کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت پارچه و نساجی

معرفی

فیزیکدان برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن، به عنوان یکی از کسانی که اولین فرصت ها را برای تحقق بخشیدن به کارهایی در ارتباط با دستکاری و کنترل ذرات در سطح کوچک ایجاد کرد شناخته شده است. در سال 1959، فاینمن مطلبی محوری تحت عنوان "مقدار زیادی اتاق در پایین وجود دارد." ارائه داد. در این ارائه، فاینمن رویکرد "پایین به بالا" را معرفی کرد. رویکردی که اکنون مترادف با فناوری نانو سازی سازه های اتم توسط اتم است. او از همکاران خود درخواست کرد که راجع به این چالش تفکر کنند: "چرا ما نمی توانیم کل 24 جلد از دایره المعارف بریتانیکا را بر روی سر یک سنجاق بنویسیم؟" رویکرد منحصر به فرد فاینمن یک واگرایی و انشعاب هوشمندانه از تمرین سنتی نگاه "بالا به پایین" بود.

فناوری نانو به عنوان دستکاری دقیق تکتک اتم ها و مولکول ها برای ایجاد ساختارهای لایه تعریف شده است. ذرات به اندازه نانو (Nanosize) می توانند خواص غیر منتظره ای را به نمایش بگذارند. خواصی متفاوت از خواص توده خود ماده. فرض اساسی این است که خواص ماده زمانی می تواند به طور چشمگیری تغییر کند که اندازه ذرات ماده به محدوده نانومتر کاهش یابد. به عنوان مثال، سرامیک به طور معمول شکننده را می توان با کاهش اندازه ذراتش دگردیس پذیر کرد. در حالت توده ای، طلا بی اثر و راکد است با این حال در صورتی که به خوشه های کوچک از اتم ها شکسته شود به شدت فعال می شود. ترکیب نانو مواد با صنعت نساجی می تواند بر روی خواصی از جمله انقباض، استحکام، رسانایی الکتریکی و اشتعال پذیری اثر گذارد.

یک تعریف گسترده از نانو مواد وجود دارد که می گوید حداقل یکی از ابعاد نانو مواد باید کمتر از 100nm باشد. نهادهای نانویی مختلفی این مطلب را در نشریاتشان بررسی می کنند که متداول ترین آن ها بررسی نانو الیاف، الیاف نانو کامپوزیتی و روکش های نانویی است.

نانوالیاف

نانو الیاف به عنوان الیافی با قطر کمتر از 1mm یا 1000nm تعریف شده اند. اکثریت نانو الیاف توسط فرآیند electrospinning تولید می شوند. این فرآیند از روش چرخش الیاف استفاده می کند از اوایل دهه 1930 مورد استفاده قرار میگیرد. در این فرآیند پلیمر مذاب و شارژ شده از طریق سر یک نازل کوچک بیرون می ریزد و به سوی یک ظرف جمع آوری می رود. در حال حرکت مذاب، حلال آن تبخیر شده، نانو فیبر بافته نشده در ظرف پایینی جمع آوری می گردد. این پروسه می تواند برای تولید الیاف با قطر متفاوت تغییر داده شود. نانو الیاف با داشتن یک سطح بالاتر نسبت به حجم و اندازه منافذ کوچک تر در فرم پارچه مشخص می شوند.

برنامه های کاربردی متعددی برای استفاده مناسب از نانو الیاف وجود دارد. سطح بالا نسبت به حجم و اندازه منافذ کوچک اجازه می دهد تا ویروس ها و هاگ قارچ ها و باکتری ها مانند سیاه زخم به دام بیفتند. دستگاه تصفیه و بانداژ زخم تنها برخی از برنامه های کاربردی است که در آن از نانو الیاف استفاده شده است.

در روند electrospinning ، نانو الیاف با قطر 4nm می تواند تولید شود. محققان در حال بررسی امکان استفاده از نانو الیاف با قطر در محدوده 4nm به عنوان جایگزینی برای عروق آسیب دیده که قادر به تقلید از برخی فرآیندهای بیولوژیکی طبیعی دیواره شریانی باشد، هستند.

سایر کاربردهای بالقوه برای نانو الیاف شامل تهیه دستگاهها و سنسورهای دارو رسانی است.

