محسن معصومی: با پیشرفت دانش و فناوری نانو، این فناوری کاربردهای گسترده‌ای در صنایع شیرآلات بهداشتی، یراق‌آلات ساختمان و صنایع وابسته پیدا کرده است.
مشکلات موجود در صنایع ساخت شیرآلات بهداشتی و یراق‌آلات خانگی در زمینه‌های تولید، کیفیت محصولات نهایی و همچنین آلودگی‌های زیست‌محیطی، شرکت‌های بزرگ فعال در تولید این محصولات را از پوشش‌دهی با روش‌های سنتی آبکاری به سمت استفاده از پوشش‌های نوین به‌ویژه «نانوپوشش‌ها» سوق داده است. امروز استفاده از پوشش‌های نانوساختاری مانند TiN، TiCN، TiAlN، ZrN، ZrCN و… به روش PVD روی شیرآلات، دستگیره درها و یراق‌آلات، پرکاربرد و مرسوم شده است. این پوشش‌ها نه‌تنها دوام قطعات، مقاومت به خوردگی، مقاومت به خراش و مقاومت به کدرشدگی را بالا می‌برند که با اعمال پوشش‌های خاص PVD می‌توان به خواصی مانند آب‌گریز بودن، خودتمیزشوندگی، ضد باکتری و ضداثرانگشت بودن دست یافت. این پوشش‌های نوین دوستدار محیط‌زیست بوده و علاوه‌بر کاهش چشمگیر هزینه‌های تولید، کاهش هزینه‌های بازیافت پساب‌ها، آلودگی‌های حاصل از روش‌های آبکاری و افزایش کیفیت محصول نهایی و همچنین امکان دسترسی به طیف وسیعی از رنگ‌ها را روی بیشتر سطوح ایجاد می‌کنند. در این صنایع، استفاده از نانوپوشش‌ها از ۲ بعد دارای اهمیت است. در گام نخست حفظ و نگهداری تجهیزات موردنیاز خطوط تولید در برابر سایش، فرسایش، خوردگی و عوامل مخرب دیگر از موارد مهم و تاثیرگذار در افزایش عملکرد اقتصادی است که بی‌اعتنایی به این مسائل سبب بالا بردن هزینه تولید و کاهش رضایت مشتری خواهد شد.
در مرحله بعد، بهبود کیفیت محصولات تولیدی از لحاظ کیفیت عملکردی و زیبایی ظاهری است که از اهمیت ویژه‌ای در بازارسازی و بازاریابی این محصولات برخوردار است.
چالش‌های مهم
از چالش‌های مطرح در این صنایع می‌توان به تخریب سطوح محصولات به دلیل عواملی مانند خوردگی و همچنین شرایط مخرب محیطی اشاره کرد. همچنین آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از آبکاری کروم سخت، تولیدنکردن محصولات با تنوع رنگی وسیع، کدرشدگی محصولات، مقاومت پایین در برابر سایش، خراش و خوردگی و همچنین بحث زیباسازی و جلوه‌های ظاهری پوشش و نداشتن کیفیت مطلوب سطحی محصول مانند نداشتن خواص آنتی‌باکتریال و ضد اثرانگشت از مهم‌ترین چالش‌ها در این صنایع است. از این‌رو برای حل این چالش‌ها، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح» و اعمال فرآیندهای پوشش دهی توانسته‌اند درصد تخریب قطعات را کاهش و زیبایی محصولات را افزایش دهند.
در فناوری نانوپوشش به دلیل ماهیت نانویی بودن پوشش‌ها، خاصیت متفاوت و منحصربه‌فردی به قطعه بخشیده خواهد شد. افزایش فوق‌العاده سختی تا محدوده ۵۰ گیگاپاسکال، ضریب اصطکاک ۰.۰۱، کاهش زبری سطح، بهبود مقاومت به خوردگی ازجمله این خواص است تا درنهایت ساختاری با سطحی هموار روی قطعات ایجاد شود. این ساختار موجب بالا رفتن عمر کاری، بازدهی و توان بالاتر و همچنین زیبایی منحصربه‌فرد در قطعات خواهد شد.
