برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۹/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۶۷۵
  • بازدید این ماه ۹۵
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳
  • قبول شدگان ۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۵۶
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 منسوجات محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس با استفاده از نانوذرات

با توسعه صنعت الکترونیک و کاربرد روزافزون محصولات الکترونیکی در ارتباطات، محاسبات، اتوماسیون، زیست پزشکی، هوافضا و ... مشکلاتی از جمله تداخل امواج الکترومغناطیسی با دستگاه‌های الکترونیکی و مشکلات بهداشتی ناشی از تشعشع این امواج پدید آمده است. از این‌رو، تقاضا برای حفاظت افراد و دستگاه‌های الکترونیکی دقیق در برابر اثرات ناخوشایند سیگنال‌های الکترومغناطیسی و مشکلات بار آزاد افزایش یافته است. در این مقاله به بررسی انواع و خواص امواج الکترومغناطیس و در ادامه به روش‌ها و مواد مورد استفاده به منظور بهبود خواص منسوجات محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس، به ویژه تکمیل منسوجات محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس با کمک نانوساختارها و الیاف با کارایی بالا پرداخته خواهد شد.
1- مقدمه
1-1- امواج الکترومغناطیس
امواج الکترومغناطیس از دو موج عمود بر هم، موج الکتریکی و موج مغناطیسی، تشکیل شده است. واحد اصلی این امواج فوتون نامیده می‌شود. این امواج براساس طول موجی که دارند تقسیم‌بندی می‌شوند (شکل ‏1) [1].

 filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: طیف امواج الکترومغناطیس

طیف الکترومغناطیس نور خورشید به دو بخش اصلی مرئی و نامرئی تقسیم می‌شود. ناحیه مرئی از نورهای رنگی قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش تشکیل شده است. طول‌موج‌های کوتاه‌تر از ناحیه مرئی شامل پرتوهای فرابنفش و ایکس است در حالی که طول‌موج‌های بزرگ‌تر از ناحیه مرئی به نام ریزموج (مایکروویو) و امواج رادیویی شناخته می‌شوند. طیف الکترومغناطیسی که بین ناحیه مرئی و مایکروویو قرار دارد، فروسرخ نامیده می‌شود. پرتو فروسرخ از هر جسمی با دمای بالاتر از صفر مطلق ساطع می‌شود. به عبارتی دیگر با جذب امواج الکترومغناطیس فروسرخ، حرارت ایجاد شده و دمای شئ جاذب افزایش می‌یابد [1].

2-1- اثر امواج الکترومغناطیس بر بدن
هرچند نور درمانی (light therapy) یا پرتو درمانی (photo therapy) با سرعت زیادی در حال رشد است؛ استفاده از نور متمرکز (موج تک فاز مانند نور لیزر) یا نامتمرکز (موج غیرتک فاز مانند نور خورشید) در ناحیه فروسرخ (IR) یا فروسرخ نزدیک (NIR) می‌تواند سبب تسریع ترمیم زخم، کاهش درد، التهاب و جلوگیری از مرگ بافت شود [1].
بنابر اعلان سازمان جهانی بهداشت، پدیده قرارگیری در معرض امواج الکترومغناطیس چندان جدید نیست. اگرچه در سال‌های اخیر، با افزایش تجهیزات الکترونیکی، پیشرفت فناوری و تغییر نوع زندگی افراد، تشعشعات محیطی به دلیل ایجاد میدان‌های الکترومغناطیسی ساخته بشر در حال توسعه است [2].
امواج الکترومغناطیس بشرساخت می‌تواند ناشی از تولید یا انتقال الکتریسیته، تجهیزات خانگی، صنعتی، مخابراتی، رادیو و تلویزیون باشد. تداخل امواج الکترومغناطیس سبب ایجاد خطا در دستگاه‌های دقیق می‌شود. از سوی دیگر، قرارگیری افراد در معرض تشعشع امواج الکترومغناطیس ممکن است منجر به آسیب‌های فیزیکی، تحریک اعصاب و عضلات و تغییر در روند کار سلول‎های عصبی شود [3]. لرزش مولکول‌ها و تولید حرارت در اثر ورود امواج الکترومغناطیس به اندام، ممکن است سبب توقف روند تولید DNA و RNA در سلول یا فعالیت شیمیایی غیرعادی سلول و تولید سرطان شود [4].

