برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۷۵۳
  • بازدید این ماه ۹۳
  • 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

کاربرد نانومواد در رسانا کردن منسوجات

در دهه‌های اخیر توسعه فناوری‌ نانو نسل جدیدی از مواد با کاربردهای ویژه را ایجاد کرده است. در این میان صنعت نساجی با استفاده از این مواد جدید، زمینه توسعه کالای نساجی با کاربردهای خاص را بیش از پیش، در پیش گرفته است. استفاده از نانومواد برای به دست آوردن منسوجات هادی برای رسیدن به کالای هوشمند رسانا که توانایی کاربرد در صنایع الکترونیک، نمایشگرها، دستگاه‌های نمایش‌دهنده سلامتی، حسگرهای دمایی و رطوبتی، ذخیره‌سازهای انرژی انعطاف‌پذیر و دستگاه‌های تولید انرژی را دارند، در حال توسعه است. از این‌رو، توجه زیادی به منسوجات هادی با قابلیت ابر ذخیره‌سازی انرژی و منسوجات الکترونیکی معطوف شده است. به عبارتی دیگر، منسوجات الکترونیکی تولید شده با فناوری‌ نانو مزایایی از جمله سبکی، انعطاف‌پذیری، قابلیت کشش، در دسترس بودن و در نهایت قابلیت پوشیدن را دارند. در این مقاله، ابتدا به بررسی مختصری از نانوموادی که در کاربرد هادی کردن منسوجات بیشتر استفاده می شوند، پرداخته خواهد شد. سپس به بررسی روش‌های اعمال منسوجات با نانومواد، برای رسیدن به خاصیت رسانایی الکتریکی پرداخته می‌شود.
1- مقدمه
 
filereader.php?p1=main_cfcd208495d565ef6

اخیراً استفاده از تجهیزات و دستگاه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر با قابلیت پوشیدن مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. در این میان، بهره بردن از منسوجات هادی الکتریکی به عنوان وسایل هوشمند با قابلیت انعطاف‌پذیری بالا و قابل پوشیدن در کنار تغییرشکل راحت محصول، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. تلفیق فناوری‌ نانو و الکترونیک به منظور به کار بردن در صنعت نساجی، سرعت پیشرفت تجهیزات الکترونیکی هوشمند قابل پوشیدن را افزایش داده است. به عبارتی دیگر، فناوری‌ نانو با افزایش سرعت تولید منسوجات هوشمند الکترونیکی با حفظ سبکی وزن و انعطاف‌پذیری بالا، نقش بزرگی را در تولید محصولات نساجی برای کاربردهایی به عنوان حسگرها، ذخیره‌کننده‌های انرژی و نمایشگرهای سلامتی ایفا می‌کند (شکل 1).
 
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: طرح‌واره کاربرد منسوجات رسانا در نمایشگرهای زیستی قابل پوشیدن

به طور عمومی، تولید دستگاه‌های الکترونیکی بر روی منسوجات رسانا، نیاز به موادی با شکل خطی (مانند کابل) و انعطاف‌پذیری بالا دارد. به عنوان مثال استفاده از نانولوله‌های کربنی بر روی کالای پنبه‌ای، با ایجاد پیوند واندروالسی قوی، می‌تواند سطحی انعطاف‌پذیر و خطی بر روی این منسوج هادی پوشش دهد. در این روش ساده، از غوطه‌وری نمونه پنبه‌ای در محلول نانولوله کربنی بهره برده شده است. برخی از نانوکربن‌ها در این روش با ایجاد شبکه مارپیچی (hierarchical network) با تخلخل بالا و ایجاد سطح هادی، توانایی کاربرد در حسگرها، دستگاه‌های انرژی، ابرخازن‌ها، باتری‌های یونی لیتیومی، وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر و حرارتی قابل پوشیدن، وسایل تشخیص فشار، تجهیزات پزشکی و سلول‌های خورشیدی را دارند. به طور کلی از برخی نانومواد، نانوذرات، نانوکامپوزیت‌های هیبریدی، نانوکامپوزیت‌های پلیمری و مواد انعطاف‌پذیر دیگر می‌توان برای کاربرد در تجهیزات الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده کرد. هدایت پارچه هادی به عوامل متفاوتی از جمله نوع پرکننده هادی (نانومواد کربنی، نانوذرات فلزی، نانوسیم‌ها، نانوکامپوزیت هیبریدی و پلیمری)، نسبت پرکننده هادی به پلیمر و نوع فرایند نشاندن پرکننده بر روی کالا بستگی دارد. به عنوان مثال، در پژوهشی گزارش شده است که عملیات‌هایی نظیر عملیات اسیدی و پخت حرارتی نیز بر هدایت نخ تکمیل شده با نانولوله‌های کربنی تک دیواره تأثیر می‌گذارد.

