کاربرد فناوری نانو در راحتی پوشاک

افزایش راحتی پوشاک در سالهای اخیر اهمیت زیادی یافته و تحقیقات متعددی در راستای ارتقاء آن انجام شده است. یکی از زمینه هایی که توان بالایی در ارتقاء سطح راحتی پوشاک دارد فناوری نانو است. بر همین اساس در این پژوهش به بررسی کارکردهای این فناوری در ارتقاء سطح راحتی پوشاک پرداخته شده است.

مقدمه

در حدود 400 سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست. نانو ریشه یونانی “نانس” به معنی کوتوله می‌باشد. فناوری نانو، موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم می‌باشد که در تمامی گرایش‌های علمی راه یافته‌است تا جایی که در یک دهه آینده برتری فراینده‌ها، وابسته به این تحول خواهد بود. ماهیت فناوری نانو توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از آن در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتم‌ها یا مولکول‌ها با استفاده از مواد، وسایل و سیستم‌هایی با توانایی‌های جدید و با تغییر این ساختارها و رسیدن به بازدهی بیشتر مواد می‌باشد. فناوری نانو فرایند دستکاری مواد در مقیاس اتمی و تولید مواد و ابزار، به وسیله کنترل آن‌ها در سطح اتم‌ها و مولکولهاست. در واقع اگر همه مواد و سیستم‌ها ساختار زیربنایی خود را در مقیاس نانو ترتیب دهند؛ آنگاه تمام واکنش‌ها سریع‌تر و بهینه‌تر صورت می‌گیرد و توسعه پایدار پیش گرفته می‌شود. از جمله دستاوردهای فراوان این فناوری کاربرد آن در تولید، انتقال، مصرف و ذخیره‌سازی انرژی با کارایی بالاست که تحول شگرف را در این زمینه ایجاد می‌کند.

با توجه به اینکه بازار پوشاک بیش از 61 درصد از کل بازار منسوجات را در جهان به خود اختصاص می دهد، پیش بینی میشود درحالی که در سال 2012 ، تقاضای تخمینی از پوشاک نانوفناورانه در بازارپوشاک جهانی به 53/24 میلیارد دلار رسید، این میزان در سال 2020 به بیش از یکصد میلیارد دلار برسد. در سالهای اخیر با ظهور کاربردهای جدید منسوجات نانو، روند رشد از سرعت بیشتری برخوردار بوده است با وجود اینکه پیش از این صاحبنظران، تأثیر اصلی فناوری نانو را در حوزه های پزشکی والکترونیک پیش بینی کرده بودند، اما اکنون صنعت نساجی به یکی از اولین استفاده کننده های فناوری نانو در محصولات و فرایندهای خود تبدیل شده است.نوآوری ها در صنعت نساجی شامل نوآوری در توسعه محصولات جدیدی است که مطابق با تقاضای مصرف کننده باشد؛ و نیزنوآوری در فرآیندهای تولیدی که موجب کاهش قیمت ها، افزایش ظرفیت تولید و ارتقاء کیفیت می گردد. درآینده نزدیک،نوآوری در تولید محصولات جدید تحول کلیدی است که توسط فناوری نانو در صنعت نساجی ایجاد خواهد شد. این تحول کلیدی شامل نوآوری در فرایند تولید محصولات نخواهد بود. درصنعت نساجی، فناوری نانو بیشتر به منظور تولید مواد جدید، بهبود خواص مواد موجود و ارتقاء کیفیت محصولات، به کار گرفته خواهد شد و در تقلیل قیمت محصولات نقش چندانی نخواهد داشت. اگرچه درحال حاضر فناوری نانو دوران طفولیت خود را پشت سر می گذارد، با این وجود انتظار می رود در بهبود کارایی منسوجات، ایجاد ارزش افزوده و افزایش بازدهی مفید واقع گردد.

