برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۱۷ تا ۱۳۹۷/۰۹/۲۳

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۴۳۳
  • بازدید این ماه ۴۵
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۶
  • قبول شدگان ۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
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

تکمیل دافع آب و لکه منسوجات با استفاده از فناوری نانو (1)

خاصیت ترشوندگی هر ماده از دو عامل ترکیب شیمیایی و هندسه ساختاری سطح تأثیر می‌پذیرد. هرچند در بسیاری از فرایندهای نساجی، ترشوندگی کامل سطح مطلوب بوده، لیکن در برخی کاربردهای در نظرگرفته شده برای منسوج تکمیل شده، همچون لباس‌های بارانی، مبلمان، منسوجات محافظ، لباس‌های ورزشی و منسوجات درون خودرو، خاصیت دفع آب و به بیان دیگر ترشوندگی اندک سطح مدنظر قرار دارد. هدف از این مقاله، آشنایی مخاطب با روش‌های مختلف فیزیکی و شیمیایی برای تکمیل منسوجات دافع آب و لکه با استفاده از فناوری نانو است.
1. سازوکار ایجاد سطوح دافع آب و لکه
آب یک حلال قطبی است و به خوبی با مایعات قطبی مخلوط شده و سطوح قطبی را تر می‌کند؛ اما مواد غیرقطبی مانند روغن‌ها، آلکن‌ها و بنزن‌ها قابل اختلاط با آب نیستند. بنابراین ساده‌ترین روش برای آب‌گریز کردن یک سطح، ایجاد حالت روغنی بر روی سطح است. به عبارت دیگر، اگر از نظر شیمیایی یک سطح شبیه مواد غیرقطبی شود، آب‌گریز خواهد شد؛ به عنوان مثال برای ایجاد این اثر روی پارچه می‌توان از واکس و روغن‌های سیلیکونی استفاده کرد. لیکن برای چربی‌گریز کردن یک سطح باید گروه‌های قطبی بر آن افزود. هرچند به نظر می‌رسد امکان داشتن سطحی با هر دو خاصیت مذکور وجود ندارد، با استفاده از موادی تحت عنوان فلوئوروآلکان‌ها این امر محقق می‌شود.
میزان خیس شدن یک سطح توسط آب معمولاً با زاویه تماس بیان می‌شود. زاویه تماس پایین‌تر نشان‌دهنده آب‌دوستی بیشتر سطوح است و سطوح با زاویه تماس 90 و بالاتر آب‌گریز در نظر گرفته می‌شوند. برای سطوح ساده مانند صفحات شیشه‌ای و ورقه‌های پلیمری حداکثر زاویه تماس می‌تواند 120 باشد اما برای سطوح ناهمواری مانند پارچه زوایای بالاتر از 150 نیز گزارش شده است. شکل 1 طرحی از شکل‌گیری قطره آب بر روی سطوح آب‌دوست و آب‌گریز و زاویه تماس آن‎ها را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1 . قرارگیری قطره آب بر روی یک سطح آب‎دوست و یک سطح آب‎گریز [1]

به منظور تخمین خواص ترشوندگی علاوه بر زاویه تماس، از فاکتور کشش سطحی نیز استفاده می‌شود. به بیان ساده اگر کشش سطحی مایع از سطح جامد بزرگ‌تر باشد، مایع سطح را خیس نخواهد کرد. در جدول 1 و 2 به ترتیب کشش سطحی برخی پلیمرهای رایج در تولید الیاف و برخی از انواع مایعات گزارش شده است.

جدول 1 - کشش سطحی و زاویه تماس پلیمرهایی که در تولید الیاف استفاده می‌شوند [1]
filereader.php?p1=main_cf81bc44599fcd8b7

جدول 2 - کشش سطحی برخی از مایع‌ها و روغن‌ها [1]
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

همان‌طور که در جدول 1 مشاهده می‌شود، کشش سطحی به ترتیب برای PE>PVF>PVLF>PTFE این پلیمرها کاهش می‌یابد. در واقع با افزایش تعداد اتم فلوئور در واحد تکرارشونده پلیمر، کشش سطحی کاهش می‌یابد.
خاصیت دفع مایعات توسط سطح جامد علاوه بر ساختار شیمیایی ماده جامد، به واسطه ناهمواری‌های موجود بر سطح نیز تعیین می‌شود. یک سطح ناهموار در مقایسه با یک سطح صاف با ساختار شیمیایی مشابه، معمولاً زاویه تماس بالاتری در برابر آب نشان می‌دهد. خاصیت ترکنندگی سطوح ناهموار مانند منسوجات از سطوح صاف کمتر است. با اصلاح سطح منسوجات، اغلب زاویه تماس در برابر آب بیشتر از 130 خواهد شد.
وجود زبری در مقیاس میکرو و نانو و آرایش صحیحی از هر دو نوع زبری، می‌تواند منجر به تولید پارچه‌ای با خواص فوق‌آب‌گریزی و با زاویه تماس نزدیک به ◦160 شود (شکل 2).