الیاف نانو کامپوزیتی

کامپوزیت ماده ای است که ترکیبی از یک یا چند جزء جدا از هم است. کامپوزیت ها طوری طراحی شده اند که خواص هریک از مولفه هایشان را به بهترین شکل نمایش می دهند. یکی از چالش برانگیزترین پژوهش های معاصر، به دست آوردن کامپوزیت هایی است که در آن نانو مواد به طور مناسب و یا حتی کامل پراکنده شده اند.

الیاف نانو کامپوزیت به وسیله پرکننده های در ابعاد نانو و به صورت متفرق در داخل فیبر میزبان تولید می شوند. پرکننده های نانویی می توانند به هر یک از دو روش شیمیایی و یا مکانیکی در میزبان پلی مری توزیع شوند. پرکننده های شایع شامل نانو ذرات، نانو الیاف گرافیت (GNF) و یا نانو لوله های کربنی (CNT) هستند که به فیبر میزبان اضافه می شوند. بسته به نوع، از نانو مواد استفاده می شود و مقدار و توزیع نانو مواد، می تواند خواص مکانیکی، الکتریکی، نوری و یا بیولوژیکی پارچه را تغییر دهد.

نانو ذرات

نانو ذرات شامل رس، اکسید های فلزی و کربن سیاه است. گرچه برخی از این مواد برای چندین دهه در صنعت نساجی مورد استفاده شده اند، کاهش اندازه آن ها به نانو، در زمان اخیر است و در الیاف باعث ایجاد خواص و عملکرد بهتر نسبت به گذشته شده است.

نانو ذرات رس مقاوم به حرارت، مواد شیمیایی و برق هستند و توانایی این را دارند که از نور ماوراء بنفش جلوگیری کنند. ترکیب نانو ذرات خاک رس با نساجی می تواند منجر به بهبود کششی با استحکام، بهبود ضریب و قدر مطلق کششی، بهبود میزان مقاومت نرمی و بهبود میزان قدر مطلق و مقدار نرمی شود. با استفاده از نانو ذرات خاک رس می توان الیاف نانو کامپوزیتی را نسبت به شعله و اشعه ماوراء بنفش و خورنده ها مقاوم کرد.

از چالش های کنونی در صنعت نساجی تولید پارچه های مقاوم در برابر شعله است. اگر راهی پیدا نشود، در دمای زیاد الیاف مصنوعی ذوب شده و چکه می کنند. اگر چه تعدادی بازدارنده از سال 1970 موجود است اما انتشار گازهای سمی هنگام آتش گرفتن آن ها تا حد خطرناک است. افزودن نانو ذرات رس به نایلون در پارچه می تواند آن را از ویژگی عقب انداز شعله بدون ایجاد گازهای سمی بهره مند کند.

نانو ذرات رس می توانند خاصیت رنگی پروپیلن را بهبود دهند. پلی پروپیلن به سخت رنگ شدن مشهور است. این الیاف فاقد فضاهای داخلی برای جذب رنگ هستند و این رنگرزی به روش سنتی را دشوار می کند. افزایش نانو ذرات رس، پلی پروپیلن را رنگ پذیر می کند. نانو ذرات رس واکنش داده با نمک آمونیوم، با پلی پروپیلن مخلوط می شوند. الیاف کامپوزیتی به دست آمده دارای فضاهایی برای جذب رنگ هستند و فیبر به رنگ اجازه ورود می دهد.

نانو ذرات دیگر شامل اکسیدهای فلزی مثل TiO2 و Al2O3 و ZnO و MgO هستند. اکسیدهای فلزی به طور ذاتی، فوتو کاتالیست، رسانای الکتریکی، جذب کننده اشعه فرابنفش و کاهنده ی شیمیایی و بیولوژیکی هستند. محصول پارچه شنا با به هم پیوستن ZnO و نایلون برای تولید کردن الیاف کامپوزیتی که پوششی در برابر اشعه ماوراء بنفش دارد و آنتی استاتیک است توسعه می یابد. از به هم پیوستن نانو ذرات TiO2 و MgO در الیاف کامپوزیتی محصولاتی تولید می شوند که خود استریل هستند.