2- پرکننده‌های متداول برای رسانا کردن پارچه
به منظور رسیدن به منسوجات هادی برای کاربردهای الکترونیکی، استفاده از موادی مانند نانوذرات فلزی و اکسید فلزی، نانوسیم‌ها، پلیمرهای هادی، نانومواد کربنی (مانند نانوذرات کربنی، الیاف کربنی، نانولوله‌های کربنی وگرافن) مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است (شکل 2). تجهیزات پوشیدنی ساخته شده از نانومواد هادی، راحتی مناسب، قابلیت تحمل میدان شدیدتر و نیاز به ولتاژ اعمالی پایین‌تری را برای منسوج رسانا نشان می‌دهند. از این‌رو، این مواد کاربردهای ویژه‌ای در کالای پوشیدنی با قابلیت حس کردن، نمایش دادن و ذخیره‌سازی انرژی دارند.
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: مواد پرکننده برای رسانا کردن منسوجات

1.2- نانومواد کربنی
در چند سال اخیر نانوذرات کربنی صفر بعدی، تک بعدی و دو بعدی از جمله فلورین، الیاف کربنی، نانولوله‌های کربنی، اکسید گرافن، اکسید گرافن کاهش یافته (reduced graphene oxide) و گرافن بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. برای طراحی دستگاه پوشیدنی هوشمند، یکنواختی خواص نانومواد کربنی از جمله تحرک ذاتی بالای حامل، هدایت الکتریکی، خواص مکانیکی بالا، ثبات و پایداری در برابر عوامل زیست محیطی و همچنین توانایی تولید صنعتی بالا با هزینه کم حائز اهمیت است. مواد متخلخل کربنی با سطح مخصوص و خواص مکانیکی بالا به طور متداول برای تجهیزات الکترونیکی به کار می‌روند. در بین این مواد کربنی، نانولوله‌های کربنی و گرافن به طور وسیعی در صنایع الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده شده‌اند. پژوهشگران با استفاده از محلول رقیق نانولوله‌های کربنی، فیلم هادی با خواص انعطاف‌پذیری و شفافیت بالا را تهیه کرده‌اند و به عنوان جوهر چاپ برای تولید تجهیزات الکترونیکی و الکترونیک نوری استفاده کرده‌اند. همچنین با استفاده از الیاف کربن می‌توان منسوجات هادی متفاوتی را بافت. از طرفی، لایه‌های گرافن به خوبی با پلیمرها و نانوذرات فلزی مخلوط می‌شوند تا انعطاف‌پذیر‌ی و عامل‌دار شدن کامپوزیت پلیمری را افزایش دهند و به راحتی در صنایع الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده می‌شوند.

2.2- نانومواد فلزی و نیمه‌هادی
نانومواد از جمله نانوذرات فلزی و نانوسیم‌های نیمه‌هادی کاربردهای فراوانی در تجهیزات الکترونیکی از جمله تلفن همراه، فناوری‌های قابل پوشیدن، اسکنرها، پلیرهای نوری و دیسکی و ... دارند. از جمله نانوذرات متداول در این صنایع الکترونیکی می‌توان به نانوذرات طلا، نانوذرات کربنی، نقاط کوانتومی، نانوذرات سیلیکا، مس، و نقره اشاره کرد. همچنین اکسیدها و دی‌اکسیدهای فلزی ( ZnO ,MnO2, SnO2, Fe2O3, TiO2, WO2)
نیز برای توسعه منسوجات الکتریکی قابل پوشیدن استفاده شده‌اند. از این نانومواد در نقش افزایش سرعت پیشرفت در تجهیزات هوشمند در کاربردهای انرژی، زیست پزشکی و در زمینه سلامت فردی نیز می‎توان نام برد. نانوساختارهای بسیار ریز فلزی مانند نانوذرات و نانوسیم‌ها، برای تولید تجهیزات الکترونیکی بر پایه الیاف منعطف، قابل کشش، خطی و پوشیدنی، به دلیل رسانایی بالا، بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پژوهشی، برای پایدار کردن نانوسیم‌های فلزی استفاده شده در نانوژنراتورهای پیزوالکتریک برای کاربردهای الکترونیکی قابل پوشیدن و منعطف، از پوشش قابل کشش نانوسیم‌های طلا بر روی پارچه پلی آمیدی استفاده شده است. اگرچه بیشتر مقالات، از نانوذرات فلزی و نیمه‌هادی در اصلاح خواص منسوجات برای بهبود خواص ضدمیکروبی، محافظت در برابر پرتو فرابنفش، ضدچروک و ضدبو استفاده کرده‌اند.

3.2- نانوکامپوزیت هیبریدی
نانوساختارهای جدید بر پایه هیبرید نانولوله‌های کربنی- فلز (سنتز نانولوله کربنی تک دیواره به همراه فلزات واسطه طلا، نقره، تیتانیوم، منگنز، آهن، کبالت، نیکل، پلادینیوم یا پلاتین) مولکول‌های گاز را به راحتی جذب می‌کنند، از این‌رو در حسگرهای قابل پوشیدن کاربردهای ویژه‌ای دارند. نانوخوشه‌های CNT-Al, CNT-Au, CNT-Pd, CNT-Ag برای تشخیص مولکول‌های آمونیاک، نانوذرات هیبریدی MWCNTs-(SnO2, TiO2 and CuO) برای حسگر گازی H2S ، هیبرید Ni-CNT برای تشخیص اتانول در دمای اتاق، هیبرید CNT-Au برای تشخیص آلودگی‌هایی مانند NO2, CO و C6H6 گزارش شده‌اند. عملکرد حسگر (حساسیت، انتخابگری و زمان عکس‌العمل) هیبرید فلز-CNT می‌تواند با تغییر عامل‌های سطحی با مواد متفاوت (تزیین سطح با نانومواد اکسید فلزی یا گروه‌های عاملی پیونددهنده) با روش‌های متفاوت (کوالانسی و غیرکوالانسی) بهبود یابد.

4.2- نانوکامپوزیت پلیمری هادی
پژوهش‌های بسیاری بر روی پلیمرهای رسانا بر پایه نانوکامپوزیت برای کاربردهایی در تجهیزات الکترونیک، اپتوالکترونیک، الکترومکانیک و حسگرهای شیمیایی با مکانیسم انتقال الکتریکی، نوری و مکانیکی بررسی شده‌اند. برای مثال، گازهای استون، متانول و اتانول با استفاده از فیلم نازکی از کامپوزیت پلی (متیل متاکریلات) با پرکننده هادی نانوساختارهای کربنی به راحتی قابل تشخیص هستند. عملکرد حسگرهای بر پایه نانوکامپوزیت پلیمری هادی تشکیل شده از نانوذرات اکسیدهای فلزی و سولفید فلزی به خواص الکتریکی وابسته است. نانوالیاف پلی آنیلین با قطر 60-100 نانومتر رسانایی بالایی (S/cm 120-130) در دمای محیط دارند. علاوه بر این، استفاده از نانوذرات فلزی نجیب، اکسید فلزی یا لایه‌های گرافن در کنار کامپوزیت پلی آنیلین/CNT پتانسیل کاربرد در حسگرهای شیمیایی، خازن‌ها، سلول‌های سوختی و تجهیزات الکترونیکی را دارند. نانوکامپوزیت پلی آنیلین/CNT برای تشخیص دی‌اکسید کربن، نیترات، گلوکز و استامینوفن در استات و حسگر اسیدیته به کار رفته است. نانوکامپوزیت به کار رفته خواص پایداری حرارتی، عکس‌العمل الکتریکی بهتر و حساسیت بالاتری نسبت به تشخیص موادی از جمله آمونیاک، هیدروژن سولفید، استیک اسید و هیدرازین نشان می‌دهد. حسگرهای شیمیایی بر پایه نانوکامپوزیت‌های پلیمر/CNT یا گرافن/CNT برای آنالیز کیفی و کمی در زمینه‌های کاربردی زیست پزشکی (آنزیم‌ها، پروتئین‌ها، آنتی‌ژن‌ها و متابولیسم‌ها) به کار می‌روند. همچنین، این نانوکامپوزیت‌های رسانا با استفاده از روش‌های تشخیص الکتروشیمیایی و نوری برای حسگرهای گازی و شیمیایی نیز به کار می‌روند (شکل 3).

