نانو الیاف در صنعت نساجی

مقدمه:

نانو الیاف در سال‌های اخیر تحولی چشمگیر در صنعت نساجی ایجاد کرده‌اند. این مواد به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد خود از جمله استحکام بالا، سبکی و عملکردهای پیشرفته، کاربردهای وسیعی در حوزه‌های مختلف این صنعت پیدا کرده‌اند. در این مقاله به بررسی ویژگی‌ها، کاربردها و چالش‌های مرتبط با استفاده از نانو الیاف در نساجی پرداخته می‌شود. استفاده از فناوری نانو در نساجی باعث شده است که کاربردهای چند منظوره در این صنعت مشاهده شود و الیافی با عملکردهای خاص از جمله ضد باکتری، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش، خود تمیزشوندگی، ضد آب، ضد چروک و غیره تولید شود (شکل 1).

شکل 1- کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت نساجی

روش‌­های تولید نانو الیاف

روش‌­های بسیاری برای تولید الیاف وجود دارد، ولی روش­‌هایی که می­‌توانند منجر به تولید الیاف با قطرهای نانومتری یا نانو الیاف در صنعت نساجی شود عبارت است از کشش مکانیکی، تولید از قالب، خودآرایی و الکتروریسی.

• روش کشش مکانیکی (Mechanical Drawing)

این روش از نیروی مکانیکی برای کشیدن و نازک کردن الیاف پلیمری تا مقیاس نانو استفاده می‌کند. این روش همواره با انجماد همراه است، که مواد ریسیده شده را به الیاف جامد تبدیل می­‌کند. مرحله انجماد در ذوب­‌ریسی با سرد کردن و در خشک‌ریسی با تبخیر حلال صورت می­‌پذیرد. این فرایندهای پیچیده، قطر الیاف تولیدی را به نرخ کشش، نرخ سرد کردن یا تبخیر و ترکیب دقیق ماده اولیه وابسته می‌سازد. این روش قابلیت تولید الیاف با استحکام بالا را دارد اما دستیابی به ابعاد بسیار کوچک دشوار است و نیاز به تجهیزات پیشرفته دارد. همچنین این روش قادر است الیافی با طول زیاد و قطر چند نانومتری تولید کند. فرایندهای استاندارد کشش تاکنون نتوانسته­‌اند الیافی با قطر کمتر از ۲۰۰ نانومتر تولید کنند، زیرا موادی پیدا نشده‌­اند که بتوانند به قله منحنی برسند. برای رسیدن به الیاف با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر نیاز به استفاده از مولکول­‌های کوتاه به جای زنجیره­‌های بلند پلیمری است. همچنین کشیدن الیاف در هنگام تبخیر حلال در دمای اتاق خواص ماده اولیه را بهبود می­‌بخشد و اجازه رسیدن به ویسکوزیته بهینه برای کشش الیاف را می­دهد. روش کشش نیازمند موادی با رفتار ویسکوالاستیسیته (خصوصیتی از ماده که نشان­‌دهنده ویسکوزیته و الاستیسیته ماده در حال تغییر شکل است) برای تحمل تغییر شکل است درحالیکه چسبندگی کافی برای مقاومت در برابر فشار وارده در طول عملیات کشش را داشته باشند. برای مثال نانو الیاف سیترات سدیم توسط این تکنیک تولید شده است.

• روش قالب‌گیری (Template Synthesis)

در این روش از یک قالب متخلخل به عنوان الگو برای شکل‌گیری نانو الیاف استفاده می‌شود. مواد اولیه به داخل قالب نفوذ کرده و پس از حذف قالب، نانو الیاف باقی می‌مانند. این روش برای تولید الیاف با ساختار کنترل‌شده و یکنواخت به کار می‌رود اما پیچیدگی فرآیند و هزینه‌های بالا از چالش‌های آن است. بسته به اندازه تخلخل قالب، می­‌توان نانو الیافی با قطرهای متفاوت و چگالی­‌های متفاوت تولید کرد. از مهمترین ویژگی­‌های این روش می­‌توان به تولید نانو الیاف پلیمرهای رسانا، فلزات، نیمه رسانا­ها و کربن اشاره کرد ولی با استفاده از این روش نمی‌­توان نانو الیاف پیوسته تولید کرد.

