برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۹/۰۱ تا ۱۳۹۹/۰۹/۰۷

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۲,۵۷۸
  • بازدید این ماه ۲۰
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۷۰
  • قبول شدگان ۱۲۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۵
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

روش‌های اصلاح سطح منسوجات در ابعاد نانو

در ادامه مبحث روش‎های پوشش‌دهی منسوجات، در این مقاله به خلاصه‎ای از روش‎های ایجاد پوشش‎های نانومتری بر منسوجات اشاره می‎شود.

1- پوشش‎دهی لایه به لایه (LBL) منسوجات
پوشش‎دهی لایه به لایه (LBL) روشی برای تولید پوشش‏ بسیار نازک بر روی اجسام است. لایه‌ها از رسوب مواد با بار سطحی مخالف در مراحل مختلف ایجاد می‏‌شوند. این روش برای نخستین بار توسط ایلدر در شرکت دوپونت و با استفاده از لایه‌نشانی میکروذرات با بار مخالف انجام شد و توسط پروفسور دچر با اکتشاف کاربرد این روش در پلی‌‏الکترولیت‎ها گسترش یافت. برای توصیف ساده از این روش، اگر پلی‏‌یون‏‌ها را با علائم + یا – و مراحل شستشو را با w نشان دهیم، برای ایجاد 5 لایه باید به صورت w+w-w+w-w+w-w+w-w+w- عمل شود که نهایتاً منجر به تولید 5 لایه +-+-+-+-+- می‏‌شود. البته باید خاطر نشان کرد که این تصور که روش LBL تنها برای مواد باردار کاربرد دارد، درست نیست که در ادامه به معرفی برهم‏‎کنش‎های موجود در این روش پرداخته خواهد شد [1].
رسوب‎دهی لایه به لایه روشی ساده، کارا، تکرارپذیر، منعطف و پرکاربرد برای اصلاح سطحی و نشاندن لایه آرایش یافته با ضخامت، نسبت، ساختار و ویژگی‏‎های مشخص بر روی هر سطحی است. روش LBL شامل جذب چندلایه‎های مولکولی به صورت پشت سر هم بوده که از طریق برهم‎کنش‏‎های الکترواستاتیکی یا غیرالکترواستاتیکی ایجاد می‎شوند. برای ایجاد لایه‏‎های مؤثر شستشوی بین هر مرحله ضروری است تا از آلوده شدن محلول بعدی رسوب با ذرات ناپایدار یا جذب نشده سطحی جلوگیری شود. چرخه لایه‎نشانی تا مرحله‎‏ای انجام می‏‎شود که تعداد لایه‏‎ها به مقدار مورد نظر رسیده باشند (شکل 1) [2].

filereader.php?p1=main_ccd3beaf04f96a5f3
شکل 1 - شماتیک کلی رسوب‎دهی لایه به لایه با برهم‎کنش الکترواستاتیکی [2]

ایجاد پوشش LBL به روش‏‎های مختلفی مانند غوطه‎وری (dip-coating)، پوشش‎دهی چرخشی (spin-coating)، اسپری (spray-coating) و تزریق (perfusion) صورت می‏‎گیرد. در بین روش‏‎های اشاره شده، تا به امروز غوطه‌وری کاربرد بیشتری داشته است. یکی از ویژگی‎های مثبت این روش، امکان تولید ساختارها به با شکل‎‏های پیچیده است. از سوی دیگر، مصرف زیاد مواد و زمان‏‎بر بودن هر مرحله، از محدودیت‎های این روش به شمار می‎روند. با این تفکر، روش‏‎های اسپری و چرخشی می‏‎توانند جایگزین خوبی برای تولید لایه‎های LBL ارزان، سریع و یکنواخت باشند. البته روش‎های رسوب‎دهی دیگری مانند غوطه‎وری هیدرودینامیک (hydrodynamic-dip-coating)، میدان گرانش بالا (high-gravity-field) و چاپگر جوهرافشان (inkjet-assisted) برای تولید لایه‏‎های LBL یکنواخت‏‎تر گزارش شده‏‎اند. در قسمت‎های قبل اشاره کردیم که علاوه بر تشکیل لایه با برهم‎کنش‎های یونی، برهم‎کنش‎‏های دیگری نیز باعث ایجاد این نانولایه‏‎ها در روش LBL می‏‎شوند. در جدول 1 انواع برهم‎کنش‎های مهم به صورت طرح‎واره ذکر شده است [2].

