نانوذرات در پوشش‏ های نما: نظرسنجی از متخصصان این صنعت در زمینه قابلیت و مزایای زیست محیطی و چالش های آن

1. مقدمه

به‎طور کلی نمای ساختمان‎ها از مواد معدنی (بتن، آجر یا سنگ)، چوب، فلز و شیشه ساخته می‏شود. طیف وسیعی از پوشش‎های نما، با خواص متفاوت برای انواع سطوح وجود دارد. این پوشش‏ها شامل پلیمرهای توزیع شده در محیط آبی، آلکیدها، پوشش‎های پایه سیلسیمی، رنگ‏های سیلیکاتی، رنگ‏های آهکی و رنگ لعابی توزیع شده در محیط آبی میباشند. پوشش‏های نما بر روی سطوح داخلی و خارجی اعمال شده و تحت اثرات خورندگی، فرسایش ناشی از آب و هوا، بخارات خروجی اگزوزها یا میکروارگانیسم‎ها قرار می‎گیرند. نانوفناوری راه‎هایی برای جبران این اثرات ناخواسته، مثلا استفاده از پوشش‎های خود تمیزشونده یا مقاوم به خراش ارائه داده است. پوشش‎های نما علاوه بر زیبایی و زینتی بودن باید قابلیت‏ها و الزامات دیگری را نیز برآورده سازند. این موارد شامل، عدم ته‎نشینی در طی ذخیره‏سازی، خشکایش سریع، مقاومت به خراش و ترک، سهولت استفاده، محافظت از بستر در برابر باران، پاشیدن آب، بخار آب، تشعشع UV، خرابی قالب‎ها، خزه یا میکروارگانیسم‏ها، تصفیه هوا (اغلب برای کاربردهای داخلی)، مقاومت به آتش و محافظت حرارتی، انعکاس مادون قرمز و عمر کاری طولانی است.

مطابق با پیش‏بینی‏ها، قابلیت پوشش‏های نما با استفاده از نانوذرات مهندسی (ENPs) بهبود می‎یابد. علاوه بر این با جایگزینی مواد خطرناک با ENPs در پوشش‏های نما، تولید پسماندها و انتشار مواد خطرناک، هزینه نگهداری ساختمان کاهش و طول عمر محصولات افزایش یافته و قابلیت زیست محیطی بالقوه محصولات در تمام طول عمر محصول حفظ می‎شود. در حال حاضر چندین نانوپوشش نمای نانو بر پایه اکسید روی (ZnO)، دی‏اکسید تیتانیم (2TiO)، دی‏اکسید سیلسیم (2SiO)، اکسید آلومینیم (3O2Al) و نانوذرات مهندسی‎شده نقره (Ag) در بازار وجود دارد. پیش‎بینی‎ها نشان می‎دهد که در سال 2015، پوشش‎های نانو 20% از ارزش بازار جهانی پوشش‎ها را در اختیار خواهند داشت (یعنی 20 میلیارد دلار آمریکا). نانوذرات مهندسی‎شده 2TiO دو خاصیت جالب دارند: الف) فعالیت فوتوکالیتیک که آلودگی را تجزیه می‎کند، و (ب) محافظت در برابر تشعشع UV که ناشی از ظرفیت آن‎ها در شکست نور است. افزودن نانوذرات مهندسی‏شده 2SiO به رزین‎های پلیمری (یعنی چسب‏ها) پوشش‎هایی با خواص مقاومت به خراش عالی ایجاد می‎کند. نانوذرات مهندسی‎شده نقره نیز به عنوان عامل ضدمیکروب استفاده می‎شود. اکسید آهن و نانوذرات مهندسی‎شده ZnO در پوشش‏های شفاف محافظ سطوح و ساختارهای زمینه آلی به عنوان جاذب پرتو ماورای بنفش مورد استفاده قرار می‎گیرند.

اثر ENPs اکسید منیزیم (MgO) به عنوان عامل آفت‎کش تماسی نیز اخیرا ثابت شده است. به منظور بهبود مقاومت به خراش از نانوذرات مهندسی‎شده 3O2Al و برای محافظت در برابر پرتوی ماورای بنفش از نانوذرات مهندسی‎شده دی‏اکسید سریم (2CeO) بر روی چوب استفاده می‎شود. با این‎حال، برای درک کامل پتانسیل پوشش‎های نانوذرات عوامل مختلفی باید درنظر گرفته شود. به‎عنوان مثال مطالعات کیسر[2] و همکارانش همانند سایر مطالعاتی که منجر به افزایش نگرانی‏ها در مورد استفاده از -ENPs2TiO، -ENPs2SiO و Ag-ENPs شدند، ادعا کردند که در حال حاضر اثربخشی ENPs در رنگ‎ها جهت رسیدن به مزایای متصور برای آن‏ها کاملا مشخص نیست.

