کاربرد فناوری نانو در صنعت نساجی

فناوری نانو یک تکنولوژی میان‌رشته‌ای در حال رشد است که اغلب به‌عنوان یک انقلاب صنعتی جدید شناخته می‌شود. فناوری نانو (MT) با موادی به طول 1 تا 100 نانومتر سر و کار دارد. اساس فناوری نانو در این واقعیت نهفته است که وقتی ابعاد به مقیاس نانومتر کاهش پیدا می‌کند، ویژگی‌های ماده به‌صورت قابل‌توجهی تغییر می‌کند. امروزه صنعت نساجی، قابلیت‌های فناوری نانو را کشف کرده است. بنابراین ما می‌توانیم فناوری نانو را در منسوجات به‌عنوان درک، دستکاری و کنترل ماده در طول اشاره‌شده‌ی فوق تعریف کنیم تا خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مواد (اتم‌های منحصربه‌فرد، مولکول‌ها و ماده حجمی) بتوانند جهت توسعه‌ی نسل بعدی از مواد بهبودیافته، دستگاه‌ها، ساختارها و سیستم‌ها به‌صورت مهندسی درآیند، تجزیه شوند و تغییر ساختار دهند. فناوری نانو برای توسعه‌ی مشخصات مطلوب نساجی، مانند استحکام کششی بالا، ساختار سطح منحصربه‌فرد، نرم بودن، ماندگاری، دفع آب، بازدارنده بودن در برابر اشتعال، خصوصیات ضدمیکروبی و موارد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربردهای جدید فناوری نانو در صنعت نساجی

فناوری نانو توجه جامعه جهانی را به‌شدت به سوی خود جلب کرده است، چون این تکنولوژی به‌صورت گسترده می‌تواند پتانسیل گسترده‌ای را در محدوده‌ی وسیعی از نیازهای نهایی ارائه دهد. خواص منحصربه‌فرد و جدید نانومواد، نه تنها توجه دانشمندان و محققین، بلکه به‌دلیل مزیت اقتصادی بالا باعث جلب توجه صاحبان کسب‌و‌کار نیز شده است.
فناوری نانو برای صنعت نساجی، پتانسیل اقتصادی بالایی دارد. این موضوع عمدتا به‌دلیل روش‌های متداول استفاده‌شده جهت به‌دست آوردن خواص مختلف پارچه‌ها به‌وجود آمده است که اغلب منجر به اثرات دائمی نمی‌شوند و بعد از شستشو و پوشیدن، عملکرد آنها از بین خواهد رفت. فناوری نانو می‌تواند ماندگاری بالایی را برای پارچه‌ها فراهم کند، چون ذرات نانو دارای مساحت سطح به نرخ حجمی بالایی هستند و انرژی سطحی بالایی دارند، بنابراین میل ترکیبی بهتری را برای پارچه‌ها ارائه می‌دهند و منجر به افزایش عملکرد ماندگاری می‌شوند. علاوه بر این، پوششی از ذرات نانو بر روی پارچه‌ها بر توانایی تنفسی یا احساس بدن تأثیری نخواهد گذاشت.

ما کاربرد فناوری نانو را در سه شیوه می‌توانیم بیان کنیم:

1- کاربرد در بخش‌های هوشمندانه
2- کاربرد در خواص مواد نساجی
3- کاربرد در صنعت پوشاک

کاربرد فناوری نانو در بخش‌های هوشمندانه

صنعت نساجی در حال حاضر توسط فناوری نانو تحت تأثیر قرار می‌گیرد. تحقیقات نشان می‌دهد که فناوری نانو سبب بهبود عملکرد یا ایجاد کارکردهایی بی‌نظیر برای مواد پارچه‌ای می‌شود.
این نوع از کاربردها شامل موارد زیر می‌باشند:
1- فناوری نانو در تولید الیاف‌ کامپوزیتی
2- فناوری نانو در عملیات تکمیل منسوج

فناوری نانو در تولید فیبرهای کامپوزیتی شامل موضوعات زیر می‌باشد
1- نانوفیبرهای کربنی و نانوذرات کربنی
2- نانوذرات خاک رس
3- نانوذرات اکسید فلزی
4- نانولوله‌های کربنی
5- ساختارهای کف نانوسلول