جدول 1 - برهم‎کنش‎‏های موجود در روش رسوب‎دهی لایه به لایه [LBL [2
برهمکنش الکترواستاتیک آب‎­گریز هیدروژنی انتقال بار میزبان - مهمان
طرح‎واره filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820 filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636 filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2 filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9      filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d     

قابلیت کنترل ویژگی‏ ‏لایه‎های رسوب داده شده از نظر ضخامت، سختی، ترکیب شیمیایی، ساختار، زبری، ترشوندگی و تورم در ابعاد نانو از طریق تغییر ویژگی‏‎های مواد جذب شده (چگالی، ترکیب شیمایی و ساختار)، ویژگی‏‎های محلول واکنش (نسبت نمک، کیفیت حلال، قدرت یونی و pH) و عوامل خارجی (دما، تابش نور، تنش مکانیکی و میدان الکتریکی) امکان استفاده از این روش را در علوم مختلف و خصوصاً علم نساجی فراهم ساخته است [2].
در این قسمت به برخی مطالعات انجام شده در زمینه منسوجات اشاره خواهد شد. در تحقیقی که توسط هاید و همکاران صورت گرفت، ابتدا الیاف پنبه با ماده 3،2 اپوکسی پروپیلن تری متیلن آمونیوم کلراید اصلاح شد تا امکان اتصال نانولایه‌‏های سنتز شده بر روی الیاف فراهم شود. لایه‎نشانی از طریق برهم‎کنش الکترواستاتیکی میان پلی (سدیم 4-استایرن سولفونات) (PSS) و پلی (آلیل آمین هیدروکلراید) (PAH) به عنوان پلی الکترولیت انجام شد و 20 لایه بر روی الیاف پنبه تولید شد. در شکل 2 تصویر TEM الیاف تکمیل شده به این روش نشان داده شده است. از این روش می‏‎توان برای تولید منسوجات محافظت‎کننده و فیلترهای انتخابی استفاده کرد [3].

filereader.php?p1=main_76fc44cc3c7739b06
شکل 2 - تصویر TEM نانولایه‏‎های ایجاد شده به روش [LBL [3

در مطالعه‎ای مشابه که توسط وانگ و همکاران صورت گرفت از روش غوطه‎وری LBL برای تولید نانولایه‏‎ها با دو پلی الکترولیت پلی (سدیم 4-استایرن سولفونات) (PSS) و پلی (دی‏آلیل دی‏متیلن آمونیوم کلراید) (PDDA) استفاده شد. در این تحقیق رنگ‎پذیری الیاف اصلاح شده با دو رنگزای آنیونی مستقیم و کاتیونی بازیک، همچنین جذب پرتو فرابنفش بررسی شد. مطالعات نشان داد که رنگرزی الیاف با رنگزای مستقیم به هنگام ایجاد لایه با بار مثبت، و جذب رنگ بازیک به هنگام تولید نانولایه با بار منفی، بهبود قابل توجهی داشته است. از سوی دیگر، اصلاح الیاف سبب افزایش جذب امواج UV از 226nm به 261nm شد [4]. دوباس و همکاران نیز از روش LBL برای تولید نانوذرات نقره برای ضدمیکروب کردن منسوجات ابریشمی و نایلونی استفاده کرده‌اند. در این روش از دو پلی‌‏الکترولیت PDDA و پلی متاکریلیک اسید برای ایجاد نانولایه‎ها استفاده کردند [5]. روحانی شیروان و همکاران نیز با بهره‌گیری از پلی کاتیون (کیتوسان) و پلی آنیون (پنتا سدیم تری پلی فسفات) و با ایجاد 10 لایه متوالی از این ترکیب بر پارچه پنبه‎ای موفق به ایجاد منسوج ضد باکتری شدند [6].

