پارچه ترمیم شونده، آینده مد را متحول میکنند!
انقلابی در صنعت نساجی: پارچه ترمیم شونده، آینده مد را متحول میکنند!
پارچههای خود ترمیم شونده با بازسازی ویژگیهای عملکردی، ساختاری و مورفولوژیکی خود به آسیبهای شیمیایی و فیزیکی پاسخ میدهند. در این بررسی جامع، به بررسی ترکیبات و کامپوزیتهای پارچهای میپردازیم که قادر به خود ترمیمی و تعمیر پارچهها در برابر آسیبهای میکرو (میکرون)، مزو (میکرون تا میلیمتر) و ماکرو (بیشتر از میلیمتر) هستند.
ادبیات بررسی شده به سه بخش سازماندهی شده است:
(۱) شیمی و اصول ساخت پارچههای خود ترمیم شونده در برابر افزایش مقیاس آسیب،
(۲) ترمیم محرکمحور و خودکار،
(۳) روشهای مشخصهیابی بازیابی خواص خیس شوندگی، سدکنندگی، مورفولوژیکی، مکانیکی و سایر خواص. بحث در مورد روشهای اصلی برای توسعه پارچههای خود ترمیم شونده بر روی پوششها، کامپوزیتها و تکنیکهای ساخت تخصصی مورد نیاز با افزایش اندازه آسیب از میکرومتر به میلیمتر و بیشتر متمرکز است.
بخش مربوط به ترمیم محرکمحور و بازیابی خودکار به مقیاسهای زمانی مرتبط با تعمیر آسیبهای مختلف میپردازد و نشان میدهد که چگونه محرکهای خارجی نیروی محرکه بیشتری برای ترمیم و تسریع بازسازی مواد نسبت به بازیابی خودکار فراهم میکنند.
در نهایت، آرایهای از تکنیکهای مشخصهیابی نوری، مکانیکی و عملکردی برای ارزیابی بازده بازیابی و درک مکانیسمهای تعمیر پارچههای مختلف مورد بحث قرار میگیرد. این بررسی استفاده های تقریباً نامحدود سیستمهای خود ترمیم شونده نسل بعدی را از جداسازی تا لباسهای محافظتی، ضد آلودگی و خود تمیز شونده نشان میدهد.
خلاصه گرافیکی
سیستمهای پارچهای قادر به خود ترمیمی و تعمیر خارجی طراحی شدهاند تا خواص عملکردی مختلف مانند خیس شوندگی، انتقال مواد، خواص بصری و مکانیکی را پس از آسیب بازیابی کنند: اندازه آسیب میتواند از میکرومتر تا سانتیمتر متغیر باشد؛ تعمیر میتواند خودکار یا تحت تأثیر یک یا چند محرک خارجی باشد؛ مقیاس زمانی تعمیر با اندازه آسیب و نیروی محرکه تعمیر از ثانیه تا روز متفاوت است.
پارچه خودترمیم
مقدمه
پارچهها در همه جا حضور دارند و در سراسر قارهها و فرهنگها استفاده میشوند. نخها و الیاف اجزای سازنده پارچهها هستند. پارچهها معمولاً با بافتن، بافندگی، تابیدن نخها یا چسباندن الیاف به هم ساخته میشوند. الیاف بلوکهای ساختمانی اساسی پارچهها هستند و مقطع عرضی کوچک الیاف و/ یا رشتهها یک نخ را تشکیل میدهند.
در حالی که پارچههای بافته شده بر تاریخ نساجی تسلط داشتهاند، چند دهه گذشته شاهد ظهور کلاسهای مختلفی از پارچهها مانند بافتنی و غیر بافته بوده است (شکل 1 الف-ج). این ساختارهای پارچهای متنوع به دلیل سهولت تولید با سرعت تولید بالا و کاربرد گسترده در بهداشت، پوشاک مصرفی، داخلی خودرو، فیلتراسیون و لباسهای محافظتی مورد توجه قرار گرفتهاند.
