จุลสารนวัตกรรม ฉบับที่ 77 – นวัตกรรมจากสถาบัน : เรื่อง การเตรียมอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ที่ถูกโดปด้วยทองแดง (CZO) และอิมัลชันโคพอลิเมอร์อะคริลิก CZO กับโพลีไวนิลไพร์โรลิโดน (PVP) สำหรับเคลือบพื้นผิวกระจกเพื่อคุณสมบัติทางแสง

        การวิจัยนี้มุ่งเน้นการสังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ (ZnO) ที่โดป (doping) ด้วยทองแดง (CZO) โดยใช้วิธีโซล-เจล (Sol-gel) และศึกษาผลของการโดปทองแดงที่มีต่อซิงก์ออกไซด์ (ZnO) ซิงก์ออกไซด์เป็นวัสดุที่ได้รับการศึกษากันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีคุณสมบัติหลากหลาย เช่น ความโปร่งใส ความเป็นผลึกสูง และเสถียรภาพทางความร้อน นิยมใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โปร่งใส เครื่องส่งแสง UV เซ็นเซอร์เคมี และเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางแสงของ ZnO สามารถปรับปรุงได้โดยการโดปด้วยธาตุอื่น เช่น ทองแดง (Cu) ซึ่งมีราคาถูก เสถียร และมีปริมาณมาก

        Polyvinylpyrrolidone (PVP) ถูกใช้เป็นสารช่วยกระจายตัว (dispersing agent) เพื่อให้ได้เกิดการเคลือบที่สม่ำเสมอและป้องกันการจับตัวกันของอนุภาคนาโน การศึกษานี้ศึกษาประสิทธิภาพของการใช้อนุภาคนาโน CZO ในการเคลือบกระจกเพื่อช่วยประหยัดพลังงาน ซึ่งสามารถป้องกันแสงอินฟราเรดใกล้ (NIR) ในขณะที่ยังคงใส แสงผ่านได้ การเคลือบดังกล่าวสามารถลดอุณหภูมิภายในอาคารและยานพาหนะ ซึ่งจะทำให้ลดการใช้พลังงานได้มากขึ้น

วัสดุและวิธีการทดลอง   
        การสังเคราะห์อนุภาคนาโน CZO ใช้ซิงก์อะซิเตทเป็นสารตั้งต้น โดยมีการโดปทองแดงในความเข้มข้นโมล (mol) ที่แตกต่างกัน (0, 1, 5, และ 10 % mol) วิธีโซล-เจลถูกเลือกใช้เนื่องจากง่ายในการสังเคราะห์ มีความคุ้มค่าและความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม หลังจากการเตรียมอนุภาคนาโน แล้ว ทำการเผา (calcination) ที่อุณหภูมิ 550°C และวิเคราะห์คุณลักษณะโดยใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ (XRD) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (FE-SEM)
        สำหรับการเตรียมการเคลือบ อนุภาคนาโน CZO ถูกกระจายตัวในอิมัลชันอะคริลิกโคพอลิเมอร์ โดยมีและไม่มีการเติม PVP การเคลือบถูกนำไปใช้กับพื้นผิวกระจกโดยใช้เทคนิคการเคลือบผิวความหนาที่แตกต่างกัน (5, 25, 50, และ 100 µm) โดย PVP ถูกเติมเข้าไปในบางตัวอย่างเพื่อช่วยในการกระจายตัวของอนุภาคนาโน

ผลลัพธ์และการอภิปราย
        สเปกตรัมการสะท้อนแสง (รูปที่ 1)  UV-Vis-NIR แสดงให้เห็นว่า CZO 1 โมล% มีการสะท้อนแสง NIR สูงสุด (ถึง 80%) และการส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ดีเยี่ยม ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการเคลือบฉนวนกันความร้อน การโดป Cu ในระดับที่สูงขึ้น (5 และ 10 โมล%) ทำให้การสะท้อนแสง NIR ลดลง และ ZnO ที่ไม่โดปมีการสะท้อนแสงสูงแต่การส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ต่ำ
        อนุภาคนาโน CZO ถูกนำมาใช้ในเคลือบอะคริลิกโคพอลิเมอร์ และมีการศึกษาคุณสมบัติทางแสงเพิ่มเติม การเคลือบที่มีปริมาณ CZO สูงกว่า (75 wt%) และความหนาที่มากกว่า (100 µm) มีการส่งผ่านแสงในสเปกตรัม UV-Vis-NIR ต่ำลง มีลักษณะทึบมากขึ้น การเพิ่ม PVP ทำให้เกิดความสม่ำเสมอและความเรียบของการเคลือบที่ดีขึ้น ส่งผลให้คุณสมบัติทางแสงดีขึ้น (ใสขึ้น)
        ทดสอบประสิทธิภาพของการเป็นกระจกช่วยในการประหยัดพลังงาน โดยการนำกระจกที่เคลือบไปทดสอบกับรังสีอินฟราเรด (IR) แล้ววัดอุณหภูมิบนพื้นผิวกระจก (T1) และภายในกล่องโฟม (T2) ดังรูปที่ 2 ผลการทดลอง แสดงให้เห็นว่าปริมาณ CZO ที่สูงขึ้นและความหนาของการเคลือบมากขึ้น มีผลให้มีความเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีกว่า และในการเคลือบที่มี PVP เป็นตัวช่วยในการกระจายอนุภาค CZO มีผลให้อุณหภูมิต่ำกว่าการเคลือบที่ไม่มี PVP  ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการกระจายตัวของอนุภาคนาโนที่ดีขึ้นส่งผลให้มีการสะท้อนความร้อนได้ดีขึ้น

สรุป 
        อนุภาคนาโน CZO ที่สังเคราะห์โดยวิธีโซล-เจล มีประสิทธิภาพในการใช้เป็นสารเคลือบช่วยประหยัดพลังงาน โดยมีคุณสมบัติโปร่งแสงและใช้เป็นฉนวนกันความร้อนสำหรับการเคลือบกระจกได้ การโดปทองแดงที่ 1 % mol ทำให้มีคุณสมบัติการสะท้อนแสง NIR ที่ดี และยังคงโปร่งแสง กระจกหลังเคลือบยังคงมีความใสระดับหนึ่ง (มองเห็นได้) PVP สามารถใช้เป็นสารช่วยกระจายตัว (dispersing agent) ได้ โดยทำให้กระจกที่เคลือบมีความใสมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนมากขึ้น ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า CZO สามารถใช้เป็นวัสดุสำหรับการเคลือบกระจกเพื่อช่วยลดการใช้พลังงานได้

อ้างอิง:
Putthithanas, P., Kaenphakdee, S., Yodyingyong, S., Triampo, W., Sanpo, N., Jitputti, J., & Triampo, D. (2024). Preparation of Copper-Doped Zinc Oxide (CZO) Nanoparticles and CZO/Acrylic Copolymer Emulsion with Polyvinylpyrrolidone (PVP) Coated on Glass Substrate for Optical Properties. Coatings, 14(4), 502.