برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۶,۳۵۳
  • بازدید این ماه ۷۱
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۸
  • قبول شدگان ۵۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۰
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

کاربرد فناوری نانو در تکمیل خودتمیزشونده منسوجات (جلسه اول)

در سال‎های اخیر تحقیقات زیادی در مورد منسوجات خودتمیزشونده صورت گرفته است. این خاصیت که از ویژگی برخی گیاهان و جانوران الهام گرفته شده است، عرصه جدیدی را در تولید منسوجات با کارایی بالا فراهم آورده است. دو رویکرد اصلی برای تولید این منسوجات وجود دارد که در این جلسه به ایجاد ناهمواری‎های سطحی برای ایجاد منسوجات ابَرآب‎گریز و خودتمیزشونده پرداخته می‌شود.
1- مقدمه
در سال‎های اخیر، محققان به تولید منسوجاتی با خصوصیات جدید روی آورده‎اند. برخی از این خصوصیات از طبیعت الهام گرفته شده است، که از این میان می‎توان به ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی (self- cleaning) در سطوح مختلف از جمله منسوجات اشاره کرد. دو رویکرد متفاوت برای این نوع تکمیل وجود دارد. در رویکرد اول منسوج با خاصیت خودتمیزشوندگی یک سطح اَبَرآب‎گریز است. در رویکرد دوم از نانوذراتی نظیر دی‌اکسید تیتانیوم به صورت یک پوشش نانومتری بر روی منسوجات استفاده می‎شود، که این نانوذرات در حضور آب، اکسیژن و پرتو نور خورشید، سبب تجزیه لکه‎های ایجاد شده بر روی منسوج می‎شوند.

2- خودتمیزشوندگی و اَبَرآب‎گریزی
این خاصیت با اصلاح شیمیایی و هندسی سطح منسوجات حاصل می‎شود. ایجاد ناهمواری‎های نانو و میکرومتری با استفاده از یک پوشش آب‎گریز، سبب می‎شود آلودگی‎های سطح منسوج به راحتی در حضور آب از روی منسوج آب‎گریز لیز خورده و جدا شود و به این ترتیب سطح منسوج تمیز باقی بماند. ایده ایجاد چنین محصولی از ساختار طبیعی برگ نیلوفر آبی الهام گرفته شد و پس از آن سطوح متنوعی با فلس‎های نانومقیاس توسط بشر ساخته شد و مورد ارزیابی قرار گرفت [1].

1-2- اندازه‌گیری میزان ترشوندگی سطوح
معمولاً میزان ترشوندگی سطوح با اندازه‎گیری زاویه تماس پایا (static contact angle) یک قطره آب در تماس با سطح ارزیابی می‎شود. همان گونه که در شکل 1 مشاهده می‎شود، زاویه میان سطح و انحنای قطره که در تماس با سطح است، به عنوان زاویه تماس (CA) در نظر گرفته می‎شود.

filereader.php?p1=main_3ead30037e14a4e32
شکل 1. اندازه‎گیری زاویه تماس پایا در سطوح آب‎دوست، آب‎گریز و ابرآب‎گریز

زاویه تماس بیش از 90 درجه بیانگر آب‎گریز بودن، زاویه تماس کمتر از 30 درجه بیانگر آب‎دوست بودن و زاویه بیش از 150 درجه بیانگر اَبَرآب‎گریز بودن سطح است [2].
شایان ذکر است هرچند استفاده از موادی نظیر ترکیبات فلوئوروکربن در تکمیل منسوجات سبب ایجاد زاویه تماس حدود 120 درجه شده و این سطوح آب‎گریز بوده و به راحتی تمیز می‎شوند، لیکن در گروه سطوح خودتمیزشونده طبقه‎بندی نمی‎شوند [3].

