کاربرد گرافن در شیشه سازی - ایران گرافن

گرافن یک ماده شگفت انگیز است و به دلیل خواص فیزیکی منحصر به فردش گرافن در شیشه سازی نیز مورد توجه قرار گرفته است. گرافن یک لایه از اتم های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری شش ضلعی محکم به هم متصل شده است. استحکام مکانیکی، هدایت الکتریکی و حرارتی و انعطاف پذیری از ویژگی های ویژه آن می باشد.

این ماده خارق العاده به تازگی مورد توجه صنعت شیشه سازی قرار گرفته است. با پیشرفت فناوری و تلاش برای بهبود کیفیت صنایع، صنعت شیشه سازی نیز در تلاش است که تا با افزودن نانو موادی همچون گرافن ویژگی های شیشه های تولیدی را ارتقاء داده و کیفیت آن ها را افزایش دهد.

استفاده از گرافن در صنعت شیشه از فناوری های جدید می باشد که به تازگی مورد استفاده قرار گرفته است. افزودن گرافن به شیشه به دو صورت انجام می پذیرد. 1. ایجاد پوششی از گرافن بر روی شیشه به صورت لعاب 2. افزودن گرافن به صورت یک ماده تقویت کننده به شیشه

کاربردهای گرافن به عنوان پوشش در صنعت شیشه

از گرافن به عنوان پوشش در صنعت شیشه برای بهبود خواص شیشه استفاده می شود. پوشش های مبتنی بر گرافن را می توان بر روی سطوح شیشه ای اعمال کرد تا خلوص مکانیکی، الکتریکی و نوری آن ها را افزایش دهد.

متأسفانه، به دلیل اصطکاک تیغه های برف پاک کن که به طور مداوم آلاینده ها و ذرات گرد و غبار را روی سطح شیشه می کشد، پوشش بسیار سریعتر فرسوده می شود. یکی از مزایای اصلی پوشش های گرافن روی شیشه، توانایی آن ها در بهبود مقاومت در برابر خراش و دوام شیشه است. پوشش های مبتنی بر گرافن می توانند سطوح شیشه ای را سخت تر و در برابر خراشیدگی و سایش مقاوم تر کنند که می تواند طول عمر محصولات شیشه ای را افزایش دهد.

پوشش های گرافنی به علت اصطکاک سطحی کم سبب می شوند که در سطوح شیشه‌ای، قطرات آب به‌راحتی در عرض چند ثانیه از سطوح بلغزند، و باعث تمیزی سطح شیشه شوند. این ویژگی خود تمیز شوندگی روکش‌های گرافن می‌توانند نیاز به تمیز کردن آن‌ها را در آب و هوای بد کاهش دهند و به لطف خاصیت پراکندگی گرما، از حک شدن آب و سایر آلودگی‌ها به سطح جلوگیری می‌کنند. این پوشش ها قابل استفاده برای پنجره ها و چراغ های جلو عقب خودرو است.

پوشش های گرافن روی شیشه نیز می توانند رسانایی الکتریکی شیشه را بهبود بخشند. این می تواند در کاربردهایی مانند صفحه نمایش لمسی مفید باشد، جایی که رسانایی شیشه برای عملکرد دستگاه مهم است. پوشش های گرافن همچنین می توانند خواص نوری شیشه مانند شفافیت و بازتابش را بهبود ببخشند.

روش های افزودن گرافن به عنوان پوشش بر روی شیشه

پوشش گرافن روی شیشه فرآیندی است که شامل رسوب لایه نازکی از گرافن بر روی سطح شیشه است. روش های مختلفی برای پوشاندن گرافن روی شیشه وجود دارد، از جمله:

رسوب بخار شیمیایی (CVD):

در این روش لایه نازکی از گرافن از طریق یک واکنش شیمیایی مستقیما روی سطح شیشه رشد می کند. شیشه در محفظه ای با گاز حاوی کربن مانند متان قرار می گیرد و تا دمای بالا گرم می شود. اتم های کربن موجود در گاز با سطح شیشه واکنش داده و لایه ای گرافن را تشکیل می دهند. لایه گرافن به دست آمده معمولا بسیار نازک و در حد چند نانومتر است.