2- اصلاح سطح منسوجات با استفاده از پلاسما
در 30 سال اخیر تکنولوژی پلاسمای سرد کاربرد زیادی پیدا کرده است. این روش به صورت گسترده در صنایع نیمه‏‎هادی‎‏ها، پوشش‎دهی فلزات و ... استفاده می‏‎شود. موفقیت این روش به دلیل تغییر ویژگی‏‎های سطح یک ماده از طریق اصلاح شیمیایی یا فیزیکی بیرونی‎‏ترین لایه مواد، بدون تغییر در سطح داخلی است؛ که تغییر ویژگی‏‎های سطح می‏‎تواند سبب ایجاد ویژگی‏‎های جدیدی در ماده نهایی شود.
به دلیل نسبت طول به حجم زیاد الیاف نساجی، تغییر ویژگی‏‎های سطح می ‎تواند اثر زیادی بر ویژگی‏‎های نهایی مواد داشته باشد. به دلیل استفاده از حجم زیادی از مواد شیمیایی مضر در اکثر فرایندهای نساجی، پلاسمای سرد می‏‎تواند جایگزین مناسبی برای روش‎های معمول اصلاح سطح منسوجات باشد. پلاسما در حقیقت عملیاتی خشک، سریع، پرکاربرد و قابل انجام در دمای محیط است، لذا با استفاده از این روش، انرژی لازم برای گرم کردن آب و استفاده از مواد شیمیایی کاهش می‌یابد [7].

1-2- اصول عملیات پلاسما
پلاسما گازی یونیزه شده شامل اتم‎ها، مولکول‏‎ها، یون‎ها و رادیکال‏‌های برانگیخته شده، فوتون‏‎ها و الکترون‏‎ها است. پلاسما به دو دسته کلی گرم و سرد تقسیم‎بندی می‏‎شود. اگر چگالی گاز زیاد باشد، فرکانس برخوردهای بین الکترون‏‎ها، یون‏‎ها و اجزای خنثی سازنده پلاسما، انرژی لازم برای واکنش را تأمین می‏‎کنند. دمای این نوع پلاسما تا چند هزار درجه سانتیگراد نیز می‏‎رسد که اکثر مواد توان مقاومت در چنین دمایی را ندارند.
پلاسمای سرد در دمای محیط یا کمی بیشتر تولید می‏‎شود. در این مورد، الکترون‏‎ها انرژی بیشتری از یون و مولکول نیاز خواهند داشت و انرژی فعال‎سازی آن‎‏ها در حدود 0.1 تا چند الکترون ولت خواهد بود و به دلیل غلظت کم گاز، برخوردهای بین اجزای گاز خیلی کم بوده و به تعادل حرارتی نمی‏‌رسد. با توجه به دمای پایین پلاسما، از این روش می‏‎توان برای مواد مختلف از جمله منسوجات استفاده کرد. انواع مختلف پلاسمای سرد عبارتند از:

1. تخلیه تابشی (Glow discharge): این پلاسما در فشار کم و در حدود mbar 10 انجام می‏‎شود. پلاسما توسط آنتن‏‌هایی که با امواج الکترومغناطیسی در حدود kHz 40 الی MHz 13.56 یا ریزموج‎ها (امواج مایکروویو) تولید می‏‎شود.

2. تخلیه کرونا (Corona discharge): این نوع پلاسما در فشار اتمسفری با اعمال جریان مستقیم یا جریان متناوب با فرکانس کم بین دو الکترود با اندازه مختلف ایجاد می‌شود.

3. تخلیه مانع دی الکتریک (Dielectric barrier discharge): این روش نیز در فشار عادی صورت می‌گیرد با این تفاوت که از ولتاژ متناوب با فرکانس زیاد بین دو الکترود، که هر دو یا یکی از آن‏‎ها با لایه‏‎ای از دی الکتریک پوشانده شده است، استفاده می‏‌شود.