• خودآرایی مولکولی (Molecular Self-Assembly)

به طور متداول خودآرایی نانو الیاف به ساخت الیاف نانو مقیاس با استفاده از مولکول­‌های کوچکتر به عنوان واحدهای سازنده اولیه گفته می­‌شود یک مولکول کوچک به طور هم‌مرکز قرار می­گیرد و با مولکول­‌های دیگر به طور هم‌مرکز پیوند برقرار می­کند. پیشرفت فرایند در صفحه عمود، محور طولی نانولیف را تشکیل می­دهد. سازوکار اصلی برای روش خودآرایی، نیروهای بین‌مولکولی است که واحدهای کوچکتر را کنار هم جمع می­کند و مشخص­‌کننده شکل مولکول­‌های بزرگ نانولیف می‌­باشد. به عبارت دیگر، در این روش، از تعاملات شیمیایی و نیروهای بین‌مولکولی برای تولید نانو الیاف استفاده می‌شود. این روش نیز برای تولید نانو الیاف پیوسته، روشی زمان­بر معرفی شده است. این فرآیند عمدتاً در سیستم‌های زیستی و پزشکی به کار می‌رود. مزایای آن شامل توانایی تولید ساختارهای پیچیده و زیست‌سازگار بودن است اما کنترل دقیق فرآیند چالش برانگیز می‌باشد.

• الکتروریسی (Electrospinning)

این روش رایج‌ترین تکنیک تولید نانو الیاف است. در این روش، یک محلول پلیمری از طریق یک نازل به میدان الکتریکی بالا اعمال می‌شود. نیروی الکتریکی باعث کشیده شدن محلول و تشکیل نانو الیاف بر روی یک جمع‌کننده می‌شود که شماتیکی از این دستگاه و روش در شکل 2 نمایش داده شده است. مزایای این روش شامل کنترل دقیق بر روی قطر الیاف و هزینه تولید پایین است. از معایب آن می‌توان به نرخ تولید پایین اشاره کرد. اندازه و ریزساختار نانو الیاف با متغیرهای عملیاتی متفاوتی کنترل می­‌شود. این متغیرها، ویسکوزیته محلول، ولتاژ، نرخ تغذیه، فاصله هدف و لوله موئین و اندازه لوله هستند. روش الکتروریسی بسیار تطبیق‌پذیر بوده و محدوده وسیعی از مواد پلیمری با محدوده وسیعی از قطر الیاف (نانومتر تا چند میکرومتر)، با این روش تولید می­‌شوند. انواع مختلفی از مولکول‌ها به راحتی می­‌توانند برای تولید نانو الیاف عامل­دار در فرایند شرکت داده شوند. نانو الیاف الکتروریسی شده معمولاً به صورت بی‌نظم یا جهت­‌دار روی صفحه دو بعدی جمع‌آوری می‌شوند.

شکل 2- نمای شماتیک دستگاه الکتروریسندگی

در الکتروریسی به روش مذاب، جریان پلیمر به حالت محلول یا مذاب در معرض میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد که در نتیجه آن، الیافی پیوسته ایجاد می‌شود. روش الکتروریسی مذاب به دلیل نبود حلال و مشکلات سمیت حاصل از آن طی فرایند الکتروریسی، به طور گسترده برای کاربرد در حوزه‌های پیشرفته، از جمله سلول‌های خورشیدی، زیست‌فناوری، محیط زیست و دفاعی مورد توجه قرار گرفته است. شرکت دانش‌بنیان رخشان پلیمر صنعت با تکیه بر دانش فنی موفق به تولید کامپاند ملت بلون شده است. این کامپاند قابلیت استفاده در فرایند الکتروریسی مذاب برای تولید الیاف را دارا می‌باشد.

