برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۶۴۶
  • بازدید این ماه ۵۲
  • بازدید امروز ۱
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 نمودن منسوجات

در دهه‌های اخیر توسعه فناوری‌نانو 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 بدست آوردن منسوجات هادی برای رسیدن به کالای هوشمند رسانا که توانایی کاربرد در صنایع الکترونیک، نمایشگرها، دستگاه های نمایش دهنده سلامتی، حسگرهای دمایی و رطوبتی، ذخیره‌سازهای انرژی انعطاف‌پذیر، و دستگاه های 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 فناوری‌نانو 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 روش های اعمال منسوجات با نانومواد، برای رسیدن به خاصیت رسانایی الکتریکی پرداخته می شود.
1.1 مقدمه:

filereader.php?p1=main_cfcd208495d565ef6

اخیرا استفاده از تجهیزات و دستگاه های 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 تغییر شکل راحت محصول، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. تلفیق فناوری‌نانو و الکترونیک به منظور به کار بردن در صنعت نساجی، سرعت پیشرفت تجهیزات الکترونیکی هوشمند قابل پوشیدن را افزایش داده است. به عبارتی دیگر، فناوری‌نانو 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، ذخیره کننده های انرژی، و نمایشگرهای سلامتی ایفا می کند (شکل1).

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1: طرح واره کاربرد منسوجات رسانا در نمایشگرهای زیستی قابل پوشیدن

به طور عمومی، تولید دستگاه های الکترونیکی بر روی منسوجات رسانا، نیاز به موادی با شکل خطی (مانند کابل) و انعطاف‌پذیری بالا دارد. به عنوان مثال استفاده از نانولوله های کربنی بر روی کالای پنبه ای، با ایجاد پیوند واندروالسی قوی، می تواند سطحی انعطاف‌پذیر و خطی بر روی این منسوج هادی پوشش دهد. در این روش ساده، از غوطه وری نمونه پنبه ای در محلول نانولوله کربنی بهره برده شده است. برخی از نانوکربن ها در این روش با ایجاد شبکه مارپیچی (hierarchical network) با تخلخل بالا و ایجاد سطح هادی، توانایی کاربرد در حسگرها، دستگاه های انرژی، ابرخازن ها، باتری های یونی لیتیومی، وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر و حرارتی قابل پوشیدن، وسایل تشخیص فشار، تجهیزات پزشکی، و سلول های خورشیدی را دارند. به طور کلی از برخی نانومواد، نانوذرات، نانوکامپوزیت‌های هیبریدی، نانوکامپوزیت‌های پلیمری و مواد انعطاف‌پذیر دیگر را می توان برای کاربرد در تجهیزات الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده نمود. هدایت پارچه هادی به عوامل متفاوتی از جمله نوع پرکننده هادی (نانومواد کربنی، نانوذرات فلزی، نانوسیم ها، 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 نانولوله های کربنی تک دیواره تاثیر می گذارد.

1.2 پرکننده‌های متداول برای رسانا نمودن پارچه
به منظور رسیدن به منسوجات هادی برای کاربردهای الکترونیکی، استفاده از موادی مانند نانوذرات فلزی و اکسید فلزی، نانوسیم ها، پلیمرهای هادی، نانومواد کربنی (مانند نانوذرات کربنی، الیاف کربنی، نانولوله های کربنی، وگرافن) مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است (شکل2). تجهیزات پوشیدنی ساخته شده از نانومواد هادی، راحتی مناسب، قابلیت تحمل میدان شدیدتر، و نیاز به ولتاژ اعمالی پایین تری را برای منسوج رسانا نشان می دهند. از این‌رو، این مواد کاربردهای ویژه ای در کالای پوشیدنی با قابلیت حس کردن، نمایش دادن، و ذخیره‌سازی انرژی دارند.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل2: مواد پرکننده برای رسانا نمودن منسوجات

1.2.1 نانومواد کربنی
در چند سال اخیر نانوذرات کربنی صفر بعدی، تک بعدی و دو بعدی از جمله فلورین، الیاف کربنی، نانولوله-های کربنی، اکسید گرافن، اکسید گرافن کاهش یافته (reduced graphene oxide)، و گرافن بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. 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 می روند. در بین این مواد کربنی، نانولوله های کربنی و گرافن به طور وسیعی در صنایع الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده شده اند. پژوهشگران با استفاده از محلول رقیق نانولوله های کربنی، فیلم هادی با خواص انعطاف‌پذیری و شفافیت بالا را تهیه نموده اند و به عنوان جوهر چاپ برای تولید تجهیزات الکترونیکی و الکترونیک نوری استفاده کرده اند. همچنین، با استفاده از الیاف کربن می توان منسوجات هادی متفاوتی را بافت. از طرفی، لایه های گرافن به خوبی با پلیمرها و نانوذرات فلزی مخلوط می¬شوند تا انعطاف پذیر‌ی و عامل دار شدن کامپوزیت پلیمری را افزایش دهند و به راحتی در صنایع الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده می شوند.