2-2- سطوح اَبَرآب‎گریز طبیعی
در حال حاضر بیش از 200 نوع سطح اَبَرآب‎گریز طبیعی شناسایی شده‎اند که در اثر ترکیبات شیمیایی موجود بر سطح یا ریخت‎شناسی (مورفولوژی) ویژه سطح‎شان همواره تمیز باقی می‎مانند [4].
مفهوم خودتمیزشوندگی از برگ نیلوفر آبی الهـام گرفته شده است که با وجود رویش در مـرداب، هرگز کثیف نمی‎شود. همان گونه که در شکل 2 نشان داده شده است، وجود برآمدگی‎های میکرومتری در ساختار این برگ سبب حبس مقادیر زیاد هوا در فواصل این برآمدگی‎ها در زمان تماس با آب می‎شود. از سوی دیگر، وجود واکس طبیعی بر روی این برگ، سبب ایجاد خاصیت اَبَرآب‎گریزی این سطح می‎شود.

filereader.php?p1=main_3ead30037e14a4e32
شکل 2. ساختار آب‎گریز برگ نیلوفر آبی (الف)، تصویر میکروسکوپ الکترونی از برآمدگی‎های نانو و میکروساختار در برگ نیلوفر آبی

از دیگر نمونه‎های سطوح ابرآب‎گریز طبیعی می‎توان به برگ گیاه برنج اشاره کرد. این برگ ساختاری شبیه نیلوفر آبی دارد با این تفاوت که در نیلوفر آبی پرزهای سطحی به صورت یکنواخت بر سطح توزیع شده‎اند؛ حال آن که در برگ برنج این پرزها فقط در جهت موازی با لبه برگ آرایش یافته‎اند. به دلیل نحوه آرایش‎مندی خاص پرزها، قطره آب درراستای پرزها با زاویه تماس 4 درجه به راحتی لیز می‎خورد، لیکن در راستای عمود بر پرزها، به دشواری و با زاویه 120 درجه لیز می‎خورد و به همین دلیل این برگ از خاصیت ابرآب‎گریزی جهت‎دار یا غیرهمه‎سو یکسان برخوردار است. از موارد دیگر سطوح ابرآب‎گریز موجود در طبیعت می‎توان به برگ گوشفیل و برگ گل اختر هندی اشاره کرد.

filereader.php?p1=main_80a69d3d5320ad766
شکل 3. نحوه زدوده شدن آلاینده‎ها از سطوح مختلف توسط قطره آب

3- تکمیل اَبَرآب‎گریز منسوجات
با وجود این که مفهوم اَبَرآب‎گریزی نسبتاً جدید بوده و به اواخر دهه 90 میلادی باز می‎گردد، لیکن مفاهیمی نظیر دافع آب کردن منسوجات در صنعت نساجی از قدمت بیش از 50 سال برخوردار است. بخش اعظم تکمیل ابرآب‎گریز در مهندسی نسـاجی به وسیله هیدروژل‎هـا، نانـوکامپوزیت‎های معدنی و محلول‎های کلوئیـدی و با روش‎های مختلف از جمله پد کردن، اسپری کردن، الکتروریسی، پلاسما و غیره روی منسوجات انجام می‎شوند.
سطح منسوجات با مواد جامد دیگر نظیر ورقه‎های فلزی یا سطوح شیشه‎ای از نظر انعطاف‎پذیری و وجود ناهمواری‎های ساختاری میکرومتری ناشی از الیاف و ساختار پارچه، متفاوت است. موارد یاد شده قابلیت اَبَرآب‎گریز کردن منسوجات را از طریق ایجاد ناهمواری‎های نانومتری ثانویه امکان‎پذیر می‎کنند. محققان دو روش را برای تولید سطوح اَبَرآب‎گریز پیشنهاد می‌کنند:

• ایجاد زبری (ناهمواری) سطح با استفاده از مواد با انرژی سطحی اندک
• اصلاح سطح یک زمینه ناهموار با استفاده از مواد با انرژی سطحی اندک [5]

