شکل 1  شماتیکی از یک منسوج محافظ در برابر آتش

 اخبار و مطالب روز نساجی: نوآوری در منسوجات

  منسوجات کاربردی در صنعت نساجی

Introductory Chapter: Functional Textiles

1- مقدمه

پیشرفت‌های اخیر در الیاف، پارچه‌ها و فناوری‌های تولیدی با کارایی بالا به نیروی محرکه اصلی ظهور منسوجات کاربردی تبدیل شده است. اکثرمنسوجات کاربردی در ابتدا در کاربردهای دفاعی مورداستفاده قرار می‌گرفتند، اما به دلیل محبوبیت آنها، اکنون این منسوجات در دسترس عموم قرار دارند. این منسوجات در زمینه پوشاک فنی و کاربردی بسیار وسیع و متنوع بوده و در هر کاربردی شامل مجموعه‌ای از مشخصات، نیازهای مادی، فناوری‌های مخصوص و روش‌های مربوط به خود هستند.

ازاین‌رو، بر اساس نوع طراحی و چشم‌انداز تولید، پوشاک کاربردی به دلیل داشتن مجموعه‌ای از استانداردهای محدود و نیازهای متفاوت باتوجه‌به نیاز، به یک چالش اصلی تبدیل شده‌اند. منسوجات کاربردی دارای طیف وسیعی از کاربردها، از جمله کاربردهای محافظتی، سازگاری با محیط‌های متخاصم و بهبود عملکرد و کیفیت زندگی انسان هستند.

اپیدمی اخیر (کووید - 19)COVID-19 epidemic تأثیر قابل‌توجهی بر جهان گذاشت و زیرساخت‌های مراقبت‌های بهداشتی، جامعه، فرهنگ و سیستم اقتصادی را با مشکلاتی مواجه کرد. شیوع این بیماری همه درمان‌های پزشکی پیشین را با شکست مواجه کرد، اما در این راستا اقدامات غیردارویی در کاهش انتقال ویروس‌ها نقش مهمی را ایفا کردند. منسوجات کاربردی و هوشمند نقش مهمی را در طراحی تجهیزات حفاظت فردی  و پزشکی به طور غیرمستقیم و برای تقویت سیستم مراقبت‌های بهداشتی ایفا کرده است. تحقیقات موفقیت‌آمیز در زمینه نانومواد، عملیات سطحی و فناوری تکمیل منسوجات، سبب شده است تا قابلیت توسعه و پیشرفت منسوجات کاربردی بیشتر شود تا این منسوجات بتوانند با موفقیت از انتشار ویروس‌ها و بیماری‌ها جلوگیری کنند. تجهیزات حفاظت فردیPersonal protective equipment (PPE) مانند ماسک، روپوش جراحی، و دستکش نمونه‌هایی از لباس‌های کاربردی نساجی هستند که برای جلوگیری از شیوع ویروس کووید-19 استفاده می‌شوند. با انجام تکمیل‌های ضدویروسی و ضدمیکروبی می‌توان منسوجاتی تولید کرد که کارایی حفاظتی بالایی دارند. یکی دیگر از عوامل مهمی که به مردم در شرایط قرنطینه کمک می‌کند، فناوری پزشکی به طور غیرمستقیم است که باز هم عمدتاً به منسوجات هوشمند و پوشاک بستگی دارد که دارای برخی عملکردهای سنجش الکترونیکی هستند. منسوجات کاربردی که برای محافظت از انسان در برابر ویروس‌ها و میکروب‌ها استفاده می‌شود، حاوی حسگرهای تعبیه‌شده الکترونیکی یا خود مواد نساجی تبدیل شده به حسگر هستند که قابلیت کنترل پارامترهای حیاتی انسان‌مانند ضربان قلب، الگوی تنفس، سطح اکسیژن خون را دارند.

تمرکز این گزارش به بررسی نکات کلیدی و مهم، فناوری‌های ساخت و روش‌های کاربردی برای طراحی و توسعه منسوجات کاربردی و فنی است. در این گزارش بر اصول انواع مختلف منسوجات کاربردی و کاربردهای آن‌ها در صنایع مختلف پرداخته می‌شود.

