دراسة معالجه الأقمشة القطنية بنانو النحاس وتحسين مقوامتها لإمتصاص الماء

المقدمة والمشکلة البحثية

 إن الحماية من العوامل البيئية هي الوظيفة الأولية للملابس والمنسوجات، و في بيئة رطبة نجد ان الشرط الأساسي للملابس هو الحفاظ على مرتديها جافًا من خلال تطويرها لتصبح مقاومة لإمتصاص الماء.

 تظهر الإشارات التاريخية أول المحاولات فيما يتعلق بمقاومة الأقمشة لإمتصاص الماء فى القرن الخامس عشر، عندما حاول البحارة الحصول على ملابس واقية من مياه البحر عن طريق تشريبها بزيت بذر الکتان أو دهون حيوانية أو شمع، ويشير Singha (2012) إلى أن التطور الهائل فى مجال تجهيز النسيج أدى إلى ظهور إستخدام المواد المقاومة لإمتصاص الماء في المنسوجات والمنتجات المنزلية والخارجية، والمنسوجات التقنية مثل منسوجات القطاع الطبى، إلى جانب عدد کبير من التطبيقات مثل المعدات الطبية والعسکرية، والملابس الرياضيه ، وملابس الحماية الشخصية.

 ينتشر استخدام المنسوجات ويتوسع باستمرار من خلال الابتکار فى القطاعات الإقتصادية المختلفة حيث يشيرQin (2016) إلى أن محرکات السوق الرئيسية لتطوير المنسوجات ترجع في المقام الأول إلى النمو السکاني وخيارات نمط الحياة الحديثة مع زيادة الوعي بالنظافة، والمطالبة بتحسين نوعية الحياة والوصول إلى مرافق أفضل وهنا تلعب المنسوجات المحسنة دورًا مرکزيًا في السعي لتوفير نمط حياة جيد من حيث التکلفة والجودة في کل من البيئات المنزلية والعامة .

 تتکاثر البکتيريا والفطريات في البيئات الرطبة الدافئة و غالبًا ما قد تکون الأقمشة الرطبة التي يتم إرتداؤها أو ملامستها للجلد في الظروف المناخية الأکثر دفئًا عاملاً مساهماً في انتشار العدوى، وهنا ويرى Nocker (2011) أن المنسوجات المقاومة لإمتصاص الماء لها أهمية فى المرافق المختلفة کمرافق الرعايه الصحية، وذلک فى قدرة المادة على صد السوائل مثل الماء والزيت والمواد التي تحتوي على الکحول وسوائل الجسم تارکًا النسيج دون تغيير، هذه الخصائص مفيدة في بيئة المستشفى حيث يمکن أن تکون سوائل الجسم مصدرًا لانتقال العدوى بين المرضى والعاملين في المجال الطبي .

 يذکر Mahltig (2014 ) أن خاصية مقاومة النسيج لإمتصاص السوائل عملية متبادلة بين طبيعة سطح الألياف والمعالجات الکيميائية، ويمکن تفسير آلية تعامل سطح النسيج مع الماء سواء امتصاصه أو صده من خلال التوتر السطحي عند السطح البيني بين قطرة الماء وسطح النسيج، والتوتر السطحى هو ظاهرة فيزيائية تحدث إثر وجود قوة تماسک بين جزيئات المادة السائلة إلى جانب قوى شد من کل الإتجاهات، حيث تعطي السوائل صفة الأغشية المتماسکة، ويعتمد التوتر السطحي المتولد على الترکيب الليفي لمواد النسيج ، والبنية المجهرية لمنطقة التلامس والمسامية، والترکيب الکيميائى لسطح النسيج.

 ويرى Mahltig (2014 ) أنه کقاعدة أساسية لا يمکن أن يبلل السائل سطحًا إذا کان التوتر السطحي للسائل أعلى من التوتر السطحي للرکيزة الصلبة ، ووفقًا لذلک يمکن الحصول على خصائص طاردة أو مقاومة لامتصاص الماء عن طريق خفض الطاقة الحرة على سطح الألياف حيث يجب أن تکون الطاقة السطحية ( التوتر السطحي) لهذه الأسطح منخفضة عن التوتر السطحي للماء، ويتم إنتاج سطح منخفض الطاقة عن طريق معالجة المنسوجات بمرکبات الکربون الفلورية أو الجسيمات النانومترية.

