کاربرد پليمرهاي محرک -پاسخ در منسوجات هوشمند

مترجم: سیده فرخ حسینی شکرابی؛ پژوهشگر پژوهشگاه نساجی جهاد دانشگاهی

نگاهی به الیاف هوشمند

کاربرد پليمرهاي محرک -پاسخ در منسوجات هوشمند

پليمرهاي محرک -پاسخ (SRPs) مواد هوشمندي هستند که مي توانند با تغييرات محرکهاي محيطي تغييرات قابل توجهي در خواص خود نشان دهند. اين عملکرد جديد مي تواند به وسيله کاربرد SRPs هوشمند، به نسوج انتقال يابد.

SRP ها که شامل پليمرهاي حرارتي پاسخ، پليمر رطوبت پاسخ، هيدروژل حرارتي پاسخ، هيدروژل pH – پاسخ و پليمرهاي نوري پاسخ مي باشند، براي بهبود و يا دستيابي به ويژگي هاي نساجي هوشمند،  در پارچه به کار برده مي شوند. اين ويژگي شامل راحتي، رهايش کنترل شده دارو، طراحي فانتزي با تغيير رنگ، نمايش زخم، خواص رطوبتي هوشمند و حفاظت در برابر تغييرات شديد در شرايط محيطي مي باشد.

مادر طبيعت به ما نمونه هاي زيادي از محرک- پاسخ (و يا هوشمند)  نشان مي دهد و اين مواد باعث علاقه محققان شده است:  نمونه هاي موجود در سامانه هاي طبيعي مانند برگ نوعي گياه (Mimosa Pudica) که در اثر لمس کردن جمع مي شود، گل آفتابگردان که به طرف خورشيد مي چرخد، ميوه درخت کاج که پره هاي آن در اثر رطوبت محيط باز و در محيط هاي خشک جمع مي شود، پوست آفتاب پرست که با تغيير محيط اطراف، تغيير رنگ مي دهد، بسته و باز شدن مردمک چشم با نور و نبود آن، خودترميمي پوست بدن انسان يا قسمتهاي مختلف گياهان و موارد مشابه ديگر. تقليد از عملکرد چنين موجودات زنده، دانشمندان را براي سنتز پليمرهاي محرک-پاسخ که داراي اهميت علمي و برنامه هاي کاربردي اميدوار کننده مي باشد،  ترغيب نموده است.
در طول چند دهه گذشته، منسوجات هوشمند به سرعت در حال توسعه بوده است. منسوجات الکترونيکي (E-textiles ) که بر روي آن محاسبات انجام گرفته و قطعات ديجيتالي و الکترونيکي گنجانده شده است عملکرد جديدي به لباس،  فراتر از مقاومت به سرما ارائه مي دهد. منسوجاتي با عملکردهاي جديد مانند منسوجات شب تاب، منسوجات نمايشي، لباس احساسات سنجش، منسوجات خود تميز شونده، تنظيم درجه حرارت منسوجات و منسوجات خود-حرکت  ايجاد و توليد شده است.

SRPs  که مي توانند سيگنال هاي زيست محيطي را حس و سيگنال هاي مربوطه را پاسخ دهند، الهام بخش بسياري از محققان به منظور توسعه پارچه هاي هوشمند با تنظيم ساختار و ويژگي هاي خود بوده است. SRPs را مي توان بطور گسترده با دو روش تکميل و يا در حين توليد منسوج به کار برد. روش تکميل شامل پوشش و لمينيت است، در حالي که روش ساخت شامل ترکيب و ريسندگي است.

۱- کاربرد پليمر هاي حرارتي پاسخگو در نساجي

پليمرهاي حافظه شکلي (SMPs) به طور گسترده در پليمرهاي حرارتي پاسخگو مورد مطالعه و استفاده قرار مي گيرند. SMP ها قابليت به خاطر سپردن شکل اوليه خود را دارند و به سرعت شکل خود را از حالت موقت تحت تحريک حرارتي به شکل اصلي (يا دائم)  خود تغيير مي دهند. اشکال مختلف از SMP ها مانند محلول، امولسيون، فيلم، فيبر، فوم مي تواند تحت شرايط مناسب و متغير استفاده شوند.