1-1 منسوجات کاربردی

تمامی منسوجات به‌منظور انجام چندین هدف در زندگی روزمره ما، از زیبایی و مد گرفته تا محافظت از انسان در برابر عوامل مختلف خارجی را شامل می‌شود؛ بنابراین، منسوجات کاربردی را می‌توان به‌عنوان یک اصطلاح عمومی بدین‌گونه تعریف کرد که منسوجات کاربردی، منسوجاتی هستند که به طور خاص برای ارائه عملکرد یا عملکردهای از پیش تعریف شده به کاربر (عملکردهایی فراتر از عملکردهای معمولی یک منسوج)، مهندسی شده‌اند. این نوع از منسوجات را می‌توان با استفاده از الیاف با کارایی بالا، تکمیل‌های جدید یا اصلاح ذاتی مواد معمولی تولید کرد. انتظار می‌رود که خود منسوجات برخی از عملکردهای خاص را انجام دهند که می‌تواند محافظت از فرد در برابر یک محیط کاری خطرناک، تسهیل حرکت در حین فعالیت ورزشی، کمک به افراد دارای مشکل جسمانی یا افزایش استقامت یک فرد ورزشکار باشد. اما لباس‌های کاربردی، وظایفی فراتر از منسوجات معمولی داشته که می‌توان به محافظت از انسان در برابر ویروس‌ها و بیماری‌های تهدیدکننده زندگی، برای انجام یک درمان پزشکی غیرمستقیم اشاره کرد. همچنین برای این دسته از منسوجات کاربردی می‌توان عملکرد الکترونیکی را در داخل لباس تعبیه کرد که می‌تواند برای انتقال سیگنال‌ها به‌صورت بی‌سیم و نظارت بر سلامتی انسان برای ارائه امکانات پزشکی به طور غیرمستقیم استفاده شود.

2-1 طبقه‌بندی منسوجات کاربردی

منسوجات فنی و کاربردی استاندارد بر اساس کاربرد آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند که شامل منسوجات ورزشی، منسوجات محافظ و منسوجات پزشکی هستند. طراحی یک محصول برای یک کاربرد نهایی خاص، سیستم طبقه‌بندی جدیدی را باز می‌کند که شامل استفاده از یک فناوری جدید است. طبقه‌بندی منسوجات کاربردی را می‌توان باتوجه‌به عملکرد و الزامات کاربردی آن‌ها انجام داد. همچنین انتخاب نوع مواد مورداستفاده در این دسته از منسوجات برای ارائه هدفی خاص، حائز اهمیت است. به‌عنوان‌مثال، انتخاب مواد می‌تواند بر اساس نیازهای فیزیولوژیکی و روانی کاربر باشد، درحالی‌که فناوری کاربردی آن بر اساس عملکرد، ارگونومیErgonomics ، راحتی و تناسب موردنیاز انتخاب می‌شود. در جدول 1 به برخی از منسوجات کاربردی و کاربردهای آن‌ها اشاره شده است.

 جدول 1 طبقه‌بندی منسوجات کاربردی

الف) منسوجات محافظ

یکی از بزرگ‌ترین گروه از منسوجات کاربردی، منسوجات محافظ هستند. طراحی پارچه برای هر کارکردی متفاوت است و این موردنیاز به توجه ویژه دارد. عوامل محیطی مانند گرما، سرما، برف و باد انواع مختلفی از الیاف، ساخت پارچه و شیوه‌های تکمیل را می‌طلبد. چالش در طراحی منسوج محافظ، ارائه حداکثر محافظت بدون تأثیر بر انتقال حرارت متابولیکMetabolic است. شماتیکی از یک منسوج محافظ در برابر آتش در شکل 1 نشان‌داده‌شده است که آرایش لایه پارچه را برای محافظت از پوست در برابر خطرات مختلف و به طور هم‌زمان حفظ تعادل حرارتی بدن نشان می‌دهد. برخی از الزامات اولیه در تهیه منسوجات محافظ شامل وزن و حجم سبک‌تر، طراحی ارگونومیک  ، مدیریت بهتر رطوبت، حفاظت بیولوژیکی، شیمیایی و تشعشعی است که تمامی این الزامات مستلزم ایجاد مانعی بین منبع تشعشع و پوست انسان است. ازاین‌رو، لباس باید حاوی مواد بازتابنده یا پوششی باشد تا از نفوذ این مواد از طریق منسوج به سطح پوست جلوگیری کند.