فناوری نانو در عملیات تکمیل منسوجات، موارد زیر را انجام می‌دهد
1- بروزرسانی پرداخت‌های شیمیایی و برآورد کارکردها
2- نانوذرات در عملیات تکمیل
3- نانولایه‌ی خودساماندهی‌شده

کاربرد فناوری نانو در صنعت پوشاک

نمونه‌هایی از صنایعی که فناوری نانو سبب افزایش منسوجات آنها می‌شوند، فراوان هستند که در حال حاضر می‌توان به بعضی از کاربردها در صنعت ورزش، محصولات مراقبت از پوست، فناوری فضایی، پوشاک و تکنولوژی‌هایی ماده برای پیش‌بینی بهتر در محیط‌های گسترده اشاره کرد. منسوجات بهسازی‌شده با ماده فناوری نانو، روشی جهت بهبود خواص منسوجات به‌حساب می‌آیند که سبب ماندگاری طولانی‌تر پارچه می‌شوند و رنگ‌های متنوع‌تری را نیز ارائه می‌دهند. نانوفناری می‌تواند به اضافه کردن قابلیت‌های جدید، همچون ذخیره انرژی و ارتباطات نیز منجر شود. بعضی از نمونه‌های جذاب منسوجات بهبودیافته توسط نانو در بازار عبارتند از:

• بافت ضدلک و الیاف‌ مقاوم در برابر چروک در منسوجات
• گرم‌کننده‌های بدن که با توجه به تغییرات دمایی بدن از مواد تغییر فاز (PCMها) استفاده می‌کنند.
• جوراب‌‌های نانوی بهسازی‌شده با نانوذرات نقره. نقره در برابر عفونت و بوی بد عمل می‌کند.

لباس‌شنا (مایو)

گسترده‌ترین کاربرد شناخته‌شده در این حوزه، به لباس پوشیده‌شده از پوست کوسه در هنگام شکستن رکورد جهانی شنای قهرمانی جهان مربوط می‌شود. این لباس که از یک لایه‌ی پلاسما افزایش‌یافته توسط فناوری نانو تشکیل شده است، سبب دفع مولکول‌های آب می‌شود. این لباس به گونه‌ای طراحی شده است که به حرکت سریع شناگر در داخل آب کمک می‌کند. چون همه‌ی رقابت‌کنندگان در رویدادهای شنا تمایل دارند تا شانس پیروزی خودشان را افزایش دهند، لذا این لباس به ویژگی مشترک این رویدادها تبدیل شده است.

کالاهای ورزشی

کفش‌های دویدن، راکت‌های تنیس، توپ‌های گلف و انواع دیگری از کالاهای ورزشی توسط فناوری نانو گسترده شده‌اند. همچنین دانشمندان به نانوذرات‌های مهم که در بعضی از محیط‌ها بر روی زمین به‌صورت طبیعی موجود هستند، برای ایجاد بلوک‌هایی جدید برای فناوری‌نانو توجه کرده‌اند تا به توسعه منسوجات جهت مقاومت گسترده در محیط‌ها کمک کنند. پوشاکی که در محیط اطرافتان حس می‌کنید و لباسی که آن را بر تن می‌‌نمایید، باعث ایجاد یک محیط جذاب قابل‌توجه می‌شوند. اینگونه نانوحسگرهای مبتنی بر الیاف می‌توانند سیستم مراقب از سلامتی را به‌صورت شخصی‌سازی‌شده فراهم کنند و هنگام دویدن شما به سمت یک تپه یا با توجه به تغییرات آب‌و‌هوایی می‌توانند علائم حیاتی شما را نظارت ‌کنند.

مدارهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر

نانونوارها باعث شکل‌گیری اساسی برای تراشه‌هایی که بسیار انعطاف‌پذیر و کششی هستند، می‌شوند به گونه‌ای که می‌توانند اطراف لبه‌ی یک میکروسکوپ پوشش‌دهنده‌ی لغزشی را بپوشانند و همانند یک در بطری‌باز‌کن پیچانده شوند. محققین بر روی توسعه‌ی صنعت مراقبت از سلامتی متمرکز شده‌اند و اعتقاد دارند که این ورقه‌های الکترونیکی کوچک و انعطاف‌پذیر می‌توانند روزی جهت نظارت بر فعالیت بیماران صرع مورد استفاده قرار گیرند یا به درون دستکش‌های مربوط به عمل جراحی جهت نظارت بر علائم حیاتی یک بیمار در هنگام عمل جراحی ادغام شوند.

کاربردهای سبک زندگی

شاید اولین کاربردهای تجاری فناوری نانو در کاربردهای سبک زندگی دیده شده است. پارچه و لوازم آرایشی جزء اولین محصولات تکنولوژی نانو هستند. جلیقه ضد گلوله یک نمونه از تکنولوژی‌ها و مواد فناوری نانو در کاربرد سبک زندگی است. از الیاف نانولوله‌ای برای هفده برابر کردن سختی مواد نسبت به کولار استفاده کرده‌اند. در پیشرفت‌های آینده شاهد استفاده تکنولوژی نانو در ساخت پارچه‌های هوشمند و تعاملی (SMIT) خواهیم بود که قادر به درک محرک‌های الکتریکی، گرمایی، شیمیایی، مغناطیسی و غیره هستند.

کاربرد فناوری نانو در ویژگی‌های مواد نساجی

ویژگی‌های به‌دست‌آمده در نساجی با استفاده از تکنولوژی نانو عبارتند از دفع آب، مقاومت در برابر خاک، مقاومت در برابر چین و چروک، ضد باکتری، ضد استاتیک و محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش، بازدارنده بودن در اشتعال، ارتقاء قدرت رنگ، پارچه‌های خود پاکساز و غیره. در ادامه کاربردهای مهم را به اختصار توضیح می‌دهیم.

دفع آب

پارچه نانو از طریق ایجاد رشته‌های نانو باعث بهبود ویژگی‌های دفع آب پارچه می‌شود که هیدروکربن‌ها و اندازه‌ی مشخصی از پارچه نخی معمولی را به پارچه اضافه می‌کند تا تاثیر فازی بدون کاهش قدرت نخ ایجاد شود. فضای بین رشته‌های پارچه نسبت به قطره آب کوچکتر هستند، اما از مولکول‌های معمولی آب بزرگتر می‌باشند؛ در نتیجه آب بالای رشته‌ها و بالای سطح پارچه باقی می‌ماند. با این وجود مایع همچنان می‌تواند در پارچه نفوذ کند، البته اگر فشاری اعمال شود. این عملکرد با حفظ توانایی تنفسی پارچه، دائمی است.

پوشش محافظ UV (اشعه ماوراء بنفش)

مهم‌ترین کارکرد اعمال‌شده توسط پوشاک، محافظت از پوشنده لباس در برابر آب و هواست. با این وجود لباس می‌تواند در مقابل اشعه‌های خطرناک خورشید نیز محافظ باشد. اشعه‌هایی در طول موج 150 تا 400 نانومتر را تابش‌های فرابنفش می‌نامند. ویژگی ضد UV پارچه زمانی ارتقاء پیدا می‌کند که رنگ، رنگدانه، مات‌کننده یا پوشش جذب‌کننده اشعه ماوراء بنفش وجود داشته باشد تا تابش ماوراء بنفش را جذب کرده و مانع از انتقال آن به پوست از طریق پارچه شود.
اکسیدهای فلزی مانند ZnO به‌عنوان محافظت در برابر UV در قیاس با عوامل ارگانیک ضد UV پایدارتر هستند. در نتیجه ZnO نانو به سبب افزایش ناحیه‌ی سطح و جذب شدید در منطقه UV، باعث ارتقاء ویژگی ضد UV می‌گردد. برای پوشش ضد باکتری، نانوذرات ZnO از نظر مقرون به صرفگی، سفید بودن و ویژگی ضد UV بهتر از نانونقره هستند.
پارچه‌های دارای جذب‌کننده‌‌های UV اطمینان می‌دهند که لباس، اشعه ماوراء بنفش مضر خورشید را منحرف نموده، مواجهه افراد با UVR را کاهش داده و از پوست در برابر صدمات احتمالی دفاع می‌کند. میزان حفاظت مورد نیاز از پوست بر حسب انواع مختلف پوست انسان، بستگی به شدت و توزیع تابش UV با توجه به مکان جغرافیایی، زمان روز و فصل دارد. این محافظت را SPF می‌نامند (عامل محافظت در برابر خورشید) که هر چه مقدار SPF بیشتر باشد، محافظت در برابر تابش UV بیشتر خواهد بود.

پارچه‌های خودپاکساز

پارچه نخی خودپاکساز شناخته‌شده به‌عنوان مراقب نانو توسط یک شرکت آمریکایی توسعه یافته و روانه بازار شده است. نانوتکس و شلوار جین مقاوم در برابر کرنش و لباس نظامی (Khakis) مقاوم در برابر لکه از سال 1990 موجود بوده‌اند. پارچه‌های مراقب نانو از طریق اصلاح ساختار سیلندری پارچه‌های نخی باعث ساخت پارچه شده‌اند. پارچه‌های نخی در مقیاس نانو به نظر شبیه تنه درخت می‌باشند. با استفاده از تکنیک‌های نانو، این تنه‌های درخت به‌صورت فاز رشته‌ای پوشش داده می‌شوند که منجر به ایجاد محفظه هوا در اطراف نخ می‌شوند. وقتی آب به پارچه برخورد می‌کند، بر روی نقاط رشته‌ها به‌صورت دانه دانه در می‌آید و این دانه‌ها هوای داخل حفره‌های بین رشته‌ای را که خاصیت شناوری اضافه ایجاد می‌کنند، فشرده می‌نمایند. از نظر فنی، پارچه غیرمرطوب‌کننده یا فوق آبگریز می‌شود. رشته‌ها نیز نقاط تماس کمتری برای کثیفی ایجاد می‌کنند. وقتی آب به پارچه خاکی برخورد می‌کند، کثیفی به آب بهتر از سطح پارچه می‌چسبد و همراه با قطرات آب از سطح پارچه خارج می‌شود. بنابراین مفهوم “خودپاکساز” مبتنی بر برگ گیاه نیلوفر آبی است.

پوشش‌های نهایی ضد‌استاتیک

بار استاتیکی معمولا در الیاف مصنوعی مانند نایلون و پلی‌استر ساخته می‌شود، زیرا آنها آب کمتری را جذب می‌کنند. الیاف سلولوزی محتوای رطوبت بیشتری برای حمل بارهای استاتیکی دارند، بنابراین هیچگونه بار استاتیکی در آن انباشته نمی‌شود. از آنجایی که الیاف مصنوعی ویژگی‌های ضد‌استاتیکی ضعیفی دارند، فعالیت‌های تحقیقی در زمینه بهبود ویژگی‌های ضد‌استاتیکی منسوجات با استفاده از فناوری نانو انجام شده است. مشخص گردیده است که دی‌اکسید تیتانیوم در اندازه نانو، رشته‌های زینک اکسید، اکسید قلع نانوذرات آنتیموان (ATO) و نانوسول سیلان می‌توانند ویژگی‌های ضد‌استاتیکی را به الیاف مصنوعی انتقال دهند. همچنین TiO₂، ZnO و ATO اثرات ضد‌استاتیکی ایجاد می‌کنند، چون آنها مواد رسانای الکتریکی هستند. این مواد به پراکنده شدن موثر بار استاتیکی که بروی الیاف انباشته شده‌اند، کمک می‌کنند. از سویی دیگر، نانوسول سیلان باعث بهبود ویژگی‌های ضد‌استاتیکی می‌شود، زیرا ذرات ژل سیلان بر روی الیاف باعث جذب آب و رطوبت هوا به خاطر گروه‌های آمینو و هیدروکسیل و آب محبوس می شود.

