تولید پارچه پشمی ضد میکروبی و خودتمیزشونده با نانوتکنولوژی پیشرفته

مقدمه: نوآوری در صنعت نساجی با رویکرد نانوتکنولوژی

صنعت نساجی همواره در تلاش است تا با بهره‌گیری از فناوری‌های نوین، محصولات جدیدی را به بازار معرفی کند که نیازهای روزافزون مصرف‌کنندگان را پاسخگو باشند. یکی از چالش‌های همیشگی در صنعت پوشاک، به ویژه در مورد پارچه‌های طبیعی مانند پشم، نگهداری و بهداشت آن‌هاست. در یک دستاورد علمی-پژوهشی قابل توجه، محققان ایرانی موفق به تولید آزمایشگاهی نسل جدیدی از پارچه‌های پشمی شده‌اند که با بهره‌گیری از نانوتکنولوژی پیشرفته، خواص منحصربه‌فردی نظیر خودتمیزشوندگی و فعالیت ضد میکروبی از خود نشان می‌دهند.

این نوآوری که حاصل تلاش پژوهشگران دانشگاه‌های معتبر کشور است، می‌تواند تحولی بنیادین در نحوه استفاده و نگهداری از لباس‌های پشمی ایجاد کند. با استفاده از پوشش‌های نانوکامپوزیتی پیشرفته، محققان توانسته‌اند معایب ذاتی الیاف پشم را به ویژگی‌های مثبت و کاربردی تبدیل کنند. در ادامه، به بررسی جزئیات این دستاورد علمی، روش‌های تولید، مزایا و کاربردهای آن در صنایع مختلف می‌پردازیم.

چالش‌های ذاتی الیاف پشم و ضرورت تکمیل مدرن

الیاف پشم به عنوان یکی از باارزش‌ترین الیاف طبیعی، ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که آن را در صنعت پوشاک متمایز می‌کند. با این حال، این الیاف دارای معایبی هستند که استفاده از آن‌ها را در برخی شرایط محدود می‌کند. شناخت دقیق این چالش‌ها، اولین گام در درک اهمیت این تحقیق است.

ساختار پروتئینی و مستعد بودن به رشد میکروارگانیسم‌ها

کالای پشمی به دلیل ساختار پروتئینی خاص خود که عمدتاً از کراتین تشکیل شده، منبع بسیار مناسبی برای تغذیه و رشد میکروارگانیسم‌های مختلف است. رطوبت و گرمای محیط، در ترکیب با این منبع غذایی غنی، بستر ایده‌آلی برای رشد باکتری‌ها و قارچ‌ها فراهم می‌کند. این مسئله نه تنها باعث ایجاد بوی نامطبوع می‌شود، بلکه می‌تواند به تخریب الیاف و کاهش عمر مفید لباس نیز منجر شود.

حساسیت شیمیایی و محدودیت‌های استحکام

یکی دیگر از چالش‌های اصلی الیاف پشم، حساسیت بالا نسبت به شرایط محیطی و مواد شیمیایی است. این الیاف در برابر محیط‌های قلیایی و نور خورشید واکنش‌پذیر بوده و در صورت قرار گرفتن در معرض این عوامل، دچار تخریب و کاهش استحکام می‌شوند. همین ویژگی باعث شده تا فرآیندهای شیمیایی سنتی تکمیل پارچه، که اغلب شرایط سخت و دمای بالایی دارند، نتوانند بدون آسیب رساندن به کیفیت پشم، خواص جدیدی به آن اضافه کنند.

راهکار نانوتکنولوژی: طراحی پوشش هوشمند N-Ag/ZnO

برای غلبه بر چالش‌های ذکر شده، تیم تحقیقاتی تحت سرپرستی امیر بهزادنیا، دانش‌آموخته دکترای نساجی، راهکاری نوین ارائه دادند. این راهکار مبتنی بر ایجاد یک پوشش یکنواخت نانوکامپوزیتی از جنس اکسید روی/ نیتروژن-نقره (N-Ag/ZnO) بر سطح الیاف پشمی است. انتخاب این مواد و نحوه اعمال آن‌ها، هوشماسی خاصی دارد که در ادامه تشریح می‌شود.

نقش اکسید روی (ZnO) در خودتمیزشوندگی

اکسید روی یک نیمه‌هادی معروف است که خواص فوتوکاتالیستی قوی دارد. این ماده در معرض نور (به ویژه نور فرابنفش و در این تحقیق، نور مرئی) فعال می‌شود و توانایی تجزیه آلاینده‌های آلی و میکروارگانیسم‌ها را دارد. زمانی که این نانوذرات بر روی پارچه پشمی ثابت می‌شوند، در واقع یک لایه محافظتی و عملگر ایجاد می‌کنند که با دریافت انرژی نوری، آلودگی‌های سطح پارچه را از بین می‌برد.