 إلى جانب ذلک يشير Hedegard (2014) أنه من المهم ملاحظه أن للهيکل السطحى للنسيج دورا رئيسيا فى تحديد قوة مقاومه النسيج للماء فمعالجة سطح النسيج بإدخال نتوءات ميکروسکوبية أو نانوية (خشونة السطح) يساعد على زيادة قوة مقاومته للإمتصاص إذ يعمل الهواء المحجوز بين الماء والسطح نتيجة النتوءات إلى نقص التلامس بين الماء وسطح النسيج، ويمکن تحقيق ذلک من خلال المعالجة الکيميائية بالجسيمات النانوية.

 يذکر Gugliuzza وDrioli (2013) أن تقييم سلوک النسيج تجاه الماء يتم بناءً على قيمة زاوية الاتصال بين الماء وسطح النسيج کطريقة لوصف الطاقة السطحية و تسمى زاويه التلامس (Contact Angle ) (انظر الشکل 2) وهي الزاوية التي يمس عندها سائل سطح صلب، وهي تعتمد على التفاعل بين الوسائط الثلاثة (سائل، سطح صلب، هواء) ويمکن تصنيف المواد النسيجية وفقا لذلک إلى:

1. مواد محبة للماء (0< زاوية التماس < 90ْ)
2. مواد الکارهة للماء ( 90ْ ≤ زاوية التماس < 150)
3. مواد شديده المقاومة للماء للماء ( 150ْ ≤ زاوية التماس < 180ْ)

شکل (1) : زاوية التلامس Contact Angle

 ويذکر Carmen Loghin (2018) أنه قد تزايد دور تطبيقات مواد النانو في مجال الأقمشة المقاومة للماء حيث تعتبر المعالجة السطحية بالجسيمات النانوية للمنسوجات هى الطريقه الأکثر شيوعا فى مجال صناعة النسيج مثل جسيمات أکسيد التيتانيوم و جسيمات أکسيد السيليکون وجسيمات أکسيد النحاس النانوية، إذ تعمل على تقليل طاقة سطح النسيج مما يقلل إمتصاصها لحبيبات الماء والتى بدورها تتدحرج على شکل کرات او قطرات من على سطح النسيج وهذا ما يسمى بمحاکاة تاثير سطح نبات اللوتس.

 ويذکر Satis وChinta (2014) أن هناک مجموعة من الجوانب الأساسية التي يجب مراعاتها عند تصميم ملابس مقاومة للماء تبعا لمستوى الاداء الوظيفى للملبس، ومن أهم تلک المعايير :

1. نسبة مستوى مقاومة الماء .

2. وزن النسيج.

3. مستوى الراحة الفسيولوجية الحرارية.

4. القدرة على السماح بنقل بخار العرق خارج الجسم عبر طبقات الملابس المعالجة.

5. جماليات الزى فى حالات الملابس المقاومة للماء التقليدية.

6. المتانة

7. درجة مقاومتة لعمليات التنظيف متکررة (الغسيل العادى/ التنظيف الجاف / التجفيف).

 وترى دعاء فوزى عبد الخالق (2002) أن القطن من أقدم الألياف الطبيعية إستخداما إذ يحتل المرکز الأول بين الألياف في صناعة المنسوجات وذلک لما يتميز به من متانة و رخص ثمنه نسبيا والراحة عند استخدامه فعلي الرغم من التقدم الهائل في إنتاج الألياف الصناعية لم يفقد القطن الصدارة من بينهم.

 ويذکر محمد أحمد سلطان (1990) أن القطن يستخدم في الأغراض التي تتطلب متانه وإستطالة ومقاومة التمزق وزيادة العمر الإستهلاکي فيستخدم في أقمشة المفروشات والتنجيد والبطانات وفي العديد من الأغراض الصناعية، کما يستخدم في عمل الشاش والغيارت الطبية نظرا لنظافة شعيراته وقدراتها على امتصاص الماء، کما انه الخامة الوحيدة التى تزداد متانتها عند البلل.