SMP هايي مبتني بر عملکرد انتقال شيشه اي و يا ذوب، به طور معمول داراي يک ساختار فيزيکي کراس لينک، فاز سخت کريستالي/ آمورف و يا ساختار کراس لينک شيميايي و دماي انتقال کم به فاز کريستالي و يا آمورف مي باشند. اگر SMP تحت تغيير شکل قرار گيرند،  تنش اعمال شده در ساختار کراس لينک آن با خنک کردن پليمر در زير دماي انتقال ذخيره مي شود. تغيير شکل موقت به دليل افزايش شديد در مدول الاستيک اطراف دماي شيشه يا دماي انتقال ذوب ثابت مي ماند. SMP شکل دائمي خود را در برابر دماي بالاتر از دماي انتقال ، با انتشار تنش هاي داخلي ذخيره شده توسط ساختار کراس لينک ترميم مي کند. درجه دماي آغاز به کار SMP ها قادر به سازگاري براي يک هدف و يا شخص خاص است و مي تواند در محدوده درجه حرارت بدن تنظيم گردد. فرآيندپذيري بالا، خواص مکانيکي خوب، قابليت تغيير شکل و بازيافت بالا اين نوع از SMP ها، کاربرد آنها را از طريق تکميل و يا در حين توليد بر منسوجات مناسب نموده است.

۱-۱  تکميل حافظه شکلي الياف

SMP هاي حرارتي پاسخگو مي تواند در مرحله تکميل پوشاک بر پارچه به کار برده شود. شکل ۱ فرآيند ترميم پارچه پوشش داده شده با حافظه شکلي پلي اورتان (SMPU) را نشان مي دهد. فرايند تکميل با روش هاي معمولي بوده و  تغيير شکل پارچه از  حالت تخت در دماي بالا به شکل خم در دماي پايين ديده مي شود.

شکل ۱ – ترمیم شکل پارچه پوشش داده شده با SMP در دمای C ° ۵۰ با گذشت زمان ۴۵s(d) . 30s(c) . 15s(b) . s(a)

۱-۲  الياف حافظه شکلي

در تحقيقات صورت گرفته فيلامنت هاي مختلف SMPU را با استفاده از پلي اُل به عنوان بخش نرم و دي اُل هاي کوچک و متيلن دي فنيل دي ايزوسيانات (MDI) به عنوان بخش سخت، توسط ترريسي و ذوب ريسي توليد کردند. در مقايسه با فيلم هاي SMPU، الياف SMPU ثبات شکل پايين تر، بهبود شکلي و بهبود تنش بالاتر، به عنوان يک نتيجه از آرايش مولکولي در الياف SMPU در فرآيندهاي ترريسي به ارمغان آورد. نسبت ترميم الياف SMPU مي تواند بالا و تا حدود  ۱۰۰٪  باشد.

۲-  کاربرد پليمرهاي حافظه شکلي آب/ حلال پاسخگو در نساجي

 ترميم شکل SMP هاي تغيير شکل يافته مي تواند در اثر آب و يا رطوبت به علت پلستي سايز بودن مولکول هاي آب، که باعث افزايش انعطاف پذيري زنجيره هاي ماکرو مولکول ها مي گردد اتفاق بيفتد. اگر SMP يک ماده آب دوست و يا ماده محلول در آب باشد ترميم شکل تسريع مي يابد. يک واحد پيريدين که پاسخگو به رطوبت است، مي تواند براي بهبود جذب رطوبت در پلي اورتان مورد استفاده قرار گيرد.