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 2. تفاوت زبری در اندازه میکرو و نانو بر روی دو سطح صاف و منسوج حاوی الیاف با قطر چند میکرومتر [1]

برخلاف سطوح صاف، منسوجات خود ناهمواری سطحی در اندازه میکرو دارند و با افزودن موادی در مقیاس نانو، می‌توان خواص آب‌گریزی منسوجات را افزایش داد. ایجاد سطوح ناهموار در مقیاس نانو روی منسوجات، با افزودن نانوذرات معدنی یا اصلاح سطح الیاف مصنوعی با استفاده از لیزر و پلاسما امکان‌پذیر است.

2. روش‌های دافع آب و لکه کردن منسوجات
در این بخش مرور کلی در حوزه محصولات تجاری انتخابی، ترکیبات شیمیایی فلورینه شده، سطوح نانوساختار و مواد جدید انجام شده است. جدول 3 به طور خلاصه به این مواد و روش‌ها اشاره می‌کند. خاصیت دفع مایعات با روش‌های مختلفی اندازه‌گیری می‌شوند. ساده‌ترین روش برای تخمین اثر آب‌گریزی، اندازه‌گیری زاویه تماس در برابر آب است. اما این روش تنها یک فرضیه اولیه درباره خواص آب‌گریزی می‌دهد و اغلب برای زمینه‎های پیشرفته در نساجی مناسب نیست [1].

جدول 3 - مروری بر روش‌ها و مواد شیمیایی مورد استفاده در اصلاح دفع آب و لکه منسوجات
filereader.php?p1=main_3ead30037e14a4e32

1.2. فلوئورکربن تجاری
فلوئورکربنی که توسط فرایندهای شیمیایی مرطوب روی پارچه اعمال شود به منسوج خاصیت دفع آب و روغن می‌دهد. برای ایجاد عامل اصلاح سطحی منسوجات، ترکیبات فلوئورکربنی را باید به صورت محلول یا دیسپرس بر کالا اعمال کرد. اصلاح منسوجات عموماً در محیط آبی انجام می‌شود اما گروه عاملی فلوئور اغلب در آب حل نمی‌شود. پس اگر یک محلول آبی فلوئورکربن مورد نیاز باشد، باید از ترکیبی از گروه عاملی فلوئور و گروه‌های آب‌دوست در یک مولکول یا پلیمر استفاده کرد، که در آن بخش آب‌دوست برای حل شدن در آب کافی است. روش مشابه دیگر استفاده از شبکه‌های پلیمری حاوی پوسته آب‌دوست و هسته آب‌گریز فلوئوری است.
فلوئوروکربنی که امروزه به منظور دفع آب، روغن و لکه در منسوجات استفاده می‌شود، پلیمرهای با زنجیر جانبی آلکیل فلوئوره شده است. پلی اکریلات فلوئوره شده در شکل 3 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 3. پلی اکریلات فلوئوره شده [1]

محققان دریافتند که در مورد ترکیبات پلی فلوئورآلکیل اکریلات که زنجیر آلکیل آن فلوئوره شده است، حداقل 8 اتم کربن (اکتیل) لازم است تا ساختاری آرایش یافته به‌دست آید و برای ایجاد خواص دفع آب و روغن لازم زنجیر فلوئورآلکیل بسیار آرایش یافته شود. به منظور رسیدن از یک ساختار با آرایش یافتگی کم به ساختاری بسیار آرایش یافته از زنجیرهای آلکیل فلوئوره شده، عمل بازپخت (پخت تا دمای مشخص و سپس سرد کردن) ضروری است.
از پلیمرهای شبکه‌ای حاوی فلوئور نیز می‌توان برای اصلاح منسوجات استفاده کرد. پس از اعمال این پلیمرها بر منسوج، در ابتدا ذرات کلوئیدی روی سطح الیاف جذب شده و در ادامه بعد از خشک کردن و تثبیت حرارتی، ذرات کلوئیدی نامحلول شده و سر آب‌دوست به سمت قسمت آب‌دوست الیاف و قسمت فلوئوره به سمت بیرون قرار می‌گیرد. پیوند قسمت آب‌دوست با سطح آب‌دوست الیاف منجر به چسبندگی بین الیاف و جهت‎گیری قسمت فلوئوره به سمت سطح خارجی، منجر به ایجاد خاصیت دفع آب و روغن از سطح می‌شود. طرح‌واره این روش در شکل 4 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 4. طرح‎واره نحوه استفاده از ماده اتصال عرضی‎دهنده به منظور تثبیت پلیمر فلوئورکربنی روی پارچه [1]

