ارتقا خواص محصولات نساجی با استفاده از نانوتکنولوژی

این مقاله به بررسی کاربردهای نانوتکنولوژی در حوزه مهندسی نساجی جهت ارتقاء محصولات آن می‌پردازد. تولید الیاف نانوکامپیوزیتی به وسیله وارد کردن نانوذرات در ساختار آنها به وسیله شیوه‌های مخلوط کردن مورد توجه می‌باشد. هم‌چنین افزایش خواص منسوجاتی که جهت بهبود خصوصیات آن از نانو استفاده شده امیدبخش آینده‌ای متفاوت در این حوزه است. با تغییرات سطحی که با استفاده از نانوذرات و نانولایه‌ها ایجاد می‌شود می‌توان رفتارهای خاصی را به محصول القا کنیم. تولید منسوجاتی مانند منسوجات هوشمند، اسفنج‌های نانوساختار، نانوالیاف پلیمری خاص و تولید نانوالیاف پلیمری که به وسیله کربن نانوتیوب تقویت شده زمینه‌های گسترده‌ای را پیش روی مهندسی نساجی باز می‌کند.

● مقدمه
نساجی یکی از زمینه‌هائی است که نانوتکنولوژی می‌تواند تأثیرات شگرفی در آن ایجاد کند. نانوتکنولوژی بر این مبنا استوار است که با کاهش اندازه ذرات تا نانومتر خواص به‌دست آمده به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. گستره وسیعی از خواص مورد نظر در زمینه‌های مختلف نساجی به وسیله استفاده از مواد و تکنیک‌های نانوتکنولوژی به‌دست می‌آید. به وسیله استفاده از نانومواد می‌توان کارائی بسیاری از تکمیل‌های شیمیائی مانند ضدچرک، ضدآب، آنتی استاتیک، ضدچروک، ضد جمع‌شدگی، ضدمیکروب و بهبود تنفس‌پذیری پوشاک را ارتقا داد. خواص سطحی یکی از پارامترهای تعیین‌کننده خصوصیات هر محصول می‌باشد که می‌توان با پوشش‌های نانومتری آن‌ را اصلاح کرد. برای مثال جهت خلق الیاف تطبیق‌پذیر با محیط نانولایه‌های پلیمری که رفتار خاصی نسبت به محرک‌های مختلف از خود نشان می‌دهند استفاده می‌شود. نانوذرات به وسیله روش‌هائی مانند روکش‌دهی با اسپری و الکتروستاتیک توانائی چسبیدن به سطح را دارا می‌باشد. 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 می‌شود. تولید نانوالیاف باعث خلق کاربردهای جدیدی در حوزه نساجی شده است. به وسیله این نانوالیاف می‌توان محصولات بی‌بافتی جهت استفاده در فیلترها، محصولات پزشکی، کاربردهای نظامی و غیره به‌دست آورد.

● نانوتکنولوژی
نانوتکنولوژی نقطه تلاقی اصول مهندسی، فیزیک، زیست‌شناسی، پزشکی و شیمی می‌باشد که به‌عنوان ابزاری نیرومند برای کاربرد در این علوم مختلف و غنی‌سازی آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جدید می‌باشد. نانوتکنولوژی منجر به انقلاب فناوری در هزاره جدید می‌شود به نحوی‌که جهان را تحت تأثیر خود قرار می‌دهد. اصول نانوتکنولوژی چینش اتم‌هاست که با دقت فراوان و روش‌های کنترل شده جهت ایجاد ساختمان مواد به کار گرفته می‌شود. هنگامی‌که اندازه ذرات یک ماده در مقیاس نانو قرار می‌گیرد بسیاری از خصوصیات آن ماده عوض می‌شود. برای مثال طلائی که ذرات آن یک نانومتر عرض دارند قرمز رنگ به‌نظر می‌رسند. همان‌طور که در شکل (۲) ملاحظه می‌گردد نانوتکنولوژی دارای دو رویکرد بالا به پائین و پائین به بالا است. رویکرد بالا به پائین شامل تولید محصول به وسیله شکل‌دهی و حذف قسمتی از توده ماده اولیه می‌باشد در حالی‌که رویکرد پائین به بالا تولید محصول به وسیله ایجاد ساختارهای نانومتری مورد نظر به وسیله روش‌های خاص می‌باشد.

