کاربردهای شیشه های حرارتی ایمن:

• مانیتورهای کامپیوتر
• نمایشگرهای کریستال مایع LCD
• نورگیرها
• قفسه های یخچال
• درهای کوره
• درهای مقاوم در برابر طوفان

اگر شما عینک آفتابی قطبیده شده به چشم بزنید می توانید به راحتی شیشه ایمن حرارتی را در پنجره های عقب یک اتومبیل در روز آفتابی تشخیص دهید. سرتان را 90 درجه کج کنید. شما یک طرح متقارن که در هنگام عملیات حرارتی شیشه ساخته شده است را خواهید دید.
به هر حال با ورود نانوتکنولوژی به هر حوزه ای می توان خواص و کاربردهای جدید در آن حوزه را انتظار کشید. صنعت شیشه نیز از این امر مستثنی نبوده و شاهد تغیراتی اساسی در تنوع و کارکردهای محصولات بوده که در زیر به چند مورد از آن اشاره خواهد شد.

شیشه های ضد لک و آسان تمیز شونده
پوشش های Nanoprotect AG که در صنعت خودرو سازی کاربرد دارد، موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده و به راحتی می توان سطح آن را تمیز کرد. این روکش همچنین ضدسایش بوده و علاوه بر مقاوم بودن در برابر پرتوهای فرابنفش، از دوامی طولانی برخوردار است. مشکل آلودگی سطوح مخصوصاً در مورد سطوح با انرژی بالا همانند شیشه یا فلز که تمایل به جذب مولکول¬های دیگر دارند، فراگیر است. راهبرد معمول برای حل این مشکل، کاهش انرژی آزاد سطحی این مواد بدون از بین رفتن ویژگی هایی همانند شفافیت است. برای رسیدن به سطوح آسان تمیزشونده باید به طریقی انرژی سطح را کاهش داد. یکی از مثال های آشنای این مورد، روکش های پرفلوئوره ( تفلون ) بر روی ظروف آشپزی نظیر تابه¬های نچسب است. معمولاً زمانی که زاویه تماس آب بالای100 درجه است، ویژگی دفع روغن و آب افزایش می یابد.

شکل4– استفاده از پوشش های ضداثرانگشت بر روی لوازم الکترونیکی

شکل5 - شیشه های آسان تمیز شونده به راحتی و با فقط یک دستمال ساده تمام آلودگی خود را از دست می دهند.

شکل 6 – a) زاویه ترشوندگی کوچک و خصلت آبدوستی بالا b) زاویه ترشوندگی بزرگ و خصلت آبگریزی بیشتر

نکته قابل تامل این است که این نوع پوشش های کاهنده انرژی سطحی بر روی موادی چون شیشه قابل استفاده نیست. زیرا اساس استفاده از شیشه، که شفافیت است را به شدت کاهش می دهد. برای رسیدن به شیشه با انرژی سطحی پایین باید از لایه های نازک بر روی سطح استفاده شود، تا شفافیت تغییر قابل ملاحظه ای نداشته باشد. در عین حال بتواند خواص جدید مورد نیاز را نیز تامین کند. برای این منظور می توان از مواد مختلفی استفاده کرد. این مواد باید به گونه ای انتخاب شوند که پس از نشستن بر روی سطح شیشه گروه های آبگریز آن ها ( نظیر متیل، اتیل و ... ) به سمت خارج جهت گیری کند، تا ضمن کاهش جذب آلودگی به راحتر تمیز شدن آن نیز کمک کند.
شیشه های خودتمیزشونده با پوشش TiO2
نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم، عضوی از خانواده بزرگ نانوذرات هستند که به سبب ایجاد خاصیت خودتمیزکنندگی برای سطوح، از ابتدای شکل گیری فناوری نانو، مورد توجه ویژه واقع شده اند. از این نوع فوتوکاتالیست می توان برای ساخت شیشه ها و آجرهای خود تمیز شونده در نمای ساختمان ها استفاده کرد. علاوه بر این با پوشش دهی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر زیرلایه های مناسب، می توان فیلترهای کارآمدی برای از بین برندن بو، تصفیه هوا و آب و فاضلاب ساخت.

