فناوری نانو در تکمیل منسوجات

مقدمه (تکمیل و نانوتکنولوژی):

عموماً تکمیل منسوجات به دو روش مکانیکی یا شیمیایی انجام می شود. عملیات های تکمیل مکانیکی از اصول فیزیکی حاکم بر کالاهای نساجی نظیر کشش، اصطکاک، اعمال گرما و فشار بر منسوج بهره می گیرند. در این میان می توان به عنوان مثال به کالندر کردن (calendaring) شره نمود که طی آن فشردگی، صافی، نرمی، یکنواختی و براقیت منسوج با عبور آن از میان دو غلتک تحت فشار و با دمای مشخص عبور داده می شود.
بخش وسیعی از خصوصیات منسوجات با استفاده از تکمیل با مواد شیمیایی مختلف قابل دستیابی است. مهم ترین تکنیک های اعمال تکمیل شیمیایی پد کردن (Padding)، رمق کشی (Exhaustion)، پوشش دهی (Coating)، افشانه (Spraying) و استفاده از کف (Foam) می باشند.
نانو پوشش ها یا تکمیل نانومتری (Nano finishing) در منسوجات، به منظور تغییر خصوصیات سطحی و ایجاد ویژگی های مختلفی مانند آنتی باکتریال، خود تمیزشوندگی، کندسوزی، معطرسازی، ضد بو کردن، ضد لک کردن، ضدحریق کردن، ضد آب کردن، ضد پرتو کردن، ضد سایش، ضد حشره، ضد شعله، ضد الکتریسیته ساکن، ضد چروک و غیره در منسوجات است.
نخستین بار از فناوری نانو در صنعت نساجی و پوشاک، از نانو ذراتی موسوم به نانو دانه ها (Nanobeads) در جهت تکمیل منسوجات بهره گرفته شد.
بهبود عملکرد منسوجات با استفاده از نانو فناوری عموماً از طریق 3 روش: الیاف حاوی نانو مواد، عملیات تکمیل و الکترو ریسی انجام می گیرد.
همچنین اکثر منسوجات با خصوصیات ارتقا یا بهبود یافته که در بازار وجود دارند به روش عملیات تکمیل مانند پوشش حاوی نانوذرات یا عملیات پلاسما تولید می شوند.
وظیفه اصلی نانو پوشش ها، پوشاندن سطح منسوج با لایه های نانومتری به منظور دستیابی به خواص مورد نظر است..
نانوساختارهای شفاف مورد استفاده در تکمیل منسوجات از منظر چگونگی عملکرد به 4 دسته ویسکرها (Whisker)، تورها (Nets)، لفاف ها (Wraps) و سایر نانوساختارها تقسیم بندی می شوند.

ویسکرها (Whisker):

در طبیعت زنجیره های سلولز به صورت بلورهای فشرده (ویسکر) آرایش یافته اند. این ساختار با پیوندهای هیدروژنی درون و میان مولکولی تثبیت شده اند و به همین دلیل این زنجیره ها در آب و اکثر حلال های آلی انحلال پذیر نمی باشند.
ویسکرها که در مقایسه با رزین های تکمیلی از مقبولیت زیادی برخوردار می باشند در اصل نانو الیاف میله ای شکل به فرم بلوری هستند که با استفاده از عوامل اتصال دهنده، به سطح الیاف متصل شده و بدون ثر منفی در قابلیت تنفس منسوجات سبب ایجاد خواصی مانند دفع آب، روغن و لک؛ ضدچروک؛ افزایش نرمی و بهبود زیردست؛ افزایش ثبات شست و شویی و غیره در منسوجات می گردند.

تورها (Nets):

قرار گرفتن الیاف در مرکز توری های نانومتری با ساختار مولکولی سه بعدی، تغییر خواص الیاف بشر ساخت مانند پلی استر را میسر ساخته و زیردست این الیاف را مشابه الیاف پنبه یا لینن می کند.
خاصیت موئینگی به وجود آمده، موجب جذب و انتشار سریع رطوبت بدن گشته و ضمن خشک شدن سریع منسوج، به شخص احساس خنک شدن و راحتی می دهد.

لفاف ها (Wraps):

لفاف های نانومتری با در برگرفتن الیاف، سبب تغییر و بهبود خواص الیاف می شوند. این تکمیل سبب افزایش کاهش چروک پذیری، بهبود استحکام، بهبود ثبات رنگ، مقاومت در برابر الکتریسیته ساکن و غیره می شود.