نانوپوشش‌های سخت و مقاوم
نانوپوشش‌ها به دسته‌ای از روکش‌ها گفته می‌شود که دارای ۲ ویژگی باشد:
۱) یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد.
۲) نسبت به حالت متداول دارای خاصیت ویژه و منحصربه‌فردی باشد مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی.
زیبایی ماندگار
یکی از بزرگ‌ترین عوامل موفقیت اقتصادی در صنعت، توان رقابت با شرکت‌های خارجی است. با ارتقای تجهیزات در صنعت شیرآلات و تحول در نحوه تولید محصولات، می‌توان به عرصه رقابت با سایر کشورها بازگشت. فناوری نانوپوشش‌ها نقش بسزایی در ارتقای تجهیزات این صنعت ایفا می‌کند.
به عنوان نمونه با استفاده از نانوپوشش‌ها در سطوح داخلی قالب‌های ریخته‌گری شیرآلات، می‌توان میزان تولید را در یک بازه زمانی ثابت ۱۰ تا ۳۰درصد افزایش داد. ازجمله پارامترهای مهم در رقابت اقتصادی، تولید محصولات با تنوع رنگ، طرح و نرخ مطرح است که تولید با این تنوع با تکیه بر روش‌های مرسوم آبکاری به راحتی امکان‌پذیر نیست، بنابراین پیش‌بینی می‌شود بازار صنعت شیرآلات بهداشتی و یراق‌آلات خانگی تا ۵ سال آینده رشد سالانه ۹درصدی را در جهان تجربه کند و با توجه به میزان درحال توسعه بودن کشورها، رشد جمعیت و افزایش میزان ساخت‌وساز در کشورهایی مانند چین، هند و ایران این نرخ رشد به بیش از ۱۵ درصد در سال برسد. همچنین پیش‌بینی می‌شود تا ۵ سال آینده، بازار جهانی شیرآلات و یراق‌آلات خانگی به بیش از ۲۲۰ میلیارد دلار برسد. با توجه به سهم ۱.۱ درصدی جمعیت ایران از جهان، این بازار درحال‌حاضر در کشورمان، سالانه حدود ۲ میلیارد دلار است.
درحال‌حاضر در داخل کشور بیش از ۴۵۰ مجموعه سازنده شیرآلات و یراق‌آلات خانگی در حال فعالیت هستند که از این تعداد حدود ۵۰ شرکت دارای تولیدات وسیع بوده و بر اساس استانداردهای جهانی کار می‌کنند. همچنین درحال‌حاضر بیش از ۱۳۰ میلیون قطعه شیرآلات بهداشتی و بیش از ۲۵۰ میلیون قطعه یراق‌آلات شامل دستگیره و آویز و... درحال تولید هستند و با توجه به ساخت‌وسازهای جدید، افزایش جمعیت، توسعه صنعتی کشور و همچنین نیاز به نوسازی و تعویض شیرآلات و یراق‌آلات، نیاز سالانه به حدود ۵۰ میلیون قطعه شیر و ۱۰۰ میلیون قطعه یراق‌آلات ساختمانی پیش‌بینی می‌شود.
با توجه به نیاز بالای کشور، وجود قابلیت تامین صددرصدی این نیاز و همچنین توجه ویژه به بازار رقابتی صادرات در کشورهای منطقه و جهان، لزوم توجه به کیفیت، تنوع و زیبایی محصولات، کاهش هزینه‌های تولید، نوسازی فناوری‌های تولید و همچنین کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی حاصل از روش‌های سنتی آبکاری، بیش‌ازپیش در این صنایع کشور احساس می‌شود.