پوشش چرخشی :

در این روش محلولی از گرافن در حلال روی سطح شیشه اعمال می شود و شیشه با سرعت بالا می چرخد تا محلول گرافن به طور یکنواخت توزیع شود. حلال تبخیر می شود و لایه نازکی از گرافن بر روی سطح شیشه باقی می ماند. از این روش می توان برای تولید پوشش های گرافنی نسبتا نازک، در حد چند صد نانومتر استفاده کرد.

پوشش اسپری:

در این روش محلولی از گرافن در حلال با استفاده از تفنگ اسپری یا اتومایزر بر روی سطح شیشه اسپری می شود. حلال تبخیر می شود و لایه نازکی از گرافن بر روی سطح شیشه باقی می ماند. از این روش می توان برای تولید پوشش های گرافنی ضخیم تر، در حد چند میکرون استفاده کرد.

پوشش غوطه وری:

در این روش، شیشه را در محلولی از گرافن در یک حلال فرو می برند و سپس به آرامی بیرون می کشند تا حلال تبخیر شود. لایه گرافن به دست آمده معمولا بسیار نازک و در حد چند نانومتر است.

انتخاب روش پوشش به عوامل متعددی از جمله ضخامت و کیفیت لایه گرافن مورد نظر، اندازه و شکل زیر لایه شیشه و منابع موجود برای فرآیند پوشش بستگی دارد. هر روش مزایا و معایب خود را دارد و تحقیقات در حال انجام در حال بررسی روش های جدید و کارآمد تر برای پوشش گرافن بر روی شیشه است.

افزودن گرافن به شیشه به عنوان تقویت کننده

همه ما با خطر شکستگی ناشی از شیشه آشنا هستیم. شکی نیست که افزودن گرافن به شیشه استحکام کششی آن را بهبود می بخشد و دوام آن را بیشتر می کند. از دیگر واقعیت هایی که کمتر با آن آشنا هستیم این است که شیشه نیز می تواند با گذشت زمان، در سطوح رطوبت و pH بالا ممکن است شروع به خوردگی کند. شیشه خورده شده شفافیت خود را از دست می دهد و استحکام آن کاهش می یابد. افزودن گرافن به شیشه سبب افزایش مقاومت خورندگی شیشه می شود.

یکی از رویکردهایی که برای افزودن گرافن به شیشه مورد بررسی قرار گرفته است، استفاده از اکسید گرافن به عنوان ماده پیش ساز برای شیشه است. اکسید گرافن را می توان با سایر مواد پیش ساز مانند سیلیس، الومینا و اکسید بور مخلوط کرد و سپس تا دمای بالا حرارت داد تا یک ماده شیشه سرامیک ایجاد شود. ماده شیشه سرامیک به دست آمده حاوی ساختارهای مبتنی بر گرافن است که می تواند خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی آن را بهبود بخشد.

روش دیگری که مورد بررسی قرار گرفته استفاده از گرافن به عنوان پوشش روی الیاف شیشه است. الیاف شیشه معمولا در تولید مواد کامپوزیتی مانند فیبرگلاس استفاده می شود که در کاربردهای مختلفی از جمله صنایع ساختمانی، هوافضا و خودروسازی استفاده می شود. با پوشش دادن الیاف شیشه با گرافن، مواد کامپوزیتی حاصل می توانند خواص مکانیکی بهتری مانند استحکام و سفتی بالاتر داشته باشند.

افزودن گرافن به شیشه به عنوان یک ماده تقویت کننده، یک حوزه تحقیقاتی نسبتا جدید و هنوز در حال توسعه است. در حالی که مطالعاتی در مورد پتانسیل افزودن گرافن به شیشه انجام شده است، در حال حاضر هیچ روش پذیرفته شده ای برای انجام این کار در مقیاس بزرگ وجود ندارد.

چالش های زیادی وجود دارد که قبل از استفاده از آن در مقیاس بزرگ باید بر آن ها غلبه کرد. این چالش ها شامل کنترل توزیع و جهت گیری گرافن در داخل شیشه، اطمینان از شفافیت و عاری بودن مواد حاصله و توسعه روش های مقرون به صرفه برای تولید مواد شیشه ای مقرون به صرفه برای تولید مواد شیشه ای مبتنی بر گرافن است.

گرافن در شیشه سازی نیز کاربرد های زیادی پیدا کرده است.

منبع:

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.2805024

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803639