کاربرد نانو الیاف در صنعت نساجی

نانو الیاف در بخش‌های مختلفی از صنعت نساجی مورد استفاده قرار گرفته‌اند و توانسته‌اند به بهبود عملکرد و ایجاد قابلیت‌های جدید در منسوجات کمک کنند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای نانو الیاف در این صنعت عبارتند از:

1. پارچه‌های هوشمند: استفاده از نانو الیاف در تولید لباس‌های هوشمند که قادر به تنظیم دما و پایش پارامترهای زیستی بدن هستند.
2. لباس‌های ورزشی و نظامی: افزایش قابلیت تنفس‌پذیری، کاهش تعریق و افزایش مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی.
3. منسوجات پزشکی: کاربرد در تولید پانسمان‌های زخم با خاصیت ضدباکتری، لباس‌های جراحی مقاوم به آلودگی و ماسک‌های فیلتردار با راندمان بالا.

ویژگی‌های نانو الیاف در صنعت نساجی

نانو الیاف به دلیل داشتن قطر بسیار کم (در حد نانومتر) و نسبت سطح به حجم بالا، از ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی برخوردارند که آن‌ها را برای کاربردهای مختلف نساجی مناسب می‌سازد. برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های این مواد عبارتند از:

• افزایش استحکام و دوام: نانو الیاف به دلیل ساختار خاص خود باعث افزایش استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر کشش و سایش منسوجات می‌شوند.
• سبکی و نرمی: این الیاف ضمن سبکی زیاد، منجر به تولید پارچه‌هایی نرم و راحت برای استفاده‌های روزمره و صنعتی می‌شوند.
• خاصیت ضدباکتری و ضدقارچ: به کارگیری نانو ذرات نقره و دیگر ترکیبات آنتی‌باکتریال در ساختار الیاف موجب جلوگیری از رشد میکروارگانیسم‌ها و افزایش بهداشت منسوجات می‌شود.
• خاصیت آب‌گریزی و ضدلک: پوشش‌دهی نانو الیاف بر روی پارچه‌ها باعث می‌شود تا آن‌ها در برابر نفوذ آب، روغن و دیگر مایعات مقاوم شوند و دیرتر دچار لکه شوند (شکل 3).

شکل 3- پارچه­‌هایی با قابلیت دفع آب و روغن

• بهبود خواص حرارتی و عایق بودن: نانو الیاف به عنوان یک عایق حرارتی عمل کرده و به کنترل دمای بدن کمک می‌کنند که در لباس‌های ورزشی و زمستانی اهمیت زیادی دارد.
• خاصیت فیلتراسیون بالا: به دلیل ساختار متخلخل و سطح موثر زیاد، نانو الیاف قابلیت فیلتر کردن ذرات بسیار ریز مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها را دارند.

نتیجه‌گیری

نانو الیاف با ویژگی‌های بی‌نظیر خود توانسته‌اند راهکارهای نوآورانه‌ای را برای بهبود کیفیت و کارایی منسوجات فراهم کنند. با این حال، توسعه این فناوری نیازمند سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه جهت کاهش هزینه‌های تولید و تضمین ایمنی و پایداری زیست‌محیطی است. انتظار می‌رود در آینده نزدیک، استفاده گسترده‌تر از این فناوری در صنعت نساجی بتواند تحولی بنیادین در این حوزه ایجاد کند.

منابع و مراجع

1. S.Mondal, “Phase change materials for smart textiles – An overview,” Applied thermal engineering.
2. . J. X. W. a. T. L. Fang, Functional applications of electrospun nanofibers, school of textile and engineering, Wuhan textile university.
3. A. K. Y. H. Q. Juan P. Hinestroza, “Nanotechnology in Textiles
4. S. P. a. G. L. K.V. Singh, “Modern Applications of Nanotechnology in Textiles,” Textile Research Journal.
5. M. K. &. C. Prichard, “Nanotechnology in textile and apparel research – an overview of technologies and processes,” The Journal of The Textile Institute.
6. T.-c. L. Seeram Ramakrishna, An Introduction To Electrospinning And Nanofibers, world scientific publishing