دوام و پایداری پارچهها موضوعی بحثبرانگیز بوده است. تلاش قابل توجهی برای بهبود عمر سرویس پارچهها صورت گرفته است زیرا عوامل آسیبرسان مختلف مانند pH، دما، اشعه ماوراء بنفش (UV)، سایش و غیره میتوانند آن را به خطر بیندازند.
در حالی که سیستمهای جدیدتر در برابر آسیب و حمله مقاومتر هستند، اما پس از وقوع آسیب دائمی که بر شیمی فیبر، ساختار نساجی یا عملکرد تأثیر میگذارد، باز هم از کار میافتند. در تلاش برای بهبود عمر و عملکرد پارچهها فراتر از استفاده مصرفکننده، محققان از مکانیسمهای فیزیولوژیکی برای طراحی پارچههای خود ترمیم شونده الهام گرفتهاند.
معمولاً از طریق اعمال پوشش سطحی یا روشهای درمانی – معمولاً در مقیاس میکرومتر – قبل از وقوع آسیب (شکل 2 الف-ج). موجودات زنده مکانیسمهای مختلفی را برای مقابله با محرکهای محیطی به منظور حفظ یا بازگرداندن یکپارچگی عملکردی خود مانند تشکیل پوست درخت در گیاهان یا بهبود زخم در حیوانات نشان میدهند.
درک مولکولی اخیر از این مکانیسمها بسیاری از طرح های مواد خود ترمیم شونده را برای حفظ یا بازیابی یکپارچگی ساختاری و عملکردی در طول چندین چرخه آسیب-ترمیم تحریک کرده است.
پارچه خودترمیم
ویلیامز و همکاران و بلایزیک و همکاران تعریف کامپوزیتهای پلیمری خود ترمیم شونده “خودکار” و “غیر خودکار” را رایج کردند و سیستمهای پلیمری خود ترمیم شونده را بر اساس وابستگی ترمیم به محرکهای خارجی طبقهبندی کردند. گارسیا و همکاران این تعریف را برای تعریف رویکردهای “ذاتی” و “افزودنی” به دلیل طراحی معماری سیستمهای خود ترمیم شونده گسترش دادند.
هنگامی که اجزای ترمیم خارجی به ماتریس پلیمر پایه اضافه میشوند تا خاصیت خود ترمیمی را القا کنند، سیستمهای حاصل تحت عنوان سیستمهای خود ترمیم شونده افزایشی قرار میگیرند. برعکس، زمانی که ماتریس پلیمر پایه برای خود ترمیم شدن بدون وابستگی به عامل ترمیم خارجی اصلاح میشود، سیستمهای حاصل سیستمهای ترمیم شونده ذاتی نامیده میشوند.
بررسی مواد خود ترمیم شونده منجر به مطالعات متعددی شده است که در مورد نانومواد خود ترمیم شونده، مواد پلیمری، شبکههای پلیمری و کامپوزیتها، پوششهای پلیمری، مواد نوری، سطوح، سرامیک ها و بتن بحث میکنند.
به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی خود، سیستمهای پلیمری خود ترمیم شونده به شدت مورد مطالعه قرار گرفتهاند. در مقابل، سوبستراهای فلزی، سرامیکی و پارچهای خود ترمیم شونده محدود بودهاند. مکانیسمهای خود ترمیمی پلیمری رایج به پلیمرهای ترموپلاستیک متکی هستند.
که میتوانند با گرم شدن بالاتر از دمای انتقال شیشه (Tg) به سمت محل آسیب مهاجرت کنند یا شبکههای میکرو عروقی یا کپسولی حاوی عوامل ترمیم برای ترمیم پلیمرهای ترموست استفاده شوند. در زمینه کامپوزیتهای پلیمری زیست تقلید، مکانیسمهای بهبود زخم الهامبخش طراحی میکروکپسولهایی شده است.
