع مختلف مصالح ساختمانی  فراهم ساخته است.

نانو پوشش‌ها

نانو پوشش‌ها بعنوان محافظی برای افزایش مقاومت خوردگی، افزایش سختی سطوح و حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی به کار می‌روند. علاوه بر آن، فناوری نانو از خش برداشتن، تکه تکه و خورده شدن پوشش‌ها جلوگیری می‌کند. از موارد استفاده نانو پوشش‌ها می‌توان به پوشش‌های ضد انعکاس در مصارف خودروسازی، پوشش‌های محافظ در برابر ماورا بنفش، ضد خش، ضد رنگ و قابل شستشوی آسان، پوشش‌های تزئینی، صنایع غذایی و نانو پوشش‌های آنتی باکتریال در لوله های استخراج و انتقال نفت برای از بین بردن بیوفیلم‌ ها اشاره کرد.

با توجه به هدف کاربردی این تحقیق در خصوص حفاظت از ساختمان و دوام سطوح، در ادامه به اهمیت این موضوع پرداخته می‌شود؛ در اینجا حلقه بسته‌ای بین جذب آب و خطر ساختمان وجود دارد، چرا که افزایش جذب آب توسط مواد ساختمانی و افزایش انتشار و قابلیت خطر معمولا باهم ملاحظه می‌شوند. بطوریکه می‌توان گفت بیشترین خطر برای ساختمان‌ها از جذب آب ناشی می‌شود. گاهی پیشرفت این خطر در بالا رفتن میزان آلاینده‌ها نیز مشاهده می‌شود. از جمله مصالح ساختمانی می‌توان به بتن مسلح، ملات، آستر سیمانی، بلوکه‌های سیمانی و… اشاره کرد. بیشتر مصالح ساختمانی دارای تخلخل و ساختار سیمانی (گروه‌های OH) می‌باشند. به علت شباهت گروه‌های هیدروکسیل با ساختار آب، ویژگی آب دوستی و وجود فناوری که بسیار بزرگتر از اندازه مولکول‌های آب و آلاینده‌ها هستند. مصالح ساختمانی به راحتی آب را جذب می‌کنند بنابراین دوام این مصالح به عوامل جوی و شرایط محیطی بستگی دارد. تجربه نشان می‌دهد مصالح ساختمانی به علت عوامل جوی و محیطی دچار واکنش های شیمیایی و فیزیکی می‌شوند که بخش عمده تخریب‌ها ماهیت شیمیایی دارند.

ضد آب سازی

ضدآب سازی نوعی عمل کردن است که انتظار می‌رود مصالح را در مقابل آب نفوذ ناپذیر کند. از اهداف ضد آب سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• حفظ و نگهداری زیبایی در برابر پوسته شدن رنگ، تاول‌های رنگ، قارچ، کپک و شوره زدگی
• جلوگیری از تضعیف مقاومت مصالح ساختمانی بتنی، آجری به ویژه، واکنش سیلیکات‌های قلیایی(ASR)، باران اسیدی، کربنات شدگی، خوردگی آروماتور بتن مسلح، اثر یخبندان و آب شدن و…

محصولات ضد آب سازی به دو دسته پوشش دهنده و نفوذکننده تقسیم می‌شوند:

• پوشش دهنده‌ها:
• محصولاتی چون رنگ‌های آکریلیکی، پلیمرهای سیلیکونی به علت صرفه اقتصادی، سهولت مصرف، کاربرد گسترده ای در ضد آب سازی پوششی دارند. اندازه ذرات این پوشش دهنده ها بیش از 100 نانومتر است که منجر به عدم دخول به منافذ مصالح می‌شوند به طوریکه به صورت لایه‌ای سطح را می‌پوشانند و مانع جذب آب می‌شوند. این لایه‌های پلیمری عموماً آب گریز هستند ولی باید به شکل متناوب استفاده شوند، چرا که احتمال ترک خوردگی تمام انواع لایه‌های پلیمری معمولی در برابر اشعه UV وجود دارد، که این خود باعث ترک خوردگی پوششی در طول 5-2 سال می‌شود و با از دست دادن خاصیت آب گریزی، ضد آب سازی بی نتیجه می‌ماند.
• نفوذ کننده‌ها:
• بیشتر نفوذ کننده‌ها مواد مونومری محلول در حلال، با اندازه کوچکتر از 6 نانومتر می‌باشند که به منافذ سطوح مورد نظر نفوذ می‌کنند. دو نوع نفوذ کننده وجود دارد: واکنشی و غیر واکنشی. نفوذکننده‌های غیر واکنشی، روغن‌ها و دیگر مواد آب گریز با چسبندگی پایین می‌باشند که منافذ لایه‌های زیرین را پر و آب گریزی ایجاد می‌کنند؛ این نوع محصولات در طبیعت تجزیه پذیر هستند و در یک سال خواص خود را از دست می‌دهند. نفوذ کننده‌های واکنشی، با لایه‌های زیرین واکنش شیمیایی می‌دهند و برای سطح آب گریزی در سطح مولکولی ایجاد و در عمق 5-3 میلیمتر از لایه‌های زیرین نفوذ می‌کنند. بنابراین محافظتی که این محصولات ایجاد می‌کنند بسیار طولانی مدت می‌باشند. علاوه بر این، هوا زدگی (UV) و فرساینده‌های طبیعی تقریبا هیچ تاثیری بر آنها ندارند.

