เทคโนโลยีสารเคลือบนาโน จากเพิ่มประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ สู่การอนุรักษ์ศาสนสถาน
ปัจจุบันทั้งภาครัฐและเอกชนต่างเร่งวิจัยและพัฒนาเพื่อนำเทคโนโลยีการเคลือบผิวด้วยวัสดุนาโนมาใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ รวมถึงเพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุหลากหลาย เช่น สิ่งทอ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ และวัสดุก่อสร้าง
เช่นเดียวกับศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ที่มีการพัฒนาสารเคลือบอนุภาคนาโนเพื่อใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ อย่างเช่น “เทคโนโลยีสารเคลือบดูดซับความร้อนของท่อนำความร้อนแผงรวมแสงอาทิตย์แบบรางพาราโบลา” ที่ทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการจัดเรียงโครงสร้างและอนุภาคระดับนาโน หน่วยวิจัยนาโนเทคโนโลยี นาโนเทค สวทช. พัฒนาขึ้นเพื่อตอบโจทย์ภาคเอกชนอย่างบริษัทเอทีอี จำกัด ที่ต้องการใช้กราฟีนเป็นวัสดุเคลือบเพื่อดูดซับความร้อนบนท่อโลหะในระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น หรือ Concentrated Solar Power (CSP) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย
โดยทั่วไปการดูดซับความร้อนบนท่อโลหะดังกล่าว นิยมใช้เทคโนโลยีการเคลือบผิวแบบตกเคลือบด้วยไอทางกายภาพ (Physicalvapour deposition) ของสารผสมระหว่างโลหะกับโลหะออกไซด์ ซึ่งมีต้นทุนทางวัสดุและเทคโนโลยีที่สูงมาก บริษัทเอทีอี จำกัด จึงต้องการใช้อนุภาคกราฟินทดแทนเพื่อลดต้นทุนในการผลิต จากการทดสอบพ่นเคลือบอนุภาคกราฟินลงบนท่อสเตนเลส พบว่าสามารถดูดซับความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้ แต่มีปัญหาการหลุดลอก เนื่องจากอนุภาคกราฟีนไม่สามารถยึดเกาะกับท่อโลหะอย่างสเตนเลสได้ด้วยตัวเอง เพราะสภาพพื้นผิวของวัสดุทั้งสองแบบที่ไม่เข้ากันผู้ประกอบการจึงต้องการให้ทีมนักวิจัยฯ ช่วยพัฒนาสูตรที่ทำให้อนุภาคกราฟินยึดติดกับผิวท่อโลหะได้ดีขึ้น
ทีมนักวิจัยจากนาโนเทค สวทช. จึงศึกษาการใช้วัสดุนาโนเพื่อเพิ่มการยึดเกาะของอนุภาคกราฟีน โดยเลือกใช้สารนาโนซิลิกาที่มีคุณสมบัติช่วยเพิ่มการยึดเกาะเป็นสารผสมกับอนุภาคนาโนกราน จนได้เป็นสูตรพัฒนาเป็นสารเคลือบสำหรับดูดซับความร้อนบนท่อโลหะใน “ระบบผลิตพลังงานแบบรางพาราโบลา (Parabolictrough solar concentrator)” ซึ่งมีการยึดเกาะบนผิวท่อสเตนเลสได้ดีและสามารถดูดซับความร้อนได้มากขึ้น
สารเคลือบดังกล่าวทนต่อความร้อนที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ในสภาวะไม่มีออกซิเจน เช่น สุญญากาศสูง 10-6 mbar หรือในบรรยากาศไนโตรเจน และทนต่อการยืดหดของท่อโลหะที่มีการยืดและหดตัวในช่วงอุณหภูมิ 30-500 องศาเซลเซียส สามารถใช้วิธีการพ่นเคลือบจากสเปรย์ ซึ่งมีต้นทุนต่ำกว่าเทคโนโลยีการเคลือบผิวแบบตกเคลือบด้วยไอทางกายภาพมากกว่า 70%
ปัจจุบันบริษัทเอทีอี จำกัด ได้รับการถ่ายทอดเทคโนโลยีสารเคลือบและลงทุนก่อสร้างโรงงานต้นแบบการผลิตพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่อำเภอบางปะกง จังหวัดฉะเชิงเทรา โรงงานดังกล่าวสามารถผลิตไอน้ำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิกว่า 450 องศาที่ความดัน 30 บาร์จากท่อดูดซับความร้อนที่เคลือบสารผสมอนุภาคนาโนกราฟินและยังสามารถขยายการผลิตสารเคลือบดังกล่าวในระดับอุตสาหกรรม รวมถึงผลิตท่อดูดซับความร้อนให้โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนแสงอาทิตย์ของบริษัทไทย โซล่าร์ เอ็นเนอร์ยี่ จำกัด(มหาชน) ซึ่งเป็นการผลิตในเชิงพาณิชย์รายแรกของประเทศไทย โดยต้นทุนการผลิตถูกกว่านำเข้าจากต่างประเทศถึง 3 เท่า
