نوآوری های الیاف دامی ایران

مروری بر راهکارهای افزایش پایداری و بهبود تخریب نوری پشم

حامد احمدی1، سیامک صفاپور2

1-دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فرش، دانشگاه هنر اسلامی تبریز، صندوق پستی: 4567-51385، تبریز، ایران

2-استادیار دانشکده فرش، دانشگاه هنر اسلامی تبریز، صندوق پستی: 4567-51385، تبریز، ایران

چکیده

تخریب نوری پشم وزردی ناشی از آن، یکی از مشکلات مهم تجاری مطرح در تولید و استفاده از این الیاف در صنایع مختلف نظیر پوشاک، نساجی و فرش دستباف است. به همین جهت، مطالعات زیادی جهت محافظت پشم در برابر تخریب نوری و بهبود ثبات نوری انجام شده است. در این مقاله، پیشرفت های حاصله در استفاده از جاذب‌های فرابنفش در سالهای اخیر، با تاکید بر مواد قابل استفاده در پشم، مرور شده است. با توجه به روند مطالعات، آینده روشنی برای شناسایی، عرضه و استفاده از مواد نوین جهت بهبود زردی و افزایش پایداری پشم پیش بینی می گردد.

واژگان کلیدی: زردی پشم، اشعه فرابنفش خورشید، جاذب فرابنفش، آنتی اکسیدان

1-مقدمه

پشم یکی از قدیمی‌ترین الیاف شناخته شده توسط انسان است که قدمت استفاده از آن به حدود 4000 سال پیش از میلاد و منطقه بین‌النهرین و بابل می‌رسد. امروزه پشم به طور گسترده و به عنوان یک لیف چند منظوره در دسترس است. نخ پشمی در طیف گسترده‌ای از بافته‌ها و در ترکیبات، وزن‌ها و نمرات و تابهای گوناگون عرضه می‌گردد. ساختار ترکیبی و متخلخل الیاف پشم، حاوی 170 پروتئین و پلی پپتید و متشکل از 20 اسید آمینه آلفا می باشد. زمانی که لیف پشم در معرض اشعه فرابنفش و نور مرئی قرار می گیرد، مجموعه ای از واکنش های فتوشیمیایی در آن رخ داده و مقاومت لیف کاهش می‌یابد. همچنین در اثر نور، تغیییرات رنگی در لیف رخ می‌دهد]1[.

2-واکنش‌های فتوشیمیایی پشم

آسیب پذیری و زردی الیاف پشم، عمدتاً به دلیل جذب ذاتی اشعه الکترومغناطیس این لیف در ناحیه فرابنفش (UV-A,UV-B) است. نور خورشیدی که به سطح زمین می‌رسد شامل اشعه‌هایی با طول موج‌های مختلف از فرابنفش تا مادون‌قرمز است. جدول 1 طول موج، شدت نسبی و متوسط انرژی فوتون[1]های این اشعه‌ها را نشان می‌دهد. همانطور که دیده می‌شود، اگر چه میزان تابش اشعه فرابنفش بر سطح زمین بسیار کم است، اما انرژی فوتون‌های این اشعه به طور قابل توجهی بالاتر از نور مرئی و اشعه مادون‌قرمز است]2[.

جدول 1: مشخصات نور خورشید دریافتی بر سطح زمین]2[.

دسته بندی

طول موج (نانومتر)

شدت نسبی (درصد)

انرژی (kJ/mol)

UV-B

280 تا320

5/0

400

UV-A1

320 تا360

4/2

350

UV-A2

360 تا400

2/3

315

نور مرئی

400 تا800

8/51

200

بسیاری از ساختارهای آلی در مولکول‌هایشان گروه‌های جاذب نور دارند و به هنگام قرار گرفتن در معرض نور، آن را جذب می‌کنند. انرژی فوتون‌های جذب شده به ملکول‌های جذب کننده نور منتقل می گردد. همین انرژی موجب واکنش ساختار‌های آلی به نور شده و منجر به تجزیه نوری[2] آنها می‌گردد. زمانی که مقدار انرژی جذب شده بوسیله ملکول بیشتر از انرژی پیوندهای شیمیایی آن است، ملکول تجزیه نوری می‌شود؛ به عبارت ساده‌تر پیوندهای شیمیایی آن ملکول شکسته می‌شود. چون انرژی زیادی جهت انجام این واکنش نیاز است، به همین دلیل اینگونه واکنش‌ها معمولاً به دلیل تابش اشعه فرابنفش اتفاق می‌افتد]3،4[. در جدول 2 جهت مقایسه، انرژی اشعه‌های مختلف موجود در نور خورشید تا محدوده 600 نانومتر و انرژی پیوند‌های متداول موجود در ساختار‌های آلی بیان شده است.

