کاربرد فناوری نانو در تکمیل خودتمیزشونده منسوجات – 1

معمولاً میزان ترشوندگی سطوح با اندازه‎گیری زاویه تماس پایا (static contact angle) یک قطره آب در تماس با سطح ارزیابی می‎شود. همان‌گونه که در شکل 1 مشاهده می‎شود، زاویه میان سطح و انحنای قطره که در تماس با سطح است، به عنوان زاویه تماس (CA) در نظر گرفته می‎شود.

زاویه تماس بیش از 90 درجه بیانگر آب‎گریز بودن، زاویه تماس کمتر از 30 درجه بیانگر آب‎دوست بودن و زاویه بیش از 150 درجه بیانگر اَبَرآب‎گریز بودن سطح است [2].
شایان ذکر است هرچند استفاده از موادی نظیر ترکیبات فلوئوروکربن در تکمیل منسوجات سبب ایجاد زاویه تماس حدود 120 درجه شده و این سطوح آب‎گریز بوده و به راحتی تمیز می‎شوند، لیکن در گروه سطوح خودتمیزشونده طبقه‎بندی نمی‎شوند [3].

در حال حاضر بیش از 200 نوع سطح اَبَرآب‎گریز طبیعی شناسایی شده‎اند که در اثر ترکیبات شیمیایی موجود بر سطح یا ریخت‎شناسی (مورفولوژی) ویژه سطح‎شان همواره تمیز باقی می‎مانند [4].
مفهوم خودتمیزشوندگی از برگ نیلوفر آبی الهـام گرفته شده است که با وجود رویش در مـرداب، هرگز کثیف نمی‎شود. همان گونه که در شکل 2 نشان داده شده است، وجود برآمدگی‎های میکرومتری در ساختار این برگ سبب حبس مقادیر زیاد هوا در فواصل این برآمدگی‎ها در زمان تماس با آب می‎شود. از سوی دیگر، وجود واکس طبیعی بر روی این برگ، سبب ایجاد خاصیت اَبَرآب‎گریزی این سطح می‎شود.

از دیگر نمونه‎های سطوح ابرآب‎گریز طبیعی می‎توان به برگ گیاه برنج اشاره کرد. این برگ ساختاری شبیه نیلوفر آبی دارد با این تفاوت که در نیلوفر آبی پرزهای سطحی به صورت یکنواخت بر سطح توزیع شده‎اند؛ حال آن که در برگ برنج، این پرزها فقط در جهت موازی با لبه برگ آرایش یافته‎اند. به دلیل نحوه آرایش‎مندی خاص پرزها، قطره آب در راستای پرزها با زاویه تماس 4 درجه به راحتی لیز می‎خورد، لیکن در راستای عمود بر پرزها، به دشواری و با زاویه 120 درجه لیز می‎خورد و به همین دلیل این برگ از خاصیت ابرآب‎گریزی جهت‎دار یا غیرهمه‎سو یکسان برخوردار است. از موارد دیگر سطوح ابرآب‎گریز موجود در طبیعت می‎توان به برگ گوشفیل و برگ گل اختر هندی اشاره کرد.

با وجود این که مفهوم اَبَرآب‎گریزی نسبتاً جدید بوده و به اواخر دهه 90 میلادی باز می‎گردد، لیکن مفاهیمی نظیر دافع آب کردن منسوجات در صنعت نساجی، از قدمت بیش از 50 سال برخوردار است. بخش اعظم تکمیل ابرآب‎گریز در مهندسی نسـاجی به وسیله هیدروژل‎هـا، نانـوکامپوزیت‎های معدنی و محلول‎های کلوئیـدی و با روش‎های مختلف از جمله پد کردن، اسپری کردن، الکتروریسی، پلاسما و غیره روی منسوجات انجام می‎شوند.
سطح منسوجات با مواد جامد دیگر نظیر ورقه‎های فلزی یا سطوح شیشه‎ای، از نظر انعطاف‎پذیری و وجود ناهمواری‎های ساختاری میکرومتری ناشی از الیاف و ساختار پارچه، متفاوت است. موارد یاد شده قابلیت اَبَرآب‎گریز کردن منسوجات را از طریق ایجاد ناهمواری‎های نانومتری ثانویه امکان‎پذیر می‎کنند. محققان دو روش را برای تولید سطوح اَبَرآب‎گریز پیشنهاد می‌کنند:

از روش‎های ساده مانند پَد کردن و پوشش‎دهی سطحی تا روش‎های پیچیده‎تر نظیر لایه‎نشانی خودآرای لایه‎های کامپوزیتی برای پوشش‎دهی نانومتری منسوجات استفاده می‎شود [6]. در این روش‎ها از نانوذرات، نانومیله‎ها یا حفره‎ها، نانولوله‎های کربن، ذرات سیلیکا، نانومیله‎های اکسید روی و نانوذرات نقره استفاده می‎شود.
هرچند ایجاد خاصیت ابرآب‌گریزی در منسوجات خودتمیزشونده چندان دشوار نیست؛ اما مهم‌ترین چالش حفظ این خصوصیات در طول زمان مصرف است. روش‎های آماده‎سازی جدید نظیر لیزر و پلاسما، در افزایش ثبات این خصوصیت در منسوجات بسیار مؤثر هستند [7].
به منظور تولید منسوج پنبه‎ای ابرآب‎گریز از نمک‎های فلزی، تکمیل با سیلان‎ها و روش پوشش‎دهی با گاز و تکمیل لایه لایه استفاده می‎شود. استفاده از نمک‎های فلزی مثل اکسید نقره و روی علاوه بر خاصیت ابرآب‎گریزی، خواص دیگری همچون ضدباکتریایی و رسانایی به الیاف خواهد داد.

در جدول 1 برخی از روش‎های تکمیل به منظور تولید منسوجات خودتمیزشونده ذکر شده است.

جدول 1. روش‎های مختلف تولید منسوج ابرآب‎گریز خودتمیزشونده

4- چالش‎های توسعه سطوح ابرآب‎گریز

در این جلسه به مبحث خودتمیزشوندگی با استفاده از ابرآب‎گریزی اشاره شد. ایجاد ناهمواری‎های نانومتری روش مناسبی برای ایجاد سطوح آب‎گریز است. در مورد منسوجات نحوه مصرف و عدم پایداری زبری‎های نانومتری یکی ازچالش‎های اصلی توسعه این روش به شمار می‎رود.