نانو پوشش ها در صنعت نساجی

پژمان امین لو دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه گیلان                    

مقدمه:

استفاده از فناوری های نوین برای دستیابی به محصولات بهتر و کارایی بالاتر، مهمترین و تنها عامل اختراعات و اکتشافات است. نانوپوشش‌ها هم ویژگی‌های محصولات را از جنبه‌های مختلف افزایش داده‌اند. در فعالیت‌های صنعتی می‌توان به پوشش‌دهی نانومتریِ ضد سایش، ضد خش و مقاوم در برابر خوردگی اشاره کرد. پوشش‌های اپتیکی هم به‌سرعت در حال پیشرفت هستند. کاربردهای پزشکی و بهداشتی هم بیشترین تأثیر را روی سلامتی و زندگی ما دارند. برای مثال پوشش‌های نانوکامپوزیتی در صنایع بسته‌بندی سبب نازکتر شدن بسته‌بندی و سبکی و طولانی‌تر شدن عمر مواد غذایی می‌شوند.در حقیقت نانوپوشش ها گونه ای از لایه های نازک هستند که یا ابعاد آن ها در حد نانو می باشد، و یا زمینه ای (سُل) دارند که ذرات ریز در ابعاد نانو در آن پراکنده شده اند و خواص ویژه ای را به آن می بخشند.

یکی از مواردی که در حال حاضر فناوری نانو در آن به طور گسترده و مؤثری مورد استفاده قرار گرفته است، فرآیندهای پوشش دهی و به دنبال آن تولید مواد نانوساختار است. بررسی های انجام گرفته بر روی نانوپوشش ها نشان می دهد که خواص آن ها در بسیاری موارد نسبت به پوشش های معمولی بهبود چشمگیری دارد. نانوپوشش ها در مقایسه با پوشش های میکرومتری از ضریب انبساط حرارتی، سختی و چقرمگی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، سایش و فرسایش برخوردار هستند. تاکنون عمده تحقیقات انجام شده بر روی نانوپوشش ها مربوط به پوشش های با سختی بالا و فوق سخت (Super hard) است. پوشش های فوق سخت پوشش هایی هستند که سختی آن ها بیشتر از ۴۰ گیگا پاسکال است.

چهار گروه مهم از نانوپوشش ها عبارتند از:

۱.پوشش های دانه ای (nano grade)

2. پوشش های شبکه ای و چند لایه ای (super lattic)
3. پوشش های لایه نازک (Thin films)
4. پوشش های نانوکامپوزیتی

در صنعت نساجی، فناوری نانو بیشتر به منظور تولید مواد جدید، بهبود خواص مواد موجود و ارتقا کیفیت محصولات، به کار گرفته می شود و در تقلیل قیمت محصولات نقش چندانی نخواهد داشت. البته در آینده نزدیک نوآوری تولید محصولات جدید تحول کلیدی است که توسط فناوری نانو در صنعت نساجی ایجاد خواهد شد.

روش پوشش دهی نانو ذرات روی سطح الیاف، یکی از روش های معمول در صنعت نساجی است. این روش ها شامل، اسپری کردن چاپ و آبکشی روی سطح است.خواص الیافی که از فناوری نانو بهره می برند، عبارت است از: دافع آب، مقاوم به گرد و غبار، ضد چروک، ضد باکتری، ضد سایش و مقاوم در برابر اشعه های مضر چون فرابنفش، ضد حریق می باشد.

کاربرد نانو ذرات نقره:

ذرات یون نقره در مقیاس نانو نانوذرات نقره یا همان( nano silver) خواص ضد عفونی‌کننده یا آنتی‌باکتریال دارند. البته، خواص ضد عفونی‌کنندگی نقره از گذشته نیز شناخته شده بود. مثلاً قرار دادن ظروف نقره‌ای بر روی جراحات زخمیان جنگ‌ها، یا نگه‌داری شیر و لبنیات در ظروف نقره‌ای از نمونه‌های خواص آنتی‌باکتریال نقره است که در زمان‌های گذشته نیز شناخته شده بود. اما کوچک شدن ذرات یون نقره موجب افزایش سطح نقره، و بنابراین افزایش واکنش‌پذیری آن می‌شود. پوشش دادن الیاف پارچه‌ها با نانوذرات نقره موجب ایجاد خواص ضد عفونی‌کنندگی در پارچه‌ها می‌شود. بدین ترتیب، باکتری‌ها و قارچ‌ها امکان رشد و تکثیر نمی‌یابند. این ویژگی، در مورد لباس‌ها و پوشش‌هایی که بیشتر در معرض عرق کردن هستند، مانند جوراب و کفش، موجب می‌شود که این لباس‌ها و پوشش‌ها، علی‌رغم عرق کردن، بو نگیرند.