جدول 2: انرژی تابش‌های مختلف نور خورشید و انرژی پیوندهای شیمیایی رایج در ساختارهای آلی]3،4[.

طول موج تابش(nm)

انرژی (kJ/mol)

نوع پیوند شیمیایی

انرژی (kJ/mol)

کمتر از 400

بیش از 300

CH3_OH

373

400 تا 430

270 تا 300

CH3_Cl

344

430 تا 490

247 تا 277

C2H5O_OC2H5

331

490 تا 530

223 تا 247

C2H5O_NO2

151

530 تا 590

207 تا 223

C4H9O_OH

151



نتایج مطالعات نشان داد که اشعه فرابنفش توانایی نفوذ به داخل لیف را ندارد و عمدتاً توسط سلول‌های سطحی کوتیکل، بدون تاثیر مشخص بر خواص فیزیکی لیف جذب می شود. کوتیکل همان فلس بیرونی است که اطراف پشم را احاطه کرده و حدواً 6 تا 16 درصد وزن لیف را تشکیل می‌دهد و خواص مهمی در لیف چون اصطکاک، میزان نفوذپذیری رنگ، زیردست و نمدی شدن لیف به دلیل وجود این لایه است. در مطالعه‌ای با تفکیک مکانیکی قسمت‌های مختلف لیف پشم، تاثیر نور بر روی هر یک از این قسمت ها بررسی شد. نتایج نشان داد که زردی در کوتیکل نسبت به کورتکس بسیار سریع تر صورت می گیرد و همچنین مشخص گردید که بیشترین مقدار کروموفورهای زرد رنگ موجود در پشم در قسمت کوتیکل است. همچنین مشخص شد، یکی از نقش‌های اصلی کوتیکل محافظت از لایه کورتکس (که عامل اصلی استحکام و خواص مکانیکی لیف است) در برابر اکسیداسیون به وسیله رادیکال های آزاد ایجاد شده در لیف، در زمان قرارگرفتن لیف در معرض نور و خصوصاً فرابنفش موجود در نور خورشید است]1[.

بر اساس مطالعات انجام شده، فرض بر این است که کروموفورهای زرد رنگ تشکیل شده در سطح پشم، در طول دوره قرارگیری لیف در معرض نور، در اثر تخریب و تغییر حالت اسیدآمینه‌های آروماتیک موجود در لیف همچون تریپتوفان، تیروزین و فنیل آلانین ایجاد می‌گردد. تریپتوفان در ناحیه فرابنفش نزدیک، جذب بسیار بالایی دارد. تغییرات فتوشیمیایی تریپتوفان، با استفاده از نمونه سنتزی آن، به طور کامل مطالعه گردیده است. با این حال، شناسایی محصولات نهایی تخریب تریپتوفان در الیاف طبیعی پشم، پس از قرار گرفتن لیف در معرض نور بسیار پیچیده و دشوار است]5،6[. طیف اشعه ایکس سطح پشم، میزان اکسیژن موجود در سطح الیاف پشم خام را در حدود 10 تا 12 درصد نشان داده است؛ در پشم نور دیده، این میزان به حدود 5/27 درصد افزایش یافته است]1[. اکسید شدن پیوندهای دی‌سولفید برانگیخته‌شده، توسط اکسیژن هوا و تبدیل آنها به سولفونیک اسید به همراه برخی گروه‌های عاملی COOH/COOR بر روی سطح لیف، دلیل افزایش در میزان اکسیژن موجود در سطح لیف می‌باشد]7[. محصولات نهایی تخریب تریپتوفان و ترکیب آنها با سایر ساختارهای موجود در الیاف پروتئینی، تولید گروه‌های رنگی کرده و موجب تغییر در رنگ لیف می گردند. همچنین واکنش محصولات این اکسیداسیون با سایر اسیدآمینه‌های فعال موجود در زنجیره پروتئینی می‌تواند منجر به شکستن پیوند‌های پپتیدی شود. از دیگر سو، رادیکال‌های آزاد ایجاد شده به همراه رطوبت موجود در لیف، باعث ایجاد پیوندهای عرضی در بین زنجیرهای پلیمری، پایین آمدن انعطاف‌پذیری و ارتجاعیت و افزایش شکنندگی لیف می‌گردند]1،3،7[. نتایج مطالعات مختلف نشان داده است که بهترین راهکار برای جلوگیری از این تخریب، استفاده از مواد جاذب فرابنفش در عملیات تکمیلی و ایجاد لایه محافظ در برابر نور، در سطح لیف است.