به کارگیری فناوری های نوین توسط شرکت های کوچک نساجی به علت وجود مرزهای بسیار مستحکم و نفوذ ناپذیر این گونه فناوری ها و نیز هزینه بالای تغییرات، بسیار دشوار است. به همین خاطر به نظر می رسد که شرکت های بزرگ نساجی که دارای انواع مختلف محصولات هستند، در این عرصه پیروز میدان باشند. فرصت رشد سریع برای بخش منسوجات فنی و محصولاتی مانند منسوجات نظامی و ورزشی است که قیمت تمام شده برای آنها زیاد مهم نیست. در زمینه بازار پوشاک که حدود 60 درصد بازارمنسوجات را تشکیل می دهد، موانع زیادی وجود دارد. فناوری نانو موجب ارتقاء گستره هایی در واحدهای نساجی و پوشاک موجود خواهد شد و در بخش‌های غیرمتعارف رشد بیشتری را ایجاد خواهد کرد. بر همین اساس در این مقاله به بررسی برخی کاربردهای فناوری نانو در راحتی پوشاک پرداخته شده است.

کاربردهای فعلی فناوری نانودر پوشاک

امروزه مردم بدنبال ویژگی هایی همچون مقاومت در برابر لکه، بو،  چروک، رنگ پریدگی و کنترل تعرق در لباس های روزمره خود هستند. با استفاده از روش های پوشش دهی در مقیاس نانو، می توان عملکرد پوشاک روزانه را ارتقا داد. پارچه های معمولی همانند پنبه و الیاف مصنوعی اگر با فناوری نانو بهبود یابند، به پارچه هایی تبدیل می شوند که بدون از دست دادن ویژگی های فیزیکی (رنگ، انعطاف پذیری، تنفس پذیری و وزن)، ویژگی های جدیدی نظیر ضد آب، ضد چروک و ضد الکتریسیته ساکن را به دست می آورند. با استفاده از فناوری نانو ایجاد خصوصیات عملکردی پیشرفته بدون تأثیر نامطلوب بر ظاهر، زیر دست و راحتی پارچه امکان پذیر خواهد بود.  تکمیل های مرسوم که برای ایجاد این خصوصیات عملکردی در منسوجات به کار می روند، به راحتی با شست و شو یا پوشیدن از بین می‌رود. از آنجایی که با استفاده از فناوری نانو تغییرات ایجاد شده در پارچه در سطح مولکولی اتفاق می‌افتد، این تغییرات نسبتاً دائمی هستند. از کاربردهای دیگر فناوری نانو در پوشاک می‌توان به مقاومت در برابر ساییدگی، استحکام بالا و رسانش در پوشاک هوشمند اشاره کرد، هرچند در حال حاضر این جنبه‌ها چندان که تجاری نشده یا به بازارهای خاصی محدود است، لیکن طیف وسیعی از ایده ها توسط طراحان یا مراکز مد پیشنهاد شده است، با این وجودهیچ یک از آنها هنوز برای تولید انبوه از توجیه اقتصادی برخوردار نیستند.

شکل1- کاربرد های فعلی فناوری نانو در پوشاک

لباس خود تمیزشونده

اصول کار این لباس ها از برگ گیاه نیلوفر آبی الهام گرفته است که همواره تمیز است. این فرایندبرای پوشاک کودکان، لباس ورزشی یا یونیفرم ها ایده آل است. دو روش برای ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی در منسوجات مورد استفاده قرار می گیرد. در روش اول نانو ذرات با قابلیت فوتوکاتالیستی(TiO₂) که بر سطح منسوج قرار داده می شوند،  از توانایی تجزیه لکه های آلی برخوردار هستند. فوم با ابر آب گریزکردن سطح منسوجات با استفاده از نانولوله های کربنی، نانو ذرات و کامپوزیت های پلیمری حاوی(فلوئورواکریلات) نانوذرات، قطرات آب که بر سطح منسوج می لغزند، آلاینده های سطحی منسوج را جدا میکنند.  برای مثال می‌توان از ایجاد شبکه‌ای ازSiO₂ در هگزا دسیل تریاتوکسی سیلان بر الیاف ویسکوز به روش سل-ژل اشاره کرد. نانو تارها نیز میتوانند با استفاده از عامل اتصال دهنده هادی به سطح الیاف متصل شده و سبب تغییر خواص الیاف شوند.

