برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۷,۱۴۴
  • بازدید این ماه ۷
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۵
  • قبول شدگان ۴۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۷
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 دوم)

تولید سطوح با خاصیت خودتمیزشوندگی با دو روش ابَرآب‎گریزی و تجزیه فوتوکاتالیستی آلودگی‎ها امکان‎پذیر است. خودتمیزشوندگی فوتوکاتالیستی براساس تجزیه شیمیایی مواد آلاینده از طریق واکنش اکسایش/کاهش نوری در اثر تابش نور استوار است. دی اکسید تیتانیوم یا تیتانیا از پر مصرف‎ترین مواد در این زمینه است. اثر فوتوکاتالیستی می‎تواند منجر به تخریب ترکیبات آلی موجود در دیواره سلولی باکتری و مولکول‎های ترکیبات ایجادکننده بو شود؛ بنابراین در اثر تکمیل با فوتوکاتالیست‎ها، علاوه بر خاصیت خودتمیزشوندگی، خواصی همچون ضدمیکروبی و ضدبو نیز در سطوح ایجاد می‎شود. چنان‎چه سطوح تکمیل شده با دی اکسید تیتانیوم در معرض تابش نور قرار گیرند، از زردشدگی در اثر نور و تجزیه نوری سطح نیز جلوگیری می‎شود.
1- مقدمه
تکمیل سطوح با هدف ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی با دو رویکرد قابل اجراست؛ در رویکرد اول منسوج با خاصیت خودتمیزشوندگی یک سطح اَبَرآب‎گریز است. در رویکرد دوم از نانوذراتی نظیر دی اکسید تیتانیوم (در فرم آناتاز) به صورت یک پوشش نانومتری بر روی منسوجات استفاده می‎شود، که این نانوذرات در حضور آب، اکسیژن و پرتو نور خورشید، سبب از بین بردن لکه‎های ایجاد شده بر منسوج می‎شوند.

2- خودتمیزشوندگی و تجزیه عوامل آلودگی
اگرچه تا مدت‎ها ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی مستلزم ابَرآب‎گریز کردن سطوح بود، تحقیقات بیشتر نشان داد که با استفاده از تجزیه نوری ترکیبات آلی از جمله مواد آلاینده و میکروارگانیسم‎ها توسط مواد نیمه‎هادی، به دی اکسید کربن و آب می‎توان سطوح با خاصیت خودتمیزشوندگی مناسب ایجاد کرد [1]. در این حالت نیازی به ابرآب‎گریز کردن سطح نیست. برای مثال در تحقیقاتی که توسط یک گروه از محققین ژاپنی صورت گرفت، فیلمی متشکل از نانوذرات تیتانیوم در دمای 500 درجه سانتی‌گراد قرار گرفت. بر اثر این فرایند، سطحی ابَرآب‎دوست حاصل شد که با وجود این‎که در معرض آب و روغن کاملاً تر می‎شد اما همچنان از خاصیت خودتمیزشوندگی مطلوبی برخوردار بود.
دی اکسید تیتانیوم یا تیتانیا از پرمصرف‎ترین مواد در این زمینه است. علاوه بر دی اکسید تیتانیوم، خصوصیات نانوذرات دیگری نظیر وانادات بیسموت و بنزوفنون توسط محققان در حال بررسی است. مهم‎ترین چالش در انجام این نوع تکمیل، انرژی سطحی اندک منسوجات است که چسبندگی میان پوشش نانومتری به زمینه منسوج را با مشکل مواجه می‎سازد. برای رفع این مشکلات استفاده از روش‎هایی نظیر سُل - ژل دمای کم و نسل جدید اتصال‌دهنده‎های پلیمری پیشنهاد می‎شود. به دلیل خواص متعدد پوشش‎دهی با TiO2، استفاده از این فناوری مورد توجه محققین علوم مختلف قرار گرفته است. در شکل 1 فعالیت فوتوکاتالیستی TiO2 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_38b3eff8baf566274
شکل 1. فعالیت فوتوکاتالیستی TiO2 در حضور نور خورشید

