جامعة حلب

كلية الهندسة الميكانيكية

قسم الغزل والنسيج

الخامسةالسنة

حلقة حبث التنظيف الذاتي لألقمشة

Textiles Self Cleaning إعداد

محمد هشام سواس أحمد العبود

بإشراف الدكتور املهندس نوار القاضي

م2008 – 2007 ـه1429 – 1428

قمشةالتنظيف الذاتي لأل

Textiles Self Cleaning

المقدمة

والبقعطرد الماء

تأثير نبات اللوتس

التطبيقات

عوامل التنظيف الذاتي

التطبيقات

 طرق التغطية بين الحاضر والمستقبل

المراجع

2

Introductionمقدمة

, سمعنا مؤخراً عن النانوتكنولوجي ومالها من تطبيقات تجارية وصناعية في صناعة النـسيج

فقد تم استخدام هذه التكنولوجيا انطالقاً من أنها تعطي نتائج ثابتة ودائمة على عكس الطـرق

.التكنولوجية التقليدية حيث تفقد األقمشة هذه الخواص بعد عمليات الغسيل والكوي واالستخدام

فيمكن بتكنولوجيا النانو أن نحصل على أقمشة عالية المتانة ألن جزيئات النـانو لهـا سـطح

مساحة أكبر خالل واحدة الحجم ولها طاقة سطحية أكبر لذلك تعطي جاذبية وتماسـك أكبـر و

.ومتانة

وإن تغطية سطح المنسوجات بجزيئات النانو اليؤثر على نفوذيتها وملمسها الناعم ولذلك فقـد

وكان أول من عمل فـي . زاد االهتمام باستخدامها في الصناعات النسيجية في اآلونة األخيرة

.عة النانوتكنولوجي وتطبيقاتها في الصناعات النسيجية شركة نانوتكسصنا

. وتطويرهااوبعد ذلك اندفعت العديد من شركات النسيج الستخدام هذه التكنولوجي

:ومن الخواص التي تضفيها على األقمشة مايلي

لوقايـة مـن ا – الممانعة للتجعيـد – الممانعة لالتساخ باألتربة –) ممانعة التبلل (طرد الماء

– الناقلية الحرارية - الوقاية من األشعة فوق البنفسجية – الساكنة ء ممانعة الكهربا –البكتريا

.تحسين قابلية الصباغة

.وسندرس فيما يلي ممانعة التبلل والتنظيف الذاتي

يكون السطح في النوع األول , في علم النانوتكنولوجي هناك نوعان من السطوح ذاتية التنظيف

لميكروسكوبي خشن يجعل التصاق جزيئات األوساخ صعباً وبالتالي تـزول بـسهولة عنـد ا

.الغسيل بالماء

والنوع الثاني يعتمد على وجود طبقات ضوئية مساعدة من أوكسيد التيتانيوم تجعـل المـواد

.العضوية واألوساخ تتخرب باإلشعاع الشمسي وتزول

Stain and water repellency طرد الماء والبقع

من المعلوم أنه عندما يكون التوتر السطحي الحرج للقماش أكبر من التوتر السطحي للسائل أو

.يساويه عندها نقول أن القماش سيبتل وأن السائل سيبلل القماش

للقماش أقل من التوتر السطحي للـسائل عنـدها نقـول أن الحرج وإذا كان التوتر السطحي

لذلك يمكن تحقيق خاصية طرد الماء عندما نجعل التـوتر . للبالقماش سيطرد السائل ويمنع ال

.أقل من التوتر السطحي للسائل) القماش(السطحي للجسم الصلب

3

فعلى سبيل المثال عندما تسقط قطرة من الماء على قماش قطني فإن القماش سيبتل ألنه وجـد

للقماش القطني الحرج والتوتر السطحيdyne/cm 72تجريبياً أن التوتر السطحي للماء عادة

200 dyne/cmولذلك فإن الماء سيبلل ألياف القطن .