از روش‎های ساده مانند پَد کردن و پوشش‎دهی سطحی تا روش‎های پیچیده‎تر نظیر لایه‎نشانی خودآرای لایه‎های کامپوزیتی برای پوشش‎دهی نانومتری منسوجات استفاده می‎شود [6]. در این روش‎ها از نانوذرات، نانومیله‎ها یا حفره‎ها، نانولوله‎های کربن، ذرات سیلیکا، نانومیله‎های اکسید روی و نانوذرات نقره استفاده می‎شود.
هرچند ایجاد خاصیت ابرآب‌گریزی در منسوجات خودتمیزشونده چندان دشوار نیست؛ اما مهم‌ترین چالش حفظ این خصوصیات در طول زمان مصرف است. روش‎های آماده‎سازی جدید نظیر لیزر و پلاسما، در افزایش ثبات این خصوصیت در منسوجات بسیار مؤثر هستند [7].
به منظور تولید منسوج پنبه‎ای ابرآب‎گریز از نمک‎های فلزی، تکمیل با سیلان‎ها و روش پوشش‎دهی با گاز و تکمیل لایه لایه استفاده می‎شود. استفاده از نمک‎های فلزی مثل اکسید نقره و روی علاوه بر خاصیت ابرآب‎گریزی خواص دیگری همچون ضدباکتریایی و رسانایی به الیاف خواهد داد.

filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774
شکل 4. تصویر میکروسکوپی الیاف پنبه، پنبه تکمیل شده با نانوذرات پلیمری به منظور ایجاد ناهمواری‎های سطحی

در جدول 1 برخی از روش‎های تکمیل به منظور تولید منسوجات خودتمیزشونده ذکر شده است.
 
جدول 1. روش‎های مختلف تولید منسوج ابرآب‎گریز خودتمیزشونده
filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774
 
4- چالش‎های توسعه سطوح ابرآب‎گریز
با وجود تلاش‎ها و تحقیقات بسیار گسترده در زمینه تولید منسوجات ابرآب‎گریز با خاصیت خودتمیزشوندگی، چالش‎هایی در این زمینه وجود دارد که اغلب به فرسوده شدن و عدم پایداری خواص ارتباط دارد. ساختار پرزدار نانومقیاس منسوجات، شکننده بوده و به سهولت در اثر فشار یا حتی سایش ملایم دچار آسیب می‎شوند. به همین دلیل ایجاد ساختارهایی که در طول مدت مصرف در مقابل نیروهای وارده پایدارتر باشند، ضروری به نظر می‎رسد. مشکل دیگر این سطوح، تمایل به جذب آلودگی‎ها از جمله مواد روغنی است. مواد آلاینده به درون ساختار منسوج نفوذ کرده و به سختی زدوده می‎شوند. معایب ذکر شده استفاده از این نوع منسوجات را در طولانی مدت با مشکل مواجه می‎سازد.

5- نتیجه‎گیری
در این جلسه به مبحث خودتمیزشوندگی با استفاده از ابرآب‎گریزی اشاره شد. ایجاد ناهمواری‎های نانومتری روش مناسبی برای ایجاد سطوح آب‎گریز است. در مورد منسوجات نحوه مصرف و عدم پایداری زبری‎های نانومتری یکی ازچالش‎های اصلی توسعه این روش به شمار می‎رود.

منابـــع و مراجــــع

1.Tung WS and Daoud WA ( 2011 ), ‘ Self-cleaning fi bers via nanotechnology: A virtual reality ’, J. Mater. Chem. , 21 , 7858 – 7869 .

2.Roach P , Shirtcliffe NJ and Newton MI ( 2008 ), ‘ Progess in superhydrophobic surface development ’, Soft Matter , 4 , 224 – 240 .

3.Li XM , Reinhoudt D and Calama MC ( 2007 ), ‘ What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces ’,

4.Parkin IP and Palgrave RG ( 2005 ), ‘ Self cleaning coatings ’, J. Mater. Chem. , 15 , 1689 – 1695.

5.Ma M and Hill RM ( 2006 ), ‘ Superhydrophobic surfaces ’, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. , 11 ( 4 ), 193 – 202.

6.Han JT , Zheng Y , Cho JH , Xu X and Cho KJ ( 2010 ), ‘ Stable superhydrophobic organic–inorganic hybrid fi lms by lectrostatic self-assembly ’, J. Phys. Chem. B , 109 , 20773 –20778 .

7.Zheng JY , Feng J and Zhong MQ ( 2010 ), ‘ Fabricating polymer superhydrophilic/ superhydrophobic surfaces by replica/molding method using CaCO 3 particles as template ’, Acta Polym. Sin. , 10 , 1186 – 1192 .