● نانوتقویت‌کننده‌ها
انواع مختلفی از نانوتقویت‌کننده‌ها وجود دارند که جهت ارتقاء محصولات نساجی به کار می‌روند. این نانومواد یا در ساختار پلیمری الیاف و یا روی سطح مورد استفاده قرار می‌گیرند.

● نانو لوله‌های کربنی (CNTs)
یکی از پدیده‌های نوظهور در مقیاس نانو، نانو لوله‌های کربنی هستند که دارای ساختار سیلندری و قطری یکی تا صد نانومتر می‌باشند.  نانو لوله‌های کربنی دارای استحکام بسیار بالائی هستند به‌طوری که استحکام آن تقریباً هزار برابر فولاد می‌باشد. هم‌چنین هدایت حرارتی نانو لوله‌های کربنی از همه مواد موجود به‌جز الماس خالص بیشتر است. نانو لوله‌های کربنی دارای هدایت الکتریکی بسیار خوبی می‌باشند به‌نحوی که قادر هستند جریان‌های الکتریکی بیشتری را نسبت به مس از خود عبور دهد. خصوصیات فوق‌العاده نانو لوله‌های کربنی باعث توجه خاص محققان به این مواد شده است. به‌طور کلی نانو لوله‌های کربنی به دو گروه نانو لوله‌های کربنی تک‌دیواره و نانو لوله‌های کربنی چنددیواره تقسیم‌بندی می‌شوند.

● نانو الیاف کربنی (Carbon Nano Tubes) (CNTs)
نانو الیاف کربنی نیز مانند نانو لوله‌های کربنی یکی از گزینه‌های امیدبخش جهت تقویت انواع مختلف ماتریس‌های پلیمری می‌باشند. قطر این نانو ذرات در حدود ۵۰ تا ۲۰۰ نانومتر می‌باشد. نانو الیاف کربنی نیز خواص حرارتی، الکتریکی و مکانیکی خوبی از خود نشان می‌دهند. جهت افزایش خواص نانو الیاف کربنی آنها را تحت عملیات‌های خالص‌سازی، آسیاب گلوله‌ای و عملیات سطحی قرار می‌دهند.

● نانو کلی‌ها
نانو کلی‌ها (Nano Clay) از آلمینوسیلیکات‌های آبدار تشکیل شده‌اند. این نانوذرات به دو گروه سیلیکات‌های لایه‌ای طبیعی مانند مونت موریلونیت و سیلیکات‌های لایه‌ای سنتزی مانند مگادیت، میکا، لاپونیت و فلوروهکتوریت تقسیم‌بندی می‌شوند. هر کدام از انواع نانو کلی‌ها ترکیب شیمیائی و ساختار بلوری متفاوتی دارند. نانو کلی‌ها دارای مقاومت حرارتی و شیمیائی بالا و توانائی بلوکه کردن اشعه UV هستند. پوسته‌های سیلیکا دارای یون‌های مثبت سدیم، کلسیم و پتاسیم روی سطح خود می‌باشند. ضخامت دو پوسته سیلیکا و پوسته میانی آنها (آلومینا یا مگنسیا) که روی هم یک لایه نانو کلی تشکیل می‌دهد ۰/۹۵ نانومتر می‌باشد. جهت پخش یکنواخت نانو کلی در ماتریس پلیمری، زنجیره‌های پلیمری باید بین لایه‌های نانو کلی نفوذ کرده و آنها را از هم باز کنند. باز شدن صفحات کلی از هم به دلیل حضور یون‌های مثبت روی آنها که باعث عدم سازگاری با فاز آلی پلیمر می‌شود بسیار محدود انجام می‌شود. جهت رفع این مشکل اقدام به تعویض یون‌های مثبت روی سطح نانو کلی با یون‌های کاتیونی آلکیل آمونیوم کرده‌اند.

● نانو ذرات
نانو ذراتی مانند Mgo، Zno، Al۲o۳، TiO۲ گروهی از اکسیدهای فلزی هستند که دارای قابلیت‌های فتوکاتالیتیکی، هدایت الکتریکی و جذب UV هستند. هم‌چنین این مواد دارای قابلیت فتواکسیداسیون و مقاومت در برابر عوامل شیمیائی و بیولوژیکی می‌باشند. برای مثال با اضافه کردن ZnO به الیاف، الکتریسته ساکن سطح کاهش یافته و لیف حاصل دارای یک سپر محافظتی در برابر UV می‌گردد. الیاف نانوکامپوزیتی تقویت‌شده با نانوذرات TiO۲/MgO دارای عملکرد خود استریزاسیون می‌باشند.