ب‌) منسوجات پزشکی

از زمان‌های گذشته به امروز، از منسوجات برای درمان‌های پزشکی مانند جراحی، محافظت از زخم و غیره استفاده شده است. وظیفه اصلی این منسوجات، محافظت در برابر باکتری‌ها، ویروس‌ها و مایعات عفونی بدن است. به جهت تولید این منسوجات از منسوجات دارای خواص ضدمیکروبی ذاتی و یا پوشش‌دهی شده مواد با خواص ضد میکروب و ویروس بر روی سطح منسوج استفاده می‌شود.

منسوجاتی که برای تکمیل‌های درمانی استفاده می‌شوند، اغلب شامل منسوجات الاستیک بوده تا بتواند فشاری روی ناحیه عفونی ایجاد کند. فشار اعمال شده توسط این منسوجات به حرکت خون و مایع لنفاوی از ناحیه آسیب‌دیده برای کاهش بیماری وریدی کمک می‌کند. به جهت تولید این دسته از منسوجات کشسان، از نخ و یا پارچه‌‎های کشسان و یا ایجاد بافتی مخصوص برای آن منسوج استفاده می‌کنند. منسوجات کاربردی که برای محافظت از ویروس کووید 19 استفاده می‌شود از پارچه بی بافت بوده که

به‌عنوان واسطه فیلتر در ماسک و کیت PPE استفاده می‌شود. وجود تخلخل در منسوجات بی بافت را می‌توان برای ایجاد محافظت مناسب از بدن در برابر ویروس نسبت داد. همچنین با پوشش‌دهی مواد ضد میکروب و ضدویروس بر روی این منسوجات، می‌توان عملکرد محافظتی آن‌ها را بهبود بخشید.

پ) پوشاک

منسوجات با قابلیت نظارت و درمان مبتنی بر مواد نساجی، به دلیل راحتی و قابل‌حمل بودن ترجیح داده می‌شوند و به طور مجزا و بادقت در بین کودکان و افراد مسن استفاده می‌شوند. علاوه بر این، منسوجات تعاملی را می‌توان برای نظارت در زمان واقعی و شخصی‌سازی فوق‌العاده، مانند اندازه‌گیری داده‌ها و ذخیره‌سازی برای مشتریان فردی به‌منظور داشتن تشخیص‌های دقیق از افراد استفاده کرد. چندین کاربرد TENG مبتنی بر منسوجات در بررسی‌هایی تحت زمان‌های مختلف گزارش شده است که شامل تشخیص ضربان قلب، توان‌بخشی عصبی بیولوژیکی، تشخیص راه‌رفتن، تشخیص نبض، حسگرهای حرکت، تشخیص تنفس و حرارت درمانی است.

منسوجات الکترونیکی از ترکیب دو صنعت نساجی و الکترونیک تشکیل شده‌اند که از نظر نوع، مواد و رفتار از یکدیگر متفاوت هستند. منسوجات دارای خواص انعطاف‌پذیر، متخلخل و مستعد شرایط مختلف هستند، درحالی‌که به‌طورکلی، مواد موجود در صنعت الکترونیک سفت، دقیق و محافظت هستند. دستیابی به خواص ویژه برای کاربردهای پوشاک درحالی‌که با خواص متضاد لوازم الکترونیکی و منسوجات مطابقت دارد، همیشه چالش‌برانگیز است. دستگاه‌های نانو ژنراتور ترموالکتریکTriboelectric nanogenerator (TENG)  یکی از این پلتفرم‌ها را برای ادغام نساجی با الکترونیک تشکیل می‌دهند. TENGها از اثر ترموالکتریک و القای الکترواستاتیکی برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریسیته استفاده می‌کنند. خود تولید یک سیگنال الکتریکی بدون هیچ منبع تغذیه و پاسخ به محرک سلامت، TENG را به‌عنوان یک جایگزین مناسب برای برنامه‌های نظارت بر پوشاک ایجاد می‌کند. اثر ترموالکتریک تقریباً برای هزار سال شناخته شده است که از طریق آن مواد به دلیل اصطکاک دارای بار الکتریکی می‌شوند. تماس بین دو ماده با قطبیت مخالف یک بر همکنش الکتروشیمیایی بین مولکول‌های سطحی ایجاد می‌کند که مسئول تولید بارهای ترموالکتریک بر روی سطوح آنها است. بااین‌حال، پس از جداسازی، این بارهای ترموالکتریک به نیروی محرکه‌ای تبدیل می‌شوند که الکترون از طریق الکترود، جریان یافته تا اختلاف‌پتانسیل ایجاد شده را برابر کند (شکل 2).
 