با توسعه بسیار سریع در زمینه نانوفناوری، ارائه دیدی کامل در مورد اینکه در حال حاضر کدام ENPs در پوشش‎های نما استفاده می‎شود و یا استفاده از آن در آینده چه روندی خواهد داشت را با چالش مواجه کرده است. در برخی موارد ارزیابی یک محصول از نظر وجود نانومواد دشوار است. در نتیجه، اشتراک‎گذاری اطلاعات درباره استفاده از نانومواد به دلیل زنجیره ارزش محصولات نانو تا حدودی محدود شده است. با این‎حال، برخی از صنایع تلاش‎هایی را برای جمع‎آوری اطلاعات در مورد نانومواد مصرفی انجام داده‏اند. برای مثال، موسسه غذا، محیط زیست، بهداشت و ایمنی شغلی فرانسه[3] (ANSES) دو گزارش اظهارنامه مواد منتشر کرده است. موسسه محیط زیست فدرال آلمان[4]، UBA، ایده‎ای را برای ثبت محصولات حاوی نانومواد در اروپا ایجاد کرده است.

با توجه افزایش مورد انتظار استفاده از ENPs در پوشش‎های نما، نگرانی‎ها در مورد ایمنی آن‎ها برای سلامتی انسان و محیط زیست افزایش یافته است. نبود اطلاعات کلی در مورد خطر بالقوه انتشار ENPs از پوشش منجر به نگرانی‏هایی شده است که ناشی از مطالعات محدودی است که به این موضوع پرداخته‏اند. برای مثال، مطالعه بر روی استفاده از ENPs در صنعت ساختمان اروپا و اندازه‎گیری‏ها در محل کار کارگران ساختمانی نشان می‎دهد که آن‏ها به خاطر مواجهه با ENPs در معرض خطر شغلی متوسط  قرار می‎گیرند (پوشش‏ها سهم قابل توجهی از محصولات نانو در بازار را در اختیار دارند، 68%) و علاوه بر این در مورد تعداد محصولات بهبود یافته با ENP در بازار، استفاده از آن‏ها در صنعت ساختمان، جنبه‏های ایمنی نانو، کنترل و دفع محصولات بهبودیافته با ENP دانش کمی وجود دارد. گزارش اخیر موسسه حفاظت محیط زیست آمریکا نشان می‏دهد که برای تولید و یا استفاده از این محصولات، انجام عملیات دفع مناسب‎تر بر روی پسماند پوشش ضروری است.

به منظور افزایش دانش موجود، نظرسنجی بین خبرگان پوشش‎دهی، رنگ و تولیدکنندگان ENP اروپایی در مورد استفاده صحیح از ENPs در پوشش نما، روند نوآوری، مسائل مرتبط با مزایا و خطرات افزودن ENPs به پوشش‎های نما انجام شد. علاوه بر این، در مورد آزمون‎های مورد استفاده برای کنترل کیفیت پوشش‎های نمای بهبود یافته با نانومواد و چگونگی کنترل پسماندهای پوشش از آن‎ها سوال پرسیده شد.

2. روش‏ها
نظرسنجی آنلاین تحت هفت عنوان زیر طراحی کردیم: (i) : مزایای عملکردی مربوط به ENPs، (ii) کدام ENPs برای کدام عملکرد قابل استفاده است، (iii) درصد وزنی (%wt) ENPs مورد استفاده در پوشش‎های نما چقدر است، (iv) بهبود عملکرد پوشش‎های نما به دلیل استفاده از ENPs، (v) مزایای بالقوه زیست‎محیطی، (vi) چگونگی مدیریت پسماند محصولات ENPs و پوشش‏های ساختمانی و (vii) اطلاعات اضافی مورد نیاز. این عناوین با 17 سوال (سوالات در بخش 1 اطلاعات تکمیلی آورده شده است) مورد پرسش قرار گرفتند. این پرسشنامه را با استفاده از نرم‎افزار  سروی‎مانکی[5] برای شرکت‎های رنگ و تولید‎کنندگان ENP در اروپا ارسال کردیم. هدف این مطالعه جمع‏آوری اطلاعات نیمه‎کمی در مورد چگونگی درک و مدیریت مزایا و خطرات پوشش‎های نمای نانو توسط صنایع پوشش بود.

نمایندگان 91 شرکت اروپایی (به عنوان مصرف‎کنندگان یا تولید‎کنندگان ENPs و یا محصولات حاوی آن‎ها) برای شرکت در این نظرسنجی دعوت شدند. عمده این شرکت‎ها از مخاطبان دو پروژه مرتبط و تعدادی دیگر نیز با تحقیق در متون و اینترنت انتخاب شدند. که شامل 45 شرکت با اندازه کوچک و متوسط SMEs [6] (17 تولید کننده رنگ و 28 تولید کننده ENPs)، 22 شرکت بزرگ تولیدکننده رنگ، 21 شرکت شیمیایی چندملیتی تولیدکننده ENPs یا ترکیبات افزودنی حاوی ENPs و 4 نماینده انجمن صنعت رنگ بودند. از بین 91 دریافت‎کننده پرسشنامه، 20 پرسشنامه تکمیل و بازگردانده شد (یعنی نرخ پاسخ 22%). از بین این 20 پاسخ‏دهنده، 40% تولید کنندگان بزرگ رنگ بودند ( در این بین، سه شرکت چند ملیتی و بازیگر اصلی در صنعت رنگ بودند)؛ 15% تولیدکننده SME رنگ و 15% از اتحادیه‏های صنعت رنگ بودند. شرکت‎های شیمیایی بزرگ و SMEs تولیدکننده ENP به‎ترتیب 10 و 20% کل پاسخ‎دهندگان بودند. پاسخ‏ها از 10 کشور مختلف دریافت شد. با این پاسخ‏ها و براساس تجربه فرض می‏کنیم که یک نظرسنجی آنلاین با پوشش قابل اطمینانی خواهیم داشت.