4. جت پلاسمای فشار اتمسفری (Atmospheric pressure plasma jet APPJ): روشی مداوم برای تولید پلاسمای مداوم است [7].

filereader.php?p1=main_7215479fbb5429338
شکل 3 - شمای کلی از عملیات پلاسمای سرد

باید خاطر نشان کرد که تمام پدیده‎های ‏نشان داده شده در شکل 3 تنها در سطح منسوجات صورت می‏‌گیرد. معمولاً این عملیات در عمق nm 100-10 صورت گرفته و سایر قسمت‎‏های ماده بدون تغییر باقی خواهد ماند، به این سبب روش اصلاح سطح توسط پلاسما را می‌توان در زمره روش‎های اصلاح سطح نانومتری به شمار آورد.

عملیات پلاسما در صنعت نساجی در ده سال اخیر پیشرفت چشمگیری داشته است. از جمله کاربردهای پلاسما می‏‎توان به موارد زیر اشاره کرد:
• افزایش خواص آب‎دوستی یا آب‌‏گریزی
• افزایش خواص چسبندگی
• بهبود خواص رنگرزی و چاپ منسوجات
• بهبود خواص الکتریکی
• ایجاد خواص ویژه فیلتراسیون

جدول 2 - برخی ویژگی‎‏های منسوجات که توسط پلاسما بهبود می‎یابند [7].
ویژگی ماده عملیات
آب‎دوستی الیاف مصنوعی اکسیژن، هوا، NH3
آب‎گریزی الیاف سلولزی، پشم، ابریشم، PET فلوروکربن‎‏ها، سیلوکسان‏‎ها، SF6
رنگ‎پذیری الیاف مصنوعی، پشم، ابریشم اکسیژن، هوا، نیتروژن، آرگون، اکریلات، SF6
ضدآتش الیاف سلولزی، الیاف مصنوعی مواد فسفری
نرمی الیاف سلولزی اکسیژن
ضد چروک پشم، ابریشم، الیاف سلولزی نیتروژن، سیلوکسان
ضد الکتریسیته ساکن الیاف مصنوعی کلرو متیل سیلوکسان، اکریلات
چسبندگی الیاف مصنوعی، الیاف سلولزی هوا، اکسیژن، نیتروژن، آرگون، اکریلات‏‎ها
ضدمیکروبی الیاف سلولزی، الیاف مصنوعی  
سفیدگری پشم اکسیژن
ضدنمدی پشم اکسیژن، هوا
 
3- رسوب‎نشانی فیزیکی از فاز بخار (PVD)
روش PVD از جمله روش‎های دوستدار محیط زیست به منظور پوشش‎دهی و عامل‎دار کردن منسوجات به شمار می‎رود. از طریق پوشش‎دهی کندوپاشی فلزات، اکسیدهای فلزی و پلیمرها می‎توان منسوجات را برای بروز ویژگی خاص موظف کرد. با استفاده از کندوپاش هم‎زمان می‎توان پوشش‎های کامپوزیتی بر منسوجات ایجاد کرد. منسوجات موظف تهیه شده از خصوصیات هدایت الکتریکی، مغناطیسی و زیست‎سازگاری و ... بهره‌مند هستند. ساز و کار اتصال میان لایه پوشش داده شده و بستر منسوج را می‎توان از طریق آزمون peeling تأیید کرد.
روش PVD به انتقال اتمی یا مولکولی مواد از فاز جامد به فاز بخار و رسوب آن‎ها بر سطح منسوجات گفته می‎شود. از این روش معمولاً به منظور تولید پوشش‎های محافظ نظیر پوشش‎های مقاوم در برابر خوردگی، مقاوم در برابر پارگی و همچنین تولید حسگرها استفاده می‎شود.
در تحقیقات گذشته از روش PVD برای رسوب‎گذاری نانوساختارهای مس و اکسید روی بر منسوجات بی‎بافت استفاده شده است. در این روش زمان نقش مهمی در سایز ذرات و یکنواختی پوشش ایجاد شده بر سطح منسوج ایفا می‎کند. برای مثال، در روش کندوپاش فلز نقره که برای پوشش‎دهی منسوج بی‎بافت پلی پروپیلن انجام شد، هنگامی که ضخامت لایه ایجاد شده کمتر از nm 3 باشد، امکان حضور نانوذرات نقره بر بستر منسوج فراهم می‎شود. در صورت افزایش زمان کندوپاش، اندازه ذرات افزایش یافته و یک لایه فشرده بر منسوج ایجاد می‎شود. منسوج متالایز شده به این روش از خاصیت ضدباکتری برخوردار خواهد بود. در صورتی که ضخامت لایه ایجاد شده بر منسوج بیش از nm 50 شود، افزایش زمان کندوپاش سبب فشردگی لایه ایجاد شده و بهبود خاصیت رسانش الکتریکی منسوج می‎شود.
استفاده از پوشش نانومتری Fe2O3 بر سطح نانوالیاف پلی آمید 6 سبب افزایش مقاومت حرارتی نانوالیاف کامپوزیتی شده است. در تحقیق دیگر، فیلم نانومتری شفافی از اکسید ایندیوم بر سطح نانوالیاف پلی آمید 6 قرار داده شد که این امر منجر به بهبود خاصیت رسانش الکتریکی الیاف شد. در تحقیق دیگری پارچه پلی پروپیلن با اکسید ایندیوم (ITO) و آلومینیوم دوپ شده در اکسید روی (AZO) به صورت جداگانه پوشش داده شدند و خواص فیزیکی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت، نتایج حاکی از آن بود که پوشش AZO نسبت به ITO خاصیت مقاومت بهتری در برابر پرتو فرابنفش از خود نشان می‎دهد در حالی که منسوج پوشش داده شده با ITO از خاصیت رسانش الکتریکی بهتری بهره‎مند بود [8].

filereader.php?p1=main_a42b5430700ef13c2
شکل 4 - ساز و کار روش PVD

4- رسوب‎نشانی شیمیایی از فاز بخار (CVD)
روش CVD به فرایند سنتز یک ماده پوشش‎دهنده بر بستر ماده زمینه از طریق تبخیر پیش‎ماده گفته می‎شود. برخی از ویژگی‎های منسوجات فنی ناشی از ترکیبات سطحی یا ساختار منسوجات از نظر بافت و شکل است. در روش CVD، یک پوشش جامد ناشی از یک پیش‎ماده فـرار از طریق واکنش شیمیایی بر سطح زمینه مورد نظر ایـجاد می‎شود. از این روش به ویژه در تولید نیمه‎رساناها استفاده می‎شود. در شکل 5 طرح‎واره فرایند CVD بر منسوجات نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_2cbf0d901f0c138ac
شکل 5 - طرح‎واره فرایند CVD بر منسوجات
 
در سال‎های اخیر از نانوذرات برای ایجاد خاصیت جدید در منسوجات استفاده می‎شود. برای مثال در یک تحقیق که در دانشگاه هریوت - وات بر روی سلول‌های خورشیدی منعطف صورت گرفت، سیلیکون‎های نانوکریستالی با روش CVD بر زمینه منسوجات پوشش داده شدند. میکروگراف‎های شکل 6 سیلیکون نانوکریستالی را بر سطح لایه رسانای آلومینیومی بر سطح منسوج پلی استری نشان می‎دهند [9].

filereader.php?p1=main_5bbeecc6a2d947bc6
شکل 6 – میکروگراف SEM پارچه پلی استر (الف)، الیاف پوشش داده شده با لایه نازکی از آلومینیوم (ب) و الیاف پوشش داده شده با نانوکریستال‌های سلولز حاصل از پیش‎ماده سیلان و هیدروژن به روش CVD در دمای 180 درجه سانتی‎گراد