● 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. هنگامی‌که اصلاحات سطحی به وسیله نانومواد انجام پذیرد به واسطه سطح تماس زیاد نانو اثر تغییرات سطحی بیشتر می‌گردد. نانو لایه‌های پلیمری هیبریدی جهت تولید الیاف تطبیق‌پذیر با محیط به وسیله پلیمرهائی که طبیعت چندگانه دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند. به وسیله استفاده ازا ین مواد قرار دادن چند نوع فیلم پلیمری در یک لایه نازک روی سطح امکان‌پذیر می‌باشد. پلی گلیسیریل متا آکریلات (PGMA) به‌عنوان لایه نگهدارنده به‌عنوان لایه نگهدارنده جهت قرار دادن عملگرهای پلیمری و آغازگرهای فرایند پلیمری شدن روی سطح مورد استفاده قرار می‌گیرد. PGMA به علت عامل‌های اپوکسی خود می‌تواند با گروه‌های عاملی متنوعی مانند کربوکسیلیک، هیدروکسی، آمینو و انیدرید روی سطح ثابت باقی بماند. نانو لایه‌های قرار گرفته روی PGMA با پیام‌های مختلف رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند. برای مثال خواص مورفولوژیکی و ترشوندگی لایه‌های پلیمری هیبریدی متشکل از دو نوع زنجیره‌های پیوندی پلی استایرن (PS) و پلی وینیل پریدین (PVP) در شکل (۸) آورده شده است.
هنگامی‌که سطح با تولوئن تماس پیدا کند ماکرومولکول‌های PS روی سطح قرار می‌گیرد ولی در صورت تماس سطح با اتانول ماکرومولکول‌های PVP روی سطح می‌آیند. این باعث می‌شود که خواص سطحی پارچه قابل تغییر باشد. نانولایه‌های PGMA و PS نیز در معرض تولوئن و PEK دو رفتار مختلف نشان می‌دهند.
در نانو لایه‌های خودآرا (Self Assembeled Nanolayers) (SAN در ابتدا یک نانو لایه به وسیله پیوند شیمیائی روی سطح قرار می‌گیرد و سپس نانو لایه‌های دیگر با استفاده از جاذبه الکتروستاتیک به آن اضافه می‌شوند. منسوجات تولید شده از نانو لایه‌های خودآرا دارای خواص خودترمیمی هستند. در این نانولایه‌ها طراحی مولکولی نانومواد مورد استفاده، چگونگی قرار گرفتن نانو ذرات روی سطح، برهم کنش الکتروستاتیک، کنترل دقیق ضخامت و ترتیب قرارگیری نانو لایه بسیار تعیین‌کننده می‌باشد. فرآیند خودآرائی با قرار گرفتن سطح مورد نظر در محلولی پلی الکترولیت با بار مخالف انجام می‌شود که میزان ماده جذب‌شده به وسیله کنترل دانسیته بار قابل تغییر می‌باشد. هرگاه سطح مورد نظر در معرض محلولی شامل پلی یون‌هائی با بار مخالف قرار گیرد لایه‌ای روی آن می‌نشیند که تکرار این عمل باعث رشد تدریجی نانو لایه‌ها می‌گردد.
فیلم‌های کربنی الماس مانند (DLC) نانومتری با ضخامتی بین ۵۰ تا ۷۰ نانومتر به وسیله تکنیک‌های PECVD (Plasma Enanced Chemical Vapor Deposition) و FCVAـ (Filtered Catodic Vacum Arc) روی سطح الیاف ایجاد می‌شوند. به وسیله این نانو لایه‌ها می‌توان کاربرد پلیمرهائی که به واسطه آسیب‌پذیر بودن سطح آنها در مقابل خراش، گاز و مواد شیمیائی کمتر استفاده می‌شوند را افزایش داد. فیلم‌های نانومتری DLC دارای خصوصیات مناسبی مانند سختی، مقاومت بالا در مقابل مواد شیمیائی و عبور گاز و هم‌چنین حفظ شفافیت و امکان بازیافت می‌باشد. تحقیقات گسترده‌ای در مورد اضافه کردن سیلیکون جهت کاهش تنش‌های اعمال شده توسط این لایه‌ها به سطح انجام شده است. این فیلم‌ها 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) می‌باشند. شکل (۱۱) به بررسی تصویرهای میکروسکوب نوری از این فیلم‌ها روی سطح پلی‌استر می‌پردازد.
پوشش‌های نانومتری پلیمرهای رسانائی چون پلی آنیلین به دلیل خصوصیات خاص خود مانند نانوذرات رسانا باعث افزایش رسانائی الیاف می‌شوند.
تولید منسوجات آنتی باکتریال به وسیله نانو ذرات نقره جهت ارتقاء سطح سلامت جامعه مورد توجه قرار گرفته است. به‌طور کلی الیاف در مقابل باکتری‌ها، میکروب‌ها، قارچ‌ها مقاومتی ندارند که این امر باعث شده است تا بستر مناسبی جهت رشد آنها باشد. خاصیت آنتی باکتریال نقره از زمان‌های دور شناخته شده بود اما با کاهش اندازه نقره تا حد نانومتر عملکرد آن دوچندان می‌گردد. نانو نقره با وجود غیرسمی بودن و عدم تأثیر نامطلوب بر روی پوست بسیاری از عوامل بیماری‌زا را از بین می‌برد.