3. نتایج
پرسشنامه نظرسنجی علاوه بر تولیدکنندگان بزرگ رنگ (%50<) توسط تولیدکنندگان SME رنگ (%20<) نیز پاسخ داده شد. برای تجزیه و تحلیل دقیق‏تر بخش 2 اطلاعات تکمیلی را مشاهده کنید. بنابراین نتایج ما بر مبنای ذینفعان بخش رنگ و پوشش بوده است.

1.3. مزایای کارکردی مربوط به ENPs
از نمایندگان در مورد قابلیت‎هایی که آن‎ها تمایل به ایجاد یا بهبود آن در پوشش‎های نمای جدید دارند، سوال شد. نتایج در شکل 1 نشان داده شده است. بیشترین مزیت بالقوه و قابلیت پوشش‎های نمای بهبود یافته مدنظر شرکت‎کنندگان پوشش‎های دافع آب و آلودگی (پوشش‎های آسان تمیرشونده) بود، %70 پاسخ‏دهندگان، هم‏چنین 50% از شرکت‏کنندگان محافظت در برابر پرتوی ماورای بنفش، 50% خواص ضد میکروبی، %40 محافظت در برابر سایش مکانیکی (مقاومت به خراش)، 40% عایق حرارتی و 40% صرفه‏جویی در انرژی و مواد را بیان کردند. علاوه بر این قابلیت‎هایی مانند بازدارندگی خوردگی، پایداری رنگ و محفاظت از رنگدانه‏ها را نیز ذکر کردند.

شرکت‏های بزرگ و تولیدکنندگان SME در زمینه رنگ و ENPs علاقمند به بهبود مواد دافع آب و گرد و غبار بودند. علاوه بر شرکت‎های SME، تولیدکنندگان SME نانوذرات بهبود یافته نیز قابلیت‎هایی مانند محافظت در برابر پرتوی ماورای بنفش، ضد میکروب بودن، سایش مکانیکی، عایق حرارتی، صرفه‏جویی در مواد و انرژی را ذکر کردند. این تولیدکنندگان به بهبود خواص بازدارندگی شعله نیز تمایل داشتند.

2.3. کدام ENPs برای کدام عملکرد می‏تواند استفاده شود؟
به منظور شناخت این موضوع که کدام ENPs برای کدام عملکردها استفاده می‏شوند، از نمایندگان پرسیدیم که "کدام عملکرد پوشش نما با کدام نانوماده بهبود می‏یابد؟". پاسخ‏دهندگان اظهار کردند که 2TiO، 2SiO و Ag-ENPs پرمصرف‏ترین مواد برای بهبود قابلیت‎های مختلف پوشش هستند (شکل 2). آن‏ها هم‏چنین ذکر کردند که اگرچه سیلان‏های عاملدار ENPs نیستند، اما می‏توانند برای آب‏گریز کردن سطوح پوشش نما استفاده شوند (یعنی ایجاد اثر مرواریدی از طریق تک‏لایه‏های خودآرا).

در حالیکه نانوذرات مهندسی‏شده 2TiO و 2SiO را می‏توان به منظور بهبود خواص مختلف پوشش نما (ضد میکروب، دافع آب و آلودگی، مقاوم به خراش، قابلیت رنگ‏پذیری، محافظت در برابر پرتوی ماورای بنفش، فعالیت فوتوکالیتیکی و بازدارندگی شعله) استفاده کرد، نانوذرات مهندسی‏شده نقره فقط برای ایجاد ویژگی ضد میکروبی در رنگ یا پوشش استفاده می‏شوند. جالب توجه است که برخی از پاسخ‏دهندگان (تولیدکنندگان بزرگ و SME رنگ) با استفاده از اکسیدهای (هیدروکسید‏های) آلومینیم و نانورس‏ها (%24)، نانوذرات مهندسی‏شده FeO (%20)، نانوذرات مهندسی‏شده 2SiO (%12) و نانوذرات مهندسی‏شده ZnO (%8) آشنا نبودند. 24 درصد نیز سایر خواص را ذکر کردند. در هرحال، براساس نتایج حاصل از شکل 2 و تجزیه و تحلیل اطلاعات، فقط تولیدکنندگان بزرگ رنگ با استفاده از نانوذرات مهندسی‏شده (ارائه شده در این بررسی) برای بهبود قابلیت پوشش‏های نما آشنایی کامل داشتند. جدول 1 پاسخ شرکت‏های مختلف در مورد نوع ذرات مهندسی‏شده مصرفی برای قابلیت‎های مدنظر را نشان می‎دهد.