مسئله مهم در رابطه با اصلاح منسوجات با استفاده از ترکیبات فلوئورکربنی، جنبه محیط زیستی است، با توجه به این واقعیت که منبع ایجاد ترکیبات فلوئورکربنی، پلیمرها یا رزین‌های فلوئورکربنی بوده و پلیمرهای فلوئورواکریلات اغلب در برابر تخریب محیط‌زیستی مقاومند، مضرات زیست محیطی در مورد استفاده از این مواد بسیار هشداردهنده است. با کاهش طول زنجیر آلکیل فلوئوره امکان حضور و خطر زیست‌محیطی کاهش می‌یابد. با این پیش زمینه چندین شرکت شروع به گسترش اصلاح فلوئورکربنی با ترکیبات CF6 و با هدف دسترسی به خواص دفع چربی و با خطر زیست‌محیطی کمتر کرده‌اند. در کنار مواد فلورکربن، مواد شیمیایی فلوردار جدیدی به منظور اصلاح آب‎گریزی و چربی‌گریزی سطوح در حال معرفی و توسعه‌اند. از جمله این مواد می‎توان به ترکیبات آلکیل سیلان فلورینه شده اشاره کرد که به عنوان یک ماده شیمیایی در اصلاح چربی‌گریزی پارچه استفاده می‌شود [2]. شکل 5 یک ماده سیلان فلورینه شده حاوی گروه‌های اپوکسی را نشان می‌دهد [1].

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 5. ترکیب سیلان فلورینه شده حاوی گروه‎های اپوکسی به منظور اصلاح چربی‎گریزی پنبه [1]
 
چندرسانه‌ای 1. نحوه عملکرد منسوجات دافع آب و لکه

2.2. فناوری پلاسما
فناوری پلاسما از طریق نشاندن گروه‌های عاملی آب‌گریز و چربی‌گریز در فاز گازی، سبب اصلاح سطح منسوجات در مقیاس نانو و میکرومتری می‌شود. در این روش منسوج به همراه یک مونومر در فضای پلاسما قرار می‌گیرد و پلاسما موجب فعال شدن و پلیمریزه شدن مونومر روی سطح منسوج می‌شود. برای اصلاح آب‌گریزی یا چربی‌گریزی سطح با فرایند پلاسما باید از مونومر با ساختار شیمیایی مرتبط استفاده کرد. برای مثال ترکیبات سیلان با گروه آلکیل برای خواص آب‌گریزی مفید هستند [1]. شکل 6 دو مونومر را نشان می‌دهد که پس از پلیمریزه شدن در پلاسما به سطح خاصیت آب‎گریزی می‌دهند.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 6. دو مونومر که در پلیمریزاسیون پلاسما به سطح خاصیت آب‌گریزی می‌دهند [2].

3. نتیجه‌گیری
در این مقاله به طور خلاصه به روش‌هایی برای دافع آب و لکه کردن منسوجات اشاره شد. برای این منظور می‌توان از مواد شیمیایی، فناوری پلاسما و سطوح نانوساختار استفاده کرد. ایجاد نانوساختارها روی الیاف با الهام از طبیعت انجام شده است. با داشتن سطحی با ساختار میکرو و نانو و همچنین خاصیت آب‌گریزی سطح، می‌توان به خودتمیزشوندگی نیز رسید. برای ارزیابی میزان آب‌گریزی و چربی‌گریزی سطوح نیز می‌توان از آزمون‌های قطره، اسپری و عمل کردن با لکه‌های مختلف اشاره کرد.

منابـــع و مراجــــع

1. Roshan, P.; " Functional Finishes for Textiles Improving Comfort, Performance and Protection", Woodhead Publishing Series in Textiles, Num.156, chapter 13, p.p. 395-436, 2015.

2. http://amuroikimasu.strikingly.com, cited on: 2/7/2015.

3. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types_of_Carbon_Nanotubes.png, cited on: 2/7/2015

4. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c3nr04755e/unauth, cited on: 2/7/2015.

5. http://www.borsche.com.tw/News.aspx, cited on: 2/7/2015

6. http://www.cuhk.edu.hk/research/hfchow/HFC_NewWeb/Research_Dendrimer.htm, cited on:26/7/2015.