1-2- اصول فوتوکاتالیستی TiO2
فوتوکاتالیست ماده‎ای حساس به نور است که در حضور نور به شدت اکسید می‎شود. خاصیت خودتمیزشوندگی را می‎توان با پوشش‎دهی سطح با اکسید فوتوکاتالیست یک فلز واسطه ایجاد کرد. دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خواص فوتوکاتالیستی قابل قبول، به دلایل مختلف از جمله قیمت نسبتاً ارزان، پایداری شیمیایی، غیرسمی بودن و زیست‎سازگاری، یکی از بهترین مواد برای ایجاد این خاصیت به شمار می‎رود. دی اکسید تیتانیوم با دو رویکرد خاصیت خودتمیزشوندگی ایجاد می‎کند:
  • اکسیداسیون فوتوکاتالیستی
  • خاصیت ابرآب‌دوستی
خاصیت فوتوکاتالیستی این نیمه‌هادی، ناشی از نیازمندی به انرژی متوسط برای انتقال یک الکترون از مدار ظرفیت به مدار هدایت است. در حالت تهییج نشده و پایه، الکترون‎های ماده فوتوکاتالیست در مدار ظرفیت (VB) قرار دارند. هنگامی که سطح در معرض تابش نور قرار می‌گیرد، الکترون‎ها انرژی جذب کرده و به مدار هدایت (CB) منتقل می‎شوند. پتانسیل مورد نیاز برای ایجاد زوج‎های الکترون/ حفره در این ماده 2.53+ ولت است که امکان اکسید شدن مولکول‎های آب و یون‎های هیدروکسید جذب شده را فراهم کرده و رادیکال‎های هیدروکسیل با قابلیت اکسایش زیاد ( ̇(OH)) تولید می‎کند. پتانسیل انتقال الکترون از لایه هدایت 0.52- ولت است که به میزان لازم برای واکنش با مولکول‎های اکسیژن جذب شده برای ایجاد یون‎های رادیکالی سوپراکسید با واکنش‎پذیری زیاد (O_2)، کافی نیست. رادیکال‎های تهییج شده که حاصل واکنش‎های مذکور هستند، قادر به انجام واکنش‎های فوتوالکتروشیمیایی برای تجزیه ترکیبات آلی نظیر مواد آلاینده، لکه‎ها، میکروب‎ها و سایر ترکیبات به دی اکسیدکربن و آب هستند [2].

filereader.php?p1=main_ec8956637a99787bd
شکل 2. طرح‎واره پدیده فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم

رویکرد دیگر وجود خاصیت خودتمیزشوندگی در دی اکسید تیتانیوم که در سال 1995 به صورت تصادفی کشف شد، خاصیت ابَرآب‌دوستی این ماده است. چنان‌چه که این ماده با درصد مشخصی از دی اکسید سیلیسیم ترکیب شود، در معرض تابش نور خاصیت ابرآب‎دوستی ایجاد می‎شود. در این حالت، الکترون‎ها سبب احیا شدن کاتیون (Ti(IV به (Ti(III شده و حفره‎ها آنیون‎های O-2 را اکسید می‌کنند. در اثر این پدیده، برخی از اتم‎های اکسیژن از سطح خارج شده و مکان‎های عاری از اکسیژن بر سطح ایجاد می‎شود. از آن‎جایی که مولکول‎های آب می‎توانند در این مکان‎های خالی قرار گیرند، بنابراین سطح آب‎دوست است [3]. در شکل 3 نحوه عملکرد خودتمیزشونده فوتوکاتالیستی نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_6974ce5ac660610b4
شکل 3. نحوه عملکرد منسوجات خودتمیزشونده فوتوکاتالیستی

در نتیجه این امر، آب سطح را با یک فیلم پیوسته پوشش داده و سبب شسته شدن مواد آلاینده و تمیز شدن سطح می‎شود. این تأثیر تا چندین روز بعد از پرتودهی باقی می‎ماند و به تدریج با قرار گرفتن در تاریکی به حالت نخست باز می‎گردد. مهم‎ترین مزیت TiO2 بروز و هم‎افزایی اثرات فوتوکاتالیستی و ابَرآب‎دوستی در سطح تکمیل شده با این ماده است. خاصیت خودتمیزشوندگی ناشی از ابَرآب‎دوستی در آیینه خودتمیزشونده و ضدمه خودرو کاربرد داشته ولیکن تاکنون در زمینه منسوجات مورد استفاده قرار نگرفته است. شکل 4، کاربرد TiO2 در شیشه و آیینه اتومبیل را نشان می‎دهد.