 وترى حنان سعيد مصطفي (2010) أن القطن يتميز بامکانية خلط شعيراته مع الألياف الصناعية لإنتاج منسوجات تتميز بالراحة التي يوفرها القطن مع تحسن المظهرية التي توفرها الأياف الصناعية، کما يمکن تجهيز الأقمشة القطنية بتجهيزات تجعلها مقاومة للتجعد والإنکماش أو إکسابها خواص مقاومة للهب والسوائل والبقع، وتکتسب الأقمشة القطنية جميع تلک التجهيزات بسهولة وتحتفظ بها اثناء الإستعمال والعناية العادية.

وقد أجريت العديد من الدراسات حول تطبيقات النانو تکنولوجى على المنسوجات لإکسابها خواص تتلائم مع ادائها الوظيفى، فيرى Yun Haeng (2014) أنه على الرغم من بعض الملاحظات المأخوذة على استخدام الأقمشة القطنية في بعض الأغراض الوظيفية إلا أن معالجة هذه الأقمشة بتکنولوجيا النانو من شانه أن يضيف الکثير من المميزات التي تنفرد بها هذه الأقمشة عن غيرها.

 ففى دراسة منال البکرى المتولى احمد (2016) قامت بمعالجة أقمشة تريکو اللحمة القطنية (السنجل جيرسى – الريب – الملتون) بمحلول اکسيد الزنک النانومترى بترکيز (4% ،8% ) لمعرفة تأثيرها على بعض الخواص الوقائية کالوقايه من الاشعه فوق البنفسجيه ونمو البکتريا.

 وفى دراسة أخرى Chattopadhyay و Patel (2016) کانت حول معالجة أقمشة الجوت بواسطة نانو النحاس ونانو البرافين لمعرفة التاثير التآزري بين جسيمات النانومترية فى إکساب الخامة خواص مقاومة للماء.

 وفى دراسة أجراها Lazary واخرون (2014) أثبت فيها أن استخدام أغطية الأسرة المشبعة بأکسيد النحاس فى المستشفيات قلل من حالات الإصابة بفيروس العوز المناعي البشري (HIV) في أجنحة الرعاية الطويلة الأجل، والتي خلصت إلى أنها إضافة مهمة في الأوساط الطبية للمساعدة في تقليل انتشار العدوى، و لاحظت الدراسة ايضا أنه خلال الفترة التي تم فيها إستبدال البياضات ببياضات مشربة بأکسيد النحاس، حدث انخفاض بنسبة 24 ٪ في حالات الإصابة بمرض الإيدز، وإنخفاض بنسبة 47 ٪ في عدد أيام الحمى المسجلة لکل 1000 يوم دخول إلى المستشفى، إلى جانب انخفاض بنسبة 32.8 ٪ في عدد أيام تناول المضادات الحيوية .

وعليه فقد أکدت العديد من الدراسات البحثية على أن لجسيمات أکسيد النحاس النانوية العديد من الخواص التى تسمح بإستخدامها فى انتاج منسوجات مقاومه لامتصاص الماء .

ومن هنا جاءت فکرة البحث الحالى من أجل الإجابة على التساؤل التالى

ما هو تأثير معالجه الأقمشة القطنية بنانو النحاس لتحسين مقوامتها لامتصاص الماء ؟

والتي تندرج منه عدة تساؤلات فرعية هي

١. ما تأثير المعالجة بأکسيد النحاس النانوي على الخواص المختبرة ؟

2. هل زيادة ترکيز اکسيد النحاس النانوي يعطى أفضل مقاومة إمتصاص للماء ؟

أهمية البحث:

يساهم البحث في تقديم أقمشة معالجة من شانها تحسين الأداء الوظيفي للمنتج النهائي وفى نفس الوقت الحفاظ على صفاته المظهرية.

فروض البحث

يفترض البحث الحالي أن

 1 . معالجة الأقمشة القطنية بجسيمات أکسيد النحاس النانومترية له تأثير على الخواص المقاسة.