کاربردهای تجاری نانوپوشش
درحال‌حاضر بسیاری از صنعتگران در زمینه تولید شیرآلات بهداشتی از روش آبکاری استفاده می‌کنند. این روش در کشورهای پیشرفته منسوخ شده یا کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل روش‌های مختلف لایه‌نشانی در ابعاد نانو با ایجاد طیف وسیعی از رنگ و طرح و همچنین سازگاری بالا با محیط‌زیست، گزینه موردعلاقه بسیاری از برندهای تولید‌کننده شیرآلات بهداشتی در جهان است. با بررسی مقالات معتبر موجود در جهان در زمینه پوشش‌دهی شیرآلات و یراق‌آلات ساختمانی مشاهده شد که در بیشتر آنها، در ابتدا از لایه‌ای از کروم نانوساختار با ضخامت ۲۰ نانومتر به روش PVD روی بدنه شیر استفاده می‌کنند. سپس یک لایه مقاوم نیتریدکروم نانوساختار با ضخامت حدود ۳ میکرون روی سطح شیر استفاده می‌شود. پس از اعمال پوشش نیترید کروم، یک لایه شبه‌الماس آمورف به ضخامت حدود ۳۰۰ نانومتر با صافی سطح بسیار بالا و صیقلی روی شیرآلات لایه‌نشانی می‌شود. این نوع پوشش‌ها علاوه بر سختی و مقاومت به خراش و سایش بالایی که دارند، به علت صافی زیاد و ضریب اصطکاک فوق‌العاده پایین سطح، هیچ‌گونه رسوب و لکه‌ای روی خود جذب نمی‌کنند و به‌راحتی تمیز می‌شوند. همچنین در سال‌های گذشته پوشش‌های نوینی روی شیرآلات بهداشتی و یراق‌آلات خانگی معرفی شده است که دارای رنگ‌های متنوع زیبا و همچنین مقاومت بالا به خوردگی، سایش و مواد شیمیایی هستند. این پوشش‌ها شامل یک یا چند لایه مقاوم‌به‌خوردگی هستند که از سوی روش‌های PVD با عناصر زیرکونیوم، هافنیم، تیتانیم، کروم و... لایه‌نشانی می‌شوند. خارجی‌ترین لایه از این پوشش‌ها، بسیاری از رنگ‌ها مانند خاکستری، مشکی، طلایی و.... را با استفاده از عناصر زیرکونیوم و هافنیم به عنوان جزء اصلی پوشش فراهم می‌کنند. در روش‌های سنتی آبکاری، برای لایه‌ها از کروم، نیکل، نیکل‌پالادیوم، نیکل‌قلع، بورنیکل و تنگستن استفاده می‌کنند که گاهی از لحاظ کیفیت و هزینه مناسب نیستند اما در روش‌های جدید با عناصری ارزان‌تر و به مقدار بسیار کمتر، به محدوده وسیعی از رنگ‌ها و خواص می‌توان رسید. ازجمله مزایای بهره‌گیری از لایه‌های سخت به عنوان پوشش‌های تزئینی به عمر کاری طولانی‌تر، تنوع رنگ‌های فلزی و براق، مقاوم در برابر خراش و سازگاری با محیط‌زیست آنها اشاره کرد.
اعمال پوشش‌هایی به رنگ‌های سیاه و خاکستری به روش PVD روی قطعات زنگ‌نزن و کروم‌اندود، رنگ و جلای زیبایی ایجاد می‌کند. بیشتر این پوشش‌های رنگی تزئینی، روی مس، روی، فولاد، کروم، آلومینیوم، فولاد ضدزنگ و پلاستیک ABS قابل‌اعمال هستند.
پوشش‌های PVD نیکل روی شیر آب، دستگیره در و... اعمال می‌شود. البته به علت دوام و مقاومت به خوردگی کمتر نیکل نسبت به کروم، پوشش PVD نیکل روی کروم استفاده می‌شود که علاوه بر هزینه تعمیر و نگهداری کمتر، ظاهر بسیار خوبی نیز دارد و روی سطوح زیادی قابل‌اعمال است. استفاده از روش PVD در مرحله پایانی و ایجاد پوشش‌هایی با رنگ‌های جذاب است که سبب می‌شود محصولاتی زیبا و باکیفیت بالا تولید شوند. شیرآلات تولید شده با استفاده از این روش مقاومت به سایش، خوردگی و کدرشدگی بالایی دارند. در کل می‌توان گفت مزایای کلی نانوپوشش‌ها عبارتند از مقاوم به کدرشدگی-سختی بالا (۲۰۰۰ ویکرز- ۶ برابر فولاد)-از نظر شیمیایی بی‌اثر و غیرسمی-مقاومت در برابر اشعه ماورای بنفش-طول عمر و دوام بالا، ضریب اصطکاک فوق‌العاده پایین-قابلیت اعمال بر قطعات مختلف-امکان حکاکی لیزری سطح-سازگاری با آب و مواد غذایی-مقاومت در برابر سایش-چسبندگی بالا و سهولت در تمیز کردن.