۲-۱  پليمرهاي حافظه شکلي رطوبت پاسخ براي مديريت گرما و رطوبت

فعاليت هاي شديد جسمي با جنبش عضلات فعال، باعث توليد ميزان بالايي از عرق انسان مي شود، که منجر به احساس ناراحتي مي گردد.  شکل ۲ يک پيراهن هاي هوشمند به نام ” تي شرت واکنش دهنده کروي “را  نشان مي دهد که درآن منافذ عقب مي تواند باز شده و  اجازه دهد تا عرق و گرما زماني که عرق لباس را پوشاند فرار کند. منافذ، که حدود ۱۰ ميليمتر قطر دارد، به طور خودکار براي حالت خشک بسته مي شود. ممکن است استفاده از شکل ماکرو يا ساختار ميکرو  منسوجات آب/رطوبت پاسخ که مي تواند رسيدن به چنين عملکردي  را براي مديريت رطوبت و حرارت بين پوست و پارچه را تغيير دهد بسيار موثر واقع گردد. اگر پوشنده لباس شروع به احساس گرما و يا شروع به عرق کردن بيش از حد، پس از فعاليت عضلاني کند، منافذ بر روي پارچه باز خواهد شد تا اجازه دهد تا گرما و عرق در محيط انتشار يابد. در يک وضعيت سرد بدون عرق، منافذ بسته و پوشنده لباس را گرم نگه مي دارد.

شکل ۲ – پشت تی شرت واکنش دهنده کروی ساخت شرکت Nike

۳-  کاربرد هيدروژل پليمري حرارتي / pH  پاسخ در نساجي

 سومين نوع از SRP هيدروژل پليمري است که مي تواند در منسوجات براي توليد سطوح نساجي محرک- فعال مورد استفاده قرار گيرد، هيدروژل پليمري حرارتي / pH پاسخگو است. هيدروژل پليمري حرارتي پاسخگو (TRPGs) ماکرومولکولهايي با ساختار سه بعدي هستند که حاوي بخش بزرگي از آب در داخل ساختار خود مي باشند. TRPGs ميزان تورم خود را در پايين و يا بالاي يک دماي بحراني، افزايش يا کاهش مي دهند که به ترتيب؛ درجه حرارت بحراني پايين  محلول (LCST) و درجه حرارت بحراني بالا  محلول (UCST) ناميده مي شود. در دماي بالاتر، تعامل هيدروفوبيک در ميان بخش هاي آبگريز بالا است، در حالي که پيوند هيدروژني کمتر است که نتيجه نهايي حاصل انقباض TRPGs با توجه به فعل و انفعالات هيدروفوبيک مي باشد.

علاوه بر TRPGs، به هيدروژل pH – پاسخگو (PRPGs) نيز به طور گسترده اي به دليل اهميت فيزيولوژيک آن ها پرداخته شده است. هيدروژل ها ي pH -پاسخ معمولا گروه هاي اسيد يا قليايي ضعيف مانند کربوکسيل ها يا گروه هاي آمينه دارند، آنها پروتون  را قبول يا آزاد مي کنند و  تورم هيدروژل به عنوان پاسخ به مقدار pH تغيير مي کند.

هيدروژل محرک-پاسخ مي تواند بر روي سطوح سلولز، پلي پروپيلن و پارچه هاي پلي استر با استفاده از روش هاي مختلف پيوند زده شود. يکي از مسائل مهم مرتبط با هيدروژل محرک-پاسخ ، دوام هيدروژل مورد استفاده در منسوجات است. براي به دست آوردن اتصال خوب بين منسوج و هيدروژل پليمري محرک-پاسخ، مي توان تکنيک پلاسماي دماي پايين به کاربرده شود.