شکل2- لباس‌های خود تمیز شونده

 لباس ضد چروک

در منسوجات به ویژه پارچه های پنبه ای، حضور گروه های هیدروکسیل با قابلیت ایجاد پیوند هیدروژنی سبب ایجاد چروک در پارچه می شود. در حضور آب پیوندهای هیدروژنی از محل قبلی خود باز شده و در محل جدید که معمولاً  مطلوب نیست، تشکیل می‌شوند که این امر سبب ایجاد چروک در پارچه خواهد شد. درگیر کردن گروه های هیدروکسیل راهکاری برای ممانعت از ایجاد چروک در منسوجات است. از ترکیبات نانو ساختار در تکمیل ضدچروک منسوجات، عمدتاً به منظور تقویت خاصیت کاتالیزوری در ایجاد اتصال عرضی بین سلولز و عامل ایجاد پیوند عرضی استفاده می شود. با افزودن نانوذرات به عامل ایجاد اتصال عرضی، نانوذرات در مناطق آمورف الیاف نفوذ می‌کنند و با ایجاد پیوند هیدروژنی  با مولکول های لیف،جابه‌جایی زنجیرهای مولکولی سلول‌ها را محدود می کنند و از طرفی واکنش کاتالیستی تشکیل اتصال  استر میان حلقه آنیدرید حلقوی و گروه هیدروکسیل سلولز را افزایش میدهد. برخی از این نانو موادعبارت انداز: نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم(TiO₂) نانو ذرات نقره(Ag)، نانو ذرات سیلیکا(SiO₂)، نانو ذرات اکسید روی(Zn)، نانو لوله های کربنی(Cnt) و نانو ذرات کیتوسان. استفاده از ترکیب نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم و دی متیل دی هیدروکسی اتیل اوره(Dmdheu) سبب ایجاد خاصیت ضد پرتو فرا بنفش، بهبود استحکام پارگی، کاهش مقدار فرمالدیید آزاد ناشی از بکار گیری ماده ضد چروک و بهبود چروک پذیری پارچه می‌شود. به روش سل_ژل و توسط پیش ماده تترا بوتیل اورتوتیتانات (TBOT) و سیتریک اسید همراه با اتانول می‌توان ضدچروک پارچه پنبه ای را بهبود داد. نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم همراه با سیتریک اسید به عنوان عامل ایجاد اتصال عرضی و سدیم  هیپوفسفیت به عنوان کاتالیزور در تکمیل ضد چروک کالای سلولزی استفاده شده است.

شکل3- نحوه عملکرد مواد ضدچروک در لباس سلولزی

از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم و سوکسینیک اسید به عنوان عامل پیوند عرضی در معرض پرتو فرابنفش نیز می توان استفاده کرد. گروه کربوکسیل در ساختار اسید در اثر نور احیا شده و به گروه آلدئید تبدیل می شود گروه آلدهید ایجاد شده با گروه هیدروکسیل سلولز پیوند عرضی داده و سبب کاهش چروک پذیری پنبه می‌شود. به کارگیری بوتان تترا کربوکسیلیک اسید به تنهایی و یا همراه با سیتریک اسید و سدیم هیپوفسفیت و استفاده همزمان از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم سبب بهبود میزان بازگشت از چروک پارچه پنبه ای می‌شود. بوتان تترا کربوکسیلیک اسید با داشتن یک گروه کربوکسیل بیشتر از سیتریک اسید، کارایی بیشتری در ایجاد خاصیت ضد چروک کالای سلولزی دارد.

لباس جاذب رطوبت

از نانو موادمی‌توان برای اصلاح سطح آب دوست استفاده کردکه این امر سبب بهبودرنگ پذیری پارچه می شود. از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم که با روش رسوب نشانی لایه لایه روی سطح منسوج قرار داده شده است، برای افزایش جذب آب منسوج پیشنهاد شده است. در این روش نانو ذرات TiO₂ حاوی بار منفی و پلی دی متیل دی آلیل آمونیوم کلراید دارای بار مثبت برای لایه میانی استفاده میشود.

شکل4- بهبود خواص الیاف(جذب رطوبت)

قرار گیری الیاف در مرکز(هسته) توری های نانومتری با ساختار مولکولی سه بعدی نیز امکان تغییر خواص الیاف بشر ساخت نظیر پلی‌استر را فراهم آورده و به این الیاف زیر دستی، مشابه پنبه یا لینین می‌بخشد. خاصیت موئینگی ایجاد شده، جذب و انتشار سریع رطوبت بدن را فراهم کرده و خشک شدن سریع منسوج سبب خنک شدن و راحتی فرد استفاده کننده از این لباس می‌شود.

از این خاصیت نانو مواد می‌توان برای اصلاح سطح آب‌دوست استفاده کردکه این امر سبب بهبود رنگ‌پذیری پارچه می شود. نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم که با روش رسوب نشانی لایه لایه روی سطح منسوج قرار داده شده است، برای افزایش جذب آب منسوج پیشنهاد شده است. در این روش نانو ذرات TiO₂ حاوی بار منفی و پلی دی متیل دی آلیل آمونیوم  کلراید  دارای بار مثبت برای لایه نشانی استفاده میشود.

 لباس ضدمیکرب

استفاده از منسوجاتی با خواص ضدمیکروبی در انواع لباس رو، لباس زیر، جوراب، روپوش و یونیفرم (جهت مصارف نظامی، مدارس، بیمارستان‌ها، خطوط هوایی، آزمایشگاه ها و صنایع دارویی) به کنترل رشد میکروب و بوی بد عرق کمک می‌کند برای ایجاد خواص ضدمیکروبی در پارچه‌های تهیه شده از الیاف مصنوعی مانند نایلون و پلی پروپیلن به راحتی از نانوذراتی مانند اکسید روی، اکسید مس، دی اکسید تیتانیوم و نانو ذرات نقره و طلا استفاده کرد. مزیت استفاده از اکسید روی آن است که کاربرد آن در لباس‌های روزمره مورد تایید قرار گرفته است. علاوه بر این رنگ و شفافیت سطح پارچه به دلیل اندازه کوچک این ذرات تغییر چندانی نمی‌کند منسوجات ضد میکروب را می توان به سه گروه اصلی تقسیم بندی نمود:

1- منسوجات تکمیل شده با دی اکسید تیتانیوم (با خاصیت فعال شوندگی در برابر نور)

2- منسوجات با مواد ضدمیکروب غیر قابل انتشار: مواد در ماتریس منسوج یا پوشش روی منسوج تعبیه می‌شوند. خاصیت ضد میکروبی ناشی از برهم کنش میان بار مثبت ماده ضد میکروب و بار منفی غشاء سلولی میکرو ارگانیزم است که سبب انهدام و جلوگیری از رشد و تکثیر میکروب می شود.

3- منسوجات با قابلیت رهایش مواد ضدمیکروب تعبیه شده در آنها: دراین حالت ماده ضدمیکروب نظیر تریکلوسان نقره و مس منتشر شده و سبب جلوگیری از رشد میکروب می‌شوند.

شکل 5- بازار منسوجات ضد باکتری

پوشاک کنترل کننده بوی نامطبوع

این فناوری برای پاکیزه نگه داشتن و کنترل بوی نامطبوع منسوجات مورد استفاده در پوشاک بسیار مورد توجه قرار گرفته است و معایب ناشی از تعریق و بوی نامطبوع بدن نقش مهمی در سلامت و ایجاد احساس راحتی در انسان ایفا می کند. دو رویکرد مختلف به منظور کنترل بوی نامطبوع منسوجات ناشی از تعریق وجود دارد.