1.2.2 نانومواد فلزی و نیمه‌هادی
نانومواد از جمله نانوذرات فلزی و نانوسیم های نیمه‌هادی کاربردهای فراوانی در تجهیزات الکترونیکی از جمله تلفن همراه، فناوری های قابل پوشیدن، اسکنرها، پلیرهای نوری و دیسکی و ... دارند. از جمله نانوذرات متداول در این صنایع الکترونیکی می توان به نانوذرات طلا، نانوذرات کربنی، نقاط کوانتمی، نانوذرات سیلیکا، مس، و نقره اشاره نمود. همچنین اکسیدها و دی‌اکسیدهای فلزی ( ZnO ,MnO2, , SnO2, Fe2O3,TiO2, WO2) نیز برای توسعه منسوجات الکتریکی قابل پوشیدن استفاده شده اند. از این نانومواد در نقش افزایش سرعت پیشرفت در تجهیزات هوشمند در کاربردهای انرژی، زیست پزشکی و در زمینه سلامت فردی نیز می توان نام برد. نانوساختارهای بسیار ریز فلزی مانند نانوذرات و نانوسیم ها، برای تولید تجهیزات الکترونیکی بر پایه الیاف منعطف، قابل کشش، خطی و پوشیدنی، به دلیل رسانایی بالا، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. در پژوهشی، برای پایدار نمودن نانوسیم های فلزی استفاده شده در نانوژنراتورهای پیزوالکتریک برای کاربردهای الکترونیکی قابل پوشیدن و منعطف، از پوشش قابل کشش نانوسیم های 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 کرده اند.

1.2.3 نانوکامپوزیت هیبریدی
نانوساختارهای جدید بر پایه هیبرید نانولوله های کربنی- فلز (سنتز نانولوله کربنی تک دیواره به همراه فلزات واسطه طلا، نقره، تیتانیوم، منگنز، آهن، کبالت، نیکل، پلادینیوم یا پلاتین) مولکول های گاز را به راحتی جذب می کنند، از این رو در حسگرهای قابل پوشیدن کاربردهای ویژه ای دارند. نانوخوشه های CNT-Al, CNT-Au, CNT-Pd, CNT-Ag برای تشخیص مولکول های 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 آلودگی هایی مانند NO2, CO و C6H6 گزارش شده اند. عملکرد حسگر (حساسیت، انتخابگری و زمان عکس‌العمل) هیبرید فلز-CNT می تواند با تغییر عامل های سطحی با مواد متفاوت (تزیین سطح با نانومواد اکسید فلزی یا گروه های عاملی پیوند دهنده) با روش های متفاوت (کوالانسی و غیرکوالانسی) بهبود یابد.

1.2.4 نانوکامپوزیت پلیمری هادی
پژوهش های 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 شده اند. 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 لایه های گرافن در کنار کامپوزیت پلی آنیلین/CNT پتانسیل کاربرد در حسگرهای شیمیایی، خازن ها، سلول های 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، عکس العمل الکتریکی بهتر و حساسیت بالاتری نسبت به تشخیص موادی از جمله آمونیاک، هیدروژن سولفید، استیک اسید، و هیدرازین نشان می دهد. حسگرهای شیمیایی بر پایه نانوکامپوزیت های پلیمر/CNT یا گرافن/CNT برای آنالیز کیفی و کمی در زمینه های کاربردی زیست پزشکی (آنزیم ها، پروتئین ها، آنتی‌ژن ها و متابولیسم-ها) به کار می روند. همچنین، این نانوکامپوزیت های رسانا با استفاده از روش های تشخیص الکتروشیمیایی و نوری برای حسگرهای گازی و شیمیایی نیز به کار می روند (شکل3).

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل3: استفاده از منسوجات رسانا برای نمایش سلامتی ورزشکاران

1.3 رسانا نمودن منسوجات با نانومواد
روش های متعددی برای رسیدن به منسوج الکترونیکی وجود دارد که یکی از پرکاربردترین روش ها 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 می کنند. بر همکنش های واندروالسی بین CNT با زنجیره سلولزی می تواند خاصیت هدایت الکتریکی را بدون تغییر شکل فراهم نماید. زمانی که CNT جذب کالای سلولزی شود، جدا شدن CNT جذب شده از روی الیاف، با غوطه وری در حلال ها، به سختی امکان پذیر است. نشستن CNT بر روی سطح کالای سلولزی جذب قوی تری نسبت به نشستن CNT بر سطح الیاف کربنی ایجاد می کند. شبکه سلسله مراتبی ایجاد شده و تخلخل زیاد بر سطح با هدایت بالا، نیاز تجهیزات الکتریکی قابل پوشیدن را به طور کامل برآورده می نماید. 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) و یا EDM و برخی روش‌های دیگر بدست می آید. در میان این روش ها، 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 پرکننده های هادی و پوشش این مواد بر روی منسوجات است. معمولا پوشش‌دهی از طریق روش "غوطه وری 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 می شود. 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 روش ها، فرایندی که در دمای پایین، هزینه کم و بدون نیاز به خلا قابل انجام باشد، بیشتر مطلوب صنعت است. منسوجات الکتریکی یا نخ هادی از طریق 1) اتصال سیم معمولی به صورت دستی و 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 بدست خواهد آمد.
کالای نساجی (الیاف، نخ ، پارچه) با هدایت بالا، به راحتی با استفاده از روش غوطه وری و خشک کردن بدست می آید. روش غوطه وری روشی متداول، همراه با تکرار مراحل غوطه وری، برای اصلاح سطح منسوجات با خواص انعطاف‌پذیری و خطی مناسب است. به عنوان مثال نخ پنبه ای به راحتی با قرار گرفتن در حمام CNT دیسپرس شده از طریق غوطه وری و خشک شدن، هادی می شود.
در پژوهشی از روش های متفاوت (پوشش‌دهی غوطه وری (dip coating)، چاپ اسکرین (screen printing)، و رسوب الکتروشیمیایی) برای نشاندن کربن بر روی کالای پنبه ای بهره برده شده است. در این پژوهش اشاره شده است که روش پوشش‌دهی غوطه وری، توانایی نفوذ و پوشش مناسب را برای کربن بر روی الیاف پنبه ای فراهم نمی کند. از این رو پوششی نایکنواخت و با ضخامت ناکافی، که توانایی رسیدن به منسوج هادی را ندارد، ایجاد می کند. چاپ اسکرین، نفوذ مناسبی را برای کربن بر روی نخ ایجاد می کند. پنبه می تواند تا حداکثر 81% وزن خود، کربن جذب کند. توزیع کربن بر روی منسوج پنبه ای بر عملکرد الکتریکی و الکتروشیمیایی منسوج تاثیر می گذارد. در این حالت، شبکه کربنی ممتد بر روی پنبه به دلیل ساختار بسیار متخلخل الیاف پنبه، به راحتی ایجاد می شود.
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 پنبه ای در محلول پیرول غوطه ور شده و پلیمریزاسیون در حضور FeCl3 کامل شده است و پس از کامل شدن پلیمریزاسیون، پلیمر پلی پیرول بر روی کالای پنبه ای گرفت (Graft) داده شده است. پژوهشگران با این روش به راحتی در دمای محیط و طی فرایندی ساده به منسوج هادی دست یافته اند.
عامل های الکتریکی از طریق روش های نصب سطحی (surface mounting)، فناوری نانوپوشش‌دهی، و نوآرایی خودبخودی بر روی کالای نساجی نصب می شود. فناوری نصب سطحی در صنایع الکترونیک از طریق فناوری لمینه کردن در صنعت نساجی به کار می رود. فیلم نازکی از تجهیزات بر روی پارچه با استفاده از چسب ترموپلاستیک می چسبد. جدا از آن، تولید تجهیزات الکترونیکی بر روی سطح کالای نساجی با کمک سه فناوری چاپ اسکرین، چاپ دیجیتال و پوشش دهی غوطه وری 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 مزیت های این روش ها است. چاپ اسکرین مطابقت خوبی با روش های تشکیل لایه الکتریکی قابل پوشیدن دارد، همه لایه ها با توابع متفاوت بر روی سطح پارچه مطابق الگو چاپ می شوند. همچنین این فرایند نیازی به فوتولیتوگرافی و حکاکی شیمیایی اضافی ندارد، به عبارتی هر لایه از ساختار الگو به راحتی و به طور مستقیم می تواند چاپ گردد. علاوه بر این، چاپ اسکرین کاملا با فرایند صنعتی رول به رول کردن سازگاری کامل دارد، که تولید حجم زیادی از محصول را فراهم می کند. 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، کاربردی تر از روش های 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 سیم¬های نازک بر روی پارچه مطابق الگوی دستگاه الکتریکی برخوردار است. جوهر چاپ دیجیتال می تواند از مواد فلزی، CNT، گرافن، عامل های پیزوالکتریک و ذخیره ساز تشکیل شده باشند.

نتیجه گیری کلی
در این مقاله به بررسی مواد نانوساختار برای کاربرد در منسوج رسانا پرداخته شد. منسوجات رسانا با امکان پوشیدن تجهیزات الکترونیکی و انعطاف پذیری بالا، بستر مناسبی برای پیشرفت و توسعه محصولات هوشمند در زمینه های پزشکی، حسگرها و کنترل کننده های علائم زیستی و سلامتی، وسایل گرمایشی همراه، و نمایشگرها فراهم نموده است. از میان مواد نانوساختار، نانومواد کربنی (نانوذرات کربنی، نانولوله های 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 روش های به کارگیری این نانومواد برای رسانا نمودن 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