نکات برجسته
- •آخرین پیشرفت ها در طراحی و اعمال سطوح فوق آبگریز بررسی شده است.
- •تمرکز بر روی گلوگاه های کلیدی است که مانع تولید انبوه و کاربرد گسترده می شود.
- •اشکالاتی در دوام، شفافیت، اثر ضد باکتریایی و اثرات زیست محیطی/سلامتی.
- •مکانیسم های زیربنایی و استراتژی های بهبود یافته در حال ظهور برجسته می شوند.
- •چشم انداز آینده با در نظر گرفتن خواص مصالح ساختمانی به طور عمیق مورد بحث قرار می گیرد.
چکیده
سطوح فوق آبگریز الهام گرفته شده از زیست، پتانسیل زیادی برای کاربردهای کاربردی در طیف وسیعی از زمینه ها، از جمله نگهداری سطح مصالح ساختمانی نشان داده اند. در محیط بیرونی، تخریب مصالح ساختمانی، مانند بتن، سنگ، آجر، کاشی و ملات، خطرات ساختاری، عملکردی و زیبایی شناختی شدیدی را برای کل ساخت و ساز ایجاد می کند و نگرانی های فزاینده ای را در سراسر جهان ایجاد می کند. سطوح فوق آبگریز به دلیل ممانعت از چسبندگی/نفوذ مایع، خود تمیز شوندگی سطح خود به خود و مانع از چسبندگی سلول های باکتریایی به سطوح، پوشش های محافظ چند منظوره ایده آلی هستند. با این حال، علیرغم چند کارکردی جذاب و تعداد زیادی از مواد گزارششده در سالهای اخیر، چندین اشکال که مانع تولید و کاربرد گسترده میشوند، حل نشده باقی میمانند، مانند دوام ضعیف شیمیایی/مکانیکی/در برابر هوا، شفافیت کم، اثر ضد میکروبی ناکافی در محیطهای مرطوب، مواد خام سمی و ناسازگار با محیط زیست پس از ساخت. در این بررسی، تنگناهای کلیدی شناسایی شده پس از کاربردهای آزمایشی در زیربنای مکانیسمهای زیربنایی در عمق خلاصه میشوند. استراتژیهای نوظهور جدید پیشنهادی برای پرداختن به محدودیتهای خاص پس از آن دستهبندی و به تفصیل مورد بحث قرار میگیرند. علاوه بر این، با در نظر گرفتن ویژگیهای فیزیکوشیمیایی مصالح ساختمانی، الزامات خاص در مورد حفاظت از میراث سنگساخته و محیط بیرون، امکانسنجی و مزایا و معایب استراتژیهای جدید بهطور انتقادی بررسی میشوند و چشمانداز آینده این حوزه را مشخص میکنند.
مقدمه
سطوح فوق آبگریز که عموماً به سطوحی با آب ساکن CA > 150 درجه همراه با SA < 10 درجه اطلاق می شود، در طبیعت در همه جا وجود دارند [[1]، [2]، [3]، [4]، [5]] به عنوان مثال، برگ نیلوفر آبی، برگ برنج، بال سیکادا، پای مارمولک، و غیره. پدیده ابرآب گریز را می توان از طریق ترشوندگی توضیح داد و درک کرد نظریه. سطحی در حالت Cassie-Baxter [6]، و فقط در آن حالت، خواص فوق آبگریز را نشان می دهد. Cassie-Baxter یک رابط ترکیبی جامد-مایع-هوا را در نظر می گیرد که با مدل های ساده کلاسیک یانگ و ونزل متفاوت است. وجود ریز شیارها/برآمدگیها روی سطح میتواند هوا را به دام بیاندازد و حفرههای هوا را تشکیل دهد که تماس واقعی در بالای آنها انجام میشود. در چنین شرایطی، برای یک قطره مایع سخت است که سطح را خیس کند [7] و در نتیجه به خاصیت دفع فوق العاده یا آبگریز بودن دست می یابد.
به دلیل پتانسیل زیاد در تحقیقات بنیادی و کاربردهای کاربردی، سطوح فوق آبگریز الهام گرفته شده از زیستی توجه قابل توجهی را در سه دهه گذشته به خود جلب کرده اند. از زمانی که Neinhuis و Barthlott بر روی برگ های نیلوفر آبی کشف کردند که ساختار ماستوئید ثانویه در سطوح میکرو نانو و مواد مومی برای دستیابی به عملکرد فوق آب گریزی و خود تمیز شوندگی ترکیب می شوند [1]، مطالعه ساخت سطوح مصنوعی ابرآب گریز با تقلید از طبیعت آغاز شد. بالا به طور کلی، آماده سازی سطوح فوق آبگریز باید دو جنبه را داشته باشد، یعنی ساخت ساختارهای خشن میکرو نانو و کاهش انرژی سطح. برای اولی، رویکردهای بالا به پایین و رویکردهای پایین به بالا معمولاً مورد بهره برداری قرار می گیرند [8]. رویکرد قبلی شامل روشهایی است که توپوگرافی سطح زیرلایه را اصلاح میکند، از جمله فرسایش لیزری [9،10]، اچینگ [[11]، [12]، [13]] و درمانهای هیدروترمال [14]. رویکرد اخیر، ریزساختارها را با پوشش [15،16]، رسوب گذاری [17] و خود مونتاژ [[18]، [19]، [20]] روی بستر ایجاد می کند. پس از ساخت ریزساختار یا فقط در حین ساخت [7]، آب گریزی نیز برای کاهش کشش سطحی سیستم انجام می شود. روشهایی که معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند تزئین ماتریس با نانوذرات (نانوذرات SiO 2 [21،22] و نانوذرات TiO 2 [23،24] و غیره) و اصلاح سطح برای به دست آوردن یک سیستم انرژی سطحی کم [[25] است. ، [26]، [27]].
