ارتقاء خواص محصولات نساجی با استفاده از نانوتکنولوژی

مطالب جدید و خواندنی

ارتقاء خواص محصولات نساجی با استفاده از نانوتکنولوژی

http://up.litemode.ir/up/fashionlite/Video/wrw/3/666921_q3ir3Rf7.jpg

 این مقاله به بررسی کاربردهای نانوتکنولوژی در حوزه مهندسی نساجی جهت ارتقاء محصولات آن می پردازد.   
 
این مقاله به بررسی کاربردهای نانوتکنولوژی در حوزه مهندسی نساجی جهت ارتقاء محصولات آن می پردازد. تولید الیاف نانوکامپیوزیتی به وسیله وارد کردن نانوذرات در ساختار آنها به وسیله شیوه های مخلوط کردن مورد توجه می باشد. هم چنین افزایش خواص منسوجاتی که جهت بهبود خصوصیات آن از نانو استفاده شده امیدبخش آینده ای متفاوت در این حوزه است. با تغییرات سطحی که با استفاده از نانوذرات و نانولایه ها ایجاد می شود می توان رفتارهای خاصی را به محصول القا کنیم. تولید منسوجاتی مانند منسوجات هوشمند، اسفنج های نانوساختار، نانوالیاف پلیمری خاص و تولید نانوالیاف پلیمری که به وسیله کربن نانوتیوب تقویت شده زمینه های گسترده ای را پیش روی مهندسی نساجی باز می کند.

● مقدمه

نساجی یکی از زمینه هائی است که نانوتکنولوژی می تواند تأثیرات شگرفی در آن ایجاد کند. نانوتکنولوژی بر این مبنا استوار است که با کاهش اندازه ذرات تا نانومتر خواص به دست آمده به طور قابل توجهی افزایش می یابد. گستره وسیعی از خواص مورد نظر در زمینه های مختلف نساجی به وسیله استفاده از مواد و تکنیک های نانوتکنولوژی به دست می آید. به وسیله استفاده از نانومواد می توان کارائی بسیاری از تکمیل های شیمیائی مانند ضدچرک، ضدآب، آنتی استاتیک، ضدچروک، ضد جمع شدگی، ضدمیکروب و بهبود تنفس پذیری پوشاک را ارتقا داد. خواص سطحی یکی از پارامترهای تعیین کننده خصوصیات هر محصول می باشد که می توان با پوشش های نانومتری آن را اصلاح کرد. برای مثال جهت خلق الیاف تطبیق پذیر با محیط نانولایه های پلیمری که رفتار خاصی نسبت به محرک های مختلف از خود نشان می دهند استفاده می شود. نانوذرات به وسیله روش هائی مانند روکش دهی با اسپری و الکتروستاتیک توانائی چسبیدن به سطح را دارا می باشد. تولید الیاف نانوکامپوزیتی باعث شده است تا مهندسی الیاف به سمت شناسائی ساختارها و خواص این الیاف گام بردارد. تغییرات رفتار مذاب پلیمرهای مورد استفاده در تولید الیاف با اضافه شدن نانوذرات به آن باعث طراحی فرآیندهای نانو شده است. تقویت الیاف با نانومواد باعث طراحی فرآیندهای نانو شده است. تقویت الیاف با نانومواد باعث افزایش استحکام، مدول، مقاومت در برابر آتش، افزایش طول عمر، افزایش عبور جریان الکتریکی و بسیاری دیگر از خواص مطلوب مورد نظر می شود. تولید نانوالیاف باعث خلق کاربردهای جدیدی در حوزه نساجی شده است. به وسیله این نانوالیاف می توان محصولات بی بافتی جهت استفاده در فیلترها، محصولات پزشکی، کاربردهای نظامی و غیره به دست آورد. شکل (۱) کاربرد نانوتکنولوژی در حوزه تولید لباس های بازارپسند و هم چنین لباس های محافظ را نشان می دهد.