که یک عامل آسیبرسان موضعی میتواند برای آزاد کردن عوامل ترمیم و بهبود کامپوزیتهای پلیمری فعال شود. از آنجایی که پارچهها دارای فاز پیوسته نیستند، پخش یکنواخت عوامل ترمیم در یک سوبسترا میتواند چالشبرانگیز باشد. در پاسخ به این مسئله، استراتژیهایی توسعه یافتهاند که به پوششها، کامپوزیتها و پچها متکی هستند تا قابلیت تعمیر را در فضا در سیستمهای مختلف توزیع کنند.
این بررسی طراحی و مکانیسم تعمیر ترکیبات یا کامپوزیتهای پارچهای خود ترمیم شونده، که به عنوان منسوجات فنی و نه به عنوان پارچههای مصرفی استفاده میشوند، را از طریق لنزهای مقیاسهای اندازه تعمیر – یعنی میکرو، مزو و ماکرو – و طراحیهای زیربنایی، ترمیم محرکمحور و خودکار، و رویکردهای تحلیلی برای مشخصهیابی کارایی تعمیر بررسی میکند.
به این ترتیب، به عنوان یک نقشه (شکل 3) عمل میکند که خواننده را در فرآیند تصمیمگیری طراحی و ارزیابی پارچههای خود ترمیم شونده و حالتهای تعمیر که میتوانند خواص خیس شوندگی، سدکنندگی، مکانیکی، بصری و عملکردی را در مقیاسهای مختلف آسیب بازیابی کنند، راهنمایی میکند (بخش مقیاسهای اندازه تعمیر و طراحیهای زیربنایی).
مکانیسمهای تعمیر، که در بخش رویکردهای ترمیم مورد بحث قرار گرفتهاند، میتوانند خودکار یا تحت تأثیر محرکهای خارجی – مانند دما، نیروهای مکانیکی، میدانهای الکترومغناطیسی، حلال، رطوبت، pH و غیره – باشند و در عرض چند ثانیه تا چند روز کامل شوند.
ترمیم پارچه
ترمیم پارچه
رویکردهای ترمیم
پارچههای خود ترمیم شونده برای ترمیم آسیبهایی طراحی شدهاند که در طول استفاده روزانه مانند مالش، قرار گرفتن در معرض نور خورشید و غیره رخ میدهند. در این زمینه، آزمایشهای سایش مارتیندال به طور گسترده برای شبیهسازی سایش روزانه پارچهها به دلیل سایش و پارگی استفاده میشوند.
به طور مشابه، قرار گرفتن در معرض پلاسمای اکسیژن یا اشعه ماوراء بنفش اثر قرار گرفتن در معرض نور خورشید را تقلید میکند. این عوامل آسیبرسان پیوندهای عرضی شیمیایی یا فیزیکی را میشکند، در نتیجه گرادیانهای کرنش و/ یا غلظت در داخل ماده ایجاد میشود. در خود ترمیم…
مشخصهیابی کارایی تعمیر
“ترمیم” شامل بازیابی طیف گستردهای از خواص، یعنی استحکام مکانیکی، چقرمگی شکست، عملکرد سطح، خواص سدکنندگی و یکپارچگی بصری است. بسته به ویژگی، معیارهای مختلفی میتوانند برای درک میزان بازیابی استفاده شوند. وول و همکاران سیستمی برای اندازهگیری کارایی بازیابی بر اساس روش زیر پیشنهاد کردند: 𝑅𝜎=𝜎healed𝜎initial;𝑅𝜀=𝜀healed𝜀initial;𝑅𝐸=𝐸healed𝐸initial;𝑅𝐼=𝐼healed𝐼initial Healing𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦(%)=100∗Property𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒healed
چالشها و چشمانداز
با وجود پیشرفتهای حاصل شده در پارچههای خود ترمیم شونده، چالشهای مهمی برای طراحی پارچههای خود ترمیم شونده و مشخصهیابی کارایی تعمیر باقی مانده است. پارچههای خود ترمیم شونده برای استفاده در کاربردهایی مرتبط هستند که هزینه جایگزینی پارچه بیشتر از هزینه تعمیر است به دلیل پیچیدگی ترکیب شیمیایی یا تکنیک ساخت یا چالش های جایگزینی به دلیل محدودیتهای لجستیکی. در هر سناریوی آسیب، الزامات …
خلاصه
در طول دو دهه گذشته، بسیاری از پارچههای خود ترمیم شونده مصنوعی طراحی شدهاند – و برخی از آنها تجاری شدهاند – تا خواص عملکردی مختلفی را بازیابی کنند. تعمیر پارچه در مقیاسهای مختلف طول، از میکروسکوپی تا ماکروسکوپی، در دهه های گذشته مورد بررسی قرار گرفته است: این روشها یا به طور خودکار عمل میکنند یا توسط یک محرک خارجی مانند دما، فشار، نور، حلال، رطوبت، pH و ولتاژ تحریک میشوند. عناصر خود ترمیم شونده با … معرفی میشوند.