جدا از ادبیات فراوان در مورد روش های ساخت، زمینه های کاربرد بالقوه مواد فوق آبگریز نیز به طور مداوم گسترش یافته است، از خود تمیز شونده، ضد خوردگی، ضد اصطکاک، ضد یخ، ضد مه، دستکاری میکرو قطرات، ضد ریزش. رسوب زیستی به جداسازی آب/روغن [[28]، [29]، [30]، [31]، [32]، [33]، [34]]، و همچنین مصالح ساختمانی و نگهداری میراث سنگی [35،36].
نگهداری سطح مصالح ساختمانی ساختمان های معاصر یا بناهای تاریخی و آثار هنری به دلایل ایمنی، اقتصادی و زیبایی از اهمیت بالایی برخوردار است. هنگامی که در معرض محیط های بیرونی قرار می گیرند، آب به صورت مایع یا بخار، و نمک های محلول عامل اصلی تخریب مواد سنگی طبیعی و مصنوعی هستند [37]، به عنوان مثال، سنگ، آجر، کاشی، بتن، ملات و غیره. اجزای محلول، تشکیل شکاف ها/ترک ها از طریق چرخه های انجماد- ذوب، و چرخه های انحلال- تبلور مجدد نمک، همگی هستند. پدیدههای تخریب «مرتبط با آب» که به یکپارچگی فیزیکوشیمیایی و ارزش زیباییشناختی مصالح ساختمانی آسیب میزند (شکل 1) [[37]، [38]، [39]، [40]، [41]]. علاوه بر این، آب خطر استعمار بیولوژیکی را به دلیل افزایش حساسیت زیستی تسهیل می کند [[42]، [43]، [44]]. علاوه بر اثرات زوال ساختاری و زیبایی شناختی، زوال زیستی همچنین در شرایط خاص خطرات سلامتی بالقوه ای را به همراه دارد (به عنوان مثال، ساختمان های مرطوب). رشد میکروبی در محیط های مرطوب ممکن است باعث واکنش های آلرژیک، دوره های آسم، میکوز و سندرم پاسخ التهابی مزمن شود [45،46]. بنابراین، برای حفظ پایدار مصالح ساختمانی و میراث سنگی که در محیطهای بیرونی قرار میگیرند، پوششهای محافظ ایدهآل باید دارای خواص ضد آب و ضد میکروبی کافی باشند.
مواد فوق آبگریز الهام گرفته شده از زیستی، به دلیل مهار موثر چسبندگی/نفوذ آب مایع و نگهداری خود به خودی سطح توسط خود تمیز شوندگی، پوشش های محافظ چند منظوره ایده آلی هستند [[47]، [48]، [49]، [50]]. علاوه بر این، در سطوح فوق آبگریز، مانع از اتصال اولیه سلول های باکتریایی نیز برای جلوگیری از کلونیزاسیون بیولوژیکی مطلوب است. با چنین خواص امیدوار کننده ای، تعداد زیادی از مواد فوق آبگریز سنتز شده و برای نگهداری از مصالح ساختمانی مختلف پیشنهاد شده است [47،50]. با این حال، با وجود ظهور مداوم روشها و مواد جدید، چندین گلوگاه حل نشده باقی مانده و کاربرد عملی آنها را محدود میکند. اول و مهمتر از همه، آبگریز بودن به دلیل آسیب ریزساختار و/یا مصرف کم انرژی سطحی مواد بادوام نیست [23،25]. دوم، شفافیت چنین پوششهایی باید بهبود یابد تا ویژگیهای زیبایی شناختی اصلی زیرلایه سنگ حفظ شود [51]. سوم، ترکیبات بسیار فلوئوردار مورد استفاده برای آماده سازی سازگار با محیط زیست نیستند و باعث ایجاد خطرات بالقوه محیطی و سلامتی می شوند [52، [53]، [54]، [55]]. آخرین اما نه کم اهمیت، اثرات ضد میکروبی سطوح فوق آبگریز برای جلوگیری از تخریب زیستی در دراز مدت کافی نیست [56]. برای ارتقای تولید این مواد و کاربردهای آنها، پیشرفت هایی در این موضوعات مورد نیاز است.
