کاربرد پلیمرهای محرک -پاسخ در منسوجات هوشمند

مترجم: سیده فرخ حسینی شکرابی؛ پژوهشگر پژوهشگاه نساجی جهاد دانشگاهی

نگاهی به الیاف هوشمند

کاربرد پلیمرهای محرک -پاسخ در منسوجات هوشمند

پلیمرهای محرک -پاسخ (SRPs) مواد هوشمندی هستند که می توانند با تغییرات محرکهای محیطی تغییرات قابل توجهی در خواص خود نشان دهند. این عملکرد جدید می تواند به وسیله کاربرد SRPs هوشمند، به نسوج انتقال یابد.

SRP ها که شامل پلیمرهای حرارتی پاسخ، پلیمر رطوبت پاسخ، هیدروژل حرارتی پاسخ، هیدروژل pH – پاسخ و پلیمرهای نوری پاسخ می باشند، برای بهبود و یا دستیابی به ویژگی های نساجی هوشمند، در پارچه به کار برده می شوند. این ویژگی شامل راحتی، رهایش کنترل شده دارو، طراحی فانتزی با تغییر رنگ، نمایش زخم، خواص رطوبتی هوشمند و حفاظت در برابر تغییرات شدید در شرایط محیطی می باشد.

مادر طبیعت به ما نمونه های زیادی از محرک- پاسخ (و یا هوشمند) نشان می دهد و این مواد باعث علاقه محققان شده است: نمونه های موجود در سامانه های طبیعی مانند برگ نوعی گیاه (Mimosa Pudica) که در اثر لمس کردن جمع می شود، گل آفتابگردان که به طرف خورشید می چرخد، میوه درخت کاج که پره های آن در اثر رطوبت محیط باز و در محیط های خشک جمع می شود، پوست آفتاب پرست که با تغییر محیط اطراف، تغییر رنگ می دهد، بسته و باز شدن مردمک چشم با نور و نبود آن، خودترمیمی پوست بدن انسان یا قسمتهای مختلف گیاهان و موارد مشابه دیگر. تقلید از عملکرد چنین موجودات زنده، دانشمندان را برای سنتز پلیمرهای محرک-پاسخ که دارای اهمیت علمی و برنامه های کاربردی امیدوار کننده می باشد، ترغیب نموده است.
در طول چند دهه گذشته، منسوجات هوشمند به سرعت در حال توسعه بوده است. منسوجات الکترونیکی (E-textiles ) که بر روی آن محاسبات انجام گرفته و قطعات دیجیتالی و الکترونیکی گنجانده شده است عملکرد جدیدی به لباس، فراتر از مقاومت به سرما ارائه می دهد. منسوجاتی با عملکردهای جدید مانند منسوجات شب تاب، منسوجات نمایشی، لباس احساسات سنجش، منسوجات خود تمیز شونده، تنظیم درجه حرارت منسوجات و منسوجات خود-حرکت ایجاد و تولید شده است.

SRPs که می توانند سیگنال های زیست محیطی را حس و سیگنال های مربوطه را پاسخ دهند، الهام بخش بسیاری از محققان به منظور توسعه پارچه های هوشمند با تنظیم ساختار و ویژگی های خود بوده است. SRPs را می توان بطور گسترده با دو روش تکمیل و یا در حین تولید منسوج به کار برد. روش تکمیل شامل پوشش و لمینیت است، در حالی که روش ساخت شامل ترکیب و ریسندگی است.

۱- کاربرد پلیمر های حرارتی پاسخگو در نساجی

پلیمرهای حافظه شکلی (SMPs) به طور گسترده در پلیمرهای حرارتی پاسخگو مورد مطالعه و استفاده قرار می گیرند. SMP ها قابلیت به خاطر سپردن شکل اولیه خود را دارند و به سرعت شکل خود را از حالت موقت تحت تحریک حرارتی به شکل اصلی (یا دائم) خود تغییر می دهند. اشکال مختلف از SMP ها مانند محلول، امولسیون، فیلم، فیبر، فوم می تواند تحت شرایط مناسب و متغیر استفاده شوند.

SMP هایی مبتنی بر عملکرد انتقال شیشه ای و یا ذوب، به طور معمول دارای یک ساختار فیزیکی کراس لینک، فاز سخت کریستالی/ آمورف و یا ساختار کراس لینک شیمیایی و دمای انتقال کم به فاز کریستالی و یا آمورف می باشند. اگر SMP تحت تغییر شکل قرار گیرند، تنش اعمال شده در ساختار کراس لینک آن با خنک کردن پلیمر در زیر دمای انتقال ذخیره می شود. تغییر شکل موقت به دلیل افزایش شدید در مدول الاستیک اطراف دمای شیشه یا دمای انتقال ذوب ثابت می ماند. SMP شکل دائمی خود را در برابر دمای بالاتر از دمای انتقال ، با انتشار تنش های داخلی ذخیره شده توسط ساختار کراس لینک ترمیم می کند. درجه دمای آغاز به کار SMP ها قادر به سازگاری برای یک هدف و یا شخص خاص است و می تواند در محدوده درجه حرارت بدن تنظیم گردد. فرآیندپذیری بالا، خواص مکانیکی خوب، قابلیت تغییر شکل و بازیافت بالا این نوع از SMP ها، کاربرد آنها را از طریق تکمیل و یا در حین تولید بر منسوجات مناسب نموده است.