جذب: روشی ساده به منظور به دام انداختن مولکول های ایجاد کننده بو است و در این روش تغییری در ساختار ترکیبات ناشی از تعریق انجام نمی شود.

جلوگیری: در این روش از رشد و تکثیر باکتری هایی که مسبب تجزیه ترکیبات و ایجاد بوی نامطبوع هستند، جلوگیری به عمل می آید.انجام تکمیل های ضد میکروبی روی منسوجات برای رسیدن به این هدف پیشنهاد می شود.

جلوگیری از ایجاد بوی نامطبوع در منسوجات با استفاده از نانو مواد ضدمیکروب نظیر نانو ذرات فلزی امکان پذیر است. نانو مواد جاذب بوی نامطبوع در منسوجات را می توان در گروه های سیکلودکسترین ها، نانو ذرات کربن فعال، نانوذرات خاکستر بامبو و پلیمرهای قاصدکی تقسیم‌بندی کرد.

لباس های مطابق مد با ظاهر و بویی جذاب

فناوری نانو در لباس های مد روز نیز مورد استفاده قرار گرفته است. صنعت مد و طراحی پوشاک برای استفاده از نوآوری های مبتنی بر فناوری نانو بسیار مناسب است. پایداری تغییرات ایجاد شده توسط این فناوری موجب شده است طراحی های مبتکرانه روی لباس‌های مد با پیشرفت مواجه شوند. با استفاده از روکش دهی نانو فلزات روی پارچه درخشندگی و رنگ بی‌نظیری می توان ایجاد کرد. فیلم اکسیدی با فیلم فلزی ترکیب شده و با تداخل های ایجاد شده رنگ های بسیار متنوعی ایجاد می‌شود. زیبایی ایجاد شده با استفاده از این روش بسیار بیشتر از زیبایی به دست آمده با استفاده از روش‌های مرسوم رنگرزی است.

همچنین برخی از تولیدکنندگان محصولات معتبر دارای برند یا مارک خاص به منظور جلوگیری از تقلب و کپی برداری از برند خود در بازار با استفاده از فناوری نانو توانسته اند لباس های معطری تولید کنند که بوی آنها جزء برند تولیدکننده محسوب می‌شود و منحصر به فرد است. ایجاد یک بوی خوش دائمی در پوشاک که با شستشو از بین نمی رود و به طور مثال تحت مالش این بو آزاد می شود از مزایای این محصولات است. شرکت عطرسازی International Quest  در هلند از نانوذرات آلی برای این مقصود استفاده می‌کند. شرکت آمریکایی Flavours Fragrances IffInternational  نیز از فناوری کپسوله کردن و رهایش برای تولید لباس‌های معطر مارک دار استفاده می‌کند این شرکت لباس هایی با نام Sensory perception را به بازار عرضه کرده است. معطرسازی پارچه با توجه به نوع مواد استفاده شده در فرآیند به سه روش انجام می‌شود:

1- در روش نخست از نانوحامل‌ها برای معطرسازی استفاده می‌شود که یکی از متداولترین روش ها در معطرسازی لباس‌های رو و زیر است.

2- در روش دوم، از رزین و چسب استفاده می‌شود، به عبارتی، مواد معطر داخل چسب ورزین مخلوط شده و روی سطح پارچه چاپ می‌شود، اما این روش خیلی معمول و متداول نیست.

3- روش سوم در مقایسه با دیگر روش ها جدید تر است و در آن از ترکیبات درخت سان استفاده می شود.

نانو حامل ها دارای ساختارهای متفاوتی بوده و قادر به محافظت از ترکیبات معطر در برابراکسایش یا تبخیر هستند، از آن جمله می توان به نانو حامل های لیپیدی، نانوامولسیون ها، نانو ذرات پلیمری زیست سازگار و غیره اشاره کرد.

