کاربرد فناوری نانو در تکمیل خودتمیزشونده منسوجات
تکمیل سطوح با هدف ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی با دو رویکرد قابل اجراست؛ در رویکرد اول منسوج با خاصیت خودتمیزشوندگی یک سطح اَبَرآبگریز است. در رویکرد دوم از نانوذراتی نظیر دی اکسید تیتانیوم (در فرم آناتاز) به صورت یک پوشش نانومتری بر روی منسوجات استفاده می‌شود، که این نانوذرات در حضور آب، اکسیژن و پرتو نور خورشید، سبب از بین بردن لکههای ایجاد شده بر منسوج میشوند.
2- خودتمیزشوندگی و تجزیه عوامل آلودگی
اگرچه تا مدتها ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی مستلزم ابَرآبگریز کردن سطوح بود، تحقیقات بیشتر نشان داد که با استفاده از تجزیه نوری ترکیبات آلی از جمله مواد آلاینده و میکروارگانیسمها توسط مواد نیمه‌هادی، به دی اکسید کربن و آب میتوان سطوح با خاصیت خودتمیزشوندگی مناسب ایجاد کرد [1]. در این حالت نیازی به ابرآبگریز کردن سطح نیست. برای مثال در تحقیقاتی که توسط یک گروه از محققین ژاپنی صورت گرفت، فیلمی متشکل از نانوذرات تیتانیوم در دمای 500 درجه سانتی‌گراد قرار گرفت. بر اثر این فرایند، سطحی اَبَرآبدوست حاصل شد که با وجود اینکه در معرض آب و روغن کاملاً تر میشد اما همچنان از خاصیت خودتمیزشوندگی مطلوبی برخوردار بود.
دی اکسید تیتانیوم یا تیتانیا از پرمصرفترین مواد در این زمینه است. علاوه بر دی اکسید تیتانیوم، خصوصیات نانوذرات دیگری نظیر وانادات بیسموت و بنزوفنون توسط محققان در حال بررسی است. مهمترین چالش در انجام این نوع تکمیل، انرژی سطحی اندک منسوجات است که چسبندگی میان پوشش نانومتری به زمینه منسوج را با مشکل مواجه میسازد. برای رفع این مشکلات استفاده از روشهایی نظیر سُل – ژل دمای کم و نسل جدید اتصالدهندههای پلیمری پیشنهاد می‌شود. به دلیل خواص متعدد پوششدهی با TiO2، استفاده از این فناوری مورد توجه محققین علوم مختلف قرار گرفته است. در شکل 1 فعالیت فوتوکاتالیستی TiO2 نشان داده شده است.
شکل 1. فعالیت فوتوکاتالیستی TiO2 در حضور نور خورشید
فوتوکاتالیست مادهای حساس به نور است که در حضور نور به شدت اکسید می‌شود. خاصیت خودتمیزشوندگی را میتوان با پوششدهی سطح با اکسید فوتوکاتالیست یک فلز واسطه ایجاد کرد. دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خواص فوتوکاتالیستی قابل قبول، به دلایل مختلف از جمله قیمت نسبتاً ارزان، پایداری شیمیایی، غیرسمی بودن و زیستسازگاری، یکی از بهترین مواد برای ایجاد این خاصیت به شمار میرود. دی اکسید تیتانیوم با دو رویکرد خاصیت خودتمیزشوندگی ایجاد میکند:
- اکسیداسیون فوتوکاتالیستی
- خاصیت ابرآب‌دوستی
خاصیت فوتوکاتالیستی این نیمه‌هادی، ناشی از نیازمندی به انرژی متوسط برای انتقال یک الکترون از مدار ظرفیت به مدار هدایت است. در حالت تهییج نشده و پایه، الکترونهای ماده فوتوکاتالیست در مدار ظرفیت (VB) قرار دارند. هنگامی که سطح در معرض تابش نور قرار می‌گیرد، الکترونها انرژی جذب کرده و به مدار هدایت (CB) منتقل میشوند. پتانسیل مورد نیاز برای ایجاد زوجهای الکترون/حفره در این ماده 2.53+ ولت است که امکان اکسید شدن مولکولهای آب و یونهای هیدروکسید جذب شده را فراهم کرده و رادیکالهای هیدروکسیل با قابلیت اکسایش زیاد ( ̇(OH)) تولید میکند. پتانسیل انتقال الکترون از لایه هدایت 0.52- ولت است که به میزان لازم برای واکنش با مولکولهای اکسیژن جذب شده برای ایجاد یونهای رادیکالی سوپراکسید با واکنشپذیری زیاد (O_2)، کافی نیست. رادیکالهای تهییج شده که حاصل واکنشهای مذکور هستند، قادر به انجام واکنشهای فوتوالکتروشیمیایی برای تجزیه ترکیبات آلی نظیر مواد آلاینده، لکهها، میکروبها و سایر ترکیبات به دی اکسیدکربن و آب هستند [2].