2 0 توجد علاقه طرديه بين ترکيز اکسيد النحاس ونسبه مقاومة الأقمشه لإمتصاص الماء.

أدوات البحث:

1. القماش المستخدم قطن سادة 100% تم شراءه من المحلة الکبرى
2. مواد معالجة أولية : الجينات - کلوريد الکالسيوم
3. نحاس في الحيز النانومتري بترکيزات (0.5 % ، 1 % ، 2%)
4. أجهزة الإختبارات المعملية.

مصطلحات البحث

 - زاوية التلامس: وهي الزاوية التي يمس عندها سائل سطح صلب، وهي تعتمد على التفاعل بين الوسائط الثلاثة (سائل، سطح صلب، هواء).

 - نانو النحاس: هى جسيمات متناهية الصغر لأکسيد النحاس أى يتراوح حجمها ما بين 1:100 نانومتر.

الدارسة التجريبية

أولا الخامات المستخدمة فى الدراسة :

 إستهدفت الدراسة تجهيز بعض الخامات المستخدمة فى القطاعات الإقتصادية المختلفة وقد تم تحديد واختيار أکثر الخامات تداولا وإستخداما وهي خامة القطن لما لها من خصائص ملائمة للاستخدامات المتعددة.

جدول(1) مواصفات الخامة النسجيه المستخدمة

ثانيا. طريقة المعالجة :

 تم معالجة عينات الأقمشة السابقة والموضح مواصفاتها في جدول (۱) بجسيمات أکسيد

النحاس النانومترية بترکيز (0.5 % ، 1 % ، 2% )، وتثبيت باقى الترکيزات اثناء المعالجة ، وتمت المعالجة بمعامل المعهد القومى للقياس والمعايرة التابع لوزارة البحث العلمى وکانت خطوات المعالجة کالتالي :

1-    عملية تحويل نانو النحاس الى کبسولات

2-    معالجة القماش بمادة اليمکرو نانو المکبسلة بنانو النحاس.

اولا: عمل کبسولات من نانو النحاس:

 عمل کبسلة دقيقة لنانو النحاس باستخدام مادة کربوهيدراتية هي ( ألجينات الکالسيوم) حيث تم أستخدام أکثر من ترکيز للنانو وتثبيت باقي الترکيزات أثناء العمل، والترکيزات المستخدمة (0.5 % ، 1 % ، 2% )

ثانيا : معالجة القماش بميکرو کبسولات نانو النحاس :

 حيث تم وضع القماش في ماء مقطر يحتوي علي ترکيزات مختلفة من النانو بعد معالجتة بالألجينات ووضعة في حمام مائي عند درجة حرارة 60 درجه سيليزيه لمدة 30 دقيقة وبعد ذلک العصر علي جهاز ال Padder لدمج مادة المعالجة بالقماش وإستخلاص الزائد منها، ثم تجفيف العينة عند 100 درجة سيليزيه لمدة 3 دقائق ثم التثبيت الحرارى (تحميصها فى أفران خاصة) عند 150 درجة سيليزيه لمدة عشر دقائق.

جدول (1) يوضع الترکيزات والمعالجات المستخدمة

ثالثا : قياس مقاومة إمتصاص الماء:

 تم قياس مقاومة الخامات المعالجة لامتصاص الماء من خلال قياس زوايا التلامس بشروط المواصفة القياسيه (ASTM D7334 – 08 2013)

Standard Practice for Surface Wet ability of Coatings, Substrates and Pigments by Advancing Contact Angle Measurement

رابعا : قياس مقاومة الاشعه البنفسجية :

 تم قياس النسبة المئوية لنفاذية الأشعة فوق البنفسجية للعينات البحثية بمعمل القياسات الضوئية بمعهد القياس والمعايرة باستخدام جهاز UV / VIS Spectro photometry) ) وطبقا للمواصفة القياسية :

)AATCC Test Method 183-2014 Transmittance or Blocking of Erythemally Weighted Ultraviolet Radiation through Fabrics(

خامسا : قياس نفاذية الهواء :

 تم إجراء إختبار نفاذية الهواء للعينات وفقا للمواصفة القياسية :

A.S.T.M D737 - Standard Test Method for Air Permeability of Textile Fabrics.