นอกจากนี้ทีมนักวิจัยจากนาโนเทค สวทช. ร่วมกับบริษัทฮิวเทค (เอเชีย) จำกัด พัฒนา “สารเคลือบนาโนป้องกันตะกรันบนแผงรังผึ้ง” ขึ้นภายใต้การสนับสนุนทุนวิจัยจากโปรแกรมสนับสนุนการพัฒนาเทคโนโลยีและนวัตกรรม (ITAP) ซึ่งเป็นการพัฒนาสารเคลือบนาโน เพื่อลดการเกาะของตะกรันแคลเซียมบนแผงรังผึ้งที่ทำหน้าที่ดูดซับความชื้นในระบบปรับอากาศแบบประหยัดพลังงานไฟฟ้าด้วยพัดลมไอเย็น สามารถคงประสิทธิภาพของการทำความเย็นและความแข็งแรงของแผงรังผึ้ง อีกทั้งยังช่วยลดการเกาะของตะกรันได้ถึง 30-40% ซึ่งเย็นการยืดอายุการใช้งานของแผงรังผึ้งให้นานขึ้นเกือบสองเท่า ลดความถี่และงบประมาณในการกำจัดตะกรัน ซึ่งนับเป็นการช่วยประหยัดพลังงานอีกทางหนึ่งทั้งนี้สารเคลือบดังกล่าวมีการประยุกต์ให้เข้ากับกระบวนการผลิตที่มีอยู่เดิมของผู้ประกอบการ และไม่เป็นพิษกับสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
และไม่เพียงเท่านั้น.. “เทคโนโลยีสารเคลือบนาโน” ที่เป็นการใช้องค์ความรู้ด้านนาโนเทคโนโลยี ทำให้วัสดุขนาดจิ๋วแสดงคุณสมบัติพิเศษเมื่อนำไปเคลือบสิ่งของหรือพื้นผิวอาคารสถานที่ ทีมนักวิจัยนาโนเทค สวทช. มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและต่อยอดการใช้งานไปสู่ภาคธุรกิจต่าง ๆ แล้วนั้น ยังมีการนำมาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์กับสังคมและชุมชนส่วนรวมอีกด้วย
อย่างเช่นโครงการ “เทคโนโลยีสารเคลือบนาโนเพื่อการอนุรักษ์อาคารศาสนสถาน” ที่เกิดจากการลงพื้นที่สำรวจของทีมนักวิจัยนาโนเทค สวทช. แล้วพบว่าในสถานที่ท่องเที่ยวหรือวัดต่าง ๆ มักจะมีปัญหาเรื่องของความชื้น น้ำซึมเข้าไปในวัสดุที่เป็นพื้นผิวทำให้เกิดเชื้อราหรือตะไคร่น้ำได้ง่าย
ทีมนักวิจัยฯ จึงศึกษาคุณสมบัติของวัสดุเชิงเคมีกายภาพของอาคารศาสนสถานจากหลากหลายแหล่งที่มา เพื่อพัฒนาสารเคลือบผิวอนุภาคนาโนซิลิกาที่มีคุณสมบัติกันฝุ่น กันการซึมน้ำ ป้องกันเชื้อราและตะไคร่น้ำ รวมถึงคราบสกปรกที่เกาะอยู่บนพื้นผิวของวัสดุที่ใช้บูรณะอาคารศาสนสถาน ซึ่งจะช่วยลดการแตกร้าว ทำให้ยืดอายุพื้นผิวและคงความสวยงามของอาคารศาสนสถานได้ดียิ่งขึ้น
สารเคลือบผิวอนุภาคนาโนซิลิกาที่ทีมนักวิจัยนาโนเทค สวทช. พัฒนาขึ้นนี้มีจุดเด่นคือ สามารถใช้ได้กับทุกสภาพพื้นผิว โดยไม่ทำลายรูปสภาพเดิม แต่สิ่งที่เพิ่มเติมเข้ามาคือ ความสามารถในการกันความชื้น ซึ่งเป็นการเลียนแบบธรรมชาติเหมือนกับใบบัวที่มีคุณสมบัติสะท้อนน้ำ สามารถทนฝน ทนแดด และทนรังสียูวีได้โดยไม่เสื่อมสภาพ
ปัจจุบันมีการทดสอบใช้เคลือบพื้นผิวอาคารศาสนสถานต่าง ๆ พบว่า สามารถยืดระยะเวลาการเกิดเชื้อรา คราบสกปรก และการแตกลายงาจากอายุของวัสดุที่ใช้ก่อสร้าง นอกจากจะเพิ่มความคงทน ยืดอายุวัสดุที่จะนำไปซ่อมแซมบูรณะแล้วยังช่วยลดต้นทุนการดูแลรักษาอาคารศาสนสถานต่าง ๆ
เทคโนโลยีสารเคลือบนาโน จากเพิ่มประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ สู่การอนุรักษ์ศาสนสถาน