تاثیر نقره و نیتروژن در بهبود عملکرد

استفاده از نقره (Ag) در ساختار نانوکامپوزیت، دو هدف اصلی را دنبال می‌کند. اول اینکه نقره به خودی خود یک عامل ضد میکروبی قوی است که حتی در تاریکی نیز اثرگذار است. دوم اینکه نقره به عنوان یک تله‌کننده الکترون، از بازترکیب سریع الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده در فرآیند فوتوکاتالیست جلوگیری کرده و کارایی اکسید روی را افزایش می‌دهد. همچنین بارگذاری نیتروژن (N) باعث می‌شود باندهای انرژی اکسید روی تغییر کرده و این ماده بتواند تحت نور مرئی (نور خورشید عادی) نیز فعال شود، نه فقط نور فرابنفش.

روش نوین سنتز با استفاده از امواج فراصوت

یکی از نوآوری‌های کلیدی این طرح، استفاده از فرآیند «فتو سونوسنتز در محل» است. این روش که در آن از امواج فراصوت (Ultrasound) استفاده می‌شود، مزایای بسیاری نسبت به روش‌های سنتی دارد که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌شود.

کاهش دما و زمان فرآیند: برخلاف روش‌های شیمیایی سنتی که نیاز به دماهای بالا و زمان طولانی دارند، استفاده از امواج فراصوت امکان انجام فرآیند را در دمای پایین و زمان کوتاه فراهم می‌کند. این مسئله از آسیب دیدن ساختار حساس الیاف پشم جلوگیری می‌کند.
توزیع یکنواخت نانوذرات: امواج فراصوت با ایجاد پدیده کاویتاسیون (حباب‌های ریز که می‌ترکند)، باعث می‌شوند نانوذرات به طور یکنواخت بر روی سطح الیاف توزیع شوند. این یکنواختی برای عملکرد پایدار و موثر پوشش حیاتی است.
روش تک‌مرحله‌ای و سازگار با محیط زیست: این روش فرآیند تکمیل را تک‌مرحله‌ای کرده و نیاز به مواد شیمیایی اضافی و حلال‌های سمی را به حداقل می‌رساند که از نظر زیست‌محیطی بسیار ارزشمند است.

خواص بی‌نظیر پارچه‌های پشمی تولید شده

نتایج آزمایش‌های دقیق نشان داده‌اند که عمل‌دهی پارچه پشمی با نانوکامپوزیت N-Ag/ZnO، خواص چندگانه‌ای را به آن اضافه می‌کند که معمولاً دستیابی همزمان به همه آن‌ها در یک فرآیند واحد دشوار است.

فعالیت خودتمیزشوندگی تحت نور خورشید

نمونه‌های پارچه تکمیل شده، در معرض تابش نور خورشید، فعالیت خودتمیزشوندگی قابل توجهی نشان دادند. این ویژگی به معنای تجزیه رنگ‌ها و لکه‌های آلی روی پارچه توسط نور است. مکانیسم فوتوکاتالیستی نانوکامپوزیت، رنگ‌زاهای آلی را به مواد معدنی و بی‌ضرر تجزیه می‌کند که این امر نیاز به شستشوی مکرر لباس را کاهش می‌دهد.

خواص ضدباکتری و ضدقارچی پیشرفته

آزمایش‌ها نشان دادند که پارچه‌های تولید شده در برابر دو نوع باکتری رایج (معمولاً یک باکتری گرم مثبت و یک باکتری گرم منفی) و همچنین گونه‌ای قارچ، فعالیت بازدارندگی قوی دارند. این ویژگی برای تولید لباس‌های بهداشتی، پزشکی و حتی ورزشی که تعریق و رطوبت در آن‌ها زیاد است، بسیار حیاتی است.

بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی

علاوه بر خواص زیستی، این پوشش تأثیرات مثبتی بر ویژگی‌های فیزیکی پارچه داشته است. افزایش درجه سفیدی، یکی از این موارد است که برای محصولات پشمی اهمیت زیبایی دارد. همچنین کاهش حلالیت قلیایی و اسیدی، نشان‌دهنده افزایش مقاومت پارچه در برابر شرایط سخت شیمیایی است. تأخیر در شعله‌وری نیز یک مزیت ایمنی مهم محسوب می‌شود. نکته قابل توجه این است که تمام این تغییرات بدون ایجاد سمیت سلولی انجام شده که ایمنی محصول برای پوست انسان را تضمین می‌کند.