 شکل 2 شماتیکی از آرایش نانو ژنراتور ترموالکتریک

ت‌)  منسوجات ورزشی

محبوبیت روزافزون منسوجات در صنعت ورزش، تقاضا را برای منسوجات کاربردی در این حوزه افزایش داده است که به یک جنبه حیاتی در بهبود عملکرد کلی یک ورزشکار تبدیل می‌شود. ویژگی‌های اصلی منسوجات کاربردی ورزشی شامل انتقال سریع رطوبت، مدیریت دما، کنترل بو، وزن سبک و تناسب است. الیاف و منسوجات به طور ویژه اصلاح شده‌اند تا سطح خواص موردنظر جهت راحتی مصرف‌کننده را افزایش داده، انتقال رطوبت را تسهیل کند و به حفظ تعادل حرارتی در طول فعالیت ورزشی کمک کند (شکل 3). همچنین منسوجات کاربردی ورزشی برای افزایش عملکرد ورزشکار با مکانیسم فشرده‌سازی و طراحی آیرودینامیکی  Aerodynamic  استفاده می‌شوند. خاصیت فشرده‌سازی منسوج، به تنظیم جریان خون در گروه‌های عضلانی خاص کمک می‌کند و انرژی و اکسیژن بیشتری را تأمین می‌کند که می‌تواند سبب ریکاوری سریع‌تر عضلات در حین و پس از انجام عملیات ورزشی شود. طراحی آیرودینامیکی منسوجات با کنترل سیستماتیک مورفولوژی الیاف، طراحی منسوج و آرایش ساختاری اجزای پارچه می‌تواند به کاهش مقاومت در برابر باد و هوا کمک کند.

 

شکل 3 مکانیسم انتقال رطوبت از طریق منسوجات ورزشی

ث‌) بازار و دیدگاه‌های آینده

نیاز به الیاف، فرایندها و فناوری‌های کاربردی جهت تولید منسوجات کاربردی و توسعه‌یافته در قرن بیست و یکم روبه‌افزایش است و چنین محصولاتی نه‌تنها در پوشاک، بلکه در کاربردهای مختلف دیگر مانند پزشکی، خودروسازی، کشاورزی، ورزشی، ژئوتکستایل مورداستفاده قرار می‌گیرند. شیوع ویروس اخیر تحت عنوان COVID19، منجر به تقاضای بیشتر برای تولید منسوجات پزشکی شده است. پذیرش محصولات بهداشتی هوشمند در زندگی روزمره، تغییر تکنولوژیکی مهم بعدی خواهد بود که در سطح جهانی اتفاق خواهد افتاد. فناوری مربوط به تولید منسوجات هوشمند پزشکی یکی از موضوعات پرطرف‌دار فناوری در سراسر جهان است. این  فناوری شامل ادغام مواد حسگر یا محرک هوشمند در منسوجات برای نظارت بر سلامت غیرتهاجمی افراد است. چنین منسوجات الکترونیکی، به شناسایی علائم حیاتی فرد و ارسال مجدد آنها از طریق فناوری حسگر بی‌سیم برای ارائه بازخورد مداوم در مورد وضعیت سلامت کمک می‌کنند. برای توسعه هر محصول نساجی کاربردی یا هوشمند، استفاده از دانش بین‌رشته‌ای از جمله علم مواد، فیزیک سطحی، بیومکانیک، مهندسی، طراحی منسوج و دیگر ویژگی‌های مهندسی لازم است. علاوه بر این، انتظار می‌رود که در آینده نیاز به فناوری‌های جدید توسعه یابد که می‌تواند هزینه تولید را کاهش دهد و چنین محصولاتی را از نظر تجاری موفق کند. پیش‌بینی می‌شود که نرخ رشد عظیم بیش از 6% CAGR برای منسوجات فنی و کاربردی از سال 2020 تا 2025 پیش‌بینی شده است که انتظار می‌رود تا سال 2025 به بیش از 4/222 میلیارد دلار در بازارهای جهانی برسد.