● الیاف نانو کامپوزیتی
نانو کامپوزیت‌ها از دو یا چند جزء مجزا از هم تشکیل شده‌اند که حداقل یک جزء از آنها باید دارای ابعاد کمتر از صد نانومتر باشد. تقویت‌کننده‌های نانومتری افزایش خواص مکانیکی، الکتریکی، مکانیکی و شیمیائی را برعهده دارند. ماتریس‌های پلیمری نیز تقویت‌کنند‌ه‌ها را در برگرفته و علاوه بر محافظت از نانو تقویت‌کننده‌ها باعث پخش یکنواخت نیرو می‌شوند.
هنگامی‌که بتوانیم نانوکامپوزیت‌های تولیدشده را به وسیله فرایند ریسندگی به الیاف تبدیل کنیم الیاف نانوکامپوزیتی به‌دست می‌آید. اضافه کردن نانو تقویت‌کننده‌ها به ماتریس پلیمری باعث پیچیده‌تر شدن فرایند تولید الیاف می‌شود. نانو کامپوزیت مذاب رفتار متفاوتی نسبت به پلیمر پایه از خود نشان می‌دهد که این مسئله بررسی پارامترهای بیشتری را در حین تولید باعث می‌گردد. برای مثال حضور CNTs که قابلیت هدایت حرارتی بالائی دارد موجب تغییر رفتار لیف در هنگام سرد شدن از حالت مذاب می‌شود. هم‌چنین تأثیر کشش بر خواص الیاف به دلیل ساختار نانومتری تشکیل شده در الیاف نانوکامپوزیتی بسیار متفاوت می‌باشد. انواع نانو کامپوزیت‌ها را می‌توان به وسیله قرار دادن نانو تقویت‌کننده‌ها در ساختار لیف تولید کرد.
ارتقاء خواص و افزایش کارائی هدف استفاده از نانو تقویت‌کننده‌ها در ماتریس پلیمری الیاف می‌باشد. برای مثال استفاده از نانو ذرات اکسید روی باعث مقاومت بیشتر در مقابل UV و کاهش الکتریسیته ساکن در الیاف می‌گردد.
شیوه‌های متفاوتی جهت تولید نانو کامپوزیت‌ها به کار گرفته شده است که شیوه انتخابی به خصوصیات پلیمر ماتریس، نوع ذره تقویت‌کننده 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 می‌باشد. تولید نانو کامپوزیت به روش مذاب به وسیله مخلوط کردن مذاب پلیمری با نانو ذرات در یک اکسترودر دومارپیچه انجام می‌شود.