چند رسانه ای 1 – نحوه عملکرد پوشش های فتو کاتالیست بر روی سطح شیشه در برابر تابش

پوشش هایی از ماده دی  اکسیدتیتانیوم را با استفاده از روش های گوناگون، بر روی شیشه لایه نشانی می کنند. این پوشش با توجه به خاصیت نیمه هادی اکسیدی دی اکسیدتیتانیوم طی دو مکانیزم متفاوت باعث به وجود آمدن دو خاصیت به شرح زیر می شود. زمانی که پوشش دی اکسیدتیتانیوم بر روی شیشه ها در معرض تابش UV (که بخش اعظم نور خورشید را تشکیل می دهد ) قرار می گیرد، آلودگی هایی مانند گرد و غبار و ذرات همراه باران را که به مرور زمان بر روی شیشه باعث آلوده شدن و عدم دید خوب می شود، تجزیه می کند.
خاصیت دومی که این پوشش به شیشه می دهد خاصیت آب دوستی است به این ترتیب که آلودگی های تجزیه شده هیدروکربن های آلی بر روی شیشه، بر اثر بارش باران یا آبی که به صورت مصنوعی بر روی شیشه ریخته می شود، به صورت ورقه ای پایین می آید.

شکل 7 – سطح ابر آبدوست دی اکسید تیتانیم و قطرات مایع که آلودگی را به راحتی پاک از بین می برند.

استفاده از این نانومواد برای ایجاد پوشش بر روی شیشه می تواند منجر به ویژگی های ذیل برای آن ها بشود:
• پس زدن آب و روغن از روی شیشه
• عدم چسبیدن آلودگی و کثیفی بر روی شیشه
• پاک شدن گل و لای بوسیله آب باران
• عدم رسوب گرفتن شیشه
• ممانعت از خوردگی
• افزایش استحکام و مقاومت شیشه در برابر خش افتادگی
• جلوگیری از تشکیل اثر انگشت روی شیشه
• روشن تر و شفاف تر شدن شیشه تا 20%
• یکنواخت تر شدن سطح شیشه تا 30%
• افزایش دید از طریق شیشه در شرایط بد آب و هوایی
• تمیز باقی ماندن شیشه تا مدت زمان طولانی
• ضد انعکاس
برای پوشش دهی شیشه ها موادی وجود دارد که علاوه بر قابلیت دفع آب و آلودگی، در برابر خش نیز مقاوم است. در ضمن در برابرشوینده های شیمیایی و اسیدهای ملایم نیز مقاوم بوده و تحمل حرارت تا 250 درجه سانتیگراد را دارد. قیمت شیشه ها با پوشش اکسید تیتانیوم حدود 10 درصد بیشتر می شود.

روکش های ضد مه بر روی شیشه
قرار دادن یک سطح خنک در یک محیط گرم تر موجب ایجاد مه می شود. این اثر غیر قابل اجتناب است، مگر اینکه سطح مورد نظر گرم شود. تشکیل مه در اثر ایجاد قطرات کوچک روی سطح آیینه ای است که موجب انعکاس ذره ای نور می شود. یک سطح ابرآبدوست می¬تواند از تشکیل این قطرات کوچک جلوگیری کند. این قطرات به سادگی با هم ادغام شده و یک لایه نازک آب را روی سطح آینه ای ایجاد می کنند که در این حالت، انعکاس پذیری سطح تغییر چندانی نمی کند. زمانی که روکش های فتوکاتالیزوری دی اکسید تیتانیوم در معرض مقدار مناسبی نور ماورای بنفش قرار گیرند، ابرآبدوست می شوند. در این حالت قطرات بخار آب هرگز روی سطح شیشه ها به صورت قطره جمع نمی شود بلکه به واسطه خصوصیت فوق آبدوستی سطح سریعاً روی سطح پخش شده و یک لایه سنگین آب روی سطح ایجاد می کند. این لایه به واسطه افزایش تدریجی وزن تمایل به سقوط دارد. در این کاربرد خاصیت آبدوستی شیشه توسط دو لایه SiO2 و TiO2 ایجاد می‌شود. ترکیب SiO2 در لایه خارجی قرار دارد و کشش سطحی بین آب و شیشه را کم می کند. دی اکسید تیتانیوم در لایه داخلی قرار دارد و نور خورشید را جذب نموده و مواد آلی را متلاشی می کند. با توجه به ساز و کار ذکر شده این لایه از خود خاصیت خود تمیز شوندگی نشان می‌دهد.