۱-۱ تکمیل حافظه شکلی الیاف

SMP های حرارتی پاسخگو می تواند در مرحله تکمیل پوشاک بر پارچه به کار برده شود. شکل ۱ فرآیند ترمیم پارچه پوشش داده شده با حافظه شکلی پلی اورتان (SMPU) را نشان می دهد. فرایند تکمیل با روش های معمولی بوده و تغییر شکل پارچه از حالت تخت در دمای بالا به شکل خم در دمای پایین دیده می شود.

شکل ۱ – ترمیم شکل پارچه پوشش داده شده با SMP در دمای C ° ۵۰ با گذشت زمان ۴۵s(d) . 30s(c) . 15s(b) . s(a)

۱-۲ الیاف حافظه شکلی

در تحقیقات صورت گرفته فیلامنت های مختلف SMPU را با استفاده از پلی اُل به عنوان بخش نرم و دی اُل های کوچک و متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI) به عنوان بخش سخت، توسط ترریسی و ذوب ریسی تولید کردند. در مقایسه با فیلم های SMPU، الیاف SMPU ثبات شکل پایین تر، بهبود شکلی و بهبود تنش بالاتر، به عنوان یک نتیجه از آرایش مولکولی در الیاف SMPU در فرآیندهای ترریسی به ارمغان آورد. نسبت ترمیم الیاف SMPU می تواند بالا و تا حدود ۱۰۰٪ باشد.

۲- کاربرد پلیمرهای حافظه شکلی آب/ حلال پاسخگو در نساجی

ترمیم شکل SMP های تغییر شکل یافته می تواند در اثر آب و یا رطوبت به علت پلستی سایز بودن مولکول های آب، که باعث افزایش انعطاف پذیری زنجیره های ماکرو مولکول ها می گردد اتفاق بیفتد. اگر SMP یک ماده آب دوست و یا ماده محلول در آب باشد ترمیم شکل تسریع می یابد. یک واحد پیریدین که پاسخگو به رطوبت است، می تواند برای بهبود جذب رطوبت در پلی اورتان مورد استفاده قرار گیرد.

۲-۱ پلیمرهای حافظه شکلی رطوبت پاسخ برای مدیریت گرما و رطوبت

فعالیت های شدید جسمی با جنبش عضلات فعال، باعث تولید میزان بالایی از عرق انسان می شود، که منجر به احساس ناراحتی می گردد. شکل ۲ یک پیراهن های هوشمند به نام ” تی شرت واکنش دهنده کروی “را نشان می دهد که درآن منافذ عقب می تواند باز شده و اجازه دهد تا عرق و گرما زمانی که عرق لباس را پوشاند فرار کند. منافذ، که حدود ۱۰ میلیمتر قطر دارد، به طور خودکار برای حالت خشک بسته می شود. ممکن است استفاده از شکل ماکرو یا ساختار میکرو منسوجات آب/رطوبت پاسخ که می تواند رسیدن به چنین عملکردی را برای مدیریت رطوبت و حرارت بین پوست و پارچه را تغییر دهد بسیار موثر واقع گردد. اگر پوشنده لباس شروع به احساس گرما و یا شروع به عرق کردن بیش از حد، پس از فعالیت عضلانی کند، منافذ بر روی پارچه باز خواهد شد تا اجازه دهد تا گرما و عرق در محیط انتشار یابد. در یک وضعیت سرد بدون عرق، منافذ بسته و پوشنده لباس را گرم نگه می دارد.

شکل ۲ – پشت تی شرت واکنش دهنده کروی ساخت شرکت Nike

۳- کاربرد هیدروژل پلیمری حرارتی / pH پاسخ در نساجی

سومین نوع از SRP هیدروژل پلیمری است که می تواند در منسوجات برای تولید سطوح نساجی محرک- فعال مورد استفاده قرار گیرد، هیدروژل پلیمری حرارتی / pH پاسخگو است. هیدروژل پلیمری حرارتی پاسخگو (TRPGs) ماکرومولکولهایی با ساختار سه بعدی هستند که حاوی بخش بزرگی از آب در داخل ساختار خود می باشند. TRPGs میزان تورم خود را در پایین و یا بالای یک دمای بحرانی، افزایش یا کاهش می دهند که به ترتیب؛ درجه حرارت بحرانی پایین محلول (LCST) و درجه حرارت بحرانی بالا محلول (UCST) نامیده می شود. در دمای بالاتر، تعامل هیدروفوبیک در میان بخش های آبگریز بالا است، در حالی که پیوند هیدروژنی کمتر است که نتیجه نهایی حاصل انقباض TRPGs با توجه به فعل و انفعالات هیدروفوبیک می باشد.