2- مواد محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس
در گذشته، از لایه‌ای فلزی به منظور محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس استفاده می‌شد و در سال‌های اخیر، علاوه بر لایه‌های فلزی، از پلیمرهای هادی به منظور محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس و الکتریسیته ساکن استفاده می‌شود. الیاف متداول نساجی خواص ایزوله کردن کافی با مقاومتی در حدود Ωcm-21015 دارند، که بیش از مقاومت مورد نیاز برای کاربردهای محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس (109 تا 1013 Ωcm-2) و الکتریسیته ساکن (کمتر ازΩcm-2 102) است. از این‌رو، پارچه‌های هادی به منظور بهبود خاصیت محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس تولید می‌شوند [4]. پایه مکانیزم بهبود خاصیت محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس، انتقال بار (الکترون یا حفره) است. به عبارتی دیگر، مواد محافظ باید شامل دوقطبی (dipoles) الکتریکی/مغناطیسی باشد تا توانایی برهمکنش با میدان الکترومغناطیسی را داشته باشد. دوقطبی الکتریکی مانند ذرات کربن و BaTiO3 بر روی منسوج، ثابت دی‌الکتریک بالایی را نشان می‌دهد. در حالی که، دوقطبی مغناطیسی بر روی بستر فرومغناطیسی (ferromagnetic) مانند مواد فریتی (ferrite) و Fe3O4، تروایی مغناطیسی بالایی را تشکیل می‌دهد. به عبارتی دیگر، مواد با ثابت دی‌الکتریک بالا انرژی الکتریکی را جذب کرده و به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند، در حالی‌که مواد با تراوایی مغناطیسی بالا انرژی مغناطیسی جذب شده را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند [5].
 
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. روش‌های مختلف بهبود خاصیت محافظت منسوجات در برابر امواج الکترومعناطیس

1-2- فلزات
فلزات به دلیل هدایت و پایداری، بهترین محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس بوده، لیکن این مواد اغلب گران‌قیمت و سنگین هستند و ممکن است در حین کاربرد دچار انبساط و اکسید شدن، یا مشکلاتی نظیر خوردگی شوند. در مقابل اغلب پارچه‌های تهیه شده از الیاف مصنوعی از لحاظ الکتریکی ایزوله بوده و میدان الکترومغناطیسی را انتقال می‌دهند [3].

2-2- پارچه‌های رسانا
در سال‌های اخیر، پارچه‌های رسانا به دلیل ایجاد خواص محافظتی در برابر میدان الکترومغناطیس و ضدالکتریسیته ساکن، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. این امر به دلیل قابلیت انعطاف و سبک وزن بودن پارچه‌ها است. پارچه‌های رسانا از الیاف رسانا یا از طریق تکمیل منسوج با استفاده از مقدار کمی مواد رسانا نظیر کربن، تهیه می‌شوند. برای رسیدن به اهداف مذکور می‌توان از روش‌های زیر استفاده کرد:

1- دیسپرس کردن ذرات رسانا قبل (مستربچ) یا در هنگام اکسترود کردن الیاف مصنوعی
2- پوشش‌دهی بر سطح منسوج
3- مخلوط کردن الیاف مصنوعی متداول با الیاف رسانای کربن، فلزات یا اکسیدهای فلزی در حین فرآیند بافندگی یا سایر روش‌های تهیه منسوج
در روش اکسترود کردن مواد رسانا، چالش اصلی ایجاد یکنواختی و قرارگیری ماده رسانا در سطح الیاف است. در روش پوشش‌دهی، ایجاد هدایت الکتریکی مطلوب بدون تغییر محسوس در خواص ماده زمینه امکان‌پذیر است. البته در بعضی موارد ممکن است به منظور پوشش‌دهی نیاز به استفاده از حلال‌های سمی باشد. این مواد را که اغلب از نوع فلزات و پوشش‌های پلیمری رسانا هستند، می‌توان بر سطح الیاف، نخ و پارچه اعمال کرد [3].
از آن‌جایی‌که تولید پارچه‌هایی با خواص فیزیکی و مکانیکی مناسب با محافظت بالا در برابر امواج الکترومغناطیس، مورد نیاز کارگران سیستم‌های الکتریکی صنعتی است، پژوهشگران درباره استفاده از الیاف پلی آرامید به منظور بهبود محافظت لباس اپراتورهای دستگاه‌های ریخته‌گری و گرمایشی در برابر حرارت فوق بحرانی و امواج الکترومغناطیس تحقیقات گسترده‌ای انجام داده‌اند. پارچه مذکور متشکل از الیاف فلزی بسیار نازک 0/008 میلی متری) و الیاف آرامید با کارایی بالا است. در روشی دیگر، از چاپ کردن مواد رسانای مختلف از جمله پلی پیرول یا اتصال رشته‌های مس برای تولید منسوج رسانا استفاده شده است [3].
در پژوهش‌های مختلف از پلیمرهای رسانا از جمله پلی آنیلین به منظور محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس استفاده شده است. برای مثال الیاف پنبه با پلیمرهای رسانا از طریق روش پلیمریزاسیون فاز گازی پوشش داده می‌شود، در فرایند پلیمریزاسیون از FeCl3 به عنوان آغازگر استفاده می‌شود. تأثیر غلظت آغازگر بر خواص مکانیکی، الکتریکی، مورفولوژی (ریخت‌شناسی) و میزان محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس بررسی شده است. از الیاف تکمیل شده می‌توان برای بافت منسوج استفاده کرد، لیکن پلیمرهای رسانا اغلب خواص مکانیکی ضعیفی داشته و گران قیمت هستند [6]. از جمله پلیمرهای رسانای دیگری که امکان استفاده به عنوان پوشش بر سطح منسوجات را دارند می‌توان به پلی پیرول (polypyrrole) و پلی تیوفن (polythiophene) یا دیگر مشتقات پلیمری با زنجیره‌هایی با پیوند (π-conjugated chains) نیز اشاره کرد. بدین ترتیب پلیمریزاسیون درجای آنیلین و پیرول بر سطح پارچه‌های پلی استری و نایلونی با خواص مکانیکی ضعیف پارچه پوشش داده شده، گزارش شده است [5].
محدودیت‌های موجود برای منسوجات رسانای محافظ در برابر امواج الکترومغناطیس به سه بخش ذیل تقسیم می‌شوند:

1. فاکتور محافظت: میزان تقلیل شدت میدان الکترومغناطیسی برای لباس‌های محافظ حدود 30 دسی بل گزارش شده است.
2. نوع مواد:
• استفاده از فولاد ضد زنگ در الیاف ممکن است منجر به تقلیل محافظت شود.
• فنآوری رسوب خلأ که در تکمیل مواد رسانا بر منسوجات استفاده می‌شود، محدود به مواد خاصی است.
• روش چاپ به دلیل اختلال در عملکرد سطح مواد، منجر به آسیب‌رسانی به لایه محافظ و کاهش عملکرد محافظت در برابر میدان الکترومغناطیس می‌شود.
• استفاده از رشته‌های مسی، احتمال اکسید شدن، افزایش مقاومت الکتریکی و کاهش عملکرد منسوج محافظ را در پی دارد.
3. وزن منسوج محافظ: فولاد ضد زنگی که در لباس‌های محافظ استفاده می‌شود، وزن منسوج را افزایش داده و همچنین راحتی منسوج را به شدت کاهش می‌دهد [3].