● نانوتکنولوژی

 
 
 
 
 

نانوتکنولوژی نقطه تلاقی اصول مهندسی، فیزیک، زیست شناسی، پزشکی و شیمی می باشد که به عنوان ابزاری نیرومند برای کاربرد در این علوم مختلف و غنی سازی آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جدید می باشد. نانوتکنولوژی منجر به انقلاب فناوری در هزاره جدید می شود به نحوی که جهان را تحت تأثیر خود قرار می دهد. اصول نانوتکنولوژی چینش اتم هاست که با دقت فراوان و روش های کنترل شده جهت ایجاد ساختمان مواد به کار گرفته می شود. هنگامی که اندازه ذرات یک ماده در مقیاس نانو قرار می گیرد بسیاری از خصوصیات آن ماده عوض می شود. برای مثال طلائی که ذرات آن یک نانومتر عرض دارند قرمز رنگ به نظر می رسند. همان طور که در شکل (۲) ملاحظه می گردد نانوتکنولوژی دارای دو رویکرد بالا به پائین و پائین به بالا است. رویکرد بالا به پائین شامل تولید محصول به وسیله شکل دهی و حذف قسمتی از توده ماده اولیه می باشد در حالی که رویکرد پائین به بالا تولید محصول به وسیله ایجاد ساختارهای نانومتری مورد نظر به وسیله روش های خاص می باشد.

● نانوتقویت کننده ها

 
 
 
 
 

انواع مختلفی از نانوتقویت کننده ها وجود دارند که جهت ارتقاء محصولات نساجی به کار می روند. این نانومواد یا در ساختار پلیمری الیاف و یا روی سطح مورد استفاده قرار می گیرند.

● نانو لوله های کربنی (CNTs)

یکی از پدیده های نوظهور در مقیاس نانو، نانو لوله های کربنی هستند که دارای ساختار سیلندری و قطری یکی تا صد نانومتر می باشند. شکل (۲) نانو لوله های کربنی به واسطه نسبت طول به قطر بسیار بالای خود دارای خواص فوق العاده ای می باشند. نانو لوله های کربنی دارای استحکام بسیار بالائی هستند به طوری که استحکام آن تقریباً هزار برابر فولاد می باشد. هم چنین هدایت حرارتی نانو لوله های کربنی از همه مواد موجود به جز الماس خالص بیشتر است. نانو لوله های کربنی دارای هدایت الکتریکی بسیار خوبی می باشند به نحوی که قادر هستند جریان های الکتریکی بیشتری را نسبت به مس از خود عبور دهد. خصوصیات فوق العاده نانو لوله های کربنی باعث توجه خاص محققان به این مواد شده است. به طور کلی نانو لوله های کربنی به دو گروه نانو لوله های کربنی تک دیواره و نانو لوله های کربنی چنددیواره تقسیم بندی می شوند.

● نانو الیاف کربنی (Carbon Nano Tubes) (CNTs)

 
 
 

نانو الیاف کربنی نیز مانند نانو لوله های کربنی یکی از گزینه های امیدبخش جهت تقویت انواع مختلف ماتریس های پلیمری می باشند. قطر این نانو ذرات در حدود ۵۰ تا ۲۰۰ نانومتر می باشد. نانو الیاف کربنی نیز خواص حرارتی، الکتریکی و مکانیکی خوبی از خود نشان می دهند. جهت افزایش خواص نانو الیاف کربنی آنها را تحت عملیات های خالص سازی، آسیاب گلوله ای و عملیات سطحی قرار می دهند. در شکل (۳) ساختار یک نوع نانو الیاف کربنی نشان داده شده است.

● نانو کلی ها

نانو کلی ها (Nano Clay) از آلمینوسیلیکات های آبدار تشکیل شده اند. این نانوذرات به دو گروه سیلیکات های لایه ای طبیعی مانند مونت موریلونیت و سیلیکات های لایه ای سنتزی مانند مگادیت، میکا، لاپونیت و فلوروهکتوریت تقسیم بندی می شوند. هر کدام از انواع نانو کلی ها ترکیب شیمیائی و ساختار بلوری متفاوتی دارند. نانو کلی ها دارای مقاومت حرارتی و شیمیائی بالا و توانائی بلوکه کردن اشعه UV هستند. پوسته های سیلیکا دارای یون های مثبت سدیم، کلسیم و پتاسیم روی سطح خود می باشند. ضخامت دو پوسته سیلیکا و پوسته میانی آنها (آلومینا یا مگنسیا) که روی هم یک لایه نانو کلی تشکیل می دهد ۰/۹۵ نانومتر می باشد. جهت پخش یکنواخت نانو کلی در ماتریس پلیمری، زنجیره های پلیمری باید بین لایه های نانو کلی نفوذ کرده و آنها را از هم باز کنند. باز شدن صفحات کلی از هم به دلیل حضور یون های مثبت روی آنها که باعث عدم سازگاری با فاز آلی پلیمر می شود بسیار محدود انجام می شود. جهت رفع این مشکل همان گونه که در شکل (۴) ملاحظه می شود اقدام به تعویض یون های مثبت روی سطح نانو کلی با یون های کاتیونی آلکیل آمونیوم کرده اند.

