تکمیل منسوجات با استفاده از نانومواد برای ایجاد خاصیت ضدبو

1- مقدمه

در زندگی روزمره انواع مختلفی از بوهای نامطبوع مانند بوی ناشی از سوخت‌و‌ساز بدن، و بوی ناشی از آلایـنده‌ها و سیگار وجود دارد. این بوهای نامطبوع از نظر شیمیایی به سه گروه اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

·         اسیدهای چرب مانند بوی بدن و عرق بدن

·         ترکیبات نیتروژنی مانند ادرار و بوی ماهی

·         ترکیبات گوگرددار مانند مدفوع

ترکیبات شیمیایی ایجاد کننده بوی نامطبوع بدن انسان به طور خلاصه در شکل 1 نشان داده شده است [1].

شکل 1- ترکیبات ایجاد کننده بوی بد نامطبوع بدن انسان.

امروزه فناوری خوشبوسازی روز به روز در حال توسعه است. در بین روش‌های مختلف، معمولاً روش فیزیکی (جذب بو از طریق کربن فعال)، روش شیمیایی (تبدیل بو به رایحه‌های معمول)، و معطرسازی (استفاده از ترکیبات معطر)، برای از بین بردن بوهای نامطبوع مورد استفاده قرار می‌گیرند. با افزایش شمار افرادی که به بوهای نامطبوع حساسیت دارند، لزوم استفاده از فناوری خوشبوسازی در صنعت نساجی بیش از پیش احساس می‌شود.

2- تعریق و ایجاد بوی نامطبوع

شکل 2 بخش‌هایی از بدن انسان را نشان می‌دهد که بیشترین میزان تعریق را تجربه می‌کنند. در بدن انسان حدود 2.6 میلیون غده عرق وجود دارد که 20% از این غدد در ناحیه پا قرار دارند. غدد عرق بدن به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

•         غدد عرق Eccrine: این نوع از غدد تقریباً در سراسر بدن با تراکم مختلف توزیع شده‌اند. ترشحات آبی خارج شده از این غدد همراه با 1-0.2% مواد قابل‌انحلال در آب (نظیر لاکتات سدیم و پتاسیم، اوره، آمونیاک، آمینو اسید سرین، اورنیتین، سیترولین، اسید اسپاریک، فلزات سنگین، ترکیبات آلی و آنزیم‌های پروتئولتیک) سبب خنک شدن و تنظیم دمای بدن می‌شود.

شکل2- نواحی حضور غدد عرق Eccrine در بدن انسان.

•         غدد عرق Apocrine: این دسته از غدد در نواحی زیربغل، نشمینگاه و پا قرار دارند. آنها نقش قابل‌توجهی در سرمایش بدن ندارند ولی به دلیل ترشح آب، نمک، پروتئین‌ها و اسیدهای چرب، عامل اصلی ایجاد بو در بدن انسان به شمار می‌روند. این غدد پیش از سن بلوغ غیرفعال هستند و تغییرات هورمونی در دوران بلوغ سبب افزایش سایز و آغاز فعالیت این غدد می‌شوند. ترکیبات خروجی از این غدد، مواد مغذی برای باکتری‌های موجود بر روی پوست هستند. در واقع، باکتری‌های موجود بر روی پوست، مو و پوشاک، پروتئین‌های حاصل از ترشحات غدد Apocrine را تجزیه کرده و آنها را به اسیدهای چرب تبدیل می‌کنند. اسیدهای چرب حاصل با ساختار مولکولی کوچکتر، قابلیت تبخیر داشته و قابل استشمام هستند. میزان تعریق در بدن یک انسان بالغ حداکثر حدود 1 لیتر در ساعت است که در شرایط اقلیمی گرم بیابانی می‌تواند به حدود 2 تا 3 لیتر در ساعت افزایش یابد [2, 3].

شکل 3- نواحی حضور غدد عرق Aprocrine در بدن انسان.

3- روش‌های کنترل بوی نامطبوع در منسوجات

از آنجایی‌که فرآیند تعریق با کنترل دمای بدن، نقش مهم و اجتناب‌ناپذیری در سلامت و ایجاد احساس راحتی در انسان ایفا می‌کند، کنترل معایب ناشی از این فعالیت طبیعی بدن باید از روش‌های دیگری غیر از سرکوب تعریق انجام شود. در شکل 4 دو رویکرد مختلف به منظور کنترل بوی نامطبوع منسوجات ناشی از تعریق نشان داده شده است [4, 5].