3-2- نانوساختارها
با توجه به مشکلات استفاده از فلزات و پلیمرهای رسانا در بهبود خواص محافظتی منسوجات، استفاده از نانوذرات به عنوان لایه بسیار نازک بر روی منسوجات اهمیت ویژه‌ای یافته‌اند. از این‌رو پژوهشگران به استفاده از نانوساختارهای فلزی در بهبود خواص محافظتی در برابر امواج الکترومغناطیس روی آوردند.
به‌کارگیری نانوذرات و هیدروکسیل آپاتیت (TiO2 , ZnO و Fe2O3) با دیگر مواد آلی/غیرآلی بر سطح منسوجات، علاوه بهبود خواص ثبات سایشی، دفع آب و ضدمیکروبی، توانایی محافظت در برابر پرتوفرابنفش، الکترومغناطیس و مادون قرمز را نیز افزایش می‌دهد. نانوذرات با clinoptilolite، یک نوع سیلیکات معدنی میکرومتخلخل با پیکربندی بلوری و ساختار تتراهدرال، بر روی پارچه پنبه‌ای تکمیل شده است. این پارچه تکمیل شده به عنوان لباس محافظ در برابر تشعشعات رادیواکتیو کاربرد دارد [5].
اخیراً تکمیل الیاف مصنوعی با نانوذرات نقره توانایی محافظت بالایی را در برابر امواج الکترومغناطیس ایجاد کرده است. این روش همچنین راحتی لازم را برای فرد حین استفاده از لباس ایجاد می‌کند. استفاده از نانوذرات نقره به جای فولاد ضد زنگ مزایایی از جمله کاهش وزن، حفظ خواص مکانیکی منسوج و پایداری بالا را در پی دارد. بدین منظور می‌توان از نانوذرات فلزی از جمله مس، نیکل یا ترکیبی از این مواد نیز استفاده کرد [5].
در میان ذرات فلزی، نانوذرات مغناطیسی بهترین گزینه برای کاربردهای محافظت در برابر امواج الکترومغناطیسی به شمار می‌روند. به این منظور، روش‌های مختلفی برای سنتز و به کارگیری نانوذرات مغناطیسی از جمله بارگذاری لومن (lumen loading)، خیس کردن اضافی مستقیم (direct wet end addition)، نانوپوشش دهی الیاف یا سنتز درجای نانوذرات بر منسوج وجود دارد [7].
با توجه به آسان بودن عملیات سنتز درجای نانوذرات بر روی منسوجات، این روش برای ایجاد خواص چندگانه بر منسوجات، توجه بسیار زیادی را به خود معطوف داشته است. پارچه پلی استر با خواص چندگانه محافظت در برابر میدان مغناطیسی، ضدمیکروبی و فعالیت کاتالیستی با روش سنتز درجای نانوذرات مغناطیسی آهن (magnetite and hematite) با استفاده از کلرید آهن، سولفات آهن و سدیم هیدروکسید تهیه شده است. این فرایند در دو مرحله در دمای متفاوت °100C و °130C انجام شد و در نتیجه نانوذرات Fe3O4 و α-Fe2O3 به دست آمد. عمل کردن پارچه با مگنتیک و هماتیت، پتانسیل کاربرد در موارد محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس با پایداری بالا، خاصیت ضدمیکروبی عالی و بهبود فعالیت کاتالیستی برای رنگزدایی را داراست. با توجه به خواص بسیار مناسب این منسوجات، به دلیل رنگی بودن نانوذرات مغناطیسی، کاربرد آن‌ها در تولید منسوجات با رنگ روشن محدود است [8].
همچنین استفاده از نانولوله‌های کربنی، گرافیت و گرافن به عنوان جایگزینی برای فلزات با دانسیته بالا معرفی شده‌اند. کاربرد میکروالیاف گرافیت بر پایه کامپوزیت رزین اپوکسی برای محافظت در برابر تشعشع ایکس و گاما گزارش شده است. همچنین در مطالعات اخیر، پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا (UHMWPE) به عنوان جز تقویت‌کننده در کامپوزیت نانواپوکسی در مقابله با یون‌های سنگین پرانرژی گزارش شده است [5].

3- بحث و نتیجه‌گیری
با توسعه صنعت الکترونیک و کاربرد روزافزون محصولات الکترونیکی مشکلاتی از جمله تداخل امواج الکترومغناطیسی از دستگاه‌های الکتریکی و مشکلات بهداشتی ناشی از تشعشع این امواج پدید آمده است. در این مقاله به بررسی خواص، انواع امواج الکترومغناطیس و کاربرد مواد و نانوساختارهای مختلف در تکمیل منسوجات محافظ در برابر امواج پرداخته شد.

منابـــع و مراجــــع

[1] W.P. Limited, Functional textiles for improved performance , protection and health, 2011.

[2] T. Author, Electromagnetic shielding properties of woven fabrics made from high-performance fibers, (2014).

[3] L. Vojtech, Design of Radiofrequency Protective Clothing Containing Silver Nanoparticles, 5 (2013) 141–147.

[4] Richard A. Scott, Textiles for Protection, 2005.

[5] G. Rosace, Radiation protection finishes for textiles, 2015

[6] Z. Yildiz, I. Usta, Investigation of the Electrical Properties and Electromagnetic Shielding Effectiveness of Polypyrrole Coated Cotton Yarns, 2 (2013) 32–37.

[7] D. Fragouli, I.S. Bayer, R. Di Corato, R. Brescia, G. Bertoni, C. Innocenti, et al., Superparamagnetic cellulose fiber networks via nanocomposite functionalization, J. Mater. Chem. 22 (2012) 1662.

[8] T. Harifi, M. Montazer, In situ synthesis of iron oxide nanoparticles on polyester fabric utilizing color, magnetic, antibacterial and sono-Fenton catalytic properties, J. Mater. Chem. B. 2 (2014) 272.