در صنعت نساجی کاربرد نانوساختارهایی مانند نقره، دی اکسید سیلیکون، دیاکسید تیتانیوم، اکسید روی، اکسید (هیدروکسید) های آلومینیوم، نانوذرات خاک رس، نانو لوله های کربن، کربن سیاه، اکسید (هیدروکسید) های مس، طلا، آهن و غیره بیشترین مقبولیت را دارا می باشند.
با استفاده از نانومواد و ساختارهای نانومتری می توان طیف گسترده ای از خصوصیات و عملکردها را در مسنوجات ایجاد کرد.
نانومواد در فرایند تولید و تکمیل منسوجات ممکن است به درون الیاف وارد شوند (نانوساختار) یا به صورت پوشش بر سطح الیاف (نانو پوشش) قرار بگیرند.

منسوجات ضد میکروب، ضد مایت، ضد بو و عطرآگین:

منسوجات با خواص آنتی باکتریال در پوشاک، فرش و اثاثیه مزایای متعددی دارد . در کالاهای ساخته شده از الیاف مصنوعی مانند نایلون، پلی پروپیلن و اکریلیک می توان از مواد ضدمیکروب، ضدپاتوژن، ضد میکروارگانیسم های بیماریزا (مانند:قارچ، باکتری، ویروس، جلبک، هاگ و غیره)، مواد ضد مایت فرش، پتو و موکت، نظیر اکسید روی، اکسید مس، دی اکسید تیتانیوم و نانو ذرات نقره و طلا استفاده نمود.
منسوجات ضدمیکروب، عموماً در مراحل تولید الیاف (ذوب ریسی، تر ریسی، الکترو ریسی) و یا با افزودن مواد ضدمیکروب در مراحل تکمیل و رنگرزی، تولید می شوند.
نانوذرات نقره به دلیل قابلیت از بین بردن باکتری و قارچ ها و جلوگیری از ایجاد بوی زننده حاصل از
میکروارگانیسم های بیماری زا بر روی البسه کاربرد گسترده ای دارند. این ذرات با بار مثبتی که ایجاد می کنند، سبب توقف عملکرد سلول های باکتریایی می شوند. شین ذکر است که اندازه کوچک ذرات موجب می شود که پارچه در عین داشتن قابلیت آنتی باکتریال، نرمی و قابلیت پوشش خود را نیز حفظ نماید.
قابل ذکر است که کف پوش های معطری نیز با استفاده از سیکلودکسترین ها، درخت سان ها یا نانو کپسول های پلیمری تولید میشوند که ماده معطر قرار داده شده درون حفره میانی این مواد بر اثر فشار (ناشی از راه رفتن بر روی فرش) آزاد شده و رایحه خوشی را آزد می سازد.
همچنین استفاده از رنگینه های طبیعی نظیر پوست انار، حنا، پوست گردو، زردچوبه و غیره ضمن ایجاد رایحه خوشایند در منسوج، خاصیت ضد قارچ و آنتی باکتریال را به منسوج اضافه می کند.

لباس های خانگی، زیرپوش ها، باندهای زخم، ماسک ها، منسوجات بیمارستانی و آزمایشگاهی، منسوجات ورزشی و بیرونی، منسوجات بسته بندی مواد غذایی، منسوجات داخل خودرو و هواپیما، روکش کفش ها، جوراب ها، فیلتر هوا و تصفیه آب، کفپوش های ماشینی، چمن های مصنوعی بیشترین تقاضا را برای منسوجات ضد میکروبی دارند (شکل زیر).

دو رویکرد به منظور کنترل بوی نامطبوع منسوجات ناشی از تعرق بدن وجود دارد:
1- روش جلوگیری و ممانعت که در این متد، از ایجاد بوی نامطبوع در منسوجات با استفاده از نانو مواد ضد میکروب نظیر نانوذرات فلزی جلوگیری می گردد. در اصل در این روش تا جایی که ممکن است سعی می گردد از رشد و تکثیر باکتری های که سبب تجزیه ترکیبات و ایجاد کننده بوی نامطبوع می گردند، جلوگیری به عمل آید.
2- روش جذب که در این روش نانو مواد جاذب بوی نامطبوع در منسوجات مانند گروه های سیکلودکسترین ها، نانوذرات کربن فعال، نانوذرات خاکستر بامبو و پلیمرهای قاصدکی در ساختار ترکیبات ناشی از تعرق، مولکول های ایجاد کننده بو را مهار می کنند یا به دام می اندازند.