نانو ذرات کربن سیاه و نانو الیاف گرافیتی (GNF)

نانو ذرات کربن سیاه و GNF ها برخی از انواع موادی هستند که به عنوان پرکننده های نانویی در صنعت پارچه رایج اند. نانو ذرات کربن سیاه می توانند مقاومت الیاف کامپوزیتی را در برابر سایش و از دست دادن شقی و دوام بهبود بخشند. در الیاف کامپوزیتی با ترکیب GNF ها قابلیت انبساط بهبود می یابد. پلی استر، نایلون و پلی اتیلن به عنوان میزبان برای هردوی این پرکننده های نانویی استفاده می شوند.

نانو لوله های کربنی (CNT)

CNT ها از قشرهای گرافیت که لوله شده اند، متشکلند. بر دو نوع اند: نانو لوله کربن تک جداره (SWNT) و نانو لوله کربن چند جداره (MWNT).

CNTها از جالب توجه ترین ساختارهای نانویی هستند که مقاومت آن ها 100 برابر مقاومت فولاد و وزن آن ها یک ششم وزن فولاد است. CNT ها قابلیت هدایت گرمایی بهتری از خالص ترین الماس دارند و هدایت الکتریکی آن ها چندین برابر مس است. با این حال، توانایی حمل جریان آن ها بسیار بالاتر از مس می باشد. نانو لوله های کربنی در جاهایی که به استحکام بالا، وزن پایین و هدایت الکتریکی زیاد نیاز است، کاربرد دارند. کاربردهای امکان پذیر شامل نمایشگرها، سنسورها، ساختارهای هواپیما و حفاظ های الکترومغناطیسی می باشند.

به دلیل خاصیت الکتریکی بسیار عالی، نانو لوله ها می توانند در ضمینه ی پارچه های الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند. این پارچه ها می توانند احساس داشته باشند. نانو لوله ها می توانند در ساختمان پوشاک به کار گرفته شوند که به هم پیوستن دستگاه های الکترونیکی یا کامپیوترهای پوشیدنی با پوشاک از نتایج آن است. برخلاف محصولات رایج که دستگاه های الکتریکی را در لباس گنجانده اند، لباس هایی که در آن از نانو لوله ها استفاده شده است می توانند در برابر شست و شو هایی که در خانه انجام می شود مقاومت کنند.

یک نوع مهندسی ویژه می تواند CNT ها را با پلی وینیل الکل ادغام کند که به تولید یک نوع الیاف کامپوزیت با ضخامت های در محدوده میکرومتر می انجامد. این الیاف کامپوزیتی دو برابر سفت تر و مستحکم تر بیست برابر با دوام تر از سیم فولادی هستند.

الیاف پوشاننده نانویی (Nanocoated Fibers)

الیاف پوشاننده نانویی از ته نشین شدن لایه هایی از یک پوشش دهنده بر روی سطح فیبر تولید می شوند. روش های متعددی برای انجام Nanocoating به سطح فیبر موجود است. هر روش مزایا و معایبی دارد.

محصولات تجاری در دسترس

نانوتک (Nano-Tex)

نانوتک، ظهورکرده در 1998، یکی از پیشوایان در بهبودهای نانویی، به صورت ویژه برای پارچه ها طراحی شده است. اولین محصولات تجاری در دسترس از آن در ماه دسامبر سال 2000 عرضه شد. امروزه، بیش از 80 کارخانه نساجی در سراسر جهان از اختراع نانوتک استفاده می کنند.

طرز عمل نانوتک با یک پارچه یا محصول در یک "حمام" به کار بسته می شوند. به صورتی که پارچه در ظرف حمام می رود، نانو ذرات با الیاف پارچه تماس می یابند. وقتی که پارچه بهبود یافته و یا داغ شده نانو ذرات منتشر شده به صورت مسطح و مساوی به الیاف متصل می شوند. بهبودهای انجام گرفته بر روی شماری از الیاف می تواند شامل کتان، پلی استر، ابریشم و یا پشم باشد. الیاف بهبود یافته نانویی می توانند مقاوم در برابر نشت، ضد لک، ضد چروک و ضد استاتیک باشند.

مقاوم در برابر نشت

مقاومت در برابر نشت یکی از اولین بهبودهای نانویی ارائه شده با نانوتک بود. این میتواند برای کتان، پلی استر، پشم، ابریشم یا ریون به کار برده شود. انتشار لکه به تقلید از ویژگی های طبیعی برگ های گیاه انجام شد. سطح برگ بیشتر آبگریز است. در بارندگی، آب روی سطح برگ به صورت رول در می آید و آلودگی را با خود می برد. همچنین سطح برگ زبر است که کاهنده ی توانایی سطح برای خیس شدن با آب است. مانند سطح برگ، بهبودها به ساختن پارچه های فرا آب گریز توسعه داده شده اند. الیاف خود تمیز شونده توانایی این را دارند که سرانجام جایگزین مواد fluorochemical سنتی شوند و از آن ها برای ایجاد خاصیت آبگریزی استفاده گردد.