سنتز نانوذرات نقره به روش احیای شیمیایی:

در این روش، یک محلول یونی از فلز مورد نظر تهیه می شود. سپس با احیای یون فلزی به کمک یک عامل کاهنده، اتم هاا ی فلز شکل می گیرند این اتم ها به علت انرژی سطحی بالا و نیروهاا ی ربایشی واندروا لسی، با انباشت در کنار یکدیگر رشد می کنند ودرنهایت نیز با افزودن یک عامل پوشش به محلول، ذرات حاصل پایدار می شوند. روند شکل گیری نانو ذرات نقره از محلول حاوی یون نقره را در شکل (۱) مشاهده می کنید.احیای شیمیایی از چهار رکن اصلی، پیش ماده نمکی، حلال، عامل احیا، و عامل پوشش، تشکیل شده است . هرچند در مواقعی که قدرت احیاکنندگی احیاگر بسیار زیاد یا بسیار کم باشد، برای کنترل سرعت واکنش می توان موادی را به عنوان تسری کننده به محلول واکنش اضافه کرد، ولی در اکثر موارد نیازی به افزودن تسری کننده نیست.

تأثیر عامل احیا بر روی اندازه و ریخت شناسی ذرات نقره :

یکی  از پارامترهایی که بر اندازه ذرات تأثیر می گذارد، نوع احیاکننده و غلظت آن است. احیاکننده های مختلف ، قدرت کاهندگی متفاوتی دارند و با توجه به قدرت احیاای آن می توان نانوذرات با اندازه و ریخت های مختلفی تولید کرد. ادعا شده است که کاهنده قوی تر در شرایط یکسان قادر به تولید ذرات ریزتر ی در مقایسه با کاهنده ضعیف است. از سوی دیگر، غلظت عامل احیا نیز می تواند بر اندازه ذرات تولیدی تأثیر بگذارد . غلظت احیاکننده با اندازه ذرات تولیدی رابطه عکس دارد با افزایش غلظت احیاکننده ، اندازه ذرات کاهش می یابد .ادعا شده تغییر غلظت عامل احیا بر توزیع اندازه ذرات و شکل و ریخت آن ها در مقایسه با سایر عوامل تاثیر، کمتر می باشد.

آجیتا و همکاران از سدیم سیترات به عنوان عامل احیا  بهره بردند و مشاهده کردند که با افزایش غلظت سدیم سیترات از ۱ به ۲ مولار، اندازه نانوذرات حاصل از ۳۰ به ۱۸ ناانومتر کااهش می یابد .همچنین، در آزمایش دیگری که توسط جاناردهانان و همکاارانش صورت گرفت، با افزایش غلظت عامل احیایی اتیل آمین از ۷۷ به ۱۱۵ میلی مولار، اندازه ذرات کااهش یافته است. بر اساس تصاویر ذرات حاصل در شکل (۲)، متوسط اندازه ذرات از۷۵ به۴۵  نانومتر کاهش یافته است.

نتیجه گیری

یکی از متداول ترین روش های تولید نانوذرات نقره، احیای شیمیایی است. این روش به دلیل در اختیار قرار دادن کنترل مطلوب برشرایط سنتز، امکان ساخت نانوذرات باا اندازه و ریخت مختلف را مهیا می کند. در این مقاله، به بررسی مختصر مقالات ارایه شده درباره تولید نانوذرات نقره به روش احیای شیمیایی انجام دادیم پیش ماده نقره، حلال، عامل احیا و عامل پوشش ارکان اصلی تولید نانوذرات نقره به روش احیای شیمیایی اند. در روش احیای شیمیایی، عوامل مختلفی می تواند بر اندازه، ریخت و کیفیت نانوذرات نقره تاثیر بگذارد. از مهمترین عوامل موثر می توان، نوع و غلظت نمک نقره، عامل احیا، نوع و مقدار عامل پوشش، دما و زمان واکنش را نام برد. برای تولید نانو ذرات یکنواخت وجود شرایط بهینه آزمایش ضروری است. شرایطی که امکان هسته زایی و رشد منظم و مناسب را فراهم آورد.

نانو پوشش کربنی:

کربن انواع مختلفی دارد که از این میان می توان به کربن بلک، نانولوله های کربنی (CNT)، گرافیت و الیاف کربن (CNF) اشاره نمود. در صورتی که از این ترکیبات برای پوشش دهی منسوجات استفاده شود، این امر سبب افزایش هدایت الکتریکی و استحکام کششی منسوج به ویژه در مورد CNF و  CNT می شود. معمولاً اصلاحات مختلفی بر روی این ترکیبات برای ایجاد خواص مطلوب صورت می گیرد. در صورتی که این ترکیبات اصلاح نشوند، دارای حلالیت اندکی بوده و دیسپرس کردن آنها دشوار است. بدین منظور این ترکیبات را با گرو ه های فعال نظیر OH، NH2، COOH و… اصلاح می کنند.

نانولوله های کربنی اصلاح نشده خاصیت آب گریزی دارد، که در اثر پوشش دهی منسوجات با این ترکیب خاصیت دفع آب ایجاد می شود. گرافیت به دلیل ساختار صفحه ای بهترین گزینـه برای ایجاد خاصیـت هدایت الکتریکی است زیرا ساختار صـفحه ای امکان انتقـال بهتر الکترون را فراهـم می آورد.