نانو مواد ضد میکروب با روش های تخریب غشای سلولی، رهایش یون های سمی، اختلال در انتقال الکترون، اکسیداسیون پروتئین، جمع شدگی غشا و تولید اکسیژن فعال، میکروارگانیسم ها و عوامل بیماری زا را غیر فعال می نمایند.
منسوجات آنتی باکتریال از منظر روش اثر بر میکروارگانیسم ها به سه دسته کلی زیر طبقه بندی می شوند:
1- منسوجات با خاصیت فعال شوندگی در برابر نور:
منسوجات تکمیل شده با ماده دی اکسید تیتانیوم در اثر جذب نور، غشای سلولی میکروارگانیسم ها را اکسید کرده و سبب از بین رفتن آنها می شوند. مواد فوتوکاتالیست دارای خاصیت ضدمیکروبی در معرض پرتوهای الکترومغناطیس نظیر فرابنفش، اکسیژن فعال آزد می کنند که طیف وسیعی از ترکیبات مضر و بدبو را اکسید می کنند.

2- منسوجات با مواد ضدمیکروب غیر قابل انتشار:
بر هم کنش میان بار مثبت ماده ضدمیکروب و بار منفی غشای سلولی میکروارگانیسم ها سبب کاهش رشد و تکثیر میکروب ها و نابودی آنها می شود.

3- منسوجات با قابلیت رهایش مواد ضد میکروب:
در این حالت مواد ضد میکروب مانند: تریکلوسان، نقره و مس منتشر شده موجب جلوگیری از رشد میکروب، بیماری، قارچ و دفع بوی بد و عفونت می شود. نانو ذرات خاکستر بامبو در مرحله تولید الیاف کفپوش های نایلونی، پلی استری، پلی پروپیلنی علاوه بر حبس مولکول های ایجاد کننده بو در منافذ نانومتری موجود در خاکستر بامبو، موجب افزایش خاصیت عایق حرارتی این الیاف شده و گرمی بیشتری نیز در محیط ایجاد می کنند.
تولید کالاهای ضد میکروب و ضد بو با بهره گیری از نانو ذرات اکسید روی، اکسید مس و نقره در مقایسه با روش های شیمیایی و سنتی، سازگاری بیشتر و بهتری با محیط زیست دارند.

منسوجات ضد پرتوی فرابنفش:

محافظت در برابر پرتوهای فرابنفش (UV) به دلیل اثراتی چون سرطان، پیر شدن زود هنگام پوست و آفتاب سوختگی دارای اهمیت ویژه ای است.
نانو فناوری با تولید لباس های مناسب، نازک، سبک و محافظ در برابر پرتوی فرابنفش این مشکل را تا حدود زیادی حل نموده است.
همچنین پوشش نانویی ضد اشعه ماورای بنفش روی منسوجاتی مانند پرده، مانع از ورود پرتوهای مضر به فضای منزل شده و از آسیب به پوست و چشم جلوگیری می کند. علاوه بر آن، این مواد مانع از سفید شدن، تغییر رنگ و رنگ پریدگی در منسوجاتی نظیر پرده، فرش، مبل و غیره می گردند.
بدین منظور از نانو کامپوزیت های نیمه هادی حاوی نانو بلورهای اکسید روی، دی اکسید تیتانیوم، دی اکسید سیلیسیم، تری اکسید آلومینیوم و غیره در یک بستر پلیمری استفاده می شود که علاوه بر ایجاد شفافیت، در برابر سایش مقاوم بوده و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشند.
نانو اکسید روی هنگامی که در معرض نور خورشید یا اشعه فرابنفش قرار می گیرد، فوتوکاتالیست مؤثر اکسید روی تولید می کند که می تواند ضمن تجزیه باکتری ها و مواد آلاینده به عنوان ماده ایجاد کننده خواص خود تمیزشوندگی و ضدمیکروب در منسوجات نیز استفاده می شود.
پارچه های تکمیل شده با این نانوذرات در مقایسه با پارچه اصلاح نشده، میزان محافظت پارچه در برابر پرتوی فرابنفش را تا 5  برابر افزایش می دهد و پس از 55   بار شست و شو، همچنان کیفیت خود را حفظ می نماید.
در حال حاضر استفاده از نانوذرات اکسید روی با خاصیت محافظت در برابر پرتو فرابنفش در انواع ملحفه، روتختی، روبالشی، رومیزی، مبلمان، پرکننده های بالش و لحاف و غیره بسیار متداول شده است.
در شکل زیر تأثیر فعالیت فوتوکاتالیستی نانو ذرات اکسید روی در حضور پرتوی UV بر خواص ضدمیکروبی نشان داده شده است.