شیمی سیلان

از آنجا که سیلیکون‌ها، کوارتزهای اصلاح شده با عوامل آلی هستند و باتوجه به جدول تناوبی مشاهده می‌شود Si   و C  که از یک خانواده هستند در پایدارترین حالت، چهار پیوند با اتم‌های دیگر برقرار می‌کنند. با این تفاوت که Si  الکتروپوزیوتر از C است. در شكل ‏1  مقایسه شیمی سیلان در برابر کربن دیده می‌شود که گروه‌های مشابه در اتصال به  Si  و C  نام‌ها و خواص متفاوتی ایجاد می‌کنند بطوریکه (Si-H) سیلیکون هیبرید پیوند فعالی است که در واکنش با آب  (Si-OH)سیلانول می‌دهد؛ (Si-C) ارگانوسیلان پیوندی بشدت غیرقطبی با پایداری بالا که، انرژی سطحی را کاهش داده و آبگریزی ایجاد می‌کند؛ (Si-OC) متوکسی سیلان ساختار متوکسی سیلیل می‌دهد که بسیار فعال و قابل هیدرولیز است، درحالیکه (C-O-C) متیل اتر پایدار می‌دهد؛ در مورد پروپیل آمین خواص ایجاد شده در Si   و C  مشابه است (نکته قابل توجه در مورد فاصله آمین یا دیگر گروه ها از Si بر نحوه رفتار آن اثر دارد، چنانچه پروپیل باشد رفتار Si   و C  یکسان است). به Si می تواند گروه‌های کلر (کلرو سیلان)، نیتروژن (سیلیل آمین)، متوکسی و اتوکسی (آلکوکسی سیلان) و اتوکسی (اسیلوکسی سیلان) متصل شوند که پیوندهایی بسیار فعال می‌باشند و در واکنش با آب سیلانول‌ها را بوجود آورند و در واکنش سیلانول ها، ساختار بسیار پایدار سیلوکسان‌ها (Si-o-Si) پدید می آیند، در ادامه در حضور هیدروکسیل‌های فلزی (MOH) بر روی سطوح معدنی، ساختارهای بسیار پایدار Si-O-M ظاهر می‌شوند که رفتار سیلان‌ها را بعنوان عامل اتصال بر رفتار سطوح توجیه می‌کند. سیلان‌ها با گروه‌های آلکیل (باتیل، آکتیل)، آروماتیک (فنیل) و حتی بعضی گروه‌های شاخه دار آلی (کلرو پروپیل، متا آکریلات) آبگریز هستند.

شكل 1. مقایسه شیمی سیلان در برابر کربن.

اتصال گروه‌های آلی به سیلان

عامل اتصال سیلان بر اساس شیمی پایه سیلیکون می‌باشد که مولکول آن بطور همزمان دو گروه آلی و معدنی را همراه دارد و با ساختار شكل 2 ‏ معرفی می‌شوند.

شكل 2.  ساختار عامل اتصال سیلان[11].

که بصورت زیر می‌باشد.

• OR: گروه قابل هیدرولیز است که معمولا متوکسی، اتوکسی یا استوکسی می‌باشد.
• R: گروه شاخه دار آلی است که میتواند فعال یا غیرفعال، آب گریز یا آب دوست و حتی مقاوم در برابر حرارت باشد. درجدول 1 خواص گروه‌های شاخه دار آلی جانشین در سیلان آورده شده است.

جدول 1.  خواص گروه‌های شاخه دار آلی جانشین در سیلان.

R	خصوصیت گروه R
متیل	آب گریز، آلی دوست
فنیل	آب گریز، آلی دوست، مقاوم در برابر حرارت
ایزوباتیل	آب گریز، آلی دوست
اکتیل	آب گریز، آلی دوست
	آب دوست، واکنش پذیر آلی
اپوکسی	آب دوست، واکنش پذیر آلی
متاکریل	آب گریز، واکنش پذیر آلی

در انتخاب سیلان در مقابل سطوح معدنی باید تطابق واکنش شیمیایی، انحلال پذیری، ساختار و حتی در بعضی موارد پایداری حرارتی، درنظر گرفته شود. در جدول ‏2  لیستی از آلکوکسی سیلان‌های آلی که اصلاح کننده سطوح معدنی (آب گریزی، سازگاری آلی و کاهش انرژی سطحی) می‌باشند، آورده شده است.