روش‌های تحلیل و شناسایی دقیق ساختار

برای اثبرداری موفقیت آمیز این پوشش‌دهی و بررسی دقیق ساختار نانوکامپوزیت ایجاد شده، محققان از طیف وسیعی از تکنیک‌های پیشرفته آزمایشگاهی استفاده کرده‌اند. این آزمایش‌ها شامل موارد زیر است:

میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی (FE-SEM): برای مشاهده مورفولوژی سطح و اطمینان از استقرار صحیح نانوذرات.
طیف پراش اشعه ایکس (XRD): جهت شناسایی فازهای کریستالی و تایید ساختار اکسید روی.
تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR): برای بررسی برهم‌کنش‌های شیمیایی بین نانوکامپوزیت و الیاف پشم.
اسپکتروفتومتری فوتون‌های پرتو ایکس (XPS): جهت تحلیل عنصری سطح و تایید حضور نقره و نیتروژن.
جانمایی نقطه به نقطه عنصر (X-ray mapping): برای نشان دادن توزیع یکنواخت عناصر روی سطح پارچه.

کاربردهای صنعتی گسترده

نتایج این طرح پژوهشی که با حمایت ستاد فناوری نانو انجام شده، پتانسیل بالایی برای تجاری‌سازی در صنایع مختلف دارد. این تکنولوژی محدود به صنعت نساجی نیست و کاربردهای وسیع‌تری را در بر می‌گیرد:

صنایع پزشکی و بهداشتی

تولید البسه بیمارستانی، ملحفه‌ها و پارچه‌های تزئینی بیمارستان‌ها با خاصیت ضد میکروبی، می‌تواند به طور قابل توجهی در کاهش عفونت‌های بیمارستانی نقش داشته باشد. خواص خودتمیزشوندگی این پارچه‌ها همچنین باعث کاهش نیاز به ضدعفونی با مواد شیمیایی قوی می‌شود.

صنایع نظامی

سربازان در شرایط میدانی اغلب در معرض شرایط جوی نامساعد و محیط‌های آلوده قرار دارند. لباس‌های پشمی با خاصیت ضد میکروبی و خودتمیزشونده می‌توانند بهداشت فردی را بدون دسترسی به امکانات شستشو تامین کرده و همچنین مقاومت بالایی در برابر شرایط محیطی داشته باشند.

پوشاک ورزشی و روزمره

برای ورزشکاران و افرادی که فعالیت بدنی بالایی دارند، لباس‌هایی که از بوی بد و رشد باکتری جلوگیری کنند، انتخابی ایده‌آل خواهند بود. افزایش مقاومت در برابر اسید و قلیا نیز دوام این لباس‌ها را در برابر تعریق و شستشو افزایش می‌دهد.

تیم تحقیقاتی و انتشار نتایج علمی

این پروژه تحقیقاتی حاصل همکاری علمی میان اساتید و پژوهشگران برجسته دانشگاه‌های کشور بوده است. امیر بهزادنیا (مجری طرح) دانش‌آموخته دکترای نساجی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، دکتر مجید منتظر، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، و دکتر مهناز محمودی راد، عضو هیأت علمی دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، در انجام این طرح همکاری داشته‌اند.

نتایج دقیق این تحقیقات در قالب یک مقاله علمی معتبر در مجله Ultrasonics Sonochemistry (جلد ۲۷، شماره ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۲۰۰ تا ۲۰۹) به چاپ رسیده است. انتشار این مقاله در یک ژورنال معتبر بین‌المللی، نشان‌دهنده کیفیت بالای کار علمی انجام شده و استاندارد بودن روش‌های آزمایشگاهی مورد استفاده است.

جمع‌بندی و نگاه به آینده

تولید آزمایشگاهی پارچه‌های پشمی با خواص چندگانه خودتمیزشونده، ضد میکروبی و مقاومتی، گامی بلند در مسیر بومی‌سازی تکنولوژی‌های پیشرفته نساجی است. این دستاورد نشان می‌دهد که با استفاده از نانوتکنولوژی و روش‌های نوین فیزیکی مانند امواج فراصوت، می‌توان محدودیت‌های ذاتی الیاف طبیعی را رفع کرد و ارزش افزوده قابل توجهی برای محصولات داخلی ایجاد نمود. انتظار می‌رود با حمایت‌های سرمایه‌گذاری لازم، این تکنولوژی به زودی وارد مرحله تولید صنعتی شده و بازار цельی از محصولات هوشمند پشکی را تامین کند.