منسوجات ضد آتش و دیر سوز یا کند سوز:

از کاربردهای دیگر فناوری نانو، می توان به تکمیل منسوجات با نانوساختارها جهت ایجاد خاصیت دیرسوزی اشاره نمود.
البسه و کفپوش ها از مهمترین عوامل آتش سوزی در منازل، اماکن عمومی، ساختمان های تجاری و مسکونی می باشد.
یکی از روش های موجود جهت کاهش خسارات ناشی از آتش سوزی منازل و اماکن عمومی استفاده از مواد
تأخیرانداز شعله مانند پلی آرامیدهایی نظیر نومکس می باشد.
این مواد به صورت فیزیکی یا با ایجاد پیوند بر روی پلیمر، از گسترش سریع آتش در اماکن، لباس آتشنشانان، کارگران ذوب فلزات و غیره ممانعت به عمل می آورند.
نانوذرات رس، بوروسیلوکسان و نانولوله کربنی، نانو هیدروکسید آلومینیوم و منیزیم، تری هیدرات آلومینا، اسید بوریک و نمک های هیدراته آن، بورات سدیم (بوراکس)، نمک های آمونیوم، دی آمونیوم فسفات، کربنات آمونیوم، ترکیبات نیتروژن، نمک های معدنی (کربنات سدیم) و غیره با مکانیزم هایی از قبیل کاهش دمای سوختن، افزایش نقطه اشتعال الیاف، کاهش سرعت حرکت آتش، کم کردن طول شعله، ایجاد لایه ای نفوذ ناپذیر بر روی کالا و تولید خاکستر غیر قابل اشتعال مانع از گسترش سریع آتش می گردند.
استفاده از نانو ذرات کندسوز در مرحله ذوب ریسی الیاف مصنوعی نیز متداول و رایج می باشد.
در شکل زیر عکس العمل نمونه پارچه خام و نمونه عمل شده با مواد تأخیرانداز شعله نمایش داده شده است.

نانوساختارهایی مانند نانوذرات رس، نانولوله کربنی، نانوذرات سیلیکونی و اکسید فلزی، میکا، نانو هیدروکسید آلومینیوم و منیزیم و … به خوبی در درون ماتریس پلیمری نفوذ کرده و دیسپرس می شوند. این مواد نانو کامپوزیت هایی را تشکیل می دهند که ضمن حفظ نرمی و لطافت پارچه، باعث بهبود خواص ضدآتش در الیاف، کاهش سرعت رهایش حرارت، افزایش تشکیل خاکستر، کاهش میزان تولید دوده، کاهش میزان تولید گاز مونو اکسید کربن، کاهش میزان رهایش گازهای ناشی از سوختن پلیمر، افزایش استحکام و سایر خواص فیزیکی می شوند.

منسوجات ضد لک، ضد آب و خود تمیز شونده:

نیاز دنیای امروزی به منسوجات خانگی، نظامی، بیمارستانی، بهداشتی، ورزشی و غیره که نیازمند حداقل شرایط نگهداری هستند خصوصا مواردی چون دفع آب و لک و خود تمیز شوندگی، روز به روز در حال رشد و افزایش است.
با به کارگیری نانو فناوری در عملیات تکمیل منسوجات، قطرات مایع نمی توانند به درون کالاهای مقاوم در برابر مایعات به راحتی نفوذ کنند. این اثر شبیه آن چیزی است که در پوست سوسک، بال حشرات و پروانه ها، برگ ها و گل های زنبق یا نیلوفر آبی یا گل لادن دیده می شود که عامل این موضوع پوشش سطوح با یک لایه واکس به ضخامت یک نانومتر می باشد.
قطرات آب یا باران بر روی این گل ها و برگ ها به صورت دانه های کوچک و گرد در می آیند که با لغزیدن بر روی سطح نانویی ناهموار برگ و گل گیاه، آلودگی، گرد و غبار که در قطرات آب معلق شده اند را نیز با خود خارج می کنند.
در شکل زیر اثر دفع آب، لک و خود تمیزشوندگی برگ گل نیلوفر آبی در حالت عادی و زیر میکروسکوپ نشان داده شده است.
منسوجات تکمیل شده با برخی نانو مواد، قادر هستند مایعات را جذب کرده یا حرکت دهند و با این کار هر گونه آب، لک و آلودگی از قبیل لک سس، قهوه، چمن، روغن و … را از منسوج دور کنند و در عین حال مشکلی در تنفس پذیری منسوج نیز ایجاد نکنند. اساس کار لباس های ضد لک و ضد آب تغییر در کشش سطحی (Surface Tension) منسوج است.
دو تکنیک مختلف به منظور ایجاد خاصیت خود تمیزشوندگی در منسوجات وجود دارد:
1- نانوذرات دی اکسید تیتانیوم با قابلیت فوتوکاتالیستی که از توانایی تجزیه لکه های آلی برخوردار هستند، روی سطح منسوج تثبیت می شوند. با استفاده از انرژی پرتوی خورشید، دی اکسید تیتانیوم، دو ماده واکنش دهنده اکسایشی رادیکال های هیدروکسیل و آنیون سوپراکسید ایجاد می کند. این دو ماده از طریق واکنش اکسایشی، لکه آلی را تجزیه می کنند.
2- با ابر آبگریز کردن سطح منسوجات با استفاده از نانولوله های کربنی، نانوذرات سیلیس و کامپوزیت های پلیمری حاوی فلوئورواکریلات، نانوذرات، قطرات آبی که بر سطح منسوج می لغزند، آالاینده های سطحی منسوج را جدا می کنند.
همچنین می توان با ایجاد ناهمواری های نانومتری بر سطح منسوج (اصلاح شیمیایی و هندسی سطح منسوج) از چسبندگی ذرات بر سطح منسوج ممانعت و امکان آبگریزی و دفع آلاینده های سطحی را فراهم کرد.
آلودگی های سطح منسوج به راحتی در حضور آب از روی منسوج آبگریز غلتیده و جدا می شود و به این ترتیب سطح منسوج تمیز می گردد.

تکمیل ضد الکتریسیته ساکن:

در اثر تماس یا مالش منسوجات به بدن اشخاص، الکتریسیته ساکن در بدن ایجاد می شود. در برخی موارد تجمع بار الکتریکی به اندازه ای است که در اثر تماس شخص با فلزات یا جسام رسانا، تخلیه بار با ایجاد یک شوک و احساس ناخوشایند (همراه با جرقه) همراه می شود و حتی احتمال انفجار در محیط های قابل اشتعال نیز وجود دارد.
در راستای ممانعت از ایجاد الکتریسیته ساکن در منسوجات، برخی از الیاف با مواد افزودنی آنتی استاتیک تکمیل می شوند. این مواد با افزایش رسانایی سطح لیف و یا کاهش اصطکاک میان الیاف، مانع ایجاد الکتریسیته و خواص نامطلوب و خطرناک آن می گردند.
کاربرد نانوذرات کربن در تولید الیاف و یا استفاده از دیسپرسیون این ذرات به عنوان ماده تکمیلی بر روی الیاف می تواند با افزایش میزان رسانش و امکان انتقال الکترون، سبب کاهش میزان الکتریسیته ساکن بر روی منسوجات و کفپوشها گردد.
استفاده از نانوذرات فلزی نظیر نقره، مس، روی، نیکل و … علاوه بر کاهش میزان الکتریسیته ساکن در الیاف منجر به ایجاد خواصی از قبیل خواص ضدمیکروبی و ضد پرتوهای فرابنفش در منسوجات می گردد.
در مورد کفپوشهای اکریلیکی پوشش نانوذرات نقره، تیتانیوم و روی بر سطح الیاف موجب ایجاد خواص ضدمیکروبی، آنتی استاتیک، محافظت در برابر پرتوی فرابنفش، دافع آب و کندسوزی م یشود.
از افشانه های خانگی حاوی نانوذرات نیز می توان برای کاهش میزان الکتریسیته ساکن در کفپو شها و منسوجات بهره برد.