اعلامیه منافع رقابتی
نویسندگان اعلام میکنند که هیچ منافع مالی رقابتی شناخته شدهای یا روابط شخصی ندارند که بتواند بر کار گزارش شده در این مقاله تأثیر بگذارد.
سپاسگزاری
نویسندگان از مؤسسه Nonwovens در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی برای تأمین بودجه تحقیق (کمک هزینه شماره 18-218) تشکر میکنند.
نویسندگان از Srikanthan Ramesh (موسسه فناوری روچستر، نیویورک) و دکتر Shreya Erramilli (دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، NC) برای طوفان فکری در مورد ساختار و روش جمعآوری دادهها برای این بررسی تشکر میکنند.
نویسندگان نمادهای استفاده شده در خلاصه گرافیکی و شکل 2 را به Magicon، Rifqi Azza، Mint Shirt، Guilhem M، Brennan Novak، Milinda Courey، … اعتبار میدهند.
پارچههای خود ترمیم شونده کاربردهای بسیار گستردهای دارند. این پارچهها با الهام از طبیعت و توانایی موجودات زنده در ترمیم خود، به گونهای طراحی شدهاند که بتوانند آسیبهای جزئی را خود به خود ترمیم کنند.
خود ترمیم شونده
خود ترمیم شونده
کاربردهای اصلی پارچههای خود ترمیم شونده عبارتند از:
صنعت پوشاک: تولید لباس هایی که در برابر سایش، پارگی و لکه مقاومتر هستند و عمر طولانیتری دارند.
صنعت خودرو: استفاده در ساخت صندلیها، روکشها و سایر قطعات داخلی خودرو برای افزایش دوام و کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری.
صنعت پزشکی: تولید بانداژها و پوششهای زخم هوشمند که به طور خودکار ترمیم میشوند و روند بهبودی را تسریع میکنند.
صنعت هوافضا: استفاده در ساخت لباسهای فضانوردی، چتر نجات و سایر تجهیزات برای افزایش ایمنی و کارایی.
صنعت ساخت و ساز: استفاده در ساخت سقف ها، دیوارها و کفپوش هایی که در برابر آببندی، ترک خوردگی و آسیب های محیطی مقاومتر هستند.
صنعت نظامی: تولید لباسهای نظامی و تجهیزات محافظتی که در برابر آسیبهای فیزیکی و شیمیایی مقاومتر هستند.
مزایای استفاده از پارچههای خود ترمیم شونده:
افزایش طول عمر محصولات: با قابلیت ترمیم خودکار، این پارچهها عمر مفید محصولات را به طور قابل توجهی افزایش میدهند.
کاهش هزینهها: کاهش نیاز به تعمیر و جایگزینی محصولات، منجر به کاهش هزینهها میشود.
بهبود عملکرد: بهبود مقاومت در برابر سایش، پارگی و آسیبهای دیگر، عملکرد محصولات را بهبود میبخشد.
دوستدار محیط زیست: کاهش تولید زباله و کاهش مصرف منابع طبیعی از مزایای زیست محیطی این پارچهها است.
به طور خلاصه، پارچههای خود ترمیم شونده آینده صنعت نساجی را متحول کرده و کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف پیدا خواهند کرد.
ویدیو
منابع: youtube–sciencedirect