filereader.php?p1=main_c9e1074f5b3f9fc8efilereader.php?p1=main_65b9eea6e1cc6bb9f
الف                                                       ب
شکل 4. کاربرد TiO2 در شیشه (الف) و آیینه (ب) خودتمیزشونده و ضدمه خودرو

1-1-2- عوامل مؤثر در خواص فوتوکاتالیستی TiO2
عوامل متعددی بر فعالیت فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم تأثیرگذار هستند که برخی از مهم‎ترین عوامل در شکل 5 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_a97da629b098b75c2
شکل 5.عوامل مؤثر بر خاصیت فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم

بلور دی اکسید تیتانیوم در سه حالت آناتاز، روتایل و بروکیت وجود دارد. در این میان ،نوع بروکیت کمتر به عنوان یک فوتوکاتالیست شناخته می‌شود و فرم آناتاز از بیشترین خاصیت فوتوکاتالیستی برخوردار است. محققان ترکیب فرم آناتاز و روتایل را دارای بیشترین خاصیت فوتوکاتالیستی دانسته‎اند.
خاصیت فوتوکاتالیستی TiO2 آناتاز از موفولوژی (ریخت‎شناسی) این ذره تأثیر می‎پذیرد. چنان‎چه این ذره در ابعاد نانومتری مورد استفاده قرار گیرد، خاصیت فوتوکاتالیستی به دلیل پخش شدن الکترون/حفره‎ها قبل از ترکیب مجدد و افزایش سطح مخصوص در واحد جرم و حجم افزایش می‎یابد. تحقیقات نشان داده است ذرات دی اکسید تیتانیوم به فرم آناتاز با اندازه حدود 10 نانومتر، به دلیل بهترین موازنه میان بار سطحی و اندازه ذرات، از بیشترین فعالیت فوتوکاتالیستی برخوردار است [4].

2-1-2- کاربردهای پوشش‎دهی با TiO2
تکمیل با نانوذرات TiO2 علاوه بر ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی در منسوجات، با تجزیه مولکول‎های آلی ایجادکننده بو و تجزیه میکروارگانیزم‎ها، سبب ایجاد خواصی نظیر ضدبو و ضدمیکروب در منسوجات خواهد شد. محافظت در برابر پرتو فرابنفش از جمله خواص ایجاد شده در منسوج پوشش داده شده با دی اکسید تیتانیوم است [5].

2-2- تکمیل خودتمیزشونده منسوجات با استفاده از TiO2
از پارچه‎های خودتمیزشونده در موارد متعددی از جمله لباس کار و یونیفرم‎های نظامی، مبلمان خانگی و شهری، فرش، پرده، چادر مسافرتی، منسوجات کشاورزی، فیلترها و ... استفاده می‎شود.
به منظور بهبود پایداری و چسبندگی بین ماده زمینه و پوشش فوتوکاتالیست، از روش‎های فیزیکی مانند تابش پلاسما یا پرتو فرابنفش تحت خلأ برای عامل‎دار کردن سطح استفاده می‎شود. رویکرد شیمیایی شامل استفاده از عوامل اتصال‎دهنده عرضی (کراس‎لینک‎کننده) دارای بنیان پلی کربوکسیلیک اسید است [6].

filereader.php?p1=main_a3c65c2974270fd09
شکل 6. نمونه‎ای از یک لباس خودتمیزشونده

1-2-2- تکمیل منسوج پنبه‌ای

filereader.php?p1=main_2723d092b63885e0d
شکل 7. روش‎های مختلف تکمیل منسوج پنبه‎ای با استفاده از دی اکسید تیتانیوم [7،11-4]