● تکنیک‌های مورد استفاده جهت تولید محصولات خاص
با ورود به دنیای نانوتکنولوژی تکنیک‌های جالبی می‌توان 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 به‌صورت یکنواخت حل می‌کنند. سپس به وسیله حرارت دادن محلول به دما و فشار معینی می‌رسد. محلول حاصل با فشار به داخل یک لوله موئی که در محلول آب‌ نمک قرار دارد فرستاده می‌شود. موادی که از لوله موئی داخل می‌شوند به‌صورت نانو ذرات یا نانو الیاف درمی‌آیند. پارامترهائی چون نوع پلیمر مورد استفاده، دما و فشار محلول، نوع و غلظت نمک مورد استفاده از پارامترهای تأثیرگذار در خصوصیات نانومواد تولید شده می‌باشد.
نانو اسفنج‌های نانو ساختار بدون کاهش خصوصیات مکانیکی باعث سبکی، ایزولاسیون حرارتی و مقاومت بالا در برابر شکنندگی می‌شوند. با تزریق مقادیر معینی گاز کربنیک فوق بحرانی به پلیمر مذاب و سپس کاهش درجه حرارت ماتریس پلیمری تا مرحله جامد شدن مجموعه‌ای از نانو حباب‌ها در محدوده ۱۰ تا ۲۰ نانومتر در ساختار پلیمری ایجاد می‌شود. جهت کنترل ترمودینامیکی فرایند شکل‌گیری ساختارهای اسفنجی صورت گرفته است. الیاف حاصله از پلیمرهای اسفنجی نانو ساختار مانند الیاف نانو کامپوزیتی در تجهیزات هوافضا و وسائل ورزشی کاربرد دارند.
تولید منسوجات هوشمند یکی از زمینه‌هائی می‌باشد که توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است. هنگامی‌که نانو ذرات را به وسیله روش‌هائی مانند روکش‌دهی 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 شده‌اند توانائی تبدیل نیروهای مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی دارا می‌باشند. به وسیله این منسوجات امکان بررسی حرکات بدنی و عملکرد قلب یک شخص امکان‌پذیر می‌باشد. منسوجات هوشمند به‌طور گسترده‌ای مورد توجه صنایع نظامی قرار گرفته است. زیرا این منسوجات قادر به ارائه کمک‌های اولیه در میدان جنگ به سربازان می‌باشد.
روش الکتروریسی با استفاده از اختلاف ولتاژ جهت تولید نانو الیاف پلیمری به کار برده می‌شود. محصولات حاصل از این روش عمدتاً جهت فیلتر و محصولات پزشکی استفاده می‌گردد. با قرار دادن نانو ذرات خاصی مانند نانو لوله‌های کربنی در پلیمری که در فرآیند الکتروریسی به نانو الیاف تبدیل می‌شود خواص فوق‌العاده‌ای از محصول نهائی به‌دست می‌آید. در این روش عمدتاً نانو لوله‌ەای کربنی که به روش پلاسما تولید شده و به‌صورت مستقیم هستند مورد استفاده قرار می‌گیرند. این‌گونه الیاف نانوکامپوزیتی خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی فوق‌العاده جهت کاربردهای نظامی و هوافضا از خود نشان می‌دهند.

● نتیجه‌گیری
به‌طور کلی نانوتکنولوژی ابزار نیرومندی جهت پیشرفت نساجی و شاخه‌های وابسته محسوب می‌شود. محصولات تولید شده به وسیله نانوتکنولوژی به واسطه ارتقاء خواص و عملکرد آنها دارای کاربردهای خاصی هستند. تولید انبوه نانومواد برای کاهش هزینه‌ها جهت ورود نانوتکنولوژی به صنعت و تجاری شدن محصولات آن بسیار مهم می‌باشد. جهت استفاده از نانوتکنولوژی‌ طراحی فرایندهای نانو به همراه شناخت پارامترهای مؤثر لازم می‌باشد. نوع نانومواد مورد استفاده، نحوه چیدن آنها روی سطح با تکنیک‌های خاص و هم‌چنین چگونگی پیوندشان با سطح تعیین‌کننده خصوصیات نهائی محصول می‌باشد. جهت ایجاد نانوساختاری با خصوصیات مطلوب پخش یکنواخت نانومواد در ساختار و پیوندشان با ماتریس پلیمری نیاز می‌باشد. با ایجاد ریزساختارهای گوناگون با استفاده از نانوتکنولوژی و بررسی تغییرات خواص ایجاد شده می‌توان دانش فنی تولید الیاف نانو کامپوزیتی را ارتقا داد. خلاقیت در استفاده از نانوتکنولوژی منجر به کشف تکنیک‌ها و مواد جدیدی می‌شود که تاکنون فکر تولید آن به ذهن بشر نیز خطور نکرده است.