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: استفاده از منسوجات رسانا برای نمایش سلامتی ورزشکاران

3- رسانا کردن منسوجات با نانومواد
روش‌های متعددی برای رسیدن به منسوج الکترونیکی وجود دارد که یکی از پرکاربردترین روش‌ها استفاده از پلیمرهای هادی الکتریکی (ECPs) با ایجاد لایه‌ای بسیار نازک با مورفولوژی نانوساختاری بر روی الیاف هستند. تجهیزات قابل پوشیدن با طراحی هوشمند و سازگاری مناسب، سبکی و قابلیت تاخوردگی مناسبی را فراهم می‌کنند. برهمکنش‌های واندروالسی بین CNT با زنجیره سلولزی می‌تواند خاصیت هدایت الکتریکی را بدون تغییر شکل فراهم کند. زمانی که CNT جذب کالای سلولزی شود، جدا شدن CNT جذب شده از روی الیاف، با غوطه‌وری در حلال‌ها، به سختی امکان‌پذیر است. نشستن CNT بر روی سطح کالای سلولزی جذب قوی‌تری نسبت به نشستن CNT بر سطح الیاف کربنی ایجاد می‌کند. شبکه سلسله مراتبی ایجاد شده و تخلخل زیاد بر سطح با هدایت بالا، نیاز تجهیزات الکتریکی قابل پوشیدن را به طور کامل برآورده می‌کند. به عبارتی دیگر، تراوایی بالای ساختار، بهبود خواص حسگری و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی را در کاربردهای الکترونیک و زیست پزشکی افزایش خواهد داد.
منسوجات هادی از طریق نشستن لایه نازک فلزی بر سطح منسوج با "رسوب آبکاری"، "رسوب لایه اتمی"، "رسوب الکتروشیمیایی"، "رسوب الکترولس" (ELD) یا EDM و برخی روش‌های دیگر به دست می‌آید. در میان این روش‌ها، روش الکترولس به دلیل عدم نیاز به تجهیزات خاص و قابلیت تولید زیاد، بیشتر مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. متداول‌ترین روش ساخت منسوجات هادی، استفاده از پرکننده‌های هادی و پوشش این مواد بر روی منسوجات است. معمولاً پوشش‌دهی از طریق روش "غوطه‌وری و خشک کردن"، "پوشش فیلم"، "چاپ اسکرین" (screen printing)، "غربالگری ابریشم" (silk screening)، "کندوپاش"، "رسوب الکتروشیمیایی"، "آبکاری"، "CVD"، "خودسامانی"، "رشد همبافته"، "کاهش شیمیایی"، "رسوب لیزر پالسی" و ... انجام می‌شود. روش پوشش‌دهی به مورفولوژی سطح و کشش سطحی منسوج بستگی دارد و در بخش‌های مختلف منسوج متفاوت است، از این‌رو رسیدن به یکنواختی در پوشش‌دهی کار بسیار دشواری است. همچنین در میان این روش‌ها، فرایندی که در دمای پایین، هزینه کم و بدون نیاز به خلأ قابل انجام باشد، بیشتر مطلوب صنعت است. منسوجات الکتریکی یا نخ هادی از طریق 1) اتصال سیم معمولی به صورت دستی یا دوخت نخ رسانا، 2) جایگزین کردن الیاف نارسانا با الیاف رسانا، 3) ماشین آلات گلدوزی با نخ رسانا، (4) بافندگی و (5) چاپ خطوط رسانای سفت و قابل کشش (به عنوان مثال جوهر و پلیمر) با استفاده از فناوری میکروالکترونیک به دست خواهد آمد.
کالای نساجی (الیاف، نخ، پارچه) با هدایت بالا، به راحتی با استفاده از روش غوطه‌وری و خشک کردن به دست می‌آید. روش غوطه‌وری روشی متداول، همراه با تکرار مراحل غوطه‌وری، برای اصلاح سطح منسوجات با خواص انعطاف‌پذیری و خطی مناسب است. به عنوان مثال نخ پنبه‌ای به راحتی با قرار گرفتن در حمام CNT دیسپرس شده از طریق غوطه‌وری و خشک شدن، هادی می‌شود.
در پژوهشی از روش‌های متفاوت (پوشش‌دهی غوطه‌وری (dip coating)، چاپ اسکرین (screen printing)، و رسوب الکتروشیمیایی) برای نشاندن کربن بر روی کالای پنبه‌ای بهره برده شده است. در این پژوهش اشاره شده است که روش پوشش‌دهی غوطه‌وری، توانایی نفوذ و پوشش مناسب را برای کربن بر روی الیاف پنبه‌ای فراهم نمی‌کند. از این‌رو پوششی نایکنواخت و با ضخامت ناکافی، که توانایی رسیدن به منسوج هادی را ندارد، ایجاد می‌کند. چاپ اسکرین، نفوذ مناسبی را برای کربن بر روی نخ ایجاد می‌کند. پنبه می‌تواند تا حداکثر 81% وزن خود، کربن جذب کند. توزیع کربن بر روی منسوج پنبه‌ای بر عملکرد الکتریکی و الکتروشیمیایی منسوج تأثیر می‌گذارد. در این حالت، شبکه کربنی ممتد بر روی پنبه به دلیل ساختار بسیار متخلخل الیاف پنبه، به راحتی ایجاد می‌شود.