شکل 4- روش‌های کنترل بوی نامطبوع در منسوجات.

جلوگیری از ایجاد بوی نامطبوع در منسوجات با استفاده از مواد ضدباکتری امکان‌پذیر است. این مبحث در بخش منسوجات ضد میکروبی مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. به‌طور کلی، می‌توان نانومواد جاذب بوی نامطبوع در منسوجات را به چندین دسته کلی تقسیم‌بندی کرد:

•         سیکلودکسترین‌ها

•         نانوذرات کربن فعال

•         نانوذرات خاکستر بامبو

•         پلیمرهای قاصدکی

1-3-سیکلودکسترین‌ها

سیکلودکسترین‌ها (CD) اولیگوساکاریدهای درشت حلقه و معمولاً دارای 6، 7 یا 8 واحد گلوکوزیدی (Glycosidic unit) هستند و به ترتیب با عناوین α، β و γ سیکلودکسترین نامیده می‌شوند [6].

مولکول‌های کوچکی که عنوان «مهمان» به آنها اطلاق می‌شود، قادر به ورود در حفره داخلی سیکلودکسترین‌ها و تشکیل کمپلکس‌های دربرگیرنده (Inclusion complexes) با «میزبان» خود هستند. به‌دلیل پیوند C14 در واحدهای گلوکوپیرانوز، تمام گروه‌های هیدروکسیل نوع دوم در یکی از طرفین حلقه و گروه‌های هیدروکسیل نوع اول در سمت دیگر حلقه قرار می‌گیرند. حلقه یک استوانه یا یک مخروط ناقص دوجداره است. آنالیز پرتو ایکس سیکلودکسترین‌ها نشان می‌دهد که گروه‌های هیدروکسیل نوع دوم (C2 و C3) در لبه پهن‌تر حلقه و گروه‌های هیدروکسیل نوع اول (C6) در سمت دیگر و سایر هیدروژن‌های مربوط به C3 و C5  و اکسیژن‌های اتری، درون ساختار مخروطی سیکلودکسترین قرار گرفته‌اند. همین امر سبب آب‌دوست شدن قسمت بیرونی و ایجاد حفره غیرقطبی در وسط مولکول شده است.

می‌توان سیکلودکسترین‌ها را در مرحله تولید الیاف و یا تکمیل منسوجات مورد استفاده قرار داد. جذب بوی نامطبوع موجود در منسوجات، یکی از اهداف استفاده از این مواد است. شکل 5 مکانیزم عملکرد سیکلودکسترین‌ها را به عنوان جاذب بو نشان می‌دهد.

شکل 5- مکانیزم عملکرد سیکلودکسترین به عنوان جاذب بو.

یکی از خصوصیات طبیعی سیکلودکسترین‌ها، امکان قرارگیری مولکول‌ها روی یکدیگر است. این امر احتمال جذب مولکول‌های تشکیل‌دهنده ترکیبات بودار را افزایش می‌دهد. از سوی دیگر، هنگامی که مولکول‌های بو توسط ساختار سیکلودکسترین جذب می‌شوند، تغییرشـکل ساختار مخروطی این ماده امکـان نگه‌داری موثرتر مولکول‌های بو را فـراهم می‌کند (شکل 6 را ببینید). با این وجود، مشکلاتی برای استفاده از سیکلودکسترین‌ها برای ضد بو کردن منسوجات وجود دارد. از آنجایی‌که مولکول‌های تشکیل‌دهنده ترکیبات بو ممکن است دارای شکل و اندازه‌های متفاوتی باشند، اگر این مولکول‌ها بسیار کوچک باشند، می‌توانند به‌راحتی از حفره میانی سیکلودکسترین عبور کنند و اگر بسیار بزرگ باشند، امکان ورود به حفره داخلی سیکلودکسترین وجود ندارد. بنابراین فقط ترکیباتی که دارای سایز مشخصی باشند در این حفره قرار می‌گیرند. نحوه اتصال سیکلودکسترین‌ها به منسوجات، چالش دیگری در استفاده از این مواد است. ایجاد اتصال شیمیایی موجب افزایش ماندگاری سیکلودکسترین‌ها بر روی منسوجات می‌شود. Szejtli و همکارانش در سال 1980 موفق به ثبت روشی شدند که سیکلودکسترین‌ها را به الیاف سلولزی (متورم شده بر اثر عملیات قلیایی) با استفاده از اپی‌کلروهیدرین به عنوان ماده واسط، از طریق پیوند کووالانسی متصل می‌کرد [7].

شکل 6- نحوه عملکرد پارچه‌های تکمیل شده با سیکلودکسترین.

1-1-3- روش‌های اتصال سیکلودکسترین به منسوجات

1- اصلاح شیمیایی سیکلودکسترین به منظور اتصال به سطح الیاف

2- به‌کارگیری مواد واسط چند عاملی به منظور اتصال کووالانسی سیکلودکسترین به سطح الیاف [8].

جدول 1 فهرستی از روش‌های مورد استفاده برای ایجاد اتصالات قوی بین سیکلودکسترین‌ و الیاف ارائه می‌دهد.

2-3- نانوذرات کربن فعال

در سال‌های اخیر، از کربن فعال در صنایع مختلف مانند تصفیه آب، صنایع غذایی، پزشکی و محیط‌زیست استفاده شده است. استفاده از کربن فعال یکی از موثرترین روش‌های حذف بوی نامطبوع محسوب می‌شود. به همین دلیل، استفاده از کربن فعال در منسوجات نیز مورد توجه قرار گرفته است (شکل 7  را ببینید).

شکل 7- نحوه عملکرد پارچه های تکمیل شده با نانوذرات کربن فعال.

فرآیند جذب بوی نامطبوع توسط کربن فعال، یک فراینـد فیزیکی است و کربن فـعال توانایی به دام انداختن مولکول‌های ترکیبات بوی متصاعد شده از بدن را دارد. یکی از ویژگی‌های کربن فعال، وجود روزنه‌ها و شیارهای بسیار ریز در ساختار این ماده است که می‌تواند مولکول‌های بو را به دام بیاندازد. اعمال گرما سبب جدایش مولکول‌های به دام افتاده در ساختار کربن فعال می‌شود و چنین دمایی در حین شستشو و خشک کردن منسوجات فراهم می‌شود. لازم به ذکر است که کربن فعال، سطح ویژه بالایی دارد. Shasanka Sekhar در تحقیقات خود نشان داده است که یک گرم کربن فعال برای پوشاندن سطح تقریباً دو زمین تنیس کافی است. به همین دلیل است که نه تنها تمام مولکول‌های ترکیبات بو، در چرخه فعال‌سازی مجدد (regeneration) از کربن فعال جدا می‌شوند، بلکه وجود فضاهای خالی بسیار زیاد در ساختار این ماده، امکان جذب گسترده مولکول‌های بو را در فاصله زمانی میان چرخه‌های فعال‌سازی متوالی فراهم می‌آورد.

از دیگر دلایلی که موجب استفاده گسترده از کربن فعال در منسوجات برای کنترل بوی بد بدن شده است، توانایی این ماده در جذب طیف وسیعی از مولکول‌ها و ترکیبات بو با ابعاد متفاوت است. در پژوهشی که توسط دکتر Don Thompson  در دانشگاه ایالت کارولینای شمالی انجام شده است، حضور بیش از هزار ترکیب متفاوت در کفش (ناشی از تعرق پا) به اثبات رسید. وجود تنوع گسترده در ترکیبات ناشی از عرق بدن و دشواری یافتن ماده‌ای برای جذب تمام این ترکیبات، نیاز به استفاده از کربن فعال را بیش از پیش نشان می‌دهد [9].

3-3- نانوذرات خاکستر بامبو

از گذشته های دور، گیاه بامبو برای درمان بیماری‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گرفته است. با اینکه بامبو یک گیاه بومی آسیایی است، اما امروزه در سرتاسر نقاط دنیا گسترش یافته است. بامبو علی‌رغم ارتفاع بسیار بلندی که دارد، درخت محسوب نمی‌شود. در حقیقت، این گیاه دائمی چوبی‌شکل، متعلق به خانواده گیاهان علفی است و بلندترین علف جهان به شمار می‌رود. از این گیاه برای تهیه الیاف سلولزی بازیافتی بامبو استفاده می‌شود. همچنین از پودر خاکستر بامبو برای بهبود کیفیت الیاف مصنوعی مانند پلی‌استر استفاده می‌شود. مراحل تولید نانوذرات خاکستر بامبو در شکل 8 نشان داده شده است. بر این اساس، مراحل تولید الیاف بامبو عبارتند از: (1) آماده‌سازی، (2) خرد کردن بامبو، (3) غوطه‌وری در محلول هیدروکسید سدیم، (4) پرس برای زدودن ترکیبات قلیایی اضافی، (5) خرد کردن سلولز قلیایی برای تسهیل فرآیند، (6) زمان‌دهی به مدت 24 ساعت، (7) سولفوریزه کردن با استفاده از دی‌سولفید کربن، (8) زانتاسیون و تبخیر دی سولفید کربن و تشکیل زانتات سدیم سلولز، (9) افزودن محلول رقیق سود و آماده سازی محلول ریسندگی، (10) ترریسی و استفاده از حمام انعقاد محلول اسید سولفوریک رقیق.

شکل 8- نحوه تولید الیاف با استفاده از خاکستر بامبو.

خاکستر بامـبو از طریق فرآیند پیـرولیز گیاهانی با بیش از پنج سال سن در کوره و در دمـای 1200-800 درجه سانتی‌گراد تهیه می‌شود. خاکستر بامبو را می‌توان از دو منبع متفاوت تهیه کرد: (الف) گیاه اولیه بامبو شامل ساقه، برگ و ریشه؛ و (ب) ضایعات حاصل از برش بامبو. شکل 9 ساختار حفره‌دار خاکستر بامبو را نشان می‌دهد. منافذ بسیار ریز موجود در نانوذرات خاکستر بامبو امکان حبس ترکیبات بو را فراهم می‌کند و بدین ترتیب، نه تنها به عنوان جاذب بوی بد منسوجات، بلکه به‌عنوان جذب‌کننده ترکیبات بوی موجود در محیط نیز قابل استفاده است.

شکل 9- تصویر SEM از ساختار حفره‌دار خاکستر بامبو.

4-3- پلیمرهای قاصدکی

به دام انداختن ترکیبات بو در یک ساختار پلیمری، ازجمله فناوری‌های قابل استفاده در کنترل بوی بد منسوجات با استفاده از نانومواد است. این فناوری نخستین بار توسط شرکت Milliken در سال 1865 به بازار عرضه شد. این شرکت در سال‌های متمادی موفق به توسعه و پیشرفت این فناوری و ثبت اختراعات بین‌المللی متعدد در این زمینه شد. این فناوری نخستین بار برای پاکیزه نگه داشتن و کنترل بوی نامطبوع فرش‌ها و مبلمان منزل مورد استفاده قرار گرفت. در سال‌های اخیر، از این فناوری در صنعت پوشاک برای جذب بوی بدن استفاده شده است. در این فناوری از ساختار قاصدک و استفاده از یک توده پلیمری حاوی شاخه‌های بسیار ریز الهام گرفته شده است. هنگامی که فرد پوشاک مبتنی بر این فناوری را به تن می‌کند، مولکول‌های بسیار کوچک بو توسط ساختار قاصدک به دام می‌افتند. به‌منظور حذف این ترکیبات از ساختار پلیمر قاصدکی، از روش‌های معمول شستشوی منسوجات استفاده می شود و به این ترتیب منسوج برای استفاده مجدد آماده خواهد شد. این قابلیت مهم‌ترین ویژگی پلیمرهای قاصدکی به شمار می‌رود. با این حال، طول عمر کوتاه و امکان جذب مقدار محدودی از ترکیبات بو، از معایب این ترکیبات به شمار می‌آیند. شرکت‌هایی که از این فناوری در پوشاک نظامی بهره گرفته‌اند، ثبات شستشویی محصول خود را تا 25 بار شستشو اعلام نموده‌اند. شکل 10 شمایی از ذرات قاصدکی پلیمری و نحوه جذب ملکول‌های بو را نشان می‌دهد.

شکل 10- نحوه عملکرد پارچه‌های تکمیل شده با پلیمرهای قاصدکی.

بحث و نتیجه‌گیری

در طول سال‌های اخیر، با ظهور فناوری‌های نوین، تحولات چشمگیری در عرصه محصولات مختلف و به طور خاص منسوجات و پوشاک به‌وجود آمده است. استفاده از فناوری نانو منجر به بهبود کارایی منسوجات و توسعه طیف جدیدی از آنها با قابلیت‌های جدید شده است. در این بین، منسوجات ضد بو به عنوان نیاز بشر به پاکیزگی توجه زیادی را به خود معطوف کرده است.