برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۰۱۳
  • بازدید این ماه ۱۶۵
  • بازدید امروز ۷
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۸
  • قبول شدگان ۱۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
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 فناوری پلاسما در صنعت نساجی

در صنعت نساجی، فناوری پلاسما در شرایط خشک (بدون استفاده از حلال)، روشی زیست‎سازگار و دوست‌دار محیط زیست در تکمیل منسوجات به شمار می‌رود. این عملیات تکمیلی، بدون تغییر در خواص توده الیاف و پلیمر، خواص سطحی منسوج را بهبود می‎بخشد. به‌دلیل حساسیت الیاف و پلیمرهای نساجی به حرارت بالا، استفاده از پلاسما اتمسفری بدون حرارت (atmospheric non-thermal plasmas) برای تکمیل منسوجات بیشتر مورد استفاده قرار می‎گیرد. در دهه اخیر، فناوری پلاسما زمینه مناسبی را به‌منظور اصلاحات سطحی منسوجات در ابعاد نانو فراهم کرده است. در این مقاله، پس از شناخت و تعریف فرایند پلاسما، به روش‎های استفاده از این فناوری در نساجی به منظور تکمیل نانویی کالای نساجی پرداخته خواهد شد.

1. مقدمه

filereader.php?p1=main_cfcd208495d565ef6

1.1. تعریف پلاسما و فناوری پلاسما
پلاسما به عنوان حالت چهارم مواد شناخته می‌شود. پلاسما گاز شبه خنثایی متشکل از تعدادی اتم‎ها و مولکول‎های یونی و رادیکال‎های برانگیخته است که یک یا چندین الکترون از دست داده‎اند یا به دست آورده‎اند. همچنین الکترون‎های آزاد و فوتون‎ها نیز در حالت پلاسما وجود دارند. از این‌رو محیطی پرانرژی و رسانا را تشکیل می‎دهد. پلاسما به دو دسته بدون حرارت (سرد) و حرارتی (گرم) تقسیم می‎شود که پلاسما سرد با استفاده از روش‎هایی از جمله تخلیه کرونا (Corona discharge)، تخلیه مانع دی‌الکتریک (Dielectric barrier discharge) و تخلیه تابشی (Glow Discharge) به دست می‎آید [1]. در حالی‌که پلاسمای گرم به وسیله روش‎هایی از جمله تخلیه بار الکتریکی DC یا AC (سوختن آزاد، جرقه پالسی و انتقالی، مشعل پلاسما، لامپ)، لیزر، تخلیه بار مایکروویو و RF در فشار نزدیک اتمسفر تولید می‎شود. در پلاسما گرم، دمای بسیار بالا (در حدود هزاران درجه سلسیوس) ایجاد می‎شود که در پدیده‎های طبیعی از جمله ستارگان، شفق شمالی و دیگر اجرام آسمانی مشاهده می‎شود. به این دلیل که کالای نساجی و پلیمری توانایی تحمل این دما را نداشته و تخریب می‎شود، معمولاً از پلاسما سرد با دمایی نزدیک دمای محیط برای اصلاح خواص سطحی منسوجات استفاده می‌شود [2].

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: افزایش انرژی در حالت‎های مختلف مواد [2]

از آن‎جایی‌که پلاسما از تخلیه بار الکتریکی بین دو الکترود در محیطی انباشته از گاز به دست می‎آید، نوع و فشار گاز در آن حائز اهمیت است. گاز مورد استفاده معمولاً ترکیبی از گازهای نجیب، نیتروژن، هوا و اکسیژن است. گازی که در محیط اعمال می‎شود می‎تواند در شرایط فشار محیط اتمسفری یا کمتر از آن باشد. پلاسما در فشار کمتر از اتمسفر، به دلیل استفاده از پمپ خلأ، گران‌تر از روش متداول در شرایط محیط اتمسفری است اما فشار کم گاز سبب ایجاد یکنواختی خواص در حجم زیادی از گاز می‎شود. از آن‎جایی‌که برای کاهش فشار گاز باید تجهیزات در محفظه خلأ قرار بگیرند، استفاده از روش پیوسته برای تکمیل منسوجات در این حالت مقدور نیست [1].
چهار روش اصلی از پلاسما با فشار اتمسفری برای عملیات تکمیلی در منسوجات استفاده می‎شود [2] که در ادامه به شرح مختصری از هرکدام پرداخته خواهد شد و مثال‎هایی از این فرایند در تکمیل نانو منسوج آورده شده است.

