صنعت کاغذ و کاربرد های نانو مواد

علم و فناوري ‌نانو باعث تغییرات بزرگی در علم مواد شده و پیشرفت وسیعی از مواد جديد و بهبود يافته به‌وسيله نانوساختارها را در پی دارد. اين پيشرفت‌ها در صنعت كاغذ مي‌تواند از اهميت حياتي بهره مند باشد.

با كم شدن ابعاد نانومواد به کم تر از طول بحراني، رفتارهاي بسیار مختلفی از آنها دیده مي‌شود.

استفاده از خاصیت مواد در مقياس نانو، امکان ساختن ابزار با كارآيي و خواصي كه دسترسي به آنها قبلاً ممكن نبوده است و مواد را فراهم مي‌سازد.

نانوساختارها در شکل های متفاوتي من جمله پوشش، كامپوزيت ، پودر و ديگر اشکال سبب رخ نمود تحول در تعدادی از بخش‌هاي صنعتي از جمله موارد زير مي‌شوند:

محفاظت در برابر خوردگي؛

پوشش‌ها و رنگ؛

چسب و پليمرهاي رسانا؛

مواد سازگار با زیست؛

سطح های هوشمند خود تميزكننده؛

مخابرات نوري؛

محفاظت زيست‌محيطي؛

دارو رساني؛

تصفيه کردن آب؛

منابع انرژي قابل حمل؛

حفاظ‌هاي كاركردي؛

چاپ كاركردي؛

جوهر و كاغذهاي الكترونيكي؛

نانو مواد را می توان شامل موارد زير دانست:

خوشه‌هاي اتمي (نقطه های كوانتومي، ماكرومولكول‌هاي معدني، نقطه های نانومتري)؛

گلوله‌هايي با ابعادر و سایزهایی پایین تر از 100 نانومتر (مواد نانوبلوري، نانوفازي و نانوساختاري)؛

اليافي با قطر پایین تر از 100 نانومتر (نانوميله‌ها، نانوصفحه‌ها، نانولوله‌ها، نانوالياف و سيم‌هاي كوانتومي)؛

نانوكامپوزيت‌ها

فيلم‌هايي با ضخامت پایینتر از 100 نانومتر؛

نانوحفره‌ها

تركيبات نانو مواد مي‌تواند مشمول هر عنصر طبيعي باشد كه مهمترين آن ها عبارتند از:

‌ كاربيدها، ‌ نيتريدها، سيليكات‌ها، اكسيدها، بوريدها، ‌ تلوريدها، ‌سولفيدها، ‌ سلنيدها، هاليدها ، فلزها ، آلياژها، ‌ و پليمرهاي آلي

‌امروزه فناوري علم نانو ذرات به سرعت در حال اثرگذاري بر تعدادي از محصولات و خدمات،‌ مانند صنعت كاغذ است. پيشرفت‌هاي جدید باعث كم شدن احتیاج به مواد براي ساختن محصولات و زیاد شدن كارآيي سوخت در خودروها و هواپيماها شده است. همینطور كنترل کردن ساختمان مواد در اندازه نانو در بهتر شدن كارآيي مواد مغناطيسي مورد استفاده قرار گرفته و اين روال باعث زیاد شدن كارآيي موتورها و ژنراتورهاي الكتريكي می شود. انواع دیگر مواد، ‌ مخصوصا آنهايي كه در داخل باتري‌ها و پيل‌هاي سوختي به كار مي‌روند هم به روش‌هايی مانند همین در حال رشد و ترقي هستند و در نهایت اين‌ زحمات به شکل منابع توليد نيروي سبك و قابل حمل و نقل در تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي كيفي و مورد های ديگر ديده مي‌شوند. در بحث‌ كنترل خواص سطحي مواد داخل منسوجات، رنگ‌ها و پوشش‌ها هم‌ خاصیتی مانند قابليت نفوذ هوا درون مواد، و ضد لك بودن لباس‌ها و ضدآب و فرش‌ها ديده مي‌شود.

