مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

توسعه و ارزیابی پوشش رنگی زیست‌پایهی حاوی هیدروژل PVA و کیتوسان برای تنظیم غیرفعال رطوبت و عملکرد آنتی‌‌باکتریال در فضاهای داخلی ساختمان

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان
امیرهوشنگ سلیمانی‌زاده 1
مه تیام شهبازی 2
1 دانشجوی کارشناسی ارشد گروه معماری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 استادیار گروه معماری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
10.30501/jamt.2026.591546.1369
چکیده
در معماری معاصر، کنترل رطوبت و پیشگیری از آلودگی میکروبی سطوح داخلی، اغلب متکی به سامانه‌های انرژی‌بر HVAC است. این پژوهش، با هدف انتقال عملکرد تنظیم محیطی و ضدعفونی‌کنندگی به مصالح، نوعی پوشش معماری زیست‌پایه‌ی مبتنی بر هیدروژل PVA/ کیتوسان را در ماتریس رنگ پایه‌آب توسعه داده است. ویژگی‌های ساختاری و عملکردی پوشش‌ها با استفاده از SEM، FTIR، آزمون جذب بخار آب دینامیکی (DVS) همراه با مدل GAB و آزمون کمّی شمارش کلنی (CFU) بررسی شد. نتایج FTIR تشکیل پیوندهای هیدروژنی و شبکه‌ی پلیمری پایدار را تأیید کرد و تصاویر SEM ساختار متخلخل و پیوسته‌ای را نشان داد که مسیرهای فعال انتقال و ذخیره‌ی بخار را فراهم می‌کند. نتایج DVS حاکی از آن است که ظرفیت جذب رطوبت در رطوبت نسبی ۹۰ درصد، از 5/4 درصد در نمونه‌ی کنترل به 5/7 درصد در نمونه‌ی ۲ و 19 درصد در نمونه‌ی ۳ افزایش می‌یابد و در شرایط اشباع برای نمونه‌ی ۳ به 26 درصد می‌رسد. این رفتار، با حلقه‌های هیسترزیس پایدار، توانایی بافرینگ رطوبت را اثبات می‌کند. همچنین، ارزیابی آنتی‌باکتریال در برابر Escherichia coli نشان داد که نمونه‌های اصلاح‌شده کاهش قابل‌سنجشی در بار میکروبی ایجاد می‌کنند که بیشترین مهار رشد در نمونه‌ی ۳ به میزان 33/43 درصد ثبت شد. این یافته‌ها ادغام هیدروژل PVA/ کیتوسان را راهکاری پایدار برای تبدیل سطوح داخلی به مؤلفه‌هایی فعال در تنظیم غیرفعال رطوبت، بهبود بهداشت سطحی و ارتقای کیفیت محیط داخلی (IEQ) در ساختمان‌های کم‌مصرف معرفی می‌کند.
کلیدواژه‌ها
هیدروژل PVA/ کیتوسان
پوشش رنگی زیست‌پایه
تنظیم غیرفعال رطوبت
عملکرد آنتی‌باکتریال
معماری پایدار
موضوعات

عنوان مقاله English

Development and Evaluation of a Bio-based Paint Coating Containing PVA Hydrogel–Chitosan for Passive Humidity Regulation and Antibacterial Performance in Indoor Building Environments

نویسندگان English

Amirhoushang Soleimanizadeh 1
Mahtiam Shahbazi 2
1 M.Sc. Student, Department of Architecture, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Architecture, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran. .
چکیده English

Indoor humidity control in contemporary architecture mainly depends on mechanical HVAC systems, which are energy-intensive and often insufficient to prevent moisture-induced microbial growth on interior surfaces. This research explores the transfer of part of the environmental regulation function from mechanical systems to building materials through a bio-based architectural coating that incorporates Polyvinyl Alcohol/Chitosan (PVA/Chitosan) hydrogel into a water-based paint matrix. FTIR, SEM, DVS (isotherm analysis/GAB modeling), and CFU counting were used to evaluate the coating’s structure, moisture-buffering behavior, and antibacterial performance. FTIR confirmed hydrogen bonding within a stable polymer network, while SEM revealed a porous microstructure that facilitates vapor transport and temporary moisture storage. DVS results showed enhanced moisture uptake: the control absorbed 4.5% moisture at 90% RH, while Sample 2 and Sample 3 reached 7.5% and 19%, respectively, with Sample 3 approaching 26% near 100% RH. Antibacterial tests against Escherichia coli showed that Sample 3 reduced the bacterial load from 1.5 × 10⁶ to 8.5 × 10⁵ CFU/ml, corresponding to 43.33% growth inhibition. These findings demonstrate the potential of PVA/Chitosan-based coatings as multifunctional architectural materials for passive indoor humidity regulation and improved environmental hygiene.

کلیدواژه‌ها English

PVA/Chitosan Hydrogel
Bio Based Coating
Passive Humidity Control
Antibacterial Activity
Sustainable Architecture
1.        Ahmed, E. M. (2015). Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of Advanced Research, 6(2), 105–121. https://doi.org/10.1016/j.jare.2013.07.006
2.        Arundel, A. V., Sterling, E. M., Biggin, J. H., & Sterling, T. D. (1986). Indirect health effects of relative humidity in indoor environments. Environmental Health Perspectives, 65, 351–361. https://doi.org/10.1289/ehp.8665351
3.        Bakshi, P. S., Selvakumar, D., Kadirvelu, K., & Kumar, N. S. (2020). Chitosan as an environment friendly biomaterial – A review on recent modifications and applications. International Journal of Biological Macromolecules, 150, 1072–1083. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.10.113
4.        Banerjee, D., Guo, X., Benavides, J., Rameau, B., & Cloutier, S. (2020). Designing green self-healing anticorrosion conductive smart coating for metal protection. Smart Materials and Structures, 29(10), 105027. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aba849
5.        Eghtedari, M., & Mahravan, A. (2021). Evaluation a hybrid passive cooling system for a building using experimental and commercial software (Design Builder). Journal of Renewable Energy and Environment, 8(2), 1–10. https://doi.org/10.30501/jree.2021.239940.1131
6.        Firoozi, A. A., Firoozi, A. A., Oyejobi, D. O., Avudaiappan, S., & Flores, E. S. (2024). Emerging trends in sustainable building materials: Technological innovations, enhanced performance, and future directions. Results in Engineering, 24, 103521. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103521
7.        Fisk, W. J., Lei-Gomez, Q., & Mendell, M. J. (2007). Meta-analyses of the associations of respiratory health effects with dampness and mold in homes. Indoor Air, 17(4), 284–296. https://doi.org/10.1111/j.1600-0668.2007.00475.x
8.        Garcia-Garcia, A., Muñana-González, S., Lanceros-Mendez, S., Ruiz-Rubio, L., Perez Alvarez, L., & Vilas-Vilela, J. L. (2024). Biodegradable natural hydrogels for tissue engineering, controlled release, and soil remediation. Polymers, 16(18), 2599. https://doi.org/10.3390/polym16182599
9.        Hedayati Tabari, F., Hamidinezhad, H., Karimian, M., & Nazifi, E. (2022). Synthesis and characterization of chitosan/poly(vinyl alcohol) polymer nanofibers containing chicory extract by electrospun method and evaluation of its antibacterial properties. Journal of Advanced Materials and Technologies, 11(4), 31–44. https://doi.org/10.30501/jamt.2023.378386.1261  [in Persian]
10.     IMARC Group. (2024). Smart coatings market: Global industry trends, share, size, growth, opportunity and forecast 2024–2032. https://www.imarcgroup.com/smart-coatings-market
11.     Janssen, H., Blocken, B., & Carmeliet, J. (2007). Conservative modelling of the moisture and heat transfer in building components under atmospheric excitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(5–6), 1128–1140. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.06.048
12.     Kong, M., Chen, X. G., Xing, K., & Park, H. J. (2010). Antimicrobial properties of chitosan and mode of action: A state-of-the-art review. International Journal of Food Microbiology, 144(1), 51–63. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2010.09.012
13.     Nasaj, M., Chehelgerdi, M., Asghari, B., Ahmadieh-Yazdi, A., Asgari, M., Kabiri-Samani, S., Sharifi, E., & Arabestani, M. (2024). Factors influencing the antimicrobial mechanism of chitosan action and its derivatives: A review. International Journal of Biological Macromolecules, 134321. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134321
14.     Mendell, M. J., Mirer, A. G., Cheung, K., Tong, M., & Douwes, J. (2011). Respiratory and allergic health effects of dampness, mold, and dampness-related agents: A review of the epidemiologic evidence. Environmental Health Perspectives, 119(6), 748–756. https://doi.org/10.1289/ehp.1002410
15.     Milan, B. D., Mohammadzadeh, H., Jafari, R., & Soltani, M. (2022). Investigation of the coating methods and types of coatings containing hydroxyapatite. Applied Chemistry Perspectives, 1(2), 45–58. https://doi.org/10.30501/acp.2022.365116.1108
16.     Osanyintola, O. F., & Simonson, C. J. (2006). Moisture buffering capacity of hygroscopic building materials: Experimental facilities and energy impact. Energy and Buildings, 38(10), 1270–1282. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2006.03.026
17.     Peppas, N. A., Hilt, J. Z., Khademhosseini, A., & Langer, R. (2006). Hydrogels in biology and medicine: From molecular principles to bionanotechnology. Advanced Materials, 18(11), 1345–1360. https://doi.org/10.1002/adma.200501612
18.     Qin, M., Belarbi, R., Aït-Mokhtar, A., & Nilsson, L.-O. (2009). Coupled heat and moisture transfer in multi-layer building materials. Construction and Building Materials, 23(2), 967–975. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2008.05.015
19.     Rinaudo, M. (2006). Chitin and chitosan: Properties and applications. Progress in Polymer Science, 31(7), 603–632. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2006.06.001
20.     Rode, C., Peuhkuri, R., Mortensen, L. H., Hansen, K. K., Time, B., Gustavsen, A., ... & Arfvidsson, J. (2005). Moisture buffering of building materials, Report BYG-DTU R-126. Report of the Nordisk Innovations Center, Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark.
21.     Royal Society (2021). Climate change: Evidence and causes. https://royalsociety.org/news-resources/projects/climate-change-evidence-causes/
22.     Sassi, P. (2006). Strategies for sustainable architecture. Routledge.
23.     Simonson, C. J., Salonvaara, M., & Ojanen, T. (2004). Heat and mass transfer between indoor air and a permeable and hygroscopic building envelope: Part I—Field measurements. Journal of Thermal Envelope and Building Science, 28(1), 63–101. https://doi.org/10.1177/1097196304044395
24.     Tripathi, S., Mehrotra, G. K., & Dutta, P. K. (2009). Chitosan based antimicrobial films for food packaging applications. e-Polymers, 9(1), 1021–1025. https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/epoly.2008.8.1.1082/html
25.     Vereecken, E., Janssen, H., Roels, S., & Carmeliet, J. (2011). Review of mould prediction models and their influence on mould risk evaluation. Building and Environment, 46(2), 296–310. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2011.11.003
26.     Viitanen, H., Toratti, T., Makkonen, L., Peuhkuri, R., Ojanen, T., Ruokolainen, L., & Räisänen, J. (2010). Towards modelling of decay risk of wooden materials. European Journal of Wood and Wood Products, 68, 303–313. https://doi.org/10.1007/s00107-010-0450-x
27.     Wang, Z., Mahmood, N., Budhathoki-Uprety, J., Brown, A. C., King, M. W., & Gluck, J. M. (2024). Preparation and Characterization of Hydrogels Fabricated from Chitosan and Poly(vinyl alcohol) for Tissue Engineering Applications. ACS Applied Bio Materials, 7(8), 3763–3776. https://doi.org/10.1021/acsabm.4c00642
28.     Wolkoff, P. (2018). Indoor air humidity, air quality, and health – An overview. International Journal of Hygiene and Environmental Health, 221(3), 376–390. https://doi.org/10.1016/j.ijheh.2018.01.015
29.     World Economic Forum (2025). 3 key insights on the digital transformation of construction. https://www.weforum.org/stories/2025/07/construction-sector-digital-transformation/
30.     Yu, Y., & Abola, M. (2023). Ecological architecture – A perfect interpretation of the harmonious coexistence of architecture and nature. In 2023 2nd International Conference on Urban Planning and Regional Economy (UPRE 2023) (pp. 302-306). Atlantis Press. https://doi.org/10.2991/978-94-6463-218-7_34
31.     Yusmaniar, Y., Julio, E., Rahman, A., Yudanto, S. D., & Susetyo, F. B. (2023). Synthesis of polyvinyl alcohol-chitosan composite film using nanocellulose from coconut fibers (Cocos nucifera). International Journal of Engineering, 36(11B), 1612–1619. https://doi.org/10.5829/ije.2023.36.11b.05
مواد و فناوری‌های پیشرفته
دوره 15، شماره 2
تابستان 1405

  • تاریخ دریافت 22 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 25 مرداد 1405