از جمله کاربردهاي اين هيدروژل ها مراقبت از پوست مي باشد که مي تواند به عنوان يک حامل با انتشار کنترل شده از مواد مغذي، عطر و يا داروهاي ديگر به پوست انسان، در پاسخ به تغييرات در درجه حرارت پوست، عمل کنند. از ديگر کاربردهاي آنها الياف خوشبو کننده است که قادر به آزاد سازي عوامل خوشبو کننده در درجه حرارت خاص است، ميباشد. الياف هوشمند توسط پوشش هيدروژل پليمري (آلکيل N-جايگزين) آکريل آميد، مانند N- isopropylacrylamide، بر روي سطح پارچه ساخته شده است. هيدروژل با استفاده از يک مونومر کاربردي مانند آکريل آميد، و يک عامل ارتباط متقابل مانند  (diethylamino) اتيل crylate به پارچه متصل مي شود. خوشبو کننده مي تواند به هيدروژل در طول يا پس از واکنش اتصال داده  شود.

نتيجه گيري:    

SRPs  در حال حاضر  پتانسيل و فرصت بالقوه اي در صنعت نساجي تولبد کرده است. با يکپارچه سازي SRPs در ساختار منسوجات، مي توانيم منسوجات با عملکردي نوين براي به دست آوردن خواص از جمله در زمينه ظرافت و زيبايي، مديريت رطوبت/ دما، حفاظت در برابر شرايط شديد آب و هوايي، بررسي زخم، مراقبت از پوست، طراحي فانتزي با تغيير رنگ، انتشار کنترل شده، خواص رطوبتي و هوشمند در سطوح نساجي  را مورد توجه قرار دهيم.

منسوجات  با SRPs  مي تواند شکل خود را تغيير يا حرکت دهند و  به اشکال مختلف سه بعدي در پوشاک دست يافته يا ظرافت و زيبايي خود را بالا ببرند. با SRPs پرده پنجره و يا صفحه نمايش مي تواند هوشمندانه تحت تحريک محيط  باز يا بسته شود. در لباس هوشمند ساختار، در پاسخ به محرک تغيير مي کند و وسيله خوبي براي دستيابي به مديريت گرما و رطوبت بدن انسان، با احساس راحتي مي باشد.

منسوجات محرک-پاسخ ممکن است در محصولات مراقبت از پوست با کنترل انتشار عطر، تغذيه، و دارو مورد استفاده قرار گيرد. علاوه بر برنامه هاي فوق،  الياف محرک-پاسخ فرصت جديدي براي پارچه هاي هوشمند در زمينه پزشکي است.

در حال حاضر، استفاده از SRPs در نساجي تا حد زيادي ناشناخته باقي مانده است. هر چند مواد پليمري مي تواند سازگاري خوبي با الياف داشته باشد ولي استفاده از منسوجات شرايط سختي بر خواص اصلي SRPs مانند ايمني، وزن سبک، پايداري بالا، نرمي و فرآيندپذيري خوب را تحميل مي کند. رنگرزي، شستشو و نگهداري نيز بايد در اکثر برنامه هاي کاربردي لباس در نظر گرفته شود. با تمامي موارد ذکر شده و تحقيقات صورت گرفته بايد از منسوجات انتظاري فراتر از آنچه که در حال حاضر از آنها ديده مي شود داشت تا متناسب با آن کيفيت زندگي را تغيير داد.

مرجع:

J. Hu, H. Meng, G. Li, S. I. Ibekwe, “A review of stimuli-responsive polymers for smart textile applications”, Journal of Smart materials and structures, p.p 1-23, 2012.

منبع : شماره ۳۰ مجله کهن

————————————————————————————

این مطلب را نیز بخوانید
پیشنهاد سردبیر : نقشه های فرش ماشینی چگونه طراحی می شوند؟

————————————————————————————
تحریریه مجله نساجی کهن
ارسال مقالات و ترجمه جهت انتشار در سایت : info@kohanjournal.com

فرم ثبت نام سریع

جهت دریافت آخرین خبرها و به روز ترین نمایشگاه های نساجی و فرش ماشینی ایران و جهان در فرم زیر ثبت نام کنید

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *