برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۷/۲۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۲۷

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۹۹۵
  • بازدید این ماه ۵۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

تکمیل دافع آب و لکه منسوجات با استفاده از فناوری نانو (2)

فناوری‌نانو، استفاده از مواد نانومقیاس یا اصلاح سطح مواد در ابعاد نانو است. به منظور تولید منسوجات دافع آب و لکه روش‎های مختلفی وجود دارد که استفاده از مواد نانومقیاس سبب افزایش بازدهی منسوجات شده است. در مقاله قبل، اصول اولیه برای تولید منسوجات دافع آب و لکه توضیح داده شد که در ادامه در این مقاله به موارد استفاده از فناوری نانو در جهت تولید منسوجات دافع آب و لکه پرداخته می‌شود.
1. سطوح نانوساختار
تولید موادی با ساختار نانو که به سطح خاصیت آب‌گریزی بدهد، با الگوبرداری از طبیعت انجام شده است. یک مثال شاخص در این زمینه برگ گیاه نیلوفر آبی است که با ترکیبی متشکل از ساختارهایی در مقیاس میکرو و نانو، خواص فوق آب‌گریزی و خودتمیزشوندگی دارد [1]. شکل 1 تصویری از برگ نیلوفر آبی را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1 - برگ نیلوفر آبی [2]

ترکیبات نورفعال نیز اغلب برای ایجاد سطوح خود تمیزشونده و آب‌گریز استفاده می‌شوند. در منسوجات آب‌گریز، خود تمیزشوندگی به این معناست که در تماس با آب، گرد و غبار به راحتی رها می‌شود. این اثر در نتیجه داشتن سطحی با خاصیت آب‌گریزی و ساختاری در اندازه میکرو و نانو است. بنابراین برای داشتن یک سطح خود تمیزشونده وجود سه ویژگی ذیل الزامی است:

1) ساختار در مقیاس میکرو
2) ساختار در مقیاس نانو
3) آب‎گریزی

در حال حاضر اکثر منسوجات، ساختاری در اندازه میکرو دارند، چالش اصلی ایجاد ناهمواری‌های سطحی نانو در ساختار الیاف و ترکیب آن با خاصیت آب‌گریزی است. برای ایجاد ساختار نانو روی الیاف، دو راه وجود دارد: یک راه قرار دادن ذراتی در اندازه نانو و راه دیگر قرار دادن چند لایه به قطر نانومتر روی الیاف است [1]. در شکل 2 تفاوت این دو روش نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. نحوه ایجاد نانوساختار روی الیاف؛ 1) لایه‎گذاری ماده‎ای مانند کیتوسان به قطر چند نانومتر روی الیاف، 2) قرار دادن نانوذراتی مانند سیلیکا روی الیاف [1]

با ترکیب نانوذرات مناسب می‌توان به خاصیت فوق‌آب‌گریزی دست یافت. به این منظور می‌توان از نانوذرات سیلیس، نقره و کلسیم کربنات استفاده کرد. نانوذرات مورد استفاده اشکال متفاوتی دارند اما شکل مکعبی نانوذرات به عملکرد آب‌گریزی بهتری منجر می‌شود [1].

2. مواد جدید
چالش بزرگی در مسیر کشف و گسترش مواد شیمیایی جدید برای جایگزین شدن با ترکیبات شیمیایی فلوئوره یا ترکیبات نانوساختار وجود دارد. در بخش بعدی، مروری بر 4 ماده جدید که در 10 سال اخیر به عنوان مواد اصلاحی منسوجات در مقاله‌ها مورد بررسی قرار گرفته است، انجام خواهد شد. این 4 ماده محصولات پرشاخه (دندریمرها)، نانولوله‌های کربنی، هیدروفوبین‌ها‌ (پروتئین‌های کوچک سرشار از اسید آمینه سیستئین) و مواد سل - ژل هستند. با توجه به این واقعیت که تولید این محصولات جدید در مقیاس پایینی صورت می‌گیرد، قیمت آن‌ها به مراتب از مواد شیمیایی معمولی بالاتر است؛ با این حال با تجاری‎سازی در سایر حوزه‌ها، میزان تولید در حال حاضر افزایش یافته است. در محصولات سل - ژل فرایند تولید انبوه آغاز شده است، که این امر منجر به کاهش هزینه‌های استفاده از این ترکیبات در نساجی شده است. ترکیبات پرشاخه نیز در حال حاضر به منظور ایجاد خواص دفعی در منسوجات تجاری‌سازی شده‌اند [1].

1.2. ترکیبات پرشاخه
درخت‌سان‌ها پلیمرهای پرشاخه‌ای هستند که به عنوان پلیمرهای ستاره مانند نیز شناخته می‌شوند. این ترکیبات به دلیل ساختار منظم شهرت یافته‌اند و در چندین نسل با شروع از یک هسته و گروهی از گروه‌های جانبی ساخته شده‌اند (شکل 3). تعداد گروه‌های جانبی با افزایش تعداد نسل افزایش می‌یابد. هزینه این مواد به صورت تصاعدی با افزایش تعداد نسل افزایش می‌یابد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. تصویری از ترکیبات پرشاخه [6]

همان‌طور که پیش از این در ترکیبات فلوئورکربنی توضیح داده شد، به منظور به دست آوردن خواص آب‌گریزی و چربی‌گریزی قوی، تراکم بالایی از عوامل اصلاحی باید روی سطح کالا اعمال شود. وجود گروه‌های عاملی زیاد در سطح ترکیبات پرشاخه برای استفاده در عامل‌دار کردن منسوجات مورد توجه قرار گرفته است. دو روش برای استفاده از ترکیبات پرشاخه بر منسوجات شناخته شده است:
1) ترکیبات پرشاخه فلوئورکربنی که حاوی گروه‌های آلکیل فلوئوره شده‎اند و منجر به ایجاد خواص آب‌گریزی و چربی‌گریزی می‌شوند.
2) ترکیبات پرشاخه غیرفلوئوری که در ترکیب با فلوئورکربن‌های متعارف اعمال می‌شوند.
در مورد دوم به منظور افزایش اثر چربی‌گریزی از ترکیبات فلوئورکربنی استفاده می‌شود. استفاده از ترکیبات پرشاخه به همراه پلیمرهای حاوی فلوئور آزاد نیز منجر به ایجاد خواص آب‌گریزی می‌شود [1].
 
2.2. نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی ساختاری مشابه قفس متشکل از اتم‌های کربن دارند [1]. شکل 4 تصویری از چند نوع نانولوله کربنی را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. تصویری از چند نوع نانولوله کربنی [3]

قرارگیری نانولوله‌های کربنی به صورت منظم روی منسوجات به آن‌ها خواص آب‌گریزی و همچنین فوق‌آب‌گریزی می‌دهد. نانولوله‌های کربنی حاوی ساختارهای خطی با قطر چند نانومتر هستند که پس از اعمال روی منسوج به آن ساختاری در مقیاس نانو می‌دهند. استفاده از نانولوله‎های کربن برای اصلاح سطح منسوجات از برگ گیاه برنج الهام گرفته شده است (شکل 5)[1].

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. تصویری از برگ گیاه برنج [4]

3.2. هیدروفوبین‌ها
هیدروفوبین‌ها پروتئین‌های کروی با قطر چند نانومتر هستند که نیمی از آن آب‌گریز و نیمی از آن آب‌دوست هستند. این مواد را همچنین می‌توان نوعی ذرات با دو خاصیت مخالف نیز معرفی کرد. هیدروفوبین‌ها در مقایسه با سایر پروتئین‌ها پایداری بالایی دارند. این مواد به طور طبیعی در قسمت بالای قارچ رشد می‌کنند و از لکه‌دار شدن قارچ جلوگیری کرده و به آن خاصیت دفع آب می‌بخشند.
به منظور استفاده از این مواد، محلول آبی هیدروفوبین روی منسوجات اعمال می‌شود. با توجه به خواص منسوج سر آب‌دوست یا آب‌گریز هیدروفوبین روی الیاف قرار گرفته و سر مخالف رو به بیرون قرار می‌گیرد و منجر به ایجاد خواص جدید در منسوج می‌شود. برای مثال در پنبه آب‌دوست، سر آب‌دوست هیدروفوبین به سمت پنبه و سر آب‌گریز به سمت خارج قرار گرفته و منجر به اصلاح آب‌گریزی پنبه می‌شود (شکل6).

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. طرح‎واره‌ای از نحوه قرارگیری یک لایه هیدروفوبین روی منسوج (بالا) و قرارگیری چند لایه آن روی منسوج (پایین) [1].

در حال حاضر کاربرد هیدروفوبین‌ها روی منسوجات به منظور ایجاد خواص آب‌گریزی امکان‎پذیر است اما در مقایسه با سایر عوامل اصلاح آب‌گریز متعارف، خواص دفعی به‌دست آمده از هیدروفوبین چندان قوی نیست تا منجر به تجاری‎سازی این ماده شود. علاوه بر ایجاد خاصیت آب‌گریزی پایین این ماده، نکته جالب توجه دیگر کاهش اندک مقاومت الکتریکی منسوج اصلاح شده با این ماده است. در واقع از این ترکیب می‌توان برای ایجاد دو اثر هم‎زمان آب‌گریزی و ضدالکتریسیته ساکن استفاده کرد [1].