تولیدکنندگان بزرگ و SME رنگ با توجه به قابلیت مدنظر، موافق استفاده از حداقل یک ENP بودند. مطابق گزارش صنایع، به خصوص تولید کنندگان بزرگ رنگ، نانوذرات مهندسی‏شده 2TiO و 2SiO می‏توانند خواص متعدد پوشش‏های نما را بهبود بخشند. نمک‏های نقره (یعنی یون‏های نقره) و نانوذرات مهندسی‏شده نقره برای خواص ضدمیکروبی و نانوذرات مهندسی‏شده اکسید (هیدروکسید) آلومینیم نیز برای بهبود خواص بازدارندگی شعله استفاده می‏شوند. در این نظرسنجی، علاوه بر شناخت نوع نانوذرات مهندسی‏شده مصرفی در صنعت پوشش نما، میزان مصرف آن‏ها نیز مدنظر بود. پاسخ‎های دریافتی فقط شامل 2SiO، 2TiO و نانوذرات مهندسی‏شده نقره بود. مطابق با اظهار سه شرکت بزرگ چندملیتی، مقدار تخمینی 2SiO، 2TiO و نانوذرات مهندسی‏شده نقره مصرفی (میزان مصرف
برحسب تن در سال، t/year) در بازار اروپا برای پوشش‎های نما به ترتیب 100، 50 و 5 تن در سال و هم‎چنین 5 تن در سال برای نمک‏های نقره بوده است (یون‏های نقره).

3.3. وزن  نانوذرات مهندسی‏شده (wt%) در پوشش‏های نما
در پاسخ به سوال، "میزان مصرف پیشنهادی نانوذرات برای اطمینان از عملکرد پوشش‎های نما چه مقدار است؟" نمایندگان شرکت‎ها مقادیری بین 1/0 و 5 درصد وزنی را پیشنهاد کردند. برای نانوذرات بهبود یافته نقره، مقدار مورد نیاز کمتر از 1/0 درصد وزنی گزارش شده است. با این‎حال، بیش از 50 درصد شرکتها از میزان مصرف نانوذرات بهبود یافته در فرمولاسیون اطلاعی نداشتند و یا به سوال پاسخ ندادند.

4.3. بهبود قابلیت پوشش‎های نما با افزودن ENPs
به منظور بررسی میزان بهبود قابلیت پوشش‎های نمای نانو در مقایسه با انواع مرسوم آن (یعنی بدون ENP)، از نمایندگان صنایع پرسیدیم: (1) چه آزمون‏های کیفیت استانداردی در شرکت شما انجام می‎شود تا کیفیت پوشش‏های نمای نانو بررسی شود؟ و (2) آیا پوشش‎های نمای نانویی شرکت شما در مقایسه با انواع پوشش مرسوم بهبود عملکرد قابل ملاحظه یا تدریجی دارند و یا اینکه هیچ بهبودی از خود نشان نمی‏دهند؟

بیشترین پاسخ‏های داده شده به سوال اول، آزمایش فرسایش در هوا (%35) و مقاومت به قارچ (%20) و سپس آزمون نفوذپذیری بخار آب (%20) بوده است (جدول 2). با این‎حال، 10% از پاسخ‏دهندگان آزمون‏های دیگری مانند تست خراش و مقاومت سایشی را ذکر کردند. 15% از پاسخ‎دهندگان از آزمون‏های مورد استفاده برای سنجش کیفیت پوشش‏های نمای نانو اطلاع نداشتند. ده درصد از پاسخ‏دهندگان نیز گفتند که شرکت آن‏ها برای اثبات عملکرد پوشش‏های نمای نانو هیچ‎گونه آزمونی انجام نمی‏دهد.

با توجه به آزمون‏های استاندارد جدول 2 و در پاسخ به این سوال که آیا عملکرد پوشش‎های نمای نانو در مقایسه با انواع مرسوم پوشش، بهبود می‎یابد، 36% بهبود قابل توجه (پاسخ شرکت‏های بزرگ تولید رنگ) و 27% بهبود تدریجی را ذکر کرده‏اند (تولیدکنندگان بزرگ رنگ، تولیدکنندگان SME-ENP) با این‎حال، 37% هیچ‏گونه بهبودی را در عملکرد گزارش نکردند (تولیدکنندگان SME-ENP، تولیدکنندگان بزرگ رنگ و SME).

اگرچه هنوز آزمون‏های خاصی برای بررسی قابلیت پوشش‏های نمای نانو وجود ندارد، اما ممکن است آزمون‏های استاندارد عمومی که در بالا برای پوشش‏های مرسوم اشاره شد، علاوه بر بررسی کیفی برای بررسی خطرات بالقوه آن‏ها (انتشار ENPs) نیز استفاده شود. برای مثال، این پوشش‏ها را می‏توان با استفاده از فرسایش در هوا یا آزمون انتشار مواد مورد بررسی قرار داد.

5.3. مزایای بالقوه برای کارکردهای زیست محیطی
از نمایندگان صنایع در مورد مزایای بالقوه زیست‏محیطی در اثر افزودن ENPs به پوشش‏های نما سوال شد. نتایج نشان داد که هدف از افزودن ENPs بهبود قابلیت پوشش و کارایی آن بوده و بهبود کارایی زیست‏محیطی پوشش به عنوان یک عامل مهم در نظر گرفته نشده است. در هر حال، پاسخ‎ها (شکل 3) نشان می‏دهد که افزایش عمر کاری نما (%55) همانند جایگزینی مواد خطرناک یعنی آفت‏کش‏های شیمیایی (40%) مهم بود. صرفه‏جویی در انرژی از طریق دوره ‏زمانی کوتاه‏تر خشکایش پوشش‏های نما (%20) نیز یک مزیت در نظر گرفته می‏شود.