1- کرونا فناوری قدیمی استفاده از پلاسما است که برای اصلاح سطح پلیمرها استفاده می‌شود. تخلیه بار کرونا معمولاً از تولید در فشار اتمسفری به وسیله فرکانس پایین و ولتاژ بالا (10–15 kV) بین دو الکترود با شکل و اندازه متفاوت ایجاد می‎شود. چگالی انرژی تخلیه بار با تغییر فاصله الکترودها به سرعت افت می‎کند، که این امر باعث تغییرات اساسی در ضخامت مواد، سرعت و یکنواختی عملیات می‎شود. عملیات کرونا باعث افزایش مساحت جانبی الیاف و زبری سطح می‎شود ولیکن به دلیل یونیزه شدن ضعیف، عملیاتی نایکنواخت با عدم نفوذ مناسب در الیاف و همراه با سست شدن ساختار الیاف است [2].

2- تخلیه مانع دی‌الکتریک در هوا DBD (Dielectric barrier discharge) یکی از مؤثرترین منابع تولید پلاسمای اتمسفری سرد است که در صنعت نساجی، به دلیل قابلیت اصلاح منسوج در مقیاس صنعتی، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این روش سطح الکترودها با لایه دی‌الکتریک پوشیده شده است تا سرعت انتقال بار به سطح الکترود افزایش یابد [2].

3- تخلیه تابشی (Glow Discharge) به وسیله ولتاژ پایین و فرکانس بالاتر در مقایسه با پلاسمای DBD تولید می‎شود و خواص آن نسبتاً در مدت طولانی‎تر و یکنواخت‎تری ایجاد می‎شود؛ این روش چگالی توان فضایی (areal power densities) پایین تا متوسطی را ایجاد می‎کند که از حرارت بر روی سطح و تخریب جلوگیری می‎کند [2].

4- جت پلاسما فشار اتمسفری (Atmospheric pressure plasma jet (APPJ)) که ملایم‎تر از مشعل پلاسما است. جت پلاسما قابلیت تولید گاز فعال یکنواخت و اعمال بر روی هر شکلی از مواد را داراست. البته از این روش برای اعمال پلاسما بر یک طرف کالا که در مقابل جت است، استفاده می‎شود [3و2].

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2 - طرح‎واره پلاسما بر روی سطح مواد [3]

2.1. برهم‎کنش پلاسما با سطح مواد
به منظور ارزیابی فرایند پلاسما بر روی منسوجات در ابتدا به بررسی راه‎های برهم‎کنش پلاسما با سطح مواد پرداخته خواهد شد. ذرات باردار (یون‎ها و الکترون‎ها) و همچنین اتم‎ها و مولکول‎ها، رادیکال‎ها و فوتون‎های موجود در پلاسما توانایی برهم‎کنش با سطح مواد را دارند. به غیر از فوتون، ضخامت تأثیر این ذرات حداکثر به حدود 10 نانومتر می‎رسد. در نتیجه پلاسما فقط می‎تواند لایه نازکی از مواد را تغییر دهد. از این‌رو توده مواد تغییر نکرده و فقط اصلاح سطح مواد انجام می‎شود. آلودگی‎های سطحی بر روی اصلاح سطحی به کمک فناوری پلاسما تأثیر به سزایی خواهند داشت [1].
در اصل، برهم‎کنش ذرات پلاسما با سطح، توانایی اضافه کردن یا جدا کردن مواد را از سطح ماده می‎دهد. از این‌رو، از عملیات پلاسما بر روی سطح می‌توان به منظور تمیزکاری، حکاکی کردن (etching) و/یا استرلیزاسیون استفاده کرد. در صنعت نساجی نیز با بهره‌گیری از این خاصیت، امکان آهارگیری از سطح الیاف، استریل کردن منسوجات یا تکمیل ضدجمع‌شوندگی منسوج پشمی به وجود آمده است. همچنین به‌منظور عامل‎دار کردن، فعال‌سازی یا تکمیل و پوشش‌دهی سطح منسوج از عملیات پلاسما بهره می‌برند. در ادامه به بررسی خواص منسوجات تکمیل شده با فرایند پلاسما پرداخته خواهد شد [1].
 
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3 - طرح‎واره برهم‎کنش سطح با پلاسما [1]

• فعال‌سازی سطح به افزایش موقتی انرژی سطحی منسوج گفته می‌شود. عملیات فعال‌سازی کالای نساجی به خصوص منسوجات مصنوعی (پلی پروپیلن، پلی اتیلن ترفتالات) با انرژی سطحی پایین با کمک پلاسما، تمایل جذب (affinity) سطح را افزایش می‎دهد. این عملیات بر پایه القای اکسیژن و تشکیل گروه‎های عاملی نظیر OH, =O و COOH خواهد بود. این گروه‌ها به دلیل انرژی حرارتی، تمایل به نوآرایی ساختاری دارند. در نتیجه، این عملیات دائمی نبوده و بلافاصله پس از آن باید عملیات سطحی دیگری برای تکمیل منسوج انجام شود [1].
 
• عامل‌دار کردن، به پیوند زدن (grafting) گروه عاملی بر روی سطح منسوج گفته می‌شود. نمونه متداول این فرایند، استفاده از گروه‎های بر پایه نیتروژن (آمین، آمید و ...) بر سطح منسوجات است. در این روش لایه دائمی اولیه بر روی سطح قابل تشخیص است. این فرایند با استفاده از روش جت پلاسما یا DBD با کمک نیتروژن به عنوان گاز فرایند انجام می‎شود [1].

• تکمیل/پوشش‌دهی پلاسما، به قراردادن لایه نازکی (در حدود چند نانومتر) از یک پوشش بر روی سطح گفته می‌شود. این لایه نازک از طریق تجهیزات پلاسما از جمله کرونا، پلاسما جت و DBD، در ترکیب با بخار حاصله از محلول مواد اولیه به دست خواهد آمد. مواد اولیه مطابق با نیاز انتخاب می شوند. این مواد کاربردهایی از جمله خواص روغن‌گریزی (oleophobic)، ضد آتش یا خواص ضدباکتری دارند. استفاده از میزان مواد افزودنی بسیار کم، مهم‎ترین مزیت این روش است (برای مثال جهت به دست آوردن خاصیت ضدمیکروبی بر منسوج، 0.2 گرم بر متر مربع ماده لازم است). در این عملیات خواص عمومی منسوج (زیردست، نرمی و انعطاف‌پذیری) بدون تغییر باقی می‎مانند. از این‌رو گاهی اوقات به این روش، تکمیل نامرئی (invisible’ finishing) نیز گفته می‎شود [1].

3.1. آثار فرایند پلاسما بر منسوجات

به طور کلی با توجه به شرایط عملیات و تجهیزات فرایند، می‎توان چهار اثر کلی از عملیات تکمیلی پلاسما بر روی مواد (پارچه، پلیمر، غشا و لایه‎ها) انتظار داشت.
1- اثر تمیزی: تغییر در خواص خیس‌شوندگی و تغییر گروه عاملی مواد بر سطح که در نهایت افزایش جذب ماده رنگزا و عامل تکمیلی از جمله مواد آب‌گریز برای افزایش خاصیت تمیزشوندگی را در پی خواهد داشت.
2- افزایش میکروزبری (micro roughness): این خاصیت می‎تواند خاصیت چسبندگی عامل تکمیلی را افزایش داده و همچنین باعث تکمیل ضد نمدی شدن کالای پشمی شود.
3- تولید رادیکال آزاد: رادیکال‎های آزاد ایجاد شده بر روی سطح امکان برقراری پیوندهای بین شبکه‌ای و پیوندزنی در طول فرایند پلیمریزاسیون را فراهم آورده و همچنین در اثر واکنش با اکسیژن یا مواد چربی‌دوست، سبب ایجاد خاصیت آب‌دوستی یا آب‌گریزی بر سطح شوند.
4- پلیمریزاسیون پلاسما: امکان قرارگیری پلیمر جامد با خواص مطلوب را بر سطح منسوج فراهم می‎کند. پلیمریزاسیون پلاسمایی به‌عنوان روشی با ارزش برای تشکیل مواد جدید و اصلاح سطح مواد، کاربردهای زیادی در نساجی دارد. در پلیمریزاسیون پلاسمایی تبدیل مونومر به مولکول‎هایی با وزن مولکولی زیاد (پلیمر) به کمک ذرات پرانرژی پلاسما مانند الکترون‎ها، یون‎ها و رادیکال‎ها صورت می‎گیرد. در این فرایند، پلیمریزه کردن مونومرهای گازی و رسوب آن‎ها بر روی بستر کالای نساجی انجام می‎گیرد. همچنین در روش دیگری، پلیمریزه کردن مونومرهای مایع بر روی سطح کالا انجام می‎شود. در این روش، ماده مونومر خود نقش بستر را بازی می‎کند و در معرض پلاسما غیرشیمیایی گاز خنثی، قرار می‎گیرد. با قرار گرفتن در معرض پلاسما، مونومرها بر روی سطح کالا پلیمریزه می‎شوند [4].

استفاده از فناوری پلاسما در صنعت نساجی، خواص ویژه‎ای در منسوج اصلاح شده ایجاد خواهد کرد که برخی از این خواص عبارتند از:
1- ایجاد خواص آب‌دوستی
2- افزایش قابلیت چسبندگی به سطح
3- تأثیر بر فرایند چاپ و رنگرزی منسوج
4- تغییر خواص رسانایی الکتریکی الیاف و بهبود خواص ضدالکتریسیته ساکن
5- ایجاد خواص آب‌گریزی و روغن‌گریزی
6- کاربرد عوامل ضدمیکروبی
7- کاربرد عوامل کندسوزکنندگی آتش
8- عملیات ضدجمع شوندگی پشم
9- استرلیزه کردن
10- آهارزدایی پنبه
11- ....
که در این میان بیشترین ثبت اختراع در مورد استفاده از فناوری پلاسما برای آب‌گریز کردن کالای نساجی بوده است [1].

4.1. استفاده از پلاسما برای تکمیل نانویی منسوجات

اغلب مقالات عملیات پلاسما را به عنوان پیش عملیات برای اصلاح خواص سطحی منسوجات و سپس انجام عملیات اصلی تکمیل بر منسوج گزارش کرده‎اند. در پژوهشی مشاهده شده است که پیش عملیات پارچه بی‌بافت با پلاسمای هوا در فشار اتمسفری، یکنواختی نشستن لایه نانوساختار Fe2O3 را افزایش داده و در نتیجه، پارچه تکمیل شده با نانوساختار Fe2O3 از پایداری مناسب و ثبات شستشویی بالایی برخوردار شده است.
در روشی دیگر، از پلاسمای نیتروژن و سپس نانوذرات رس برای افزایش خواص کندسوزکنندگی پارچه پنبه‎ای استفاده شد. در واقع، طول خاکستر در این روش 12 درصد افزایش یافته است که نشان‎دهنده بهبود خاصیت کندسوزی نمونه تکمیل شده با پلاسما و نانورس در مقابل شعله آتش است. بهبود خاصیت کندسوزی مربوط به تجزیه سریع‎تر نانوذرات رس برای تشکیل خاکستر است که از انتقال گرما، انرژی و اکسیژن بین شعله و پارچه پنبه‎ای جلوگیری می‎کند.
هاشمی زاد و همکارانش با استفاده از 0.2 درصد نانوذرات TiO2 بر روی پارچه پلی استری اصلاح شده با پلاسمای اکسیژن RF، به خاصیت محافظت در برابر پرتو فرابنفش مطلوب بعد از 10 بار تکرار شست‌وشو دست یافته‌اند. در روشی دیگر، نانوذرات TiO2 بر پارچه اصلاح شده با پلاسمای RF آرگون و اکسیژن برای بهبود خواص خودتمیزشوندگی استفاده شده است. نتایج نشان می‎دهد که فعال‌سازی سطح پلی استر با پلاسما، قرارگیری نانوذرات کلوییدی TiO2 را بر روی سطح الیاف افزایش داده است. در نتیجه خاصیت فوتوکاتالیستی مناسب‌تری در منسوج پدید آمده است. همچنین نتایج این مقاله نشان داده است که پیش عملیات با پلاسمای اکسیژن بر روی پارچه پلی استری نسبت به پلاسمای آرگون، به منظور ایجاد خاصیت فوتوکاتالیستی، مناسب‌تر بوده است [5].
با استفاده از فناوری پلاسما می‎توان خصوصیات جدیدی در منسوجات ایجاد کرد که با استفاده از روش‎های متداول ایجاد این خواص امکان‌پذیر نیست. سطح نانوساختاری بر روی الیاف طبیعی و مصنوعی را به راحتی می‎توان با این فناوری ایجاد کرد. اصلاح سطحی منسوجات طبیعی مانند پشم با استفاده از پلاسما به‌منظور فلس‌زدایی گزارش شده است. همچنین در پژوهشی الیاف لایوسل به مدت 5 دقیقه تحت حکاکی پلاسمای اکسیژن و سپس 30 ثانیه تحت پلیمریزاسیون پلاسمایی هگزامتیل دی سیلوکسان قرار گرفته‎اند (شکل4). خواص پارچه به ابرآب‎گریزی با زاویه تماس قطره آب بیشتر از 160 درجه رسیده است. نتایج نشان داده است که حکاکی پلاسما اکسیژن زبری‎هایی به اندازه میکرو بر سطح ایجاد کرده است؛ در حالی‌که سوی دیگر پارچه از خاصیت آب‌دوستی برخوردار است [6و5].

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4 : سطح الیاف لایوسل عمل نشده (الف)، سطح الیاف عمل شده با پلاسما و هگزامتیل دی سیلوکسان [5]

همچنین با استفاده از عملیات پلاسما بر روی الیاف آب‌گریز می‎توان پارچه را ضد الکتریسیته ساکن کرد، به‌طوری‌که دیگر نیازی به مواد ضد الکتریسیته ساکن نباشد. بهبود خواص ضد الکتریسیته ساکن منسوجات ناشی از افزایش انرژی سطح به دلیل تشکیل گروه‎های آب‌دوست و افزایش سطح مخصوص به دلیل تشکیل کانال‎های افقی و عمودی در ابعاد نانو بر روی سطوح الیاف است [5].
استفاده از پلاسما کرونا برای پیش عملیات بر پارچه پنبه‎ای و سپس تکمیل با نانوذرات نقره توسط محققان انجام گرفته است. نتایج نشان می‎دهد که پلاسما کرونا خواص ضدمیکروبی بهتری را حتی بعد از 20 بار شستشو در منسوج پدید می‎آورد. به عبارتی دیگر، پلاسمای کرونا عملکرد ضدمیکروبی پارچه را در مقابل میکروارگانیسم‎ها بعد از شستشو بهبود داده چرا که ثبات شستشویی بالایی برای پارچه فراهم کرده است، از این منسوج تکمیل شده با پلاسما و نانوذرات نقره می‎توان برای لباس بیمارستانی استفاده کرد. در روشی دیگر، نانوذرات نقره بر روی پلی آمید اصلاح شده با پلاسمای DBD نشانده شده است. نانوذرات نقره باعث افزایش خواص آب‌گریزی سطح پلی آمید و همچنین بهبود خواص پارچه در مقابل پیر شدن پلاسمایی (plasma aging effect) می‎شود [2].

2. بحث و نتیجه‌گیری
استفاده از موادشیمیایی، آب و انرژی کمتر از جمله مزایای استفاده از روش عملیات پلاسما نسبت به روش‎های متداول تکمیل است. بهره‌گیری از مواد نانوساختار همراه با فرایند پلاسما، امکان تولید منسوجات چندمنظوره را فراهم آورده است. عملیات پلاسما با فعال‎سازی سطح، عامل‎دار کردن و پوشش سطح الیاف می‎تواند خواص کاربردی منسوج را افزایش دهد. از این‌رو، آینده روشنی برای عملیات پلاسما در صنعت نساجی پیش‌بینی می‌شود.

منابـــع و مراجــــع

[1] G. Buyle, “Nanoscale finishing of textiles via plasma treatment,” Mater. Technol., vol. 24, no. 1, pp. 46–51, Mar. 2009.

[2] A. Zille, F. R. Oliveira, and A. P. Souto, “Plasma Treatment in Textile Industry,” Plasma Process. Polym., vol. 12, no. 2, pp. 98–131, Feb. 2015

[3] C. Zhang and X. Zhang, “Nano-modification of plasma treated inkjet printing fabrics,” Int. J. Cloth. Sci. Technol., vol. 27, no. 1, pp. 159–169, Mar. 2015

[4] S. Jafary, S. Khorram, and mohammad-sadegh zakerhamidi, “The Effect of Helium Plasma in a Plasma Polymerization of NOA65 Monomer,” opsi, vol. 21, no. 7. p. 129–132 KW Monomer KW Morphology KW Plasma KW Poly, 2015.

[5] R. A. Jelil, “A review of low-temperature plasma treatment of textile materials,” J. Mater. Sci., vol. 50, no. 18, pp. 5913–5943, Sep. 2015.

[6] N. Karthikeyan, K. A. Vijayalakshmi, and K. Vignesh, “Functionalisation of viscose fabric with chitosan particles using non-thermal oxygen plasma,” Mater. Technol., vol. 31, no. 6, pp. 358–363, May 2016.