در طول دهه های گذشته، سطوح فوق آبگریز به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است و چندین بررسی کلی قبلاً منتشر شده است [7،8،47،50، [57]، [58]، [59]، [60]، [61]، [62]. ]، [63]، [64]، [65]، [66]]. با این حال، این کارها عمدتاً بر روی مبانی آبگریز بودن، روشها و مواد آمادهسازی، خواص و کاربردهای گسترده تمرکز داشتند. بحث عمیق در مورد ایرادات اصلی که مانع کاربردهای عملی می شوند و راه حل های جدید کاهش عمدتا نادیده گرفته می شوند. اخیراً، برخی از بررسیهای خاص [47،50،57،62،64،65] مربوط به حفاظت از مصالح ساختمانی منتشر شده است که در آن، مشابه بررسیهای عمومی [7،8، [58]، [59]، [60]، [ 61],63,66]، مطالب غالب شرح اصل اساسی پدیده های خیس شدن، طبقه بندی مواد فوق آبگریز بر اساس ماهیت شیمیایی/فیزیکی روشهای سنتز، و همچنین مقایسه عملکرد ارزیابی شده توسط آزمایشهای مختلف. اثرات نامطلوب بالقوه ناشی از کاربرد پوشش، به عنوان مثال، ناسازگاری شیمیایی-فیزیکی با بستر، تغییر رنگ سطح و از دست دادن نفوذ بخار، به ندرت در عمق مورد بحث قرار گرفته است. اگرچه گلوگاه های کلیدی که برای برنامه های کاربردی در مقیاس بزرگ و در دنیای واقعی با آن مواجه می شوند در برخی بررسی ها در نظر گرفته شده اند، هیچ راه حل بهبود بخشی طبقه بندی و ارزیابی نشد.
این بررسی با هدف کاوش و بررسی انتقادی مطالعات حاضر در مورد مواد فوق آبگریز در زمینه نگهداری مصالح ساختمانی و حفاظت از میراث سنگی، از جمله وضعیت فعلی، چالش های اصلی، فرصت ها و چشم اندازهای آینده است.
به طور خاص، مسائل مربوط به مواد/روش های موجود، محدود کردن کاربردهای عملی، خلاصه و به آن اشاره می شود، یعنی دوام ضعیف، شفافیت کم و تغییر رنگ، اثر ضد میکروبی ناکافی و خطرات بالقوه محیطی و بهداشتی. علاوه بر این، استراتژیهای بهبود عملی با در نظر گرفتن الزامات خاص حوزه حفاظت از هنر خاص پیشنهاد و ارزیابی میشوند. در نهایت، بخش نتیجهگیری، جهتهای تحقیقاتی ممکن را برای بهینهسازی عملکرد، پیشرفتهای آینده مقرونبهصرفه و سازگار با محیطزیست برجسته میکند.
قطعات بخش
تنگناهای کلیدی که کاربرد عملی را مختل می کند
پیشرفت های قابل توجهی در تهیه مواد فوق آبگریز برای مصارف گوناگون اخیراً پیشنهاد شده است [50، [57]، [58]، [59]، [60]، [61]، [62، [63]، [64]، [65]، [66]]. با این حال، برای برآورده ساختن الزامات حیاتی کاربرد در محیطهای بیرونی (به عنوان مثال، مصالح ساختمانی و حفاظت از میراث سنگی)، در حال حاضر چندین چالش و تنگنا وجود دارد. به ویژه، دوام، شفافیت و توانایی ضد میکروبی مواد فوق آبگریز نیاز دارد
استراتژی های بهبود در حال ظهور
برای ارضای تقاضا برای استفاده عملی برای سناریوهای مختلف، محققان تعداد زیادی از رویکردهای جدید را برای افزایش عملکرد کلی پوششهای ابرآبگریز بررسی کردهاند و تا آنجا که ممکن است از مسائل برجسته قبلی اجتناب میکنند. در این بخش، استراتژیهای نوظهور و روشهای خاص برای بهبود دوام، شفافیت و توانایی ضد میکروبی و همچنین کاهش تأثیر بالقوه تأثیر بر محیطزیست و انسان، خلاصه و مورد بحث قرار میگیرند.
چشم انداز آینده
در بخش های قبلی، عملکردها و بهبودهای احتمالی مواد فوق آبگریز فعلی گزارش شده است. با این حال، کاربرد/مداخله در زمینه میراث فرهنگی، یعنی بناها و اشیاء میراثی، ارزش تاریخی و هنری آنها و همچنین ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و کانی شناسی مواد تشکیل دهنده باید مورد توجه قرار گیرد تا اثرات نامطلوب احتمالی به حداقل برسد. بنابراین، امکان سنجی و سازگاری مواد جدید
نتیجه گیری
این مقاله یک نمای کلی از ساخت، کاربرد و عملکرد مواد فوق آبگریز، به ویژه برای حفاظت از سطح مصالح ساختمانی و میراث سنگی ارائه میکند و چالشها، فرصتها و چشماندازهای اصلی را برجسته میکند. مواد فوق آبگریز به دو دلیل عمده پتانسیل بالایی به عنوان پوشش های محافظ سطح در زمینه نگهداری آثار هنری ساختمانی و سنگی نشان داده اند. زاویه تماس استاتیک آب فوق العاده آبگریز
Leave A Comment