شکل 2. طرحواره پدیده فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم
شکل 3. نحوه عملکرد منسوجات خودتمیزشونده فوتوکاتالیستی
الف ب
شکل 4. کاربرد TiO2 در شیشه (الف) و آیینه (ب) خودتمیزشونده و ضدمه خودرو
شکل 5.عوامل مؤثر بر خاصیت فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم
خاصیت فوتوکاتالیستی TiO2 آناتاز از موفولوژی (ریختشناسی) این ذره تأثیر میپذیرد. چنانچه این ذره در ابعاد نانومتری مورد استفاده قرار گیرد، خاصیت فوتوکاتالیستی به دلیل پخش شدن الکترون/حفرهها قبل از ترکیب مجدد و افزایش سطح مخصوص در واحد جرم و حجم افزایش مییابد. تحقیقات نشان داده است ذرات دی اکسید تیتانیوم به فرم آناتاز با اندازه حدود 10 نانومتر، به دلیل بهترین موازنه میان بار سطحی و اندازه ذرات، از بیشترین فعالیت فوتوکاتالیستی برخوردار است [4].
2-1-2- کاربردهای پوششدهی با TiO2
تکمیل با نانوذرات TiO2 علاوه بر ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی در منسوجات، با تجزیه مولکولهای آلی ایجادکننده بو و تجزیه میکروارگانیزمها، سبب ایجاد خواصی نظیر ضدبو و ضدمیکروب در منسوجات خواهد شد. محافظت در برابر پرتو فرابنفش از جمله خواص ایجاد شده در منسوج پوشش داده شده با دی اکسید تیتانیوم است [5].
2-2- تکمیل خودتمیزشونده منسوجات با استفاده از TiO2
از پارچههای خودتمیزشونده در موارد متعددی از جمله لباس کار و یونیفرمهای نظامی، مبلمان خانگی و شهری، فرش، پرده، چادر مسافرتی، منسوجات کشاورزی، فیلترها و … استفاده می‌شود.
به منظور بهبود پایداری و چسبندگی بین ماده زمینه و پوشش فوتوکاتالیست، از روش‌های فیزیکی مانند تابش پلاسما یا پرتو فرابنفش تحت خلأ برای عاملدار کردن سطح استفاده می‌شود. رویکرد شیمیایی شامل استفاده از عوامل اتصال‌دهنده عرضی (کراسلینککننده) دارای بنیان پلی کربوکسیلیک اسید است [6].
شکل 6. نمونهای از یک لباس خودتمیزشونده
شکل 7. روش‌های مختلف تکمیل منسوج پنبه‌ای با استفاده از دی اکسید تیتانیوم [7،11-4]
استفاده از دی اکسید تیتانیوم در تکمیل منسوجات پشمی علاوه بر ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی، سبب بهبود خواصی نظیر آب‌دوستی، ضدمیکروبی و ضد زردشدگی در اثر تابش نور می‌شود. استفاده از پرتودهی فرابنفش و پوششدهی یکنواخت پشم با نانوکامپوزیت دی اکسید تیتانیوم/دی اکسید سیلسیوم از جمله روش‌های افزایش آب‌دوستی و ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی در این لیف است. حضور بلورهای دی اکسید تیتانیوم به عنوان جاذب پرتو فرابنفش سبب کاهش میزان زردشدگی الیاف پشم دراثر تابش نور می‌شود. از سوی دیگر استفاده از ترکیب نانوذرات سیلیکا و نقره سبب افزایش آب‌دوستی و خاصیت ضدمیکروبی الیاف پشم می‌شود.