همه شرکت‏ها به مزایای زیست‏محیطی بالقوه ارائه شده در پرسشنامه (افزایش عمر پوشش نما، جایگزینی مواد خطرناک، صرفه‎جویی در مصرف انرژی و مواد) علاقمند بودند. تولیدکنندگان بزرگ رنگ به صرفه‏جویی در مصرف مواد (در فرمولاسیون رنگ) و افزایش عمر کاری نیز تمایل داشتند. تولیدکنندگان رنگ SME عمدتا به صرفه‏جویی انرژی در اثر کاهش زمان خشکایش پس از استفاده از پوشش نما علاقمند بودند. با این‎حال، افزایش عمر کاری در اولویت بوده است. به منظور محاسبه مدت زمان تضمینی اثربخشی قابلیت پوشش نمای نانو پس از اولین استفاده، این سوال پرسیده شد که "مدت زمان تضمینی اثربخشی خواص پوشش‏های نما پس از اولین استفاده چقدر است؟" بیست درصد از شرکت‏ها تضمین خواص پوشش تا 10 سال و فقط 5% از پاسخ‏دهندگان اثربخشی ENP برای بیش از 10 سال را ذکر کردند. 35% به سوال پاسخ نداند و 30% نیز مدت زمان بقای خواص بهبودیافته پوشش نما را نمی‏دانستند. به هر حال، 10% از پاسخ‏دهندگان اظهار کردند که تضمین عملکرد بیش از 10 سال برای پوشش نانو مشکل است – ممکن است هنوز ENPs قابلیت خود را حفظ کرده باشند، اما عملکرد آن‏ها به شرایط پوششی که ذرات نانو به آن‎ها افزوده می‎شوند، بستگی دارد.

راه دیگر برای یافتن کیفیت یا کارایی زیست‏محیطی در محصولات، آگاهی از تجربیات شرکت‎ها در زمینه گواهی‏نامه‏های کیفیت است. سی درصد از پاسخ‏دهندگان دارای گواهی‎نامه مدیریت کیفیت (ISO9000)، مدیریت زیست محیطی (ISO14000) و بهداشت حرفه‏ای (OHSAS) در بخش‏های مختلف شرکت، عمدتا در ساخت، مدیریت و کنترل کیفیت محصول بودند. دو شرکت نیز گواهی‏نامه مدیریت انرژی (ISO5001)، الزامات عمومی برای صلاحیت انجام آزمون‏ها و یا کالیبراسیون (ISO17025)، یا گواهی‏نامه سیستم مدیریت (DEKRA) داشتند. اگرچه اطلاعاتی مبنی بر فعالیت‏های زیست محیطی و کنترل کیفیت شرکت‏ها وجود داشت، اما 20% از پاسخ‏دهندگان از این گواهی‏نامه‏ها بی‎اطلاع بودند و 5% هیچ‏گونه گواهی‏نامه برای محصولات نانویی خود نداشتند و 45% نیز هیچ اطلاعاتی ندادند. با این حال زمانی که در مورد چگونگی بررسی و کاهش خطرات سلامتی و زیست‏محیطی در شرکت از آن‎ها سوال شد، پاسخ‏دهندگان علاقمند به بررسی و کاهش خطرات زیست‏محیطی و سلامتی بودند. پنجاه درصد از شرکت‏کنندگان معتقد بودند که چنین مطالعه‎ای مربوط به مجلات تخصصی است، 40% باور داشتند که نیازمند مشارکت در رویداد یا پروژه‏ی تحقیقاتی مهم است، 35% به‎دنبال نظرات کارشناسی و نظر 10% نیز آزمون‏های سم شناسی برای این امر بود. هم‏چنین بیان کردند که مطالعات آزادی برای اندازه‏گیری تعداد ذرات (یعنی اندازه ذره، توزیع و تعداد) و فعالیت‏های پیشگیرانه برای کارگران و کارکردن ایمن با ENPs داشتند.

6.3. فرآوری پسماند حاصل از تولید ENPs و پوشش‏های نما
در مورد چگونگی فرآوری پسماند نانومواد و هم‏چنین پیشنهاد آن‎ها برای روش فرآوری پوشش‎های نمای نانو از نمایندگان شرکت‎‎ها سوال شد. اما به نظر می‎رسید که در زمینه‎ی فرآوری پسماندهای حاصل از تولید ENPs (%54 از پاسخ‏ها) و یا پوشش‎های بهبودیافته با نانو (%46 پاسخ‏ها) اطلاعاتی وجود ندارد (شکل 4). با توجه به تولید ENPs و افزودنی‎های حاوی ENPs، %8 شرکت‎کنندگان سوزاندن پسماندها، %15 فرآوری مانند پسماندهای خطرناک و پاسخ بیست و سه درصد نیز سایر روش‎ها براساس ترکیب شیمیایی پسماند بود، اما اشاره‎ای به نام این روش‎های نکردند.

با توجه به پسماندهای تولیدی از پوشش‎های نانو، 8% از پاسخ‏دهندگان (تولیدکنندگان رنگ SME) سوزاندن پسماندها، 8% دفن کردن (تولیدکنندگان SME-ENP)، %15 فرآوری مشابه با پسماندهای خطرناک (SME-ENP و تولیدکنندگان بزرگ رنگ) و 23 درصد از شرکت‏کنندگان (SME-ENP و تولیدکنندگان بزرگ رنگ) از روش‎های دیگر و مطابق با اطلاعات و راهنماهای اتحادیه صنایع شیمیایی آلمان[7] (VCI) پسماندهای خود را دفع می‎کنند. مطابق با فهرست پسماند اروپایی و لیست پسماندهای خطرناک (موسسه حفاظت محیط زیست اروپایی[8]، EPA)، پسماند رنگ (به عنوان مثال، پسماندهای حاصل از تولید، فرمولاسیون، تهیه و استفاده از پوشش‎های حاوی رنگ، روغن جلا، رنگ‎های شیشه‎ای، و نیز جوهر پرینت و بتونه‎ها) جز مواد خطرناک دسته‎بندی می‎شود. شرکت‎ها در مورد چگونگی دفن مناسب پسماندها در دوره عمر محصول به اطلاعات به‎روز نیاز دارند.