نانوذرات، به دلیل سطح خاص بسيار بالا كاتاليست‌هاي بسيار فعالي هستند و به هدف بهبود خواص وایجاد تنوع پلاستيك‌ها،جهت استفاده قرار گرفته‌اند. همچنین در كلوئيدها و درون صفحات خورشيدي، رنگ‌ها و جوهر چاپگرها مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

رنگدانه های جوهر

 

پيشرفت‌هاي جدید در تکنولوژی ‌نانو،‌ در حال فراهم کردن فرصت‌هاي جديدي ست كه از جانب سازندگان و مصرف‌كنندگان جوهر مورد توجه بسیاری قرار گرفته است تا خاصیت و كاربرد جوهرها را زیاد کند.

مثلا BASF تخمين مي‌زند كه اين گروه از محصولات تکنولوژی ‌نانو ده درصد از فروش اخيرشان را مشمول بشود. يكي از محصول های فناوري‌ نانو در اين زمینه، رنگدانه ‌هاي نانومتري است كه مشمول دي‌اكسيد تيتانيوم است و ظرفيت بسیاری در جذب کردن نور دارد.

هم‌اكنون محقق ها در حال کوششند تا به رنگ های مختلفی دست پیدا کنند و اینکار با استفاده از نانومواد و بدون استفاده از رنگدانه‌هاي متعارف،امکان پذیر است.

اين رنگ‌ها كه با توزيع نانوذره های هم اندازه به وجود می آیند، ‌ دقیقا به مانند شكلي كه رنگ بخش ‌هاي متفاوت بال پروانه‌ها با هم تفاوت مي‌كند، مي‌باشند.

همینطور محققان در حال پیشرفت دادن پليمرهاي چندشاخه (hyperbranched) از پلي‌يورتان‌ها هستند تا از اين روش مشكلات چاپگرهايی که از سيستم‌هاي جوهر متفاوت براي چاپ روي پليمرهاي قطبي مثل پلي‌آميد، پلي‌استر و نيز پلاستيك‌هاي غيرقطبي مثل پلي پروپيلن و پلي‌اتيلن استفاده می شوند را حل کنند. تعداد زیادی گروه‌هاي عاملي روي پليمرهاي چند شاخه، گروه‌هاي پيوندي كافي و مناسب براي متصل کردن جوهر به نقطه های چسبنده روی سطح پليمر را به وجود می آورد.

زمينه ی ‌ديگري براي كاربرد فناوري نانوذرات چاپگرهای جوهر افشان هستند. به طور مثال،‌ شركت ديگوسا (Degussa) از فناوري نانوذرات خود برای پیشرفت محدوده‌ اي از رنگدانه‌هاي كوچك استفاده كرده تا پايداري و مقاومت رنگ بر روي سطوح را بالا ببرد.مدتی قبل شركت بزرگNano Products درون آمريكا هم اطلاع از راه‌اندازي خط توليد جديد با به کار بردن از نانوذرات ™PureNano به عنوان جوهر را داده است. پوشش‌هاي دي‌الكتريك و تركيب های رنگدانه‌ها ، هادي و مغناطيسي، مواردی از جوهر و فازهاي پراكنده نانومتري هستند.