● نانو ذرات

 
 
 
 
 

نانو ذراتی مانند Mgo، Zno، Al۲o۳، TiO۲ گروهی از اکسیدهای فلزی هستند که دارای قابلیت های فتوکاتالیتیکی، هدایت الکتریکی و جذب UV هستند. هم چنین این مواد دارای قابلیت فتواکسیداسیون و مقاومت در برابر عوامل شیمیائی و بیولوژیکی می باشند. برای مثال با اضافه کردن ZnO به الیاف، الکتریسته ساکن سطح کاهش یافته و لیف حاصل دارای یک سپر محافظتی در برابر UV می گردد. الیاف نانوکامپوزیتی تقویت شده با نانوذرات TiO۲/MgO دارای عملکرد خود استریزاسیون می باشند.

● تغییرات سطحی به وسیله نانو

به وسیله تغییرات سطحی بسیاری از خصوصیات یک محصول مانند خواص اصطکاکی، سایشی، ترشوندگی، چسبندگی، جذب، نفوذ، هدایت الکتریکی را تغییر داد. هنگامی که اصلاحات سطحی به وسیله نانومواد انجام پذیرد به واسطه سطح تماس زیاد نانو اثر تغییرات سطحی بیشتر می گردد. نانو لایه های پلیمری هیبریدی جهت تولید الیاف تطبیق پذیر با محیط به وسیله پلیمرهائی که طبیعت چندگانه دارند مورد استفاده قرار می گیرند. به وسیله استفاده ازا ین مواد قرار دادن چند نوع فیلم پلیمری در یک لایه نازک روی سطح امکان پذیر می باشد. پلی گلیسیریل متا آکریلات (PGMA) به عنوان لایه نگهدارنده به عنوان لایه نگهدارنده جهت قرار دادن عملگرهای پلیمری و آغازگرهای فرایند پلیمری شدن روی سطح مورد استفاده قرار می گیرد. PGMA به علت عامل های اپوکسی خود می تواند با گروه های عاملی متنوعی مانند کربوکسیلیک، هیدروکسی، آمینو و انیدرید روی سطح ثابت باقی بماند. نانو لایه های قرار گرفته روی PGMA با پیام های مختلف رفتارهای متفاوتی از خود نشان می دهند. برای مثال خواص مورفولوژیکی و ترشوندگی لایه های پلیمری هیبریدی متشکل از دو نوع زنجیره های پیوندی پلی استایرن (PS) و پلی وینیل پریدین (PVP) در شکل (۸) آورده شده است.

هنگامی که سطح با تولوئن تماس پیدا کند ماکرومولکول های PS روی سطح قرار می گیرد ولی در صورت تماس سطح با اتانول ماکرومولکول های PVP روی سطح می آیند. این باعث می شود که خواص سطحی پارچه قابل تغییر باشد. همان طور که در شکل (۹) ملاحظه می گردد نانولایه های PGMA و PS نیز در معرض تولوئن و PEK دو رفتار مختلف نشان می دهند.