سادسا : قياس قوة الشد والإستطالة :

 تم إجراء إختبار قوة الشد والإستطالة للعينات من خلال إستخدام جهاز القطع والإستطالة، وذلک وفقا للمواصفة القياسية: ISO 13934-1:2013

Textiles — Tensile properties of fabrics — Part 1: Determination of maximum force and elongation at maximum force using the strip method

النتائج ومناقشتها :

 بعد معالجه العينات النسجيه بالترکيزات المختلفه (5. %، 1% ، 2 %) من أکسيد النحاس النانومترى، ظهرت النتائج لتحديد ترکيز أکسيد النحاس الاکثر کفاءة فى کافة الخواص التى تکتسبها الاقمشة المعالجة وهى کالاتى :

جدول(3) يوضح قيم الخواص المختلفة للعينات المختبرة

يتضح من الجدول السابق مايلى :

 1- اختبار تقدير قوة الشد :

 توضح نتائج قوة الشد للمعالجات بالترکيزات الثلاث المستخدمة تحسن ملحوظ فى قوة الشد حيث تلاحظ ارتفاع قيمة قوة الشد لأکبر قيمة عند المعالجة بترکيز 0.5 % لتصل مقارنة بالعينة الخام الى زيادة تبلغ 53% من القيمة الاصلية ، فبعد أن کانت قبل المعالجة 226.9 نيوتن اصبحت بعد المعالجة بالترکيز الاول 347.6 نيوتن، ثم إنخفضت قيم قوة الشدة مع زيادة ترکيز النانو نحاس لتصل الى 311.7 فى المعالجة بترکيز 1 % نانو نحاس، وتقل مرة ثانية لتصبح 300.9 عند المعالجة بترکيز 2 %، وهذا مفيد جدا من الناحية الاقتصادية، عند الحاجة الى ملابس وأقمشة تزداد متانتها بالمعالجة بأقل ترکيز وتوفير فى الخامات غالية الثمن المستخدمة فى المعالجة.

شکل رقم (1) يوضح التغير فى قيم قوة الشد بإستخدام الترکيزات المختلفة

2- اختبار تقدير نسبة الإستطالة:

 يتضح من الجدول رقم (3) أن خاصية الإستطالة المئوية قد حققت نسبة تکاد تکون الضعف بالنسبة للعينة غير المعالجة وبلغت قيمتها 10.36 % ، ثم عاودت الانخفاض فى الاستطالة بقيم غير مؤثرة، وما زالت أفضل من العينة الخام بقيم بلغت 8.48 % للمعالجة بترکيز 1%، ثم 9.81 % للمعالجة بترکيز 2 %، وعلى ذلک يبقى ترکيز 0.5 % هو الافضل فى تحقيق نتائج ايجابية واقتصادية جيدة جدا لتوفير قيمة مادة نانو النحاس غالية الثمن، والحفاظ على البيئة من خلال توفير المادة الخام المستهلکة فى المعالجة والتى ولا شک يتسرب جزء منها لمياه الصرف الصناعى، والتى تتسرب بدورها الى التربة بصورة او باخرى والحصول على افضل نتائج فى نفس الوقت.

شکل رقم (2) يوضح التغير فى قيم نسبة الإستطالة

3- اختبار مقاومة الأشعة البنفسجية :

 يتضح من القيم الواردة بالجدول تحسن خاصية مقاومة نفاذ الأشعة فوق البنفسجية عند المعالجة بترکيز 0.5 % وترکيز 1% لتتضاعف قيمة قوة المقاومة لنفاذ الأشعة لتصل الى 23.18 بينما کانت قبل المعالجة 8.67، وانخفضت القيمة عند المعالجة بترکيز 2 % لتصبح 18.81، وعلى ذلک فيمکن الاستفادة من تلک الخاصية فى ملابس الرياضيين ورجال الشرطة والجيش والعاملين فى الأماکن المفتوحة، والمعرضين لفترات طويلة لأشعة الشمس، ويصبح ترکيز 1 % ، هو الأفضل اقتصاديا فى الاستخدام.