به دلیل مقاومت حرارتی و شیمیایی اندک الیاف پروتئینی، به منظور تکمیل این الیاف با دی اکسید تیتانیوم، برخی عملیات ویژه مورد نیاز است. برای چسبندگی بهتر TiO2 از روش‌های آمادهسازی شیمیایی الیاف پشم استفاده می‌شود که از آن میان میتوان به اسیلاسیون سطح پشم با استفاده از سوکسینیک انیدرید اشاره کرد. اکسیداسون سطح پشم با پرمنگنات پتاسیم و استفاده از بوتان تتراکربوکسیلیک اسید (BTCA) به عنوان ماده اتصال‌دهنده میتواند سبب پایداری نانوذرات و افزایش میزان جذب آنها توسط الیاف پشم شود [12،13].
3-2-2- تکمیل منسوج پلی استر
استفاده از پلاسمای آرگون یا اکسیژن با فرکانس رادیویی (FR) از جمله روش‌های عاملدار کردن سطح پلی استر پیش از تکمیل با نانوذرات TiO2 کلوئیدی است. هرچند هر دو روش مذکور مؤثر هستند، لیکن استفاده از پلاسمای RF از کارایی بهتری برخوردار است. منسوج تکمیل شده با این روش، از خاصیت ضدباکتری علیه باکتری E.Coli، ضد پرتو فرابنفش و تجزیه لکه آب میوه برخوردار می‌شود.
نتایج مشابهی از اثر آمادهسازی منسوج با پلاسما در مورد پارچههای پشم/نایلون و پلی استر گزارش شده است. سوسپانسیون و کلوئید TiO2 در دمای 100 درجه سانتی‌گراد روی منسوجات مذکور قرار داده میشوند. TiO2 کلوئیدی به عنوان لایه ابتدایی با لایه دیگری از TiO2 با ابعاد بلور بزرگتر پوشانده می‌شود که این امر بهترین اثر رنگبری را فراهم میسازد. رسوبگذاری ذرات TiO2 کلوئیدی روی منسوج، مناطق مناسب برای قرارگیری بلورهای بزرگتر لایه دوم را فراهم میسازد. این روش تکمیل سبب ثبات نانوذرات و حفظ خواص مورد انتظار پس از رنگبری فوتوشیمیایی لکهها بر روی منسوج می‌شود [14].
4-2-2- مقایسه ابرآبگریزی و TiO2 در خودتمیزشوندگی
اثر خود تمیزشوندگی فوتوکاتالیستی با TiO2 نسبت به خودتمیزشوندگی با روش ابرآبگریزی از چند مزیت برخوردار است.
- سهولت استفاده از TiO2 نسبت به ابرآبگریز کردن سطوح
- دوام و استحکام بیشتر سطوح عمل شده با TiO2
- تکمیل چند منظوره با استفاده از TiO2 (خودتمیزشوندگی، ضدباکتری، ضدبو و جاذب پرتو فرابنفش)
- ثبات شستشویی، سایشی و محیطی مناسبتر منسوج تکمیل شده با TiO2
3- نتیجهگیری
توسعه سطوح خودتمیزشونده، زمینهای فعال در تحقیقات به شمار میرود. مفهوم خودتمیزشوندگی با مفاهیمی نظیر خاصیت ترشوندگی سطوح، شیمی و فیزیک سطح، نانوفناوری و مکانیک ارتباط مستقیم دارد. هرچند روش‌های زیادی برای تولید منسوجات خودتمیزشونده و ایجاد زبری نانومتری در سطوح ارائه شده است، لیکن لزوم ارائه روشهایی سادهتر که نیازمند مراحل عملیاتی کمتر و دمای پایینتر باشد، همچنان وجود دارد.
مطالب زیر را حتما بخوانید:
قوانین ارسال دیدگاه در سایت