 
 
 

در نانو لایه های خودآرا (Self Assembeled Nanolayers) (SAN در ابتدا یک نانو لایه به وسیله پیوند شیمیائی روی سطح قرار می گیرد و سپس نانو لایه های دیگر با استفاده از جاذبه الکتروستاتیک به آن اضافه می شوند. منسوجات تولید شده از نانو لایه های خودآرا دارای خواص خودترمیمی هستند. در این نانولایه ها طراحی مولکولی نانومواد مورد استفاده، چگونگی قرار گرفتن نانو ذرات روی سطح، برهم کنش الکتروستاتیک، کنترل دقیق ضخامت و ترتیب قرارگیری نانو لایه بسیار تعیین کننده می باشد. فرآیند خودآرائی با قرار گرفتن سطح مورد نظر در محلولی پلی الکترولیت با بار مخالف انجام می شود که میزان ماده جذب شده به وسیله کنترل دانسیته بار قابل تغییر می باشد. هرگاه سطح مورد نظر در معرض محلولی شامل پلی یون هائی با بار مخالف قرار گیرد لایه ای روی آن می نشیند که تکرار این عمل باعث رشد تدریجی نانو لایه ها همان گونه که در شکل (۱۰) ملاحظه می شود می گردد.

فیلم های کربنی الماس مانند (DLC) نانومتری با ضخامتی بین ۵۰ تا ۷۰ نانومتر به وسیله تکنیک های PECVD (Plasma Enanced Chemical Vapor Deposition) و FCVAـ (Filtered Catodic Vacum Arc) روی سطح الیاف ایجاد می شوند. به وسیله این نانو لایه ها می توان کاربرد پلیمرهائی که به واسطه آسیب پذیر بودن سطح آنها در مقابل خراش، گاز و مواد شیمیائی کمتر استفاده می شوند را افزایش داد. فیلم های نانومتری DLC دارای خصوصیات مناسبی مانند سختی، مقاومت بالا در مقابل مواد شیمیائی و عبور گاز و هم چنین حفظ شفافیت و امکان بازیافت می باشد. تحقیقات گسترده ای در مورد اضافه کردن سیلیکون جهت کاهش تنش های اعمال شده توسط این لایه ها به سطح انجام شده است. این فیلم ها شامل تترا هیدرال آمورفوس کربن (ta c)، هیدروجنیت آمورفوس کربن (a c:H)، سیلیکون دوپت تترا هیدرو آمورفوس کربن (ta c:Si:H) و سیلیکون دوپت هیدروجنیت آمورفوس کربن (a c:H:Si) می باشند. شکل (۱۱) به بررسی تصویرهای میکروسکوب نوری از این فیلم ها روی سطح پلی استر می پردازد.

 
 
 

پوشش های نانومتری پلیمرهای رسانائی چون پلی آنیلین به دلیل خصوصیات خاص خود مانند نانوذرات رسانا باعث افزایش رسانائی الیاف می شوند. شکل (۱۲) خواص الکتریکی محلول پلی آنیلین و الیاف پلی استر پوشش داده شده با پلی آنیلین را با هم مقایسه می کند. هم چنین شکل (۱۳) مرفولوژی الیاف پلی استر پوشش داده شده با محلول PANI DBSA را مورد مطالعه قرار داده است.

تولید منسوجات آنتی باکتریال به وسیله نانو ذرات نقره جهت ارتقاء سطح سلامت جامعه مورد توجه قرار گرفته است. به طور کلی الیاف در مقابل باکتری ها، میکروب ها، قارچ ها مقاومتی ندارند که این امر باعث شده است تا بستر مناسبی جهت رشد آنها باشد. خاصیت آنتی باکتریال نقره از زمان های دور شناخته شده بود اما با کاهش اندازه نقره تا حد نانومتر عملکرد آن دوچندان می گردد. نانو نقره با وجود غیرسمی بودن و عدم تأثیر نامطلوب بر روی پوست بسیاری از عوامل بیماری زا را از بین می برد. شکل (۱۴) نانو ذرات نقره ای را نشان می دهد که روی سطح الیاف پلی استر قرار گرفته اند.

 
 
 
 
 

● الیاف نانو کامپوزیتی

نانو کامپوزیت ها از دو یا چند جزء مجزا از هم تشکیل شده اند که حداقل یک جزء از آنها باید دارای ابعاد کمتر از صد نانومتر باشد. تقویت کننده های نانومتری افزایش خواص مکانیکی، الکتریکی، مکانیکی و شیمیائی را برعهده دارند. ماتریس های پلیمری نیز تقویت کنند ه ها را در برگرفته و علاوه بر محافظت از نانو تقویت کننده ها باعث پخش یکنواخت نیرو می شوند.