مس را می‌توان به عنوان یک پوشش روی برنج اعمال کرد اما مس ضعف‌های بسیاری دارد ازجمله نرمی، کدر شدن با گذشت زمان و... که استفاده از آن را محدود می‌کند. امروز ظاهر مس را می‌توان با استفاده از PVD تیتانیوم یا زیرکونیم که مقاومت به خراش و کدرشدگی بالا دارد، ایجاد کرد. ۳ عنصر فلزی اساسی که برای پوشش‌های تزئینی PVD استفاده می‌شوند، تیتانیم، زیرکونیم و کروم هستند. این مواد برای شبیه‌سازی رنگ سایر موادی که مناسب PVD نیستند استفاده می‌شوند. رنگ‌های مختلف با ترکیب با گازهای غیرفعال تولید شوند.
پوشش آنتی‌باکتریال
برای آنتی‌باکتریال کردن شیرآلات و یراق‌آلات خانگی از پوشش‌های آنتی‌باکتریال شرکت از جنس دی‌اکسید تیتانیوم استفاده می‌شود که براساس فناوری نانوفتوکاتالیست فعالیت می‌کنند و باکتری‌ها، بوها، آلاینده‌ها و... را ازبین می‌برند.
این پوشش برای درها، دیوارها، دستگیره‌ها و درکل برای مکان‌های عمومی و بیمارستانی بسیار مناسب است. این سطح علاوه بر حذف میکروب‌ها اثر خودتمیزشوندگی نیز دارد. به علت نیاز نداشتن به دمای بالا برای پخت، این پوشش قابل اعمال روی بیشتر زیرلایه‌ها است. با اعمال پوشش نانونقره روی محصولات فلزی مانند شیر آب، قفل و دستگیره‌های در و... می‌توان به سطوح آنتی‌باکتریال دست یافت. این پوشش‌ها بسیاری از باکتری‌های بیماری‌زا، قارچ‌ها و ویروس‌ها ازجمله ویروس کرونا را از بین می‌برند و برای انسان نیز بی‌خطر بوده و برای دستگیره‌ها و شیرآلات بهداشتی در مکان‌های عمومی و بیمارستان‌ها بسیار مناسب هستند.
مرکز توسعه نانوپوشش
مرکز توسعه نانوپوشش، یکی از زیرمجموعه‌های کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو در سال ۱۳۹۲ با هدف رسوخ فناوری نانوپوشش‌ها در صنایع و شرکت‌های متقاضی همچنین هدایت و حمایت شرکت‌های فناور در حوزه نانوپوشش تشکیل شد. هدف این مرکز حل مشکلات صنعت در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی با تاکید بر توان فناوری داخلی است. درحال‌حاضر این مرکز با ارائه خدماتی همچون مشاوره و عارضه‌یابی، مهندسی، تحقیق و توسعه، آموزش تخصصی و حمایت‌های مالی ویژه درصدد بهره‌مندی صنایع و شرکت‌های متقاضی از این فناوری است. اهداف این مرکز عبارتند از:
• آشنایی صنایع با ظرفیت‌های بالقوه و بالفعل فناوری نانوپوشش
• ارائه خدمات فنی، مشاوره‌ای، تحقیق‌وتوسعه‌ای به صنایع
• حل مشکلات صنعتی موجود با تکیه بر توانمندی فناوری
• رسوخ، بکارگیری و توسعه فناوری نانوپوشش در صنایع
•کمک به فناوران برای عرضه فناوری به صنعت
• بازارسازی و بازاریابی فناوری نانوپوشش
• کمک به افزایش بهره‌وری صنایع از طریق بکارگیری فناوری نانوپوشش
• رصد آخرین تحولات جهانی در حوزه پژوهشی و صنعتی فناوری نانوپوشش
صنایع علاقه‌مند به آشنایی با خدمات این مرکز و نیز بهره‌مندی از آن، می‌توانند به وب‌سایت مرکز توسعه نانوپوشش ایران به‌نشانی www.NanoCoating.ir مراجعه کنند.