فناوری نانو برای به‌عمل‌آوری بدون چروک بودن

نساجی از طریق نانو باعث اجرای روش بدون چروک مبتنی بر تکنولوژی جدید نانو شده است که منجر به بهبود عملکرد و در عین حال حفظ صحت و قدرت الیاف می‌شود- جایگزینی برای فرآیندهای سخت سنتی فراهم می‌کند. روش‌های فرآوری و مواد شیمیایی باعث کاهش مقاومت کششی و پارگی الیاف می‌شوند. پوشاک و الیاف‌ خاصی وجود دارند که جزء منسوجات بدون چروک محسوب می‌شوند و برای مصرف‌کنندگان دارای فشردگی زمانی محبوب و مناسبی هستند، اما روش‌های سنتی برای تکنولوژی بدون چروک مناسب نیستند، مثل الیاف سبک‌وزن یا پوشاک برای تناسب اندام. گاهی‌اوقات الیاف باید بیش از اندازه مهندسی یا تقویت شوند تا در مقابل تضعیف الیاف ناشی از راه‌حل‌های بدون چروک سنتی ایستادگی کنند. در هر صورت تکنولوژی‌های جاری برای تمام الیاف‌ها کارکرد ندارند- یا برند/ خرده‌فروش باید هزینه اضافی کنند تا ویژگی‌های مخرب شیمیایی بدون چروک را از بین ببرند.
ساختار مولکولی نانومقیاس در تکنولوژی جدید Forify DP مربوط به نساجی نانو، به‌صورت عمیق در الیاف نفوذ می‌کند تا عملکرد ضد چروک را بهبود دهد. علاوه بر این، از زنجیره بهم پیوسته‌ی انعطاف‌پذیر و طولانی‌تری نیز استفاده می‌کند که باعث کاهش تنش فیبر تحت فشار می‌شود، بنابراین مقاومت قابل‌توجه‌‌ای را در اثر روش شیمیایی بدون چروک سنتی از بین می‌برد.

پوشش‌های نهایی ضد‌باکتری

برای ایجاد ویژگی‌های ضد‌باکتری، نقره با اندازه نانو، دی‌اکسید تیتانیوم و اکسید روی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یون‌های فلزی و ترکیبات فلزی، سطح مشخصی از تأثیر استریل‌سازی را نمایش می‌دهند. بخشی از اکسیژن هوا یا آب از طریق کاتالیز با یون فلزی به اکسیژن فعال تبدیل می‌شود، در نتیجه مواد ارگانیک را حل می‌کند و تاثیر استریل‌سازی را ایجاد می‌نماید. با استفاده از ذرات با اندازه نانو، تعداد ذرات در هر مساحت واحد افزایش می‌یابد و در نتیجه اثرات ضد‌باکتری به حداکثر می‌رسد.

جنبه‌های محیطی و اقتصادی

ویژگی‌های منحصربه‌فرد مواد نانو، نه تنها دانشمندان و فعالان پژوهشی را جذب کرده است، بلکه به خاطر پتانسیل اقتصادی زیادی که دارد، باعث توجه کسب‌و‌کارها و مشاغل نیز شده است. بنیاد علوم ملی گزارش می‌کند که خدمات و کالاهای مرتبط با نانو در سال 2015 تا 1 تریلیون دلار در بازار افزایش یافته است. این مقدار نسبت به کسب‌و‌کارهای ترکیبی همچون ارتباطات از راه دور و صنایع تکنولوژی اطلاعاتی بزرگتر است. به واسطه‌ی فناوری نانو پیش‌بینی می‌شود که در دهه بعدی چند صد میلیارد یورو به‌وجود آید. بازارهای مواد نانو در سال 2017 به 4 میلیارد دلار گسترش خواهند یافت. این باور وجود دارد که 2 میلیون فرصت شغلی جدید برای پاسخگویی به تقاضای تولید سالانه 1 میلیارد دلار در 10-15 سال آینده ایجاد خواهد شد. فناوری نانو برای محیط‌زیست نیز مطلوب است. تکنولوژی نانو با استفاده از منابع کمتر بدون عملکرد تخریب‌کننده باعث صرفه‌جویی در مواد خام و همچنین ارتقاء کیفیت زندگی می‌شود.