هنگامی که بتوانیم نانوکامپوزیت های تولیدشده را به وسیله فرایند ریسندگی به الیاف تبدیل کنیم الیاف نانوکامپوزیتی به دست می آید. اضافه کردن نانو تقویت کننده ها به ماتریس پلیمری باعث پیچیده تر شدن فرایند تولید الیاف می شود. نانو کامپوزیت مذاب رفتار متفاوتی نسبت به پلیمر پایه از خود نشان می دهد که این مسئله بررسی پارامترهای بیشتری را در حین تولید باعث می گردد. برای مثال حضور CNTs که قابلیت هدایت حرارتی بالائی دارد موجب تغییر رفتار لیف در هنگام سرد شدن از حالت مذاب می شود. هم چنین تأثیر کشش بر خواص الیاف به دلیل ساختار نانومتری تشکیل شده در الیاف نانوکامپوزیتی بسیار متفاوت می باشد. انواع نانو کامپوزیت ها را می توان به وسیله قرار دادن نانو تقویت کننده ها در ساختار لیف تولید کرد که طرح شماتیک آن را در شکل (۱۵) ملاحظه می فرمائید.

ارتقاء خواص و افزایش کارائی هدف استفاده از نانو تقویت کننده ها در ماتریس پلیمری الیاف می باشد. برای مثال استفاده از نانو ذرات اکسید روی باعث مقاومت بیشتر در مقابل UV و کاهش الکتریسیته ساکن در الیاف می گردد.

 
 
 
 
 

شیوه های متفاوتی جهت تولید نانو کامپوزیت ها به کار گرفته شده است که شیوه انتخابی به خصوصیات پلیمر ماتریس، نوع ذره تقویت کننده و خواص مورد انتظار بستگی دارد. تولید نانو کامپوزیت به روش در حین پلیمریزاسیون (Insitu Polymerization) شامل مخلوط کردن نانو ذرات با منومرهای پلیمری و سپس پلیمریزاسیون می باشد. تولید نانو کامپوزیت به روش مذاب به وسیله مخلوط کردن مذاب پلیمری با نانو ذرات در یک اکسترودر دومارپیچه انجام می شود.

● تکنیک های مورد استفاده جهت تولید محصولات خاص

با ورود به دنیای نانوتکنولوژی تکنیک های جالبی می توان ابداع کرد تا به وسیله آن محصولات متنوعی تولید شود. جهت تولید نانو ذرات و نانو الیاف، پلیمر مورد نظر را در گاز کربنیک فوق بحرانی به صورت یکنواخت حل می کنند. سپس به وسیله حرارت دادن محلول به دما و فشار معینی می رسد. محلول حاصل با فشار به داخل یک لوله موئی که در محلول آب نمک قرار دارد فرستاده می شود. موادی که از لوله موئی داخل می شوند به صورت نانو ذرات یا نانو الیاف درمی آیند. پارامترهائی چون نوع پلیمر مورد استفاده، دما و فشار محلول، نوع و غلظت نمک مورد استفاده از پارامترهای تأثیرگذار در خصوصیات نانومواد تولید شده می باشد. شکل (۱۷) شیوه فوق را نشان می دهد.

نانو اسفنج های نانو ساختار بدون کاهش خصوصیات مکانیکی باعث سبکی، ایزولاسیون حرارتی و مقاومت بالا در برابر شکنندگی می شوند. با تزریق مقادیر معینی گاز کربنیک فوق بحرانی به پلیمر مذاب و سپس کاهش درجه حرارت ماتریس پلیمری تا مرحله جامد شدن مجموعه ای از نانو حباب ها در محدوده ۱۰ تا ۲۰ نانومتر در ساختار پلیمری ایجاد می شود. جهت کنترل ترمودینامیکی فرایند شکل گیری ساختارهای اسفنجی صورت گرفته است. الیاف حاصله از پلیمرهای اسفنجی نانو ساختار مانند الیاف نانو کامپوزیتی در تجهیزات هوافضا و وسائل ورزشی کاربرد دارند. شکل (۱۸) طرح شماتیک تولید این محصولات را نشان می دهد.