5- اصلاح سطح منسوجات با روش سُل - ژل
نانوسُل‎ها به محلول‎ها کلوئیدی حاوی نانوذرات (عمدتاً) اکسید فلزی در حلال آلی یا آبی گفته می‎شود. فرایند سُل - ژل یکی از پرمصرف‎ترین روش‎های مورد استفاده در علم مواد به شمار می‎رود. سُل - ژل که در زمره فرایندهای تر به حساب می‎آید، در صنعت نساجی با تلفیق در روش پَد یا غوطه‎وری مورد استفاده قرار می‎گیرد. از روش نانوسُل - ژل برای ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی، ضدباکتری و دافع آب کردن منسوجات استفاده می‌شود.
در شکل 7، طرح‎واره مراحل مختلف در اصلاح سطح از طریق فرایند سُل - ژل نشان داده شده است و برای مثال از سُل سیلیکا تهیه شده از سیلیکون آلکوکساید استفاده شده است.

filereader.php?p1=main_1f6577576bbe1b50d
شکل 7 - طرح‌واره فرایند سُل - ژل
 
در جدول 3 موارد مختلف استفاده از تکمیل منسوجات به روش سُل - ژل به طور خلاصه بیان شده است [8 و9].

جدول 3 - برخی کاربردهای روش تکمیل سُل - ژل در منسوجات

ماده مؤثر

ویژگی

TiO2

مقاومت در برابر پرتو فرابنفش

ZnO

TiO2 (آناتاز)

خودتمیزشوندگی فوتوکاتالیستی و تجزیه لکه­‎های رنگی در مقابل UV

TiO2/ استیک اسید

مقاومت در برابر UV و چروک

سوسپانسیون Ag-TiO2

ضدباکتری

BaSO4

محافظت در برابر پرتو ایکس

SnO2

رسانش الکتریکی (خاصیت ضد الکتریسیته ساکن)

Fe3O4

اثر مغناطیسی و سوپرپارامغناطیسی

 
6- نتیجه‎گیری
در این مقاله تلاش بر آن بود که در ادامه روش‎های مختلف پوشش‎دهی منسوجات با استفاده از نانوذرات، روش‎های مختلف اصلاح سطح منسوجات در ابعاد نانو بررسی شود.
 

منابـــع و مراجــــع

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Layer_by_layer#cite_note-2

2. Borges, João, and João F. Mano. "Molecular interactions driving the layer-by-layer assembly of multilayers." Chemical reviews 114.18 (2014): 8883-8942.

3. Hyde, Kevin, Mariana Rusa, and Juan Hinestroza. "Layer-by-layer deposition of polyelectrolyte nanolayers on natural fibres: cotton." Nanotechnology 16.7 (2005): S422.

4. Wang, Qiang, and Peter J. Hauser. "New characterization of layer-by-layer self-assembly deposition of polyelectrolytes on cotton fabric." Cellulose 16.6 (2009): 1123-1131.

5. Dubas, Stephan T., PanittamatKumlangdudsana, and PranutPotiyaraj. "Layer-by-layer deposition of antimicrobial silver nanoparticles on textile fibers."Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 289.1 (2006): 105-109.

6. Rouhani Shirvan. A, Hemmati Nejad. N, Bashari. A, Antibacterial Finishing of Cotton Fabric via the Chitosan/TPP Self-Assembled Nano Layers, Fibers and Polymers 2014, Vol.15, No.9, 1908-1914.

7. Plasma technologies for textiles, R. Shishoo, Woodhead, 2007.

8. Parvinzadeh Gashti,.M , Alimohammadi. F, Song. G, Kiumarsi. A, Characterization of nanocomposite coatings on textiles: a brief review on Microscopic technology, Number 5/Formatex Research Centre.

9. Q. Wei, Surface modification of textiles, J. I. B. WILSON, Textile surface functionalisation by chemical vapour deposition, Woodhead Publishing Limited, 2009, pp 126-137