سيستم‌هاي نگهداري

صنعت كاغذ، از اصول علوم و تکنولوژی ‌نانو به خصوص در مبحث شيمي‌ تَر، براي توسعة و پیشرفت سيستم‌هاي نگهداري سالهای زیادی است که بهره گرفته است. يك سيستم نانوذره اوليه و ابتدایی -كه همچنان مورد استفاده قرار مي‌گيرد- يك نانو ذره آنيوني (سيليكاي كلوئيدي) و نشاستة كاتيوني را با هم مخلوط مي‌كرد. نسل جدید اين سيستم كه در سال 1992 ایجاد شد مشمول ذرات سيليكاي ساختاري با طراحي مخصوص است كه به منظور تركيب با پلي‌اكريلاميد كاتيوني (C-PAM) سنتزي ایجاد شده اند و معلوم شده است كه ساختار بسيار مرتب اين نانوذرات سبب واكنش بسيار بهتر آنها با C-PAM مي‌شود. كره‌هاي سيليكا درون نانو ذره ساختاري، ‌ پيوندهاي كوالانسي خیلی قوي سيلوكسان را ایجاد می کنند كه تنش‌هاي‌ ماشين نمي‌توانند به‌ آسانی آنها را در هم بشكنند.

در سال 2000 شركت Eka Chemicals سيستم Compozil Select را رو نمایی كرد، كه يك سيستم نانوذره‌اي بر پایه ی مولكول‌هاي كلوئيدي سيليكاي آنيوني و تركيبات پليمري كاتيوني مانند صمغ، گوار، نشاسته كاتيوني ، پلي‌اكريلاميدها، ‌ و آشغال‌گيرهاي آنيوني است. مولكول‌هاي خیلی كوچك، سطح خاص بار بسيار زیادی به وجود می آورند. اين خاصیت كليدي باعث بهبود لخته‌شدن و بهبود سيستم نگهدارنده مي‌شوند.

پوشش‌ها

يكي دیگر از نانو مواد بسيار مهم پوشش ها هستند، که در مورد های بسياري، ‌ از پوشش‌هاي قوی نسبت به خش در روی شيشه‌ها گرفته تا وسايل خود تميز كن كارایی دارند. يكی نمونه از اين موردها، پوشش كامپوزيت نانوسراميكي از جنس آلومينا و تيتانيا با نام تجاريNanox2613 است كه شركت Inframat آن‌را ساخته است.

دوام مقاومت اين نانوسراميك آلومينا/تيتانيا به نسبت با مشابه سراميكي، بين چهار تا شش برابر است و با این حال ، فاكتور سختي آن نيز دو برابر بالاتر از نوع غير نانومتري است. بر خلاف قيمت بالاي اين محصول (30 تا50 دلار به ازاي هر پوند) استفاده کردن از آن از نظر اقتصادي بیشتر به صرفه است.

به طور مثال، نيروي دريايي آمريكا امروزه با استفاده از پوشش نانوساختاري در مورد های زيادي از جمله شيرهاي ورود و خروج هوا در درون زيردريايي‌ها حدود 400 هزار دلار در هر كشتي و به طور میانگین 20 ميليون دلار در ده سال آينده صرفه‌جويي می کند.

Nanox به عنوان يكي از پوشش‌هاي مناسب براي ، شفت‌هاي پريسكوپ، تانك‌هاي شني، شيرها و بسياري از ادوات قابل استفاده درون محيط‌هاي دريايي ارزيابي مي‌شود. يكي دیگر از شركت‌هاي معدني كه نيكل و كبالت را از درون سنگ‌هاي معدني به دست مي‌آورد، از پوششNanox داخل شيرهاي موسوم به ball valve استفاده می کند. اینگونه شيرهايي بايد در مواجهه با عبور دوغابي از سنگ‌ريزه در محيط بسيار اسيدي و همچنین فشار بالا مقاومت از خود نشان دهد. شيرهاي معمولي در اینگونه شرايطي فقط چند ساعت پس از جلادهي دوام مي‌آورند، اما‌ در حالي كه دورة كار شيرهاي پوشش‌دارحتی به دو روز هم مي‌رسد.

Nanox در صنعت خودروسازي هم در مورد هایی همانند سيستم اگزوز مورد آزمايش قرار گرفته است. شركت‌هاي نفت و گاز هم در حال ارزيابي اين پوشش براي پمپ‌هاي چرخشي هستند.

یکی از ديگر كاربردهاي پيشنهاد شده براي Nanox ،صنايع چاپ و كاغذسازي است.