, وقد وجد أنه عندما يعالج القطن بمركبات الفلوروكربون فإن خواصه تجـاه المـاء سـتتغير

فالفلوروكربونات مركبات عضوية تتألف من سالسل الكربون المفلورة تميل للتقليل من التوتر

.السطحي لأللياف

رقيقة تغطـي جـسم ) لمف(ت الفلوروكربون تخفض التوتر السطحي بتشكيل طبقة وإن مركبا

يمكن أن تكون أنيونيـة ولكن ,)موجبة (ذات طبيعة كاتيونية هذه لمركبات تكون عادة , الليف

).الشاردية(وغير أيونية ) سالبة(

, dyne/cm 10فالتوتر السطحي لجزيئات الفلوروكربونات الطاردة للماء صغير للغاية حوالي

.لذلك فإن قطرة الماء لن تلتصق بسطح األلياف القطنية المعالجة

وقد استخدم قديماً في الصناعة لمنع األلياف القطنية من التبلل بالماء شمع البرافين والسليكون

.للفلوروكربونباإلضافة

المـاء وبمقارنة هذه المركبات مع بعضها نجد أن شمع البرافين يملك تأثيراً ضـعيفاً لطـرد

لذلك نجد أن السيلكون أفضل من البرافين ولكنه ضعيف الطرد , ومقاومته ضعيفة تجاه الغسيل

.أما الفلوروكربون فيعطي القماش مقاومة جيدة تجاه الماء والزيوت, للزيوت والشحوم

ويمكن تطبيق الفلوروكربون بعدة طرق فيمكن أن يطبق أثناء الغمر أو بالطلي أو بـالرش أو

.يربالتبخ

وتعتبر طريقة الغمر من أكثر الطرق استخداماً في معالجة األقمـشة بـالفلوروكربون وذلـك

فنلجـأ أما في حالة معالجة المالبس بالفلوروكربون , بسبب كفاءة وثبات عملية تغطية القماش

.إلى استخدام الرش أو التبخير

ل مايدعى جسور االرتباط حيث يتشك , وإن جودة العملية تعتمد على طريقة المعالجة الصحيحة

التي تحفظ العوامل الطاردة للماء على سطح القماش من الزوال ومغادرة األلياف في عمليات

.الغسيل وذلك ألنها تشكل شبكة ثالثية األبعاد وتلصق العوامل الطاردة للماء بسطح األلياف

ـ A على سطح مادة Bوبشكل عام عندما تلتصق مادة واص فيجـب أن تكـون معظـم الخ

.الفيزيائية لكال المادتين متشابهة لكي يكون االلتصاق أكبر وأمتن

تلتصق بقوة باأللياف الصنعية ألنها أيضاً مـواد ) كارهة للماء (فالفلوروكربونات الهيدروفوبية

.هيدروفوبية

ولذلك عند معالجة األلياف القطنية بالمواد الفلوروكربونية فإننا النحصل على التـصاق دائـم

ولحـل هـذه ) محبة للماء ( المواد على األلياف السيللوزية ألن السيللوز مادة هيدروفيلية لهذه

4

أو تكنولوجيـا الجزيئـات المشكلة تم اكتشاف طرق جديدة للمعالجة تعتمد تكنولوجيا النـانو

. الصغرالمتناهية

Lotus effectتأثير نبات اللوتس

نباتات وذلك لوجود سـطوح هيدروفوبيـة لقد لوحظ أن التنظيف الذاتي موجود عند بعض ال

وقد تم مالحظة هذه الظاهرة فـي عـام , متناهية في الصغر على سطح النبات ) كارهة للماء (

وبعدها تم توضيح هذه الظـاهرة فـي جامعـة , من قبل باحث يدعى ويليام بارتلوت 1975

Heidelberg.