7.3. اطلاعات اضافه مورد نیاز
در پاسخ به سوال، "در کدامیک از موضوعات شما نیاز به اطلاعات بیشتری دارید؟" پاسخ‎های متفاوتی ذکر شد. به عنوان مثال، 40% از شرکت‎ها تمایل به ایجاد ویژگی‎های جدید یا بهبود خواص با استفاده از قابلیت بالقوه ENPs داشتند، 35% در مورد آگاهی از آخرین تغییرات قوانین ملی در مورد محصولات نانو، 35% در زمینه قوانین بین‎المللی، 30% در زمینه وضعیت دانش در زمینه خطرات ENPs بر سلامتی و محیط زیست، 30% در زمینه "بهترین اقدامات" و 20% نیز تمایل به آگاهی در مورد استفاده ایمن از ENPs داشتند.

4. بحث
نتایج حاصل از این نظرسنجی شامل اطلاعات به‎روز در مورد پوشش‎های نمای نانویی و انتظارات صنعت در زمینه بهبود قابلیت و کارایی زیست‎محیطی آن‎ها است. نظرسنجی نشان داد که اطلاعات محدودی در مورد مقدار و انواع ENPs مورد استفاده در صنعت پوشش و مکانیزم بهبود قابلیت‎های پوشش نما با افزودن ENPs، وجود دارد. با این‎حال، این نظرسنجی روند این مسائل و قابلیت‎هایی ایجاد شده با هر نوع ENPs را نشان می‎دهد.

نتایج این نظرسنجی مشابه نظرسنجی بروکهاژن[9] و همکارانش نشان داد که تولیدکنندگان کوچک و متوسط به اطلاعات خاصی نیاز دارند. با این‎حال، شرکت‎های بزرگ قادر به تهیه اطلاعات در مورد مقدار ENPs استفاده شده در پوشش‎های نمای خود در بازار اروپا بودند و به نظر می‎رسد اطلاعات خاصی نیز در مورد ENPs استفاده شده دارند. این نظرسنجی نشان داد که 2TiO، 2SiO و Ag پراستفاده‎ترین ENPs در پوشش‏های نما هستند. شرکت‏ها اذعان کردند که همیشه ENPs به صورت مستقیم در فرمولاسیون پوشش اضافه نمی‏شود، بلکه در برخی مواقع به صورت محصولات واسطه مانند افزودنی‎ها یا رزین‎ها مورد استفاده قرار می‏گیرد.

پیش‏بینی اکثر پاسخ‏دهندگان ایجاد قابلیت جدید در پوشش‎های نما با افزودن ENPs و یا بهبود قابلیت‎های موجود در دوره عمر محصولات، عمدتا در زمان استفاده از محصول (یعنی خواص آسان تمیزشونده، محافظت در برابر پرتو ماورای بنفش، خواص ضد میکروبی، مقاومت در برابر خراش) است. با این‎حال، در مقایسه با پوشش‏های مرسوم: 36% بهبود قابل ملاحظه، 27% بهبود تدریجی قابلیت‏ها را گزارش کردند، در حالیکه 37% بهبودی نسبت به مواد مرسوم مشاهده نکردند. این نتایج منطبق با مطالعات محدودی است که در این زمینه وجود دارد. به عنوان مثال، قابلیت پوشش‏های حاوی 2nano-TiO (خاصیت فوتوکاتالیتیک)، 2nano-SiO (مقاومت به خراش و الاستیسیته) و
nano-Ag (اثر ضد میکروبی و انتشار Ag-ENP) مورد بررسی قرار گرفت. با علم به خواص ذرات ENP، این امر چالش‎های مهم دست‏یابی به قابلیت‏های مطلوب در پوشش نما را نشان می‎دهد. بنابراین، شرکت‎ها در مورد بهبود قابلیت و مزایای حاصل از ENPs در پوشش‎ها به اطلاعات بیشتری نیاز دارند.

در مورد مکانیزم‎های برهم‎کنش بین ENPs و زمینه پوشش اطلاعاتی وجود ندارد. افزودن ENPs به فرمولاسیون پوشش به معنی کیفیت بهتر محصول و یا حفظ حالت و قابلیت ENPs در محصول نهایی نیست (به عنوان مثال، گرانوله شدن ENPs یا تشکیل شبکه پایدار از ENPs). بنابراین، بهبود قابلیت پوشش با استفاده از ENPs دائمی نیست و این چالشی در برابر تولیدکنندگان ENPs و پوشش نما است. پس در وهله‏ی اول درک شیمی خود پوشش (یعنی روش انتخاب فرمولاسیون برای مواد تشکیل‏دهنده در ترکیبات پیچیده با بیش از 20 ماده به منظور دست‎یابی به ویژگی کلیدی مورد نظر مصرف‎کننده)، ثانیا، درک حالت (منفرد، ذرات آزاد، گرانوله‎ها یا شبکه‏های با پیوند شیمیایی) و چگونگی افزودن ENPs به زمینه پوشش (مکانیکی، شیمیایی، جذب) مهم است. به عنوان مثال فرایندهایی که از سنتز هیدروترمال برای تولید نانوذرات و ذرات از پیش تثبیت‏شده استفاده می‎کنند، مانع از گرانوله شدن می‏شوند. اما برای ایجاد مزایای حداکثری فرمولاسیون دقیق بسیار مهم است.