پوشاک ضد الکتریسیته ساکن

پدیده ی شارژ شدن بدن اشخاص از مدت‌ها قبل شناخته شده است و بیشتر در مواردی اتفاق می افتد که شخص دارای کفش‌های کف عایق (مانند لاستیک) باشد. در اثر حرکت روی زمین یا ساییده شدن البسه بر روی یکدیگر و یا اصطکاک لباس یا زیرپوش با بدن شخص و همچنین در اثر پدیده القاء، بدن شخص دارای بار الکتریسیته ساکن می شود. پدیده اخیر در مورد کارگرانی که در مجاورت ماشین ها کار می‌کنند نیز رخ می دهد. بدین ترتیب که دستگاه‌ها در موقع کار اغلب باردار شده و بدن افرادی که در مجاورت ماشین ها کار می‌کنند را با بار مخالف شارژ می‌کنند. در پاره‌ای اوقات ممکن است تجمع بار به حدی برسد که در اثر تماس شخص با بدنه‌ای فلزی تخلیه بار صورت گیرد این عمل که با یک جرقه نیز همراه است می تواند باعث ایجاد یک تکان محسوس و ناخوشایند در فرد شود. چنانچه تخلیه بار الکتریکی تجمع یافته بر روی اشخاص در محیطی انجام گیرد که دارای گازهای قابل اشتعال باشد می‌تواند بسیار خطرناک بوده و به آتش سوزی و انفجار منجر شود. لذا استفاده از پوشاک ضد الکتریسیته ساکن از اهمیت بالایی خصوصاً برای کارکنان مشاغل خطرناک برخوردار است لفاف‌های نانومتری با در بر گرفتن الیاف به صورت کامل سبب تغییر و بهبود خواص الیاف می‌شود. این نوع تکمیل سبب افزایش استحکام، بهبود ثبات رنگ، جلوگیری از چروک پذیری و مقاومت در برابر الکتریسیته ساکن می‌شود. شکل6 طرح وارهای از یک لیف درون لفاف نانومتری و یک شلوار تهیه شده از پارچه معمولی و پارچه تکمیل شده با الیاف یادشده پس از 50 بار شستشو نشان داده شده است.

شکل6- نمایی از الیاف ومنسوجات دارای لفاف نانو متری

لباس‌های محافظ در برابر نور خورشید

محافظت در برابر پرتو فرابنفش به دلیل افزایش تهدید ناشی از سرطان، پیر شدن زود هنگام پوست و لایه ازن از اهمیت روز افزونی برخوردار است. روشهای  معمول حفاظت در برابر پرتو فرابنفش شامل استفاده از الیاف و نخهای ضخیم است که عیوبی همچون کاهش تنفس پذیری پوست را به همراه دارد. فناوری نانو امکان تولید لباس های مناسب و محافظ در برابر پرتو فرابنفش را فراهم آورده است. به این منظور از روکش های نانوکامپوزیتی حاوی نانو بلورهای اکسید روی، در یک بستر پلیمری استفاده می شود که علاوه بر شفافیت در برابر سایش مقاوم بوده و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. در مقایسه با پارچه اصلاح نشده، میزان مقاومت این پارچه در برابر پرتوهای فرابنفش 5 برابر بیشتر بوده و پس از 55 بار شستشو کیفیت جذب پرتو در این پارچه ماندگار است.

شکل7- FIR ساطع شده از پوست توسط ذرات سرامیکی موجود در پارچه جذب شده و پس از آن دوباره همانFIR به بدن برمی‌گردد.

نتیجه گیری

با استفاده از فناوری نانو می توان خواص جدیدی همچون افزایش جذب رطوبت، ممانعت از تولید بوی نامطبوع، مراقبت پوست بدن دربرابر باکتریهای عفونی و همچنین اشعه ماوراء بنفش را ایجاد نمود که در افزایش راحتی و توسعه سلامت بشر اثر مضاعفی را دارند.