شکل رقم (4) يوضح التغير فى قيم مقاومة الاشعة فوق البنفسجية (UPF )

4- اختبار تقدير النسبة المئوية لنفاذية الهواء :

 يتضح من القيم الواردة بالجدول عدم تأثرها بصورة کبيرة نتيجة المعالجة بالترکيزات الثلاثة المستخدمة فى البحث، بما يعنى المحافظة على أبعاد الفتحات البينية بين الخيوط، وهذا معناه ثبات الأبعاد للخامات النسجية وهى خاصية هامة جدا، کما يعنى أن الخيوط لم يحدث لها إنتفاخ او تشعير وتوبير يؤثر على نفاذية الهواء ويؤدى ذلک الى المحافظة على الشکل الجمالى للخامات التى تمت معالجتها.

شکل رقم (4) يوضح التغير فى قيم مقاومة الاشعة فوق البنفسجية (UPF )

5- اختبار تقدير مقاومة إمتصاص الماء :

 يتضح من قيم زوايا التلامس الواردة بالجدول أن هناک تغير کبير و واضح فى قدرة الخامة القطنية فى مقاومة الماء بعد المعالجة الکيميائية، ويظهر ذلک عند المقارنة بين الشکل (5) للخامة قبل المعالجة والأشکال (6،7،8) للخامات بعد المعالجة بالترکيزات المختلفة

شکل رقم (5) يوضح تشرب العينة غير المعالجة للماء لقطرة المياه وإنتفاخها.

يوضح الشکل رقم (1) أن العينة غير المعالجة قد تشربت قطرة المياه وحدث انتفاخ لألياف الخامة القطنية وتعتبر الزاوية فى هذه الحالة قيمتها صفر .

شکل رقم (6) يوضح زاوية تلامس للعينة المعالجة بترکيز ( 3 M)

يوضح الشکل رقم (2) أن زاوية التلامس للعينة المعالجة تزيد قيمتها عن 90 درجة مع المعالجة الکيميائية بنانو النحاس ، فعند ترکيز ( 3 M) أصبحت قيمة زاوية التلامس 125 درجة کما يتضح من الشکل، ونستنتج من هذا أن المعالجه بجسيمات النانو ساعدت فى تحسين ألياف الأقمشة القطنية من ألياف محبة للماء إلى ألياف مقاومة لإمتصاص الماء بشکل جيد.

شکل رقم (7) يوضح زاوية تلامس للعينة المعالجة بترکيز ( 4 M)

ويوضح الشکل رقم (3) انه قد حدثت زيادة قليلة فى زاوية التلامس بعد المعالجة بترکيز ( 4 M) بقيمة 127 درجة لقطرة الماء مع سطح القماش .

شکل رقم (4) يوضح زاوية تلامس للعينة المعالجة بترکيز ( 5 M)

يوضح الشکل رقم (4) زيادة کبيرة فى قيمة زاوية التلامس بعد المعالجة بترکيز ( 5 M) بقيمة 160 درجة لقطرة الماء مع سطح القماش.

ويتضح من المعالجات الإحصائية السابقة:-

 1- أن معالجة القماش محل الدراسة بجسيمات أکسيد النحاس النانومترية يحسن من بعض خواص القماش مثل: المتانة - إرتفاع معدل الحماية من الأشعة فوق البنفسجية- نفاذية الهواء – مقاومة إمتصاص الماء، وبذلک يتحقق الفرض الأول للدراسة (معالجة الأقمشة القطنية بجسيمات أکسيد النحاس النانومترية له تأثير على الخواص المقاسة).

 2- أن معالجة القماش محل الدراسة بجسيمات أکسيد النحاس النانومترية يکسبه خاصية مقاومة الماء والتى تزداد بزيادة ترکيز جسيمات أکسيد النحاس النانومترية وبذلک يتحقق الفرض الثانى للدراسة ( توجد علاقه طرديه بين ترکيز اکسيد النحاس ونسبه مقاومة الأقمشه لإمتصاص للماء).