در پژوهشی دیگر، برای رسیدن به پارچه رسانا، از پلیمریزاسیون شیمیایی اکسایشی درجا با استفاده از عامل اکسیدکننده استفاده شده است. در این روش، پارچه پنبه‌ای در محلول پیرول غوطه‌ور شده و پلیمریزاسیون در حضور FeCl3 کامل شده است و پس از کامل شدن پلیمریزاسیون، پلیمر پلی پیرول بر روی کالای پنبه‌ای گرفت (Graft) داده شده است. پژوهشگران با این روش به راحتی در دمای محیط و طی فرایندی ساده به منسوج هادی دست یافته‌اند.
عامل‌های الکتریکی از طریق روش‌های نصب سطحی (surface mounting)، فناوری نانوپوشش‌دهی و نوآرایی خودبه‌خودی بر روی کالای نساجی نصب می‌شود. فناوری نصب سطحی در صنایع الکترونیک از طریق فناوری لمینه کردن در صنعت نساجی به کار می‌رود. فیلم نازکی از تجهیزات بر روی پارچه با استفاده از چسب ترموپلاستیک می‌چسبد. جدا از آن، تولید تجهیزات الکترونیکی بر روی سطح کالای نساجی با کمک سه فناوری چاپ اسکرین، چاپ دیجیتال و پوشش‌دهی غوطه‌وری برای دستیابی به تجهیزات قابل پوشیدن در حال توسعه است. سرعت بالا، ارزان قیمت بودن و شرایط عملیاتی محیطی در استفاده از فناوری الگودهی از مهمترین مزایای این روش‌ها است. چاپ اسکرین مطابقت خوبی با روش‌های تشکیل لایه الکتریکی قابل پوشیدن دارد، همه لایه‌ها با توابع متفاوت بر روی سطح پارچه مطابق الگو چاپ می‌شوند. همچنین این فرایند نیازی به فوتولیتوگرافی و حکاکی شیمیایی اضافی ندارد، به عبارتی هر لایه از ساختار الگو به راحتی و به طور مستقیم می‌تواند چاپ شود. علاوه بر این، چاپ اسکرین کاملاً با فرایند صنعتی رول به رول کردن سازگاری کامل دارد، که تولید حجم زیادی از محصول را فراهم می‌کند. برای مثال، حسگر کششی با استفاده از کربن فعال و خازن الکتریکی بر روی منسوج به راحتی با استفاده از روش چاپ اسکرین بر روی پارچه بافته شده ایجاد شده است. علاوه بر این، روش چاپ اسکرین به دلیل آزادی بیشتر در طراحی و ظرفیت بالای تغییر مکان بر روی پارچه، کاربردی‌تر از روش‌های دیگر است. در مقایسه با فناوری چاپ اسکرین، چاپ دیجیتال از مزیت دقت مکانی بالای قطره جوهر برخوردار است. این روش در ترکیب با چاپ جوهری (inkjet printing) از فرصتی طلایی برای نشاندن مواد هادی و تشکیل سیم‌های نازک بر روی پارچه مطابق الگوی دستگاه الکتریکی برخوردار است. جوهر چاپ دیجیتال می‌تواند از مواد فلزی، CNT، گرافن، عامل‌های پیزوالکتریک و ذخیره‌ساز تشکیل شده باشند.

4- نتیجه‌گیری
در این مقاله به بررسی مواد نانوساختار برای کاربرد در منسوج رسانا پرداخته شد. منسوجات رسانا با امکان پوشیدن تجهیزات الکترونیکی و انعطاف‌پذیری بالا، بستر مناسبی برای پیشرفت و توسعه محصولات هوشمند در زمینه‌های پزشکی، حسگرها و کنترل‌کننده‌های علایم زیستی و سلامتی، وسایل گرمایشی همراه و نمایشگرها فراهم کرده است. از میان مواد نانوساختار، نانومواد کربنی (نانوذرات کربنی، نانولوله‌های کربنی، گرافن، گرافن اکسید و الیاف کربن)، نانوذرات فلزی و اکسید فلزی، ساختارهای هیبرید و نانوکامپوزیت پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت به ارائه روش‌های به کارگیری این نانومواد برای رسانا کردن منسوجات (الیاف، نخ و پارچه) پرداخته شد.
 

منابـــع و مراجــــع

D.P. Hansora1, N.G. Shimpi, S. Mishra., Performance of hybrid nanostructured conductive cotton materials as wearable devices: An overview of materials, fabrication, properties and applications, RSC Adv., 2015, DOI: 10.1039/C5RA16478H