پس از ایجاد مقاومت در برابر نشت، پارچه در مقابل مایعات خاصیت دافعه دارد و در برابر لکه مقاوم است. مایعاتی مانند قهوه، شراب، آب و روغن سالاد نمی توانند به آن نفوذ کنند.

Coolest Comfort

Coolest Comfort در دسامبر 2000 منتشر شد. ابتدا برای برخی مواد مصنوعی طراحی شده بود. Coolest Comfort از بیشترین خاصیت آبگریزی نسبت به مواد مصنوعی قبلی بهره مند شده است. منسوجات بهبود یافته با این روش باعث عقب نشینی عرق بدن از تن می شوند و به دارنده لباس اجازه می دهند تا تنش خشک بماند و احساس راحتی کند.

تکنولوژی Coolest Comfort اکنون رزین عمل آورده شده با کتان را به کار می بندد. رزین ها در پارچه های کتان به گونه ای به کار بسته شده اند تا آن ها را طوری بسازند که چین و چروک نخورند. متاسفانه، استفاده از رزین توانایی طبیعی کتان را برای جذب رطوبت می گیرد. Coolest Comfort فرمول های ویژه ای برای بازگرداندن این توانایی طبیعی دارد.

مقاومت در برابر استاتیک

مقاومت در برابر استاتیک اولین بهبود دائمی ضد استاتیک برای الیاف مصنوعی است. این فقط دفع کننده استاتیک نیست و همچنین جاذب استاتیک مثل موی سگ، کرک و پرز و گرد و خاک را هم دفع می کند. مقاومت در برابر استاتیک می تواند برای انواع پارچه های زبر و خشن که از پشم گوسفند بافته می شوند به کار بروند و آن ها را تبدیل به پارچه های نرمی کنند که برای آستری و تودوزی به کار میرود.

دفع کننده و آزاد کننده لکه (ضد لکه)

خاصیت ضد لکه برای کتان و مخلوط پلی استر با کتان به کار گرفته شده است. همانطور که از نامش پیداست، درون دفع کننده و آزاد کننده لکه از دو لحاظ بهبود یافته است. یکی مایع در تماس با پارچه قرار می گیرد و به صورت رول شده و مهره ای در می آید. اگر مایعات پیرامون این مانع بروند و داخل پارچه شوند، امتیاز تکنولوژی به راحتی الیاف را در مدت شست وشو و اتو کشیدن از لکه جدا می کند. درست مانند نمونه اولیه.

محصولاتی که از نانوتک استفاده می کنند از نظر استانداردهای زیست محیطی و سلامت و ایمنی دارای مجوز از آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا و نهادهای دولتی ایمنی و بهداشت و کمیسیون ایمنی محصولات برای مصرف کنندگان هستند.

برنامه های آینده

آبگریزی سطح پارچه می تواند کاربردهای بالقوه دیگری غیر از لکه بری داشته باشد. یک پارچه که مایعات را دفع می کند می تواند برای هدایت کردن مایعات نیز به کار برده شود. پارچه های نانو به صورت بالقوه می توانند در ساختمان سوپرکنداکتورها برای انتقال مواد به واسطه سیال و همچنین در ساختمان غشاها و مویرگ ها مورد استفاده قرار گیرند.

نانوبیولوژیست ها در حال کار کردن بر روی پوشش ها ی نانویی هستند که احتمالا خاصیت خود ترمیمی داشته باشند. سطوح پارچه که می توانند خراش های سطحی و علائم فرسودگی را جدا کنند، حشرات را دفع کنند، و قرمزی لکه های شراب را بی رنگ کنند در حال پیشرفت هستند.

فناوری نانو به منظور توسعه دادن لباس های دارای حسگر استفاده می شود. نمونه های اولیه از این نوع پوشاک با قابلیت نظارت بر عملکرد بدن مانند درجه حرارت بدن و علائم حیاتی توسعه یافته اند. پوشاک سنسوردار به طور بالقوه می توانند در طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی از جمله لباس بیمارستان و لباس نظامی مورد استفاده قرار گیرند.