جدول ‏1‌.‌2  آلکوسی سیلان‌های آلی[11]

ردیف	گروه آلی	آلکوسی سیلان	نام شیمیایی
1	–	اتوکسی	تترا اتوکسی سیلان
2	متیل	متوکسی	متیل تری متوکسی سیلان
3	متیل	اتوکسی	متیل تری اتوکسی سیلان
4	متیل	متوکسی	دی متیل دی متوکسی سیلان
5	پروپیل	متوکسی	پروپیل تری متوکسی سیلان
6	پروپیل	اتوکسی	پروپیل تری اتوکسی سیلان
7	ایزوبوتیل	متوکسی	ایزوبوتیل تری متوکسی سیلان
8	ایزوبوتیل	اتوکسی	ایزوبوتیل تری اتوکسی سیلان
9	فنیل	متوکسی	فنیل تری متوکسی سیلان
10	ان اکتیل	اتوکسی	ان اکتیل تری اتوکسی سیلان

بر اساس نتایج تجربی دیده می‌شود که در جدول ‏2  از بالا به پایین آب گریزی افزایش می‌یابد.

اتصال سیلان به سطح معدنی

سه گروه فعال و قابل هیدرولیز (OR) به روی سیلان در عامل اتصال سیلان، اتصال خوبی با گروه‌های هیدروکسیل فلزی سطوح معدنی ایجاد می‌کنند. به خصوص اگر مواد معدنی شامل Si و Al یا هر یک از فلزات سنگین در ساختارشان باشند. گروه‌های آلکوکسی متصل به سیلیکون در واکنش با آب هیدرولیز می‌شوند و سیانول تولید می‌کنند و در طی واکنش تراکم روی سطوح معدنی بصورت شبکه‌های سه بعدی در می‌آیند و شبکه پایدار سیلوکسان را بوجود می‌آورند. شبکه سیلوکسان با گروه هیدروکسیل سطح معدنی پیوند هیدروژنی برقرار می‌کنند و اتصالات اکسان ایجاد می‌شوند. بدین ترتیب بدون آنکه تراکم لوله‌های مویین متاثر شود (حفظ قابلیت تنفس در سطح) سیلان با سطح واکنش می‌دهد و در آن نفوذ می‌کند در مقابل گروه‌های آلی (R) در برابر رطوبت مانند موهای زبر برس عمل می‌کنند و مانع رسیدن آب به سطح شده و سطح را آب گریز می‌کنند ( رنجیره‌های آلی هرچه بلندتر باشد آب گریزی بهتری ایجاد می‌کند). این مراحل را می‌توان در شکل زیر مشاهده کرد.

شكل 3  نمایش مراحل اتصال سیلان سطح معدنی

چنانچه مقدار تراکم کم باشد سیلوکسان مانند سیلان رفتار می‌کند و در اصطلاح به آن سیلوکسان الیگومریک می‌گویند. اگر مقدار تراکم زیاد باشد، رزین سیلیکونی تشکیل می‌شود. بطور معمول از سیلان در ضد آب سازی بتن و از سیلوکسان در ضد آب سازی سنگ و آجرنما استفاده می‌شود. از مخلوط سیلان و سیلوکسان برای رفع روغن از سطوح استفاده می‌شود.

منابع

[1] Ma.Minglin, M.Randal Hill, “Superhydrophobic surfaces”, J.Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol.11, pp.193–202, (2006).

[2] A.Nakajima, K.Hashimoto, and T.Watanabe, “Invited Review Recent Studies on Super-Hydrophobic Films”, J.Monatshefte fur Chemie, vol.132, pp.31-41, (2001).

[3] A.I.Ranka, P.V.Mehta, “Organosilicon Compounds”, Patent Application Publication, US2008/0009644A1, pp.1-8.

[4] B.Arkles, “SILICON ESTERS”, Kirk-Othmer Encylopedia of Chemical Tecnology, Fourth Edition, vol.22, pp.69-81, (1997).

[5] H Mayer, “Masonry Protection With Silanes, Siloxans and Silicone Resins”, J.Surface Coating International, vol.2, pp.89-93, (1998).

[6] NBucksch and Hager, “Silicone-baced creams for the protection of concrete Surfaces”, J.Surface Coatig International, vol.2, pp.67-71, (2000).

[7] G.L.Witucki, “A silane Primer: Chemistry and Application of alkoxy Silane”, J.Coatings Technology, vol.65, pp.57-60, (2000).