2-2-2- تکمیل منسوج پشمی
استفاده از دی اکسید تیتانیوم در تکمیل منسوجات پشمی علاوه بر ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی، سبب بهبود خواصی نظیر آب‎دوستی، ضدمیکروبی و ضد زردشدگی در اثر تابش نور می‎شود. استفاده از پرتودهی فرابنفش و پوشش‎دهی یکنواخت پشم با نانوکامپوزیت دی اکسید تیتانیوم/دی اکسید سیلسیوم از جمله روش‎های افزایش آب‎دوستی و ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی در این لیف است. حضور بلورهای دی اکسید تیتانیوم به عنوان جاذب پرتو فرابنفش سبب کاهش میزان زردشدگی الیاف پشم دراثر تابش نور می‎شود. از سوی دیگر استفاده از ترکیب نانوذرات سیلیکا و نقره سبب افزایش آب‌دوستی و خاصیت ضدمیکروبی الیاف پشم می‎شود.
به دلیل مقاومت حرارتی و شیمیایی اندک الیاف پروتئینی، به منظور تکمیل این الیاف با دی اکسید تیتانیوم، برخی عملیات ویژه مورد نیاز است. برای چسبندگی بهتر TiO2 از روش‎های آماده‎سازی شیمیایی الیاف پشم استفاده می‎شود که از آن میان می‎توان به اسیلاسیون سطح پشم با استفاده از سوکسینیک انیدرید اشاره کرد. اکسیداسون سطح پشم با پرمنگنات پتاسیم و استفاده از بوتان تتراکربوکسیلیک اسید (BTCA) به عنوان ماده اتصال‎دهنده می‎تواند سبب پایداری نانوذرات و افزایش میزان جذب آن‎ها توسط الیاف پشم شود [12،13].

3-2-2- تکمیل منسوج پلی استر
استفاده از پلاسمای آرگون یا اکسیژن با فرکانس رادیویی (FR) از جمله روش‎های عامل‎دار کردن سطح پلی استر پیش از تکمیل با نانوذرات TiO2 کلوئیدی است. هرچند هر دو روش مذکور مؤثر هستند، لیکن استفاده از پلاسمای RF از کارایی بهتری برخوردار است. منسوج تکمیل شده با این روش، از خاصیت ضدباکتری علیه باکتری E.Coli، ضد پرتو فرابنفش و تجزیه لکه آب میوه برخوردار می‎شود.
نتایج مشابهی از اثر آماده‎سازی منسوج با پلاسما در مورد پارچه‎های پشم/نایلون و پلی استر گزارش شده است. سوسپانسیون و کلوئید TiO2 در دمای 100 درجه سانتی‎گراد روی منسوجات مذکور قرار داده می‎شوند. TiO2 کلوئیدی به عنوان لایه ابتدایی با لایه دیگری از TiO2 با ابعاد بلور بزرگ‎تر پوشانده می‎شود که این امر بهترین اثر رنگ‎بری را فراهم می‎سازد. رسوب‎گذاری ذرات TiO2 کلوئیدی روی منسوج، مناطق مناسب برای قرارگیری بلورهای بزرگ‎تر لایه دوم را فراهم می‎سازد. این روش تکمیل سبب ثبات نانوذرات و حفظ خواص مورد انتظار پس از رنگ‎بری فوتوشیمیایی لکه‎ها بر روی منسوج می‎شود [14].

4-2-2- مقایسه ابرآب‎گریزی و TiO2 در خودتمیزشوندگی
اثر خود تمیزشوندگی فوتوکاتالیستی با TiO2 نسبت به خودتمیزشوندگی با روش ابرآب‎گریزی از چند مزیت برخوردار است.

  • سهولت استفاده از TiO2 نسبت به ابرآب‎گریز کردن سطوح
  • دوام و استحکام بیشتر سطوح عمل شده با TiO2
  • تکمیل چند منظوره با استفاده از TiO2 (خودتمیزشوندگی، ضدباکتری، ضد بو و جاذب پرتو فرابنفش)
  • ثبات شستشویی، سایشی و محیطی مناسب‎تر منسوج تکمیل شده با TiO2
3- نتیجه‎گیری
توسعه سطوح خودتمیزشونده، زمینه‎ای فعال در تحقیقات به شمار می‎رود. مفهوم خودتمیزشوندگی با مفاهیمی نظیر خاصیت ترشوندگی سطوح، شیمی و فیزیک سطح، نانوفناوری و مکانیک ارتباط مستقیم دارد. هرچند روش‌های زیادی برای تولید منسوجات خودتمیزشونده و ایجاد زبری نانومتری در سطوح ارائه شده است، لیکن لزوم ارائه روش‎هایی ساده‎تر که نیازمند مراحل عملیاتی کمتر و دمای پایین‎تر باشد، همچنان وجود دارد.