شکل 9 – آینه هایی خودرو جدید با پوشش دی اکسید تیتانیوم با خاصیت ضدآلودگی و ضد مه و ضد انعکاس نور

شیشه های کم گسیل با پوشش نانویی جهت کاهش مصرف انرژی:
در این راستا می توان با استفاده از روکش های نانویی بر روی شیشه پنجره ها، آن ها عایق و تبادل حرارتی را بهینه کرد و اصطلاحاً به شیشه خاصیت کم گسیل (Low emission) اضافه کرد. در این صورت نقش آنها در کاهش مصرف انرژی غیر قابل انکار خواهد بود.

شکل 8 – شیشه های کم گسیل باعث مدیریت انرژی می شوند

پوشش نانویی در شیشه¬های کم گسیل، اجازه عبور بخش مرئی طیف نور خورشید را می دهند، اما طیف حرارتی (امواج مادون قرمز) و امواج مضر (ماوراء بنفش) را منعکس و فیلتر می کنند. این شیشه ها انتقال حرارت ناشی از اختلاف دما که ترکیبی از پدیده های هدایت، جابجایی و تابش است را به مقدار زیادی کاهش می دهند و همچنین انتقال حرارت تابشی (کسب انرژی خورشید) را نیز تحت کنترل دارند.
با توجه به مشخصات مذکور، استفاده از این نوع شیشه، مزایایی از جمله آسایش حرارتی در زمستان و تابستان، کاهش هزینه سالانه انرژی، جلوگیری از ورود اشعه های مضر خورشید همراه با تأمین روشنایی مناسب برای ساختمان و در نتیجه کاهش هزینه مورد نیاز برای روشنایی، را در بر دارد.

شیشه های محافظت شده در برابر آتش
در مورد جداره های شیشه ای نیز، فناوری نانو به بهبود عمل حفاظت در مقابل آتش کمک می کند. در زمینه مقابله با آتش، همیشه برای شیشه یک نکته منفی وجود دارد و آن شکنندگی، شعله ور شدن و نشر دود ناشی از ذوب شیشه در هنگام وقوع حریق است. با استفاده از نانو ذرات، می توان شیشه های ضد حریق به وجود آورد که در اثر حرارت، یک پوشش اسفنج مانند (فوم مانند) را تشکیل می دهند که محافظت بهتری را در برابر آتش انجام می دهد. این جداره ها در مقایسه با نمونه های قبلی (تکنیک های گذشته) تقریباً 50 درصد سبکتر هستند و اثر ضد حریق آنها 2 برابر است. بر مبنای این روش، یک نانو ژل شفاف ساخته می شود که فضای بین دو جداره خارجی از آن پر می شود و با قرارگیری در معرض حرارت یک فوم سرامیکی سخت و ریز حفره(ریز متخلخل) با خواص عایقی بالاتری تولید می کند. هنگام آتش سوزی، این ژل متورم شده و یک فوم مستحکم مات ایجاد می کند. نانوذرات سیلیکای پخش شده می توانند مدت زمان حفاظت در برابر آتش را افزایش دهند. مقاومت حرارتی این شیشه به گونه¬ای است که اگر شیشه ای به ضخامت دو سانتیمتر از این نوع وجود داشته باشد، می تواند حرارت را به گونه ای کنترل کند که اگر در یک سمت شیشه آتش وجود داشته باشد، می توان دست خود را به سمت دیگر چسباند. از کاربردهای این شیشه می توان به سپرهای حرارتی شفاف و مقاوم در برابر آتش اشاره کرد. این سپر ها برای آتش نشان ها بسیار ضروری است. کاربرد دیگر آن در ساختمانهای تجاری، اداری یا حتی منازل است. این نوع از شیشه ها در صورت آتش-سوزی از سرایت آن به مناطق دیگر جلوگیری می کنند. به دلیل کوچکی ذرات نانو موجود در ژل، پراکندگی نور کاهش می یابد و این امر سبب می شود تا شفافیت جداره های ضد حریق حفظ شود. شیشه های ضد حریق به طور آزمایشی در فرودگاه دبی استفاده شده اند. چند رسانه ای زیر به نحوه عملکرد شیشه های عایق حرارتی اشاره دارد.