علاوه بر TRPGs، به هیدروژل pH – پاسخگو (PRPGs) نیز به طور گسترده ای به دلیل اهمیت فیزیولوژیک آن ها پرداخته شده است. هیدروژل ها ی pH -پاسخ معمولا گروه های اسید یا قلیایی ضعیف مانند کربوکسیل ها یا گروه های آمینه دارند، آنها پروتون را قبول یا آزاد می کنند و تورم هیدروژل به عنوان پاسخ به مقدار pH تغییر می کند.

هیدروژل محرک-پاسخ می تواند بر روی سطوح سلولز، پلی پروپیلن و پارچه های پلی استر با استفاده از روش های مختلف پیوند زده شود. یکی از مسائل مهم مرتبط با هیدروژل محرک-پاسخ ، دوام هیدروژل مورد استفاده در منسوجات است. برای به دست آوردن اتصال خوب بین منسوج و هیدروژل پلیمری محرک-پاسخ، می توان تکنیک پلاسمای دمای پایین به کاربرده شود.

از جمله کاربردهای این هیدروژل ها مراقبت از پوست می باشد که می تواند به عنوان یک حامل با انتشار کنترل شده از مواد مغذی، عطر و یا داروهای دیگر به پوست انسان، در پاسخ به تغییرات در درجه حرارت پوست، عمل کنند. از دیگر کاربردهای آنها الیاف خوشبو کننده است که قادر به آزاد سازی عوامل خوشبو کننده در درجه حرارت خاص است، میباشد. الیاف هوشمند توسط پوشش هیدروژل پلیمری (آلکیل N-جایگزین) آکریل آمید، مانند N- isopropylacrylamide، بر روی سطح پارچه ساخته شده است. هیدروژل با استفاده از یک مونومر کاربردی مانند آکریل آمید، و یک عامل ارتباط متقابل مانند (diethylamino) اتیل crylate به پارچه متصل می شود. خوشبو کننده می تواند به هیدروژل در طول یا پس از واکنش اتصال داده شود.

نتیجه گیری:

SRPs در حال حاضر پتانسیل و فرصت بالقوه ای در صنعت نساجی تولبد کرده است. با یکپارچه سازی SRPs در ساختار منسوجات، می توانیم منسوجات با عملکردی نوین برای به دست آوردن خواص از جمله در زمینه ظرافت و زیبایی، مدیریت رطوبت/ دما، حفاظت در برابر شرایط شدید آب و هوایی، بررسی زخم، مراقبت از پوست، طراحی فانتزی با تغییر رنگ، انتشار کنترل شده، خواص رطوبتی و هوشمند در سطوح نساجی را مورد توجه قرار دهیم.

منسوجات با SRPs می تواند شکل خود را تغییر یا حرکت دهند و به اشکال مختلف سه بعدی در پوشاک دست یافته یا ظرافت و زیبایی خود را بالا ببرند. با SRPs پرده پنجره و یا صفحه نمایش می تواند هوشمندانه تحت تحریک محیط باز یا بسته شود. در لباس هوشمند ساختار، در پاسخ به محرک تغییر می کند و وسیله خوبی برای دستیابی به مدیریت گرما و رطوبت بدن انسان، با احساس راحتی می باشد.

منسوجات محرک-پاسخ ممکن است در محصولات مراقبت از پوست با کنترل انتشار عطر، تغذیه، و دارو مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر برنامه های فوق، الیاف محرک-پاسخ فرصت جدیدی برای پارچه های هوشمند در زمینه پزشکی است.

در حال حاضر، استفاده از SRPs در نساجی تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. هر چند مواد پلیمری می تواند سازگاری خوبی با الیاف داشته باشد ولی استفاده از منسوجات شرایط سختی بر خواص اصلی SRPs مانند ایمنی، وزن سبک، پایداری بالا، نرمی و فرآیندپذیری خوب را تحمیل می کند. رنگرزی، شستشو و نگهداری نیز باید در اکثر برنامه های کاربردی لباس در نظر گرفته شود. با تمامی موارد ذکر شده و تحقیقات صورت گرفته باید از منسوجات انتظاری فراتر از آنچه که در حال حاضر از آنها دیده می شود داشت تا متناسب با آن کیفیت زندگی را تغییر داد.

مرجع:

J. Hu, H. Meng, G. Li, S. I. Ibekwe, “A review of stimuli-responsive polymers for smart textile applications”, Journal of Smart materials and structures, p.p 1-23, 2012.

منبع : شماره ۳۰ مجله کهن

————————————————————————————