 
 
 
 
 

تولید منسوجات هوشمند یکی از زمینه هائی می باشد که توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است. هنگامی که نانو ذرات را به وسیله روش هائی مانند روکش دهی با اسپری روی سطح بنشانیم توانائی چیدن آنها به شکل مدارهای الکتریکی را خواهیم داشت. منسوجات هوشمند که به وسیله استفاده از نانو حسگرها تهیه شده اند توانائی تبدیل نیروهای مکانیکی را به سیگنال های الکتریکی دارا می باشند. به وسیله این منسوجات امکان بررسی حرکات بدنی و عملکرد قلب یک شخص امکان پذیر می باشد. منسوجات هوشمند به طور گسترده ای مورد توجه صنایع نظامی قرار گرفته است. زیرا این منسوجات قادر به ارائه کمک های اولیه در میدان جنگ به سربازان می باشد. شکل (۱۹) تصویر میکروسکوپ نوری، طرح شماتیک و نمودار ولتاژ جریان یک نانو حسگری که به وسیله نانو لوله های کربنی تک دیواره روی پلی استر ایجاد شده را نشان می دهد.

روش الکتروریسی با استفاده از اختلاف ولتاژ جهت تولید نانو الیاف پلیمری به کار برده می شود. محصولات حاصل از این روش عمدتاً جهت فیلتر و محصولات پزشکی استفاده می گردد. با قرار دادن نانو ذرات خاصی مانند نانو لوله های کربنی در پلیمری که در فرآیند الکتروریسی به نانو الیاف تبدیل می شود خواص فوق العاده ای از محصول نهائی به دست می آید. در این روش عمدتاً نانو لوله ەای کربنی که به روش پلاسما تولید شده و به صورت مستقیم هستند مورد استفاده قرار می گیرند. این گونه الیاف نانوکامپوزیتی خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی فوق العاده جهت کاربردهای نظامی و هوافضا از خود نشان می دهند. شکل (۲۰) نانو لوله های کربنی مورد استفاده و شکل (۲۱) طرح شماتیک استفاده از نانو لوله های کربنی را در الکتروریسی نشان می دهند.

● نتیجه گیری

به طور کلی نانوتکنولوژی ابزار نیرومندی جهت پیشرفت نساجی و شاخه های وابسته محسوب می شود. محصولات تولید شده به وسیله نانوتکنولوژی به واسطه ارتقاء خواص و عملکرد آنها دارای کاربردهای خاصی هستند. تولید انبوه نانومواد برای کاهش هزینه ها جهت ورود نانوتکنولوژی به صنعت و تجاری شدن محصولات آن بسیار مهم می باشد. جهت استفاده از نانوتکنولوژی طراحی فرایندهای نانو به همراه شناخت پارامترهای مؤثر لازم می باشد. نوع نانومواد مورد استفاده، نحوه چیدن آنها روی سطح با تکنیک های خاص و هم چنین چگونگی پیوندشان با سطح تعیین کننده خصوصیات نهائی محصول می باشد. جهت ایجاد نانوساختاری با خصوصیات مطلوب پخش یکنواخت نانومواد در ساختار و پیوندشان با ماتریس پلیمری نیاز می باشد. با ایجاد ریزساختارهای گوناگون با استفاده از نانوتکنولوژی و بررسی تغییرات خواص ایجاد شده می توان دانش فنی تولید الیاف نانو کامپوزیتی را ارتقا داد. خلاقیت در استفاده از نانوتکنولوژی منجر به کشف تکنیک ها و مواد جدیدی می شود که تاکنون فکر تولید آن به ذهن بشر نیز خطور نکرده است.
 
 




loading...

مطالب داغ و دیدنی

ارسال دیدگاه

نام
ایمیل (منتشر نمی‌شود) (لازم)
وبسایت
:) :( ;) :D ;)) :X :? :P :* =(( :O @};- :B /:) :S
نظر خصوصی
مشخصات شما ذخیره شود ؟ [حذف مشخصات] [شکلک ها]
کد امنیتی

به نکات زیر توجه کنید

  • نظرات شما پس از بررسی و تایید نمایش داده می شود.
  • لطفا نظرات خود را فقط در مورد مطلب بالا ارسال کنید.