به نظر می‎رسد که بهبود کیفیت پوشش‎های نمای نانو را می‏توان با آزمون‏های استاندارد مرسوم مورد بررسی قرار داد. برای بررسی کیفیت پوشش‏های نما مانند دوام و درخشندگی رنگ (VOB/C DIN 18363/2.4.1)، مقاومت به ضربه (DIN EN14019)، فرسایش در اثر هوا (ISO 4628/2-6، ISO 2813، ISO 11507، EN 927-6)، یا انتشار مواد (DIN 16105) (جدول 2) آزمون‏های استانداردی وجود دارد. با این‎حال، توسعه‎ی آزمون کیفیت مختص پوشش‎های ENPs گامی ارزشمند محسوب می‎شود.

با استفاده از آزمون‎های مرسوم امکان نمایش پایداری ENPs در پوشش نانو وجود دارد. بنابراین میزان انتشار ENPs قابل پیش‎بینی است. تاکنون مطالعات کمی بر روی انتشار ENPs از پوشش‎های نما انجام شده است. اما این مطالعات کم نیز نشان داده است که میزان انتشار 2TiO و ­2SiO از پوشش‎های خارجی کم است و احتمال انتشار مقدار قابل‎توجهی از 2nano-TiO و 2nano-SiO به محیط وجود ندارد. اما، در حین آزمون‎های فرسایش در اثر هوا در خانۀ مدل، انتشار ذرات Nano-Ag مشاهده شده است.

با توجه به پتانسیل موجود برای بهبود کارایی زیست‏محیطی پوشش‎های نما با افزودن ENPs، %20 پاسخ‏دهندگان امکان صرفه‏جویی در مواد و انرژی در حین تولید، 40% امکان انتشار مواد خطرناک از محصول نهایی را پیش‏بینی کردند و 55% امیدوار بودند که ENPs عمر کاری محصول را افزایش و هزینه نگهداری نما را کاهش دهد. با این‎حال، چون برخی از پاسخ‏دهندگان پاسخی نداند (%30)، و با توجه نتایجی قبلی، مشخص شد که در حال حاضر تمرکز نوآوری بر استفاده از قابلیت بالقوه ENPs برای مسائل زیست‏محیطی نیست و بهبود عملکرد پوشش در اولویت است.

متون کمی در مورد بهبود واقعی کارایی زیست‏محیطی با استفاده از پوشش‎های نانو وجود دارد. به عنوان مثال، هیشیر[10] و همکارانش خطرات بالقوه زیست محیطی، سلامتی و ایمنی (EHS) پوشش‎های حاوی ENPs و انتشار بالقوه ENPs در تمام طول عمر محصول را با ارزیابی چرخه عمر[11] (LCA) آن بررسی کردند. هدف اصلی این مطالعه، تبیین چگونگی اثر پوشش‏های نمای نانو در کارایی بهتر زیست‏محیطی آن‏ها نسبت به پوشش‏های مرسوم است. پوشش‎های نمای حاوی 2nano-TiO، nano-Ag و 2nano-SiO بررسی و با پوشش‎های نمای مشابه و بدون ENPs مقایسه شد. نتایج نشان داد که مزایای زیست‎محیطی بالقوه، شدیداً وابسته به ترکیب شیمیایی اصلی و قابلیت خود رنگ است و افزودن مقادیر متفاوت ENPs در این مورد اثرگذار نیست. عوامل زیر در بهبود کارایی زیست‏محیطی تعیین‏کننده هستند: (i) ENP جایگزین یک ماده فعال در ترکیب شمیایی اولیه رنگ شده و به عنوان ماده‎ی اضافی نباشد؛ (ii) ترکیب جدید می‏بایست عمر مفید رنگ را به اندازه‎ای افزایش دهد که مصرف کلی رنگ در دوره عمر ساختمان کاهش یابد؛ و (iii) انتشار ENPs می‏بایست حداقل شود (بویژه با دفع رنگ‎ها و بسته‎بندی‎های مصرف نشده). زمانی که این سه شرط برآورده شود، پوشش نانو کارایی زیست‏محیطی را نیز بهبود می‏بخشد (برای شرایطی که پوشش حاوی 2nano-TiO است). بهره‏برداری از این اطلاعات و انجام مطالعات بیشتر فرصتی برای کمک به بهبود کارایی زیست‎محیطی پوشش‎های نمای جدید ایجاد می‎کند.