لباس های خود اتو شونده با استفاده از نانو موادی که نسبت به گرما واکنش نشان می دهند ساخته شده اند. یک منبع گرمایی، مانند خشک کن دمنده، برای سطح چروکیده به کار برده می شود. بعد از رسیدن مقدار گرمای معین نانو مواد فعال شده و چروک ها را از بین می برند.

تحقیقات در حال توسعه پوشش های پلاستیکی bioreactive هستند که بر محافظت پوشنده ی لباس در برابر حملات بیولوژیکی و شیمیایی متمرکز شده است. پوشش فرو برده شده در پادتن ها و آنزیم ها، سطح پارچه را به سرعت پاتوژن ها یا سموم حاضر، از آلودگی پاک می کنند. دانشمندان همچنین در حال بررسی راه هایی برای تجهیز پوشش با سیستم زنگ خطر هستند که می تواند حمله ی پوشنده های لباس نامرئی را هشدار دهد.

تحقیقات دیگر در ضمینه ی لباس نظامی در حال توسعه است که می تواند با فرمان رنگ لباس استتار را تغییر دهد.

به ثمر رسیدن نانوتکنولوژی

در پنج سال گذشته، نانو تکنولوژی از گمنامی به یک امیدواری علمی و سرمایه گذاری صنعتی جهش یافته است. با این حال، تولید نانوساختارها از مقیاس کوچک و آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی بدون چالش نیست. بیشتر ترکیبات دارای خطرات ناشی از تولید تجاری هستند. مطالعات معدودی نیز در مورد اثرات سوء نانو مواد منتشر شده است.

انفجارهای احتمالی و خطرات سمی تنها برخی از نگرانی هاست. برخی از نانو مواد اصلاح نشده می توانند در مجاورت هوا خود به خود آتش گیرند.

بعضی از دانشمندان از آلودگی های امکان پذیر ابراز نگرانی می کنند. آزاد شدن نانوذرات از پوشش ها خود ممکن است به نوع جدیدی از آلودگی شیمیایی تبدیل شود.

نانو ذرات توانایی این را دارند که برای باکتری ها و پستانداران خطرناک باشند. مطالعات نشان داده که نانو لوله های کربنی می توانند متراکم شوند، به بافت ها خسارت بزنند، مشکلات تنفسی ایجاد کنند و در برخی مواقع باعث مرگ موش های آزمایشگاهی شده اند. نشان داده شده است که نانوکریستال های محلول در آب باکتری های موجود در آن را مانند یک آنتی بیوتیک به شدت موثر نابود می کنند. مطالعات دیگر نشان داده اند که بافت ریه ی موش آزمایشگاهی در اثر تنفس نانولوله ها و ذرات آهن نانوسایز آسیب دیده است.

اگرچه تلاش هایی برای ایجاد nanoprocessing سازگار با تجهیزات نساجی متعارف شده است اما این امر اجتناب ناپذیر است که باید سرمایه گذاری های جدیدی شود. تجهیزات جدید برای ساخت نانو مواد مورد نیاز خواهد بود. علاوه بر این، نانومواد می توانند بسیار گران باشند.

نتیجه

پتانسیل های عظیمی در صنعت نانو وجود دارد. در 10 – 20 سال آینده انتظار می رود که فناوری نانو تا حد زیادی در صنعت نساجی تاثیر بگذارد. در حال حاضر محصولات تجاری متعددی به صورت بی حد و حصر در دسترس اند که می شود با استفاده از فن آوری نانو توسعه یابند. با این حال، با پیشرفت های اخیر فناوری، علم مانع عمده برای کشاندن فناوری نانو به ثمردهی (پول) و خطرات ناشی از آن نخواهد بود.

منبع

دکتر کیم آندرسن

http://www.techexchange.com/thelibrary/nanotechnology.html

کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت پارچه و نساجی

مطالب مشابه :

کاربردهای فناوری نانو در صنعت فولاد

کاربردهای تیتانیم

کاربردهای کربنات کلسیم ( آهک) و پودر میکرونیزه آن

آهن زنگ نزن

کاربرد روی

مقاله بررسی کاربرد فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب

کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت پارچه و نساجی

گریس و کاربردهای ویژه آن در صنعت

کاربردهای فناوری نانو در صنعت بتن