منابع

1.Pan N, Sun G. Functional Textiles for Improved Performance, Protection and Health. Sawston, United Kingdom: Elsevier; 2011
2.Majumdar A, Singh SP, Ghosh A. Modelling, optimization and decision making techniques in designing of functional clothing. Indian Journal of Fibre and Textile Research. 2011;36(4):398-409
3.Beesoon S, Behary N, Perwuelz A. Universal masking during COVID-19 pandemic: Can textile engineering help public health? Preventive Medicine. 2020;139:106236
4.Darby S et al. COVID-19: Mask efficacy is dependent on both fabric and fit. Future Microbiology. 2021;16(1):5-11
5.Ha JF. The COVID-19 pandemic, personal protective equipment and respirator: A narrative review. International Journal of Clinical Practice. 2020;74(10):e13578
6.Hollander JE, Carr BG. Virtually perfect? Telemedicine for COVID-19. The New England Journal of Medicine. 2020;382(18):1679-1681
7.Gupta D. Functional clothing—Definition and classification. Indian Journal of Fibre and Textile Research. 2011;36(4):321-326
8.Scataglini S, Andreoni G, Gallant J. Smart clothing design issues in military applications. In: International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics. Switzerland AG: Springer; 2018
9.Song G, Mandal S, Rossi R. Thermal Protective Clothing for Firefighters. United Kingdom: Woodhead publishing, Elsevier; 2016.
10.Lawson JR. Fire fighters’ protective clothing and thermal environments of structural fire fighting. In: Performance of Protective Clothing: Sixth Volume. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International; 1997
11.Nurfaizey A et al. Functional nanofibers in clothing for protection against chemical and biological hazards. In: Functional Nanofibers and their Applications. Sawston, United Kingdom: Woodhead Publishers; 2012. pp. 236-261
12.Bhuiyan MR et al. Advances and applications of chemical protective clothing system. Journal of Industrial Textiles. 2019;49(1):97-138
13.Garg H et al. Polyethylenimine-based shape memory polyurethane with low transition temperature and excellent memory performance. Macromolecular Materials and Engineering. 2020;305(8):2000215
14.Kumar B, Hu J, Pan N. Smart medical stocking using memory polymer for chronic venous disorders. Biomaterials. 2016;75:174-181
15.Kumar B, Das A, Alagirusamy R. Study of the effect of composition and construction of material on sub-bandage pressure during dynamic loading of a limb in vitro. Biorheology. 2013;50(1-2):83-94
16.Leutheuser H et al. Textile integrated wearable technologies for sports and medical applications. In: Smart Textiles. Switzerland AG: Springer; 2017. pp. 359-382
17.Coyle S et al. Textile-based wearable sensors for assisting sports performance. In: 2009 Sixth International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks. Berkeley, CA, USA: IEEE; 2009
18.Islam GN, Ali A, Collie S. Textile sensors for wearable applications: A comprehensive review. Cellulose. 2020;27(11):6103-6131
19.Yi F et al. Recent advances in triboelectric nanogenerator-based health monitoring. Advanced Functional Materials. 2019;29(41):1808849
20.Mathew AA, Chandrasekhar A, Vivekanandan S. A review on real-time implantable and wearable health monitoring sensors based on triboelectric nanogenerator approach. Nano Energy. 2020;80:105566
21.Pragya A et al. Designing and investigation of braided-cum-woven structure for wearable heating textile. Engineering Research Express. 2020;2(1):015003
22.Somkuwar VU, Pragya A, Kumar B. Structurally engineered textile-based triboelectric nanogenerator for energy harvesting application. Journal of Materials Science. 2020;55(12):5177-5189
23.Dong Y et al. Materials design towards sport textiles with low-friction and moisture-wicking dual functions. Materials and Design. 2015;88:82-87
24.Raj AN, Yamunadevi S. Application of textile fibres for technical and performance enhancements in sports. International Journal of Multidisciplinary Research and Development. 2016;3(12):40-4

♦ منابع مرتبط :

►https://www.intechopen.com/chapters/78878

♦ لینک اشتراک گذاری :

https://b2n.ir/nassajyar972►

♦ مطالب پیشنهادی :

-منسوجات و پوشاک کاربردی در صنعت نساجی

-انواع الیاف با کارایی بالا: خواص و کاربردهای آن‌ها

-کنترل خونریزی با فناوری نانو الیاف

-عملکرد و کاربرد های منسوجات فنی

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.