یکی دیگر از نتایج این نظرسنجی، نبود دانش در زمینه دفن پسماندهای ENP روی تجهیزات تولیدی (به عنوان مثال، ظروف، تجهیزات محافظتی و غیره)، ابزارهای مورد استفاده در زمان استفاده (غلطک‏ها، اسپری و برس‎ها) و پوشش‏های نانو روی مواد ساختمانی پس از پایان عمر مفید آن‏ها است. در حال حاضر برای پسماند حاصل از پوشش‏های پایه ENP قوانینی وجود ندارد اما کاتالوگ پسماند اروپایی و هم‎چنین لیست پسماند رنگ‏ها (که خطرناک محسوب می‏شوند) وجود دارد، بنابراین امکان نظارت بر دفن آن‏ها وجود دارد. باید پروژه‏های تحقیقات بیشتری تعریف شود تا استراتژی‏های عملی و راهنماهایی در مورد چگونگی کاهش خطرات دفع این پسماندها ایجاد شود.

5. نتیجه‏ گیری
نتایج نیمه‎کمی این نظرسنجی چالش‏های کوتاه مدت و بلند مدتی را نشان داد که باید توسط شرکت‎ها و موسسات علمی مورد توجه قرار گیرند. یکی از چالش‎های کوتاه‎مدت، دفن مناسب پسماندهای پوشش حاوی ENP و تجهیزاتی (به عنوان مثال تجهیزات محافظتی) است که در حین تولید و استفاده از این محصولات آلوده می‎شوند. به نظر می‏رسد که شرکت‏های بزرگ این پسماندها را به عنوان پسماندهای خطرناک دفن می‎کنند (مطابق با EPA2002). در مقابل شرکت‏های کوچک و متوسط و مصرف‎کنندگان، اطلاعات کافی در مورد نحوه دفع این پسماندها ندارند. در این‎جا، موسساتی که نمایندگی تولیدکنندگان ENPs و پوشش‏های پایه ENPs (افزودنی، رزین‏ها) را دارند می‎توانند مطابق با قوانین محلی، پیشنهاداتی را به تولیدکنندگان کوچک و متوسط و مصرف‏کنندگان ارائه دهند. دانشمندان باید روی سرنوشت ENPs با روش‎های مختلف دفن آن‎ها (سوزاندن، دفن‏کردن، تصفیه با آب) بررسی بیشتری انجام دهند. در آینده این دانش برای آگاهی از نحوه دفن مقادیر زیادی مواد ساختمانی با پوشش‎های حاوی ENPs بسیار ارزشمند خواهد بود.

شرکت‏ها، به‏خصوص تولیدکنندگان کوچک و متوسط، در مورد نوع و خواص فیزیکی شیمیایی ENPs که به صوررت مستقیم یا ترکیبات واسط در محصولاتشان استفاده می‎شوند، اطلاعاتی ندارند. به‏منظور توسعه کارآمد پوشش‎های جدید با کارایی بالا و کنترل ایمن پوشش‎های بهبود یافته با نانو ایجاد ارتباط بین فعالان در زنجیره ارزش پوشش‎های نمای نانو مفید است. بنابراین، نتایج این نظرسنجی باید نقطه اتکایی برای تصمیم‎گیری آگاهانه‎تر در افزودن ENPs یا افزودنی‎های بهبودیافته با نانو به فرمولاسیون پوشش باشد.

علاوه بر این، چالش‎های میان‎مدت یا بلندمدت مانند عدم درک مکانیزم موجود بین خواص فیزیکی-شیمیایی ENPs و برهم‎کنش آن‏ها با زمینه محصول و قابلیت حاصل از آن‏ها وجود دارد. دانشمندان مواد باید اطلاعات با جزئیات بیشتر در زمینه رفتار فیزیکی و شیمیایی یک ENP خاص و هم‎چنین مواد زمینه ارائه کنند. شرکت‎ها با همکاری مهندسین مواد، چگونگی اثرگذاری ساختارهای شیمیایی و فیزیکی بر روی قابلیت پوشش‎ها را یافته و طراحی با بازدهی بالاتر برای پوشش‎های ENPs ارائه دهند.

عموما صنعت رنگ تمایل به تولید محصولات پایه آبی و فرمولاسیون ساده‏تر و پوشش‎هایی با کارایی زیست‌محیطی بهتر دارد. بنابراین، شرکت‎ها و دانشمندان باید از توان بالقوه ENPs برای بهبود کارایی زیست‎محیطی بهره‎برداری کرده و مزیتی رقابتی برای پوشش‎های نانو ایجاد کنند.

6. تشکر و قدردانی
از تمام پاسخ‎دهندگان از صنایعی که در این نظرسنجی شرکت داشتند و این مطالعه را ممکن کرده‏اند تشکر و قدردانی می‎کنیم. در این پژوهش از کمک‎های مالی در چهارچوب برنامه هفتم اتحادیه اروپا (FP7/2010-2013) تحت موافقتنامه کمک بلاعوض n°247’810، NanoHouse و هم‏چنین کمک‎های مالی داخلی از سوی Empa دریافت شد. هم‎چنین از حمایت‏های شرکای این پروژه تشکر می‎کنیم:

CEA، Consorzio Venezia Ricerche، Katholieke Universiteit Leuven،Universite´ Joseph Fourier (Laboratoire de Ge´ophysique Interne et Tectonophysique)، Materis Paints، GFC Chimica، Akzo Nobel Coatings، و PPG Industries.

7. منبع

Hincapié, Ingrid, et al. "Nanoparticles in facade coatings: a survey of industrial experts on functional and environmental benefits and challenges." Journal of Nanoparticle Research 17.7 (2015): 1-12.