ر هـذه الظـاهرة الكيميائيـة وفي أواخر التسعينات تمكن ويليام مع بعض الباحثين من تسخي

وبـذلك سـجل , "تأثير اللوتس "وقد أطلق على هذه الظاهرة , الفيزيائية في األمور التكنولوجية

.1997ذات التنظيف الذاتي عام ) النانو( براءة اختراع في الجزيئات المتناهية في الصغر

ي الـصغر علـى فعبر ماليين السنين وعبر تطور الطبيعة وجدت بعض السطوح المتناهية ف

تطرد وبسبب سطحها وتركيبه الكيميائي , أوراق نبات اللوتس ولها تركيب معقد لطرد األوساخ

فقطـر , وهذا اليعود فقط لتركيبها الكيميائي والفيزيائي وإنما لتركيبها الميكروي أيـضاً , الماء

ـ تتوضع كطب) 10µm – 5(هذه الجزيئات يتراوح بين شكل قة على سطح األوراق كما في ال

)1.(

حيث تتـدحرج , إال أن التصاق هذه الجزيئات بالسطح قليل نسبياً ويمكن إزالتها بسهولة بالماء

, يجة لـذلك يبقـى سـطح األوراق جافـاً قطرات الماء على السطح مزيلة هذه الجزيئات ونت

باإلضافة إلى ذلك فإن قطرات الماء المتدحرجة تلتقط جزيئـات األوسـاخ الـصغيرة أثنـاء

.ا على سطح األوراق مبقية إياها نظيفة في أيام المطرتدحرجه

ثم بدأت , وقد تم تسجيل هذه الفكرة التقنية كبراءة اختراع للباحث ويليام في منتصف التسعينات

.)2( الشكل األفكار نحو استخدامها الصناعي والتجاري

5

حهاورقة اللوتس وصورة مكبرة لجزء من سط 1الشكل

صورة مكبرة من سطح نسيج معالج بهذه المواد2 الشكل

Aplications التطبيقات

من جزيئات فضية متناهية الـصغر بتطوير طالء Clemsonقام باحثان من جامعة كليمسون

ساخ والماء من رتبة النانو يمكن استخدامها إلنتاج بدالت ومالبس ذات مقاومة عالية جداً لألو

.والتتطلب إال القليل من التنظيف مقارنة مع األقمشة العادية

) methacrylate polyglycidyl(عـن طبقـة بوليميريـة هذه عبـارة وإن طبقة التغطية

مع جزيئات فضية نانومترية يمكنها أن تلتصق بأي نـوع مـن األقمـشة المعتـادة ةممزوج

.طن والبوليستركالحرير والق

6

انوتكس بتحسين خواص األقمشة وخاصة قدرتها على طرد المـاء واألوسـاخ قامت شركة ن

ويبلغ حجمها حـوالي ) طاردة للماء (بواسطة شعيرات النانو المصنوعة من مواد هيدروفوبية

. من حجم ألياف القطن العادية1/1000

حيث تضاف هذه المواد للحصول على تأثير يشبه زغب فاكهة الدراق دون أن تخفـض مـن

وإن الفراغات بين هذه الجزيئات المتناهية في الصغر أصغر من حجـم قطـرة , نة القطن متا

الجزيئـات تلكالماء الطبيعية بكثير ولكنها تبقى أكبر من جزيء الماء ولذلك يبقى الماء فوق

.إلى أن تتدحرج قطرات الماء من القماش فتمنع من تبلل القماش, وبالتالي فوق سطح النسيج

ن أن ينفذ الماء عبر القماش إذا عرض لضغط معين ويبقى القماش محافظ علـى ومع ذلك يمك

.ملمسه ونفوذيته للهواء

, السويسرية مايدعى بالنانوسفير لصنع األقمشة الطاردة للمـاء Schoellerوقد طورت شركة

ثالثي األبعاد هالمي وهي التـي تـضاف وإن طبقة النانوسفير هي طبقة ذات تركيب سطحي

.وساخ بدالً من االلتصاق على سطحه القماش إلعطائه خاصية طرد الماء واأل سطحإلى

وإن آلية عمل طبقة النانوسفير تماثل تماماً آلية عمل نبات اللوتس الطبيعيـة حيـث تلتـصق

كما في الشكل , قطرات الماء بهذه الطبقة بينما تتدحرج على سطح األوراق ليتم التخلص منها

)3.(

وهي تتدحرج قطرة الماء: b, قطرة الماء المتدحرجة على سطح النبات: aآلية عمل النانوسفير 3 الشكل

على سطح النبات

وإن الخاصية الهيدروفوبية يمكن إعطاؤها لشعيرات القطن بتغطيتها بطبقة رقيقة جـداً مـن

مة من البالزما لبعض المـواد فيمكن استخدام حز , جزيئات النانو على شكل فيلم من البالزما

7

الفلوروكربونية لتثبيت جزيئات النانو الهيدروفوبية كطبقة من الفيلم الرقيق على سطح األلياف

.القطنية لتحسين خاصية طرد الماء

في حين يبين , سخاصية طرد الماء لقماش قطني معالج وأوراق نبات اللوت ) 4(ويبين الشكل

.ج المعالج وغير المعالجاالختالف بين النسي) 5(الشكل

قطرة الماء فوق سطح ورقة نبات اللوتس: b, قطرة الماء فوق سطح نسيج قطني: a 4 الشكل

. القماش على اليمين هيدروفوبي ومعالج وعلى اليسار لم يخضع للمعالجة ولذلك فقد امتص الماء5 الشكل

Catalytic self-cleaning عوامل التنظيف الذاتي

ستخدم كل من أكسيد التيتانيوم وأكسيد الزنك ذات الحجوم الصغيرة مـن رتبـة النـانومتر ُي

جزء مـن األوكـسجين أنحيث , ة للبكتريا إلعطاء خاصية التنظيف الذاتي وخاصية المقاوم

الموجود في الماء والهواء يتحول إلى أكسجين نشط وفعال بواسطة بعض العوامل المـساعدة

ويعطـي خاصـية هذا بدوره يقضي على المواد العضوية ويخربها , ويتحد باأليونات المعدنية

ا مايفسر بقاءها بشكل دائـم وإن عدد هذه الجزيئات في واحدة المساحة كبير جداً وهذ .التعقيم

.على سطح األلياف

تملك سطحاً كبير نسبياً في واحدة المساحة لذلك يـزداد )6( الشكل فجزيئات الفضة النانومترية

وجزيئات النانوسـيلفر . التصاقها بالبكتريا والفطور وهذا مايزيد فعاليتها ضد البكتريا والفطور

لفطور فإنها ستؤثر بـشكل عكـسي علـى لبكتريا وا فعالة جداً مع البروتين فعندما تلتصق با

8

ولذلك فقـد اسـتخدمت النانوسـيلفر , وتوقف نمو الخلية الفطرية أو البكتريا يا الخال استقالب

بشكل واسع في معالجة الجوارب لتوقف نمو البكتريـا ) جزيئات الفضة المتناهية في الصغر (

.وتمنع بذلك ظهور الروائح الكريهة

)النانوسيلفر( جزيئات الفضة النانومترية 6 الشكل

فعندما يحفز بضوء يحمـل ) photocatalyst(ويعتبر أكسيد التيتانيوم من المحفزات الضوئية

ستقوم اإللكترونات فـي ثـاني أكـسيد , )band gap(طاقة أعلى من طاقة الحزمة الممنوعة

-إلى حزمة النقل وسوف يتشكل لدينا زوج إلكترون من حزمة التكافؤ ز بالقف TiO2التيتانيوم

.ثقب على سطح المحفز الضوئي

بينمـا الثقـب O2- ة السالب وذرتي األوكسجين باتحادهما الـشارد ناإللكتروعندها سيشكل

فعندما تسقط المـواد , والماء سيشكل شاردة الهيدروكسيل وهي شوارد غير ثابتة +hالموجب

الفعالة والماء وإن هـذا O2-سطح المحفز الضوئي ستتحد بالشاردة العضوية أو الدهنية على

).7(التفاعل يصنف ضمن تفاعالت األكسدة وهو موضح في الشكل

خالل التفاعل يقوم المحفز الضوئي بتحليل المواد العضوية الموجودة في الهواء مثل تلك التي

. واألوساختسبب الروائح كالبكتريا أو الفيروسات أو السالسل العضوية

المحفز ضوئياً لضوء الشمس فإنه يعطي سـلوك هيـدروفيلي فعندما يتعرض أكسيد التيتانيوم

. المتفسخة بسهولةواللطخاتقوي يسمح بطرد األوساخ

فهناك عدة أبحاث أجريت الستخدام خاصية التحفيز الضوئي لثاني أكسيد التيتانيوم في النسيج

ئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانومترية يمكن أن تعطي حماية فقد وجد أن األقمشة المعالجة بجزي

ويعتبر أكسيد الزنـك , TiO2جيدة ضد البكتريا واللطخ بسبب خاصية التحفيز الضوئي للنانو

لتي وجدناها فـي أكـسيد وإن آلية التحفيز الضوئي تشبه تلك ا , أيضاً من المحفزات الضوئية

:رض الحزمة الممنوعة أو الفارغة وطاقة النقل فمثالًويكمن االختالف فقط في ع, التيتانيوم

9

االلكترون المحفـز مـن لكي ينتقل ) ZnO : 3.37 ev(يحتاج أكسيد الزنك إلى طاقة قدرها

TiO : 3.2(كسيد التيتـانيوم فهـي أحزمة التكافؤ إلى حزمة النقل بينما الطاقة التي يحتاجها

ev.(

وهي تـستخدم , عالية عندما نطبق ضوء عليها تعطي خصائص تحفيز ZnOفجزيئات النانو

.إلعطاء الخاصية المضادة للبكتريا واألوساخ

.مقارنة بين قطن األول معالج يبدو ذو سطح أنعم من الثاني غير المعالج) 8(يبين الشكل

آلية عمل المحفز الضوئي7 الشكل

)يسار ( وآخر غير معالج)يمين (ليف قطن معالج 8 الشكل

Applicationsات التطبيق

عى ي ألياف األكرليك للحصول على مايد الشركات اليابانية المحفز الضوئي ف إحدىاستخدمت

وقد استخدمت في المالبـس الرياضـية والرسـمية , األلياف أو الخيوط ذات التنظيف الذاتي

ة والسجادواألسر...

10

ذكرته هذا الشركة فإن عجينة أكسيد التيتانيوم عندما أدخلت إلى بنية خيط األكرليك ووفقاً لما

أصبح الخيط يمتاز بخاصية التنظيف الذاتي المزيلة للروائح والملوثات مع إعطاء ثباتية أفضل

.من المحفزات الضوئية العادية

ميكرويـة فجـوات جود وإن هذه الخيوط تمتاز بأنها ذات تركيب متعدد الطبقات باإلضافة لو

). 9(يصل سمكها إلى عشرات النانومترات على سطح ليف األكرليك كما هو مبين في الشكل

.وهذا ما يعطي سطح أكبر وأوسع

من حجم أكسيد التيتـانيوم ) 1/10(يساوي عشر ) المحفز الضوئي (وألن حجم أكسيد التيتانيوم

ر مرات وبالتالي فعالية أكبر مـن تلـك فإنه من المنطقي أن يكون له سطح أكبر بعش , العادي

.التي تستخدم المحفزات الضوئية العادية

المحفز الضوئي مزيل المواد المسببة للراوائح الكريهة 9 الشكل

Coating methods present and future طرق التغطية بين الحاضر والمستقبل

ق جزيئات النانو على المنسوجات وإن الغطـاء يتـألف مـن تستخدم التغطية أو الطلي لتطبي

.مكونات تغير من سطح المنسوج وعادة تتألف من جزيئات النانو وأوساط حاملة

فهناك العديد من الطرق لتطبيق الطالء على القماش فمنها البخ أو الطباعة أوالغسيل وأحواض

ئات النانو على سـطح القمـاش حيث تلتصق جزي , الغمر والعصر من أكثر الطرق استخداماً

بإمراره على حوض يتعرض لضغط مضبوط وبـسرعة محـددة يليهـا عمليـات التجفيـف

.والمعالجة

11

تكنولوجيا المعالجة بجزيئات النانو بحيـث تـسمح Toray Industriesولقد طورت شركة

.عاديةأفضل من المعالجة بالنانوتكنولوجي الوظائف تعطي القماش بترتيب الجزيئات بطريقة

حيث أن الجزيئات الوظيفية ) NanoMATRIX(وقد دعيت هذه التكنولوجيا بالنانوماتريكس

من المتوقع لهذه الطريقة أن تدخل و. فيها تغطي كل شعيرة تشكل القماش المنسوج أو المحاك

.المزيد من الخصائص لألقمشة دون أن تغير في تركيب القماش

م الذاتي للجزيئات بهدف إعطاء خصائص جديدة للنسيج وقد ركزت النانوماتريكس على التنظي

وحقـل , وحقـل مغناطيـسي , وضغط, درجة حرارة (وذلك بالسيطرة على الشروط المتاحة

.تحقيق االنسجام بين المادة الوظيفية واألليافو) ...ورطوبة , كهربائي

ح على سـط nm 30 حتى nm 10 في تشكيل طبقة تغطية بسماكة Torayوقد نجحت شركة

كما أنه أصبح من الممكن التحكم فـي حالـة ترتيـب , )10(كما في الشكل , ألياف البوليستر

.الجزيئات أو التجمع الوظيفي للمواد على سطح كل شعيرة

صورة ميكروية للمواد الوظيفية تغطي سطح ألياف البوليستر 10 الشكل

حيث أن األلياف لم تكـن , كن ممكنة باستخدام التقنية العادية إن مثل هذه التغطية المنتظمة لم ت

وإن تطبيـق , تغطى بشكل منتظم بسبب وجود الفراغات بين الشعيرات والتقاطع بين الخيوط

لمواد الوظيفية على الشعيرة الواحدة ساعد في إعطاء وظائف عالية الثباتية دون فقدان قـوام ا

مثل التقشير وتساقط الجزيئات غير المنتظمة بسبب شاكل العديد من الم كما أنها حلت . القماش

أو مشكلة التغيرات التي تحدث في قوام القماش عندما , تمدد وانكماش األقمشة أثناء االستخدام

وبسبب زيادة طلب األسواق استخدمت الطريقة المستمرة للطلي لتتيح , يخضع للتغطية والطلي

مثل التخلص من الكهرباء الساكنة التي تحتـاج متعارضة الخواص إمكانية دمج عدة وظائف

, وخاصية عدم التبلل التي تبقي الماء بعيـداً عـن القمـاش , المتصاص كمية معينة من الماء

.ويمكن تحقيق ذلك بالتحكم بترتيب الجزيئات الوظيفية على كل شعيرة

12

(b) (a)

مقطع عرضي لليف مغطى بالمواد الوظيفية : b, يةليف مغطى بالمواد الوظيفسطح : a 11 الشكل

)الجزيئات الزرقاء(

المراجع1) A new dimension to textiles/garments - Pradeep Kaira,

http://www.snaimpex.com/a_new_dimension_to_textiles.htm.2) Lotus-Effect® - A trade name under copyright for the patented self-

cleaning super-hydrophobic micro- to nano-structured surfaces http://www.nees.uni-bonn.de/lotus/en/faq_html.html.

3) 'Self-cleaning' suits may be in your future, Mark T. Sampson, http://www.voyle.net/Nano%20Textiles/Textiles-2004-006.htm.

4) Selected Applications of Nanotechnology in Textiles, Y. W. H. Wong, et al..AUTEX Research Journal, Vol. 6, No 1, March 2006. http://www.itc.gov.hk/innotech/IFT_R&D_centre_Conference.pdf.

5) Nanotecnology in Textile Finishing. State of Art and Future Prospects, Jan Beringer, http://www.nanomat.de/pdf/nanovision-beringer.pdf.

6) Japan Exlan develops photocatalytic acrylic fiber yarn ”SELFCLEAR” with titanium oxide, http://textileinfo.com/en/plan/selfclear/.

7) Development of New Textile Processing Technology Based on Nano- Technology-Nano-Scale Coating Made Possible on Monofilament Surface, http://www.toray.com/news/fiber/nr041022.html.

8) A New TRIZ Practitioner's Experience for Solving an Industrial Problem using ARIZ 85C: Increasing a Textile Kiss-Coat Operation Speed, F. Grace, M. Slocum, and T. Clapp, North Carolina State University College of Textiles, http://www.triz-journal.com/archives/2001/01/b/index.htm.

13