سطح مقاله
نویسندگان
احمد هیوه چی
(نویسنده اول)
فرحناز بزرگ پور
(نویسنده دوم)
آزاده بشری
(نویسنده مسئول)
کلمات کلیدی
پلاسما
نساجی
کاربردهای فناورینانو
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) منسوجاتپوششدهی 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].
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 |
 |
 |
 |
 |
|
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].
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 پلاسمادر 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 پلاسماپلاسما 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].
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 فیلتراسیونجدول 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].
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.
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].
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 - ژلنانوسُلها 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.
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