اکسید گرافن (GO) یک ترکیب ضد باکتری است که از این ترکیب برای ایجاد نانو پوشش ضد باکتری استفاده می شود. این نانو پوشش به سه روش جذب مستقیم، اتصالات عرضی شیمیایی و پیوند عرضی ناشی از پرتودهی تهیه کرد که در هر سه روش ویژگی های ضد میکروبی مطلوبی حاصل می شود. در روش جذب مستقیم، جذب از طریق اعمال تنش در حمام فراصوت انجام می شود( تفاوت روش شیمیایی و پرتودهی در نحوه ایجاد اتصالات عرضی است). در حالت اول پیوند ها از طریق واکنش های شیمیایی و عوامل اتصال دهنده ایجاد شده اند در صورتی که در حالت دوم ذرات دیسپرس شده GO روی سطح قرار گرفته و از طریق پرتودهی به سطح متصل می شوند. در شکل (۳) جزئیات این روش ها به صورت طرح واره نشان داده شده است.

   شکل۳. تولید پارچه پنبه ای اصلاح شده با اکسید گرافن به روش جذب ، کراس لینک از طریق پرتودهی گاما و کراس لینک شیمیای

ساخت غشای تبادل یونی ناهمگن به کمک ذرات ترکیبی نانو لوله کربن-نانو لایه نقره خواص الکتروشیمیایی و ضد باکتریایی:

در این تحقیق غشاهای تبادل کاتیونی ناهمگن بر پایه پلی وینیل کلراید با استفاده از تکنیک قالب گیری محلول پلیمری تهیه گردید. اثر وجود نانو لوله های کربن عامل دار و نیز نانو ذرات ترکیبی نانو لوله کربن-نانو لایه نقره در ساختار غشاها، بر خواص الکتروشیمیایی و ضد باکتریایی آن ها بررسی شد. نانو ذرات ترکیبی با استفاده از تکنولوژی کندوپاش مگنترون در محیط پلاسما تهیه گردید. تصاویر میکروسکوپ نوری پراکندگی یکنواخت نانو ذرات را در بدنه غشاهای پلیمری نشان می دهد. همچنین پوشش سطح نانو لوله‌های کربن به کمک نانو لایه های نقره سبب توزیع یکنواخت تر نانو ذرات در ساختار غشاها گشته است.نتایج نشان می دهد که خواص الکتروشیمیایی غشاها، با استفاده از نانو ذرات بهبود می یابد. همچنین غشای تهیه شده بوسیله نانو ذرات ترکیبی نانو لوله کربن- نانو لایه نقره، عملکرد الکتروشیمیایی و خاصیت ضد باکتریایی مناسب تری جهت حذف باکتری E-Coli در مقایسه با سایر غشاهای تهیه شده دارد.

بررسی خاصیت ضد باکتریایی غشاهای تهیه شده:

از آنجایی که نانو ذرات نقره خاصیت ضد باکتریایی خوبی دارند در صنایع تصفیه پساب بکار گرفته می شوند. بدین منظور خاصیت ضد باکتریایی غشاها در حذف باکتری E-Coli مورد ارزیابی قرار می گیرد. جهت بررسی عملکرد از روش دانسیته نوری در طول موج ۶۲۰ نانومتر استفاده گردید.

نتیجه گیری

در این پژوهش تاثیر وجود نانو لوله های کربنی عامل دار و نیز نانو ذرات ترکیبی سنتز شده نانو لوله کربن-نانو لایه نقره بر خواص الکتروشیمیایی غشاهای تبادل کاتیونی بررسی شد. تصاویر میکروسکوپ نوری نشان داد که غشاهای تهیه شده دارای توزیع نسبتا یکنواختی از ذرات رزین و نانو ماده افزودنی در ساختار پلیمری می باشند. همچنین پوشش سطح نانو لوله های کربن به کمک نانو لایه های نقره سبب توزیع یکنواخت تر نانو ذرات در ساختار غشاها گشته است. نتایج به دست آمده نشان داد که غشای تهیه شده بوسیله نانو ذرات ترکیبی نانو لوله کربن- نانو لایه نقره، دارای عدد انتقال، انتخاب پذیری و شار یونی بالاتری در مقایسه باغشای اصلاح نشده و نیز غشای نانوکامپوزیتی حاوی نانو لوله های کربنی هستند. همچنین خاصیت ضدباکتریایی غشاء ها در حذف باکتری E-Coli مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج به دست آمده نشان داد که غشاهای حاوی نانو ذرات عملکرد مناسبی در حذف باکتری E-Coli دارند.

منابع :

۱) سایت ستاد توسعه نانو

۲) سایت باشگاه نانو

Iranian Chemical Engineering Journal – Vol. 15 – No. 85 (3 farshad yazdani(۲۰۱۶)

(۴اکبر زنده نام(۱۳۹۴)/فرایند نو/ فصلنامه تخصصی علمی ترویجی/ زمستان  /۹۴ شماره ۵

(۵ سایت تبیان به نشانی http://www.tebyan.net