4.2. مواد سل - ژل
سل - ژل‎ها از ذراتی معدنی با ابعاد حداکثر nm 80 تهیه می‌شوند. این ذرات در یک مایع آماده‎سازی شده و تثبیت می‌شوند. اگر ذرات حاوی مایع باشند و روی سطح منسوج اعمال شوند، به صورت یک شبکه سه بعدی جمع شده و یک پوشش معدنی را روی سطح تشکیل می‌دهند. یکی از اصطلاحاتی که اغلب برای پوشش‌های سل - ژلی بیان می‌شود پوشش سرامیکی به منظور عامل‌دار کردن منسوجات است. اما این اصطلاح برای منسوجات گمراه‎کننده است، چون در منسوجات معمول با دمای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد این فرایند امکان‎پذیر است. در دماهای پایین‌تر در پوشش سل - ژل فاز بلوری شکل نگرفته و بنابراین پوشش نمی‌تواند شبیه سرامیک شود. پوشش سل - ژل عمدتاً شامل مواد معدنی و در فاز بی‌نظم است. در سامانه‌های سل - ژل معمولاً از ذرات SiO2‌ استفاده می‌شود. این ذرات سیلیکا می‌توانند به واسطه هیدرولیز اسیدی یا قلیایی تترا اتوکسی سیلان آماده شده و در محلول شبه‌پایدار شوند. این محلول اغلب محلول کلوئیدی سیلیکا یا نانوسل سیلیکا نامیده می‌شود. به واسطه افزودن سیلان آب‌گریز شده مانند هگزا دسیل تری‌توکسی سیلان، گروه‌های آب‌گریز می‌توانند با ذرات سیلیکا نانوسل پیوند کووالانسی برقرار کرده و بنابراین بر روی پوشش اعمال شده ثابت شوند (شکل7).

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7. طرز تهیه و اعمال نانوذرات سیلیکا و یک ماده اصلاحی آب‌گریز [1]

سه نوع از ترکیبات سیلیکونی که به منظور آب‌گریز کردن سّل سیلیکا مفید هستند، عبارتند از:
1) مونومرهای پیش فلوئوره شده،
2) سیلان فلوئوره شده با زنجیر آلکیل بلند و
3) سیلیکون‌های برپایه پلیمرهای اصلاح شده آب‌گریز.

شکل 8 تصویری از آلکیل آلکوکسی سیلان را نشان می‌دهد که در اغلب تحقیقات استفاده شده است [1].

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. مثالی از ترکیبات آلکیل تری آلکوکسی سیلان پیش فلوئوره شده به منظور اصلاح آب‌گریزی و چربی‌گریزی نانوسل [1]

3. روش‌های ارزیابی آب‌گریزی و آب‌دوستی سطوح
1.3. آزمون قطره
در این آزمون مجموعه‌ای از مایعات با کاهش کشش سطحی متفاوت برای ارزیابی عملکرد منسوج انتخاب می‌شوند؛ بدین طریق که یک قطره از مایع اول روی منسوج قرار داده می‌شود، اگر در مدت زمان معین قطره روی سطح پخش نشد، سطح دافع برای آن قطره در نظر گرفته می‌شود و مایع بعدی برای ارزیابی انتخاب می‌شود. این روش تا زمانی‌که قطره‌ای از مایع مورد نظر روی سطح منسوج کاملاً پخش شود ادامه یافته و میزان دفع‌کنندگی پارچه تعیین می‌شود. از مزایای مختلف آزمون قطره می‌توان به سریع بودن، تجهیزات کوچک، تکرارپذیری و مقایسه بالای آن اشاره کرد [1].

2.3. آزمون اسپری
آزمون اسپری به منظور تعیین میزان دفع آب پارچه و با شبیه‌سازی یک فضای بارانی انجام می‌شود. این آزمون بر اساس استاندارد AATCC به شماره 22 انجام می‌شود. نمونه در زاویه 45 نسبت به نازل قرار گرفته و آب روی آن پاشیده می‌شود. رتبه‎بندی پس از پاشش با مقایسه پارچه مرطوب با تصاویر مرجع انجام می‌شود (شکل9) [1].

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9. آزمون اسپری برای تعیین میزان دفع آب پارچه [5].

3.3. عمل کردن پارچه با لکه‌های مختلف
در این آزمون به منظور ارزیابی اصلاح دفع روغن منسوجات، خواص پارچه در برابر انواع مختلفی از لکه‌ها آزمایش می‌شود. یک مثال ساده در این باره در شکل 10 نشان داده شده است. در این مثال، دو پارچه پنبه‌ای که یکی خام و دیگری با مواد چربی‌گریز اصلاح شده است، با روغن موتور عمل شده‌اند. همان‌طور که مشاهده می‌شود روغن پنبه خام را کاملاً ترکرده است، اما در پنبه اصلاح شده تنها مقداری روغن روی سطح پارچه دیده می‌شود. علاوه بر این، با میکروسکوپ نوری نیز می‌توان حضور قطره روغن روی سطح الیاف را مشاهده کرد. برخی از لکه‌های مورد استفاده در این آزمون به صورت خلاصه در جدول 1 ذکر شده است [1].

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل 10. تفاوت پارچه پنبه‌ای خام و اصلاح شده با فلورکربن در برابر روغن موتور [1]

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 11. تصاویر میکروسکوپ نوری از (الف) پارچه پنبه‌ای خام و (ب) اصلاح شده با فلورکربن [1]

جدول 1. برخی لکه‌های مورد استفاده برای ارزیابی منسوجات [1]
filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a

4. 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.