منابـــع و مراجــــع

1. Fujishima A , Rao TN and Tryk DA ( 2000 ), ‘ Titanium dioxide photocatalysis ’, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. , 1 ( 1 ), 1 – 21

2.Veronovski N , Rudolf A , Smole SM , Kreže T and Geršak J ( 2009 ), ‘ Self-cleaning and handle properties of TiO 2 -modifi ed textiles ’, Fibers and Polymers , 10 ( 4 ), 551 – 556 .

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

4.Yuranova T , Mosteo R , Bandara J , Laub D and Kiwi J ( 2006 ), ‘ Self-cleaning cotton textiles surfaces modifi ed by photoactive SiO 2 /TiO 2 coating ’, J. Mol. Catal. A: Chem. , 244 , 160 – 167.

5.Radeti ć M ( 2013 ), ‘ Functionalization of textile materials with TiO 2 nanoparticles ’, J. Photochem. and Photobiol. C: Photochemistry Reviews , 16 , 62 – 76 .

6.Qi K , Wang X and Xin JH ( 2011 ), ‘ Photocatalytic self-cleaning textiles based on nanocrystalline titanium dioxide ’, Text. Res. J. , 81 ( 1 ), 101 – 110 .

7.Anderson C and Bard AJ ( 1995 ), ‘ An improved photocatalyst of TiO 2 /SiO 2 prepared by a sol–gel synthesis ’, J. Phys. Chem. , 99 ( 24 ), 9882 – 9885 .

8.Fei B , Zhang Y and Xin JH ( 2007 ), ‘ Titania nano crystals mixtures for cloth fi nishing ’, Solid State Phenom. , 121–123 , 1217 – 1220 .

9.Bozzi A , Yuranova T , Guasaquillo I , Laub D and Kiwi J ( 2005 ), ‘ Self-cleaning of modifi ed cotton textiles by TiO 2 at low temperatures under daylight irradiation ’, J. Photochem. Photobiol. A , 174 , 156 – 164 .

10.Hebeish AA , Abdelhady MM and Youssef AM ( 2013 ), ‘ TiO 2 nanowire and TiO 2 nanowire doped Ag-PVP nanocomposite for antimicrobial and self-cleaning cotton textile ’, Carbohydr. Polym. , 91 , 549 – 559 .

11.Mirjalili M and Karimi L ( 2011 ), ‘ Photocatalytic degradation of synthesized colorant stains on cotton fabric coated with nano TiO 2 ’, JFBI , 3 ( 4 ), 208 – 215 .

12.Montazer M and Seifollahzadeh S ( 2011 ), ‘ Pretreatment of wool/polyester blended fabrics to enhance titanium dioxide nanoparticle adsorption and self-cleaning properties ’, Color. Technol. , 127 ( 5 ), 322 – 327 .

13.Daoud WA , Leung SK , Tung WS , Xin JH , Cheuk KKL and Qi K ( 2008 ), ‘ Self cleaning keratins ’, J. Chem. Mater. , 20 , 1242 – 1244 .

14.Mihailovic D , Saponjic Z , Molina R , Puac N , Jovancic P , Nedeljkovic J and Radetic M ( 2010 ), ‘ Improved properties of oxygen and argon RF plasma-activated polyester fabrics loaded with TiO 2 nanoparticles ’, Appl. Mater. Interf. , 2 ( 6 ), 1700 – 1706 .

نظرات و سوالات

نظرات

1 0

سید جعفر سقانژاد - ‏۱۳۹۶/۰۳/۱۱

با سلام

در قسمت 2--2--2 تکمیل منسوج پشمی

واژه "ساسینیک انهیدرید " استفاده شده است که باید سوکسینیک انیدرید succinic anhydride ترجمه شود

با تشکر

پاسخ مسئول سایت :
با سلام و تشکر از توجه شما، مورد اصلاح شد. موفق باشید.