3-جاذب‌های فرابنفش

در چند دهه اخیر، مطالعاتی در زمینه استفاده از جاذب‌های فرابنفش بر روی الیاف طبیعی به منظور بهبود ثبات نوری این الیاف و رنگزاهای استفاده شده در رنگرزی آنها، صورت گرفته است]8،9[. این مواد به صورت کلی به دو دسته معدنی و آلی تقسیم می گردند.

3-1-جاذب‌های فرابنفش معدنی: پر کاربردترین و بهترین جاذب های معدنی که امروزه نیز به طور گسترده استفاده می‌شوند، اکسید روی[3] و دی اکسید تیتانیوم[4] هستند. معمولاً عملکرد این جاذب‌ها به صورت پراکنده سازی و بازتاب نور تابیده شده از منبع نوری می‌باشد]9،10[. گستره و شیوه عملکرد این دو ماده با یکدیگر متفاوت است به گونه ای که اکسید روی بهترین عملکرد را در برابر اشعه UV-A دارد، اما دی اکسید تیتانیوم در برابرUV-B عملکرد بهتری از خود نشان می دهد]9[. تولید و معرفی این جاذب ها در ابعاد نانو (10 تا 50 نانومتر)، باعث کاهش پراکنش نوری و از بین رفتن رنگ سفید ایجاد شده در بِستر به وسیله آنها شد. همین مساله موجب افزایش مقبولیت این مواد، جهت استفاده در صنایع مختلف گردیده است]11،12،13[. با این حال به دلیل نامحلول بودن و عدم قدرت نفوذ این مواد در الیاف طبیعی و نیاز به عوامل شبکه ساز جهت چسباندن این جاذب‌ها به سطح لیف، این مواد معدنی را نمی‌توان به صورت گسترده جهت مصارف صنعتی، در عملیات تکمیل الیاف پشم استفاده کرد. از این گونه مواد جاذب، بیشتر در عملیات تکمیل پارچه های ترکیبی همچون پشم/پلی‌استر و یا پنبه/پلی‌استر استفاده می‌شود]10،13،14[.

3-2-جاذب‌های فرابنفش آلی: این دسته از جاذب‌ها، ساختارهایی هستند که می‌توانند اشعه فرابنفش پر انرژی، که در تخریب و عدم ثبات بیشتر رنگ‌ها و هم‌چنین الیاف طبیعی نقش اساسی دارد را جذب کنند]1،2،3،6،7،8[.در این مواد نیز همچون دیگر ساختارهای آلی با جذب نور الکترون ها برانگیخته می‌شوند؛ با این تفاوت که در زمان بازگشت الکترون‌ها، از حالت برانگیخته به حالت پایه، انرژی جذب شده، که در شرایط عادی ساختار شیمیایی را تخریب می‌کند، به صورت مقادیر ناچیزی گرما تخلیه شده و یا به صورت اشعه فلورسنت در محدوده مرئی و یا مادون قرمز بازتاب داده‌ می‌شود]9،10،15[. در صنعت نساجی جاذب‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند باید دارای خصوصیات ویژه‌ای باشند. عمده مشخصات جاذب‌های فرابنفش مناسب جهت منسوجات عبارتند از: 1-قابلیت جذب بالای اشعه‌های الکترومغناطیس در محدوده 290 تا 400 نانومتر، 2-ثبات در مقابل قرار گرفتن طولانی مدت در برابر نور ،3-پراکنش ملکولی مناسب جهت فعالیت‌های سطحی و همچنین پوشش سطح، 4- عدم تاثیر شیمیایی مخرب بر دیگر مواد موجود در بِستر.

در یک نگاه کلی، عمده ترکیبات آلی سازگار با پوست انسان با توانایی جذب اشعه ماورابنفش که تا به امروز یافت شده‌اند را می‌توان به صورت زیر دسته بندی کرد: 1-مشتقات 4-امینوبِنزوئیک اسید[5] (PABA) نظیر: اتیل پی-آمینوبِنزوآت[6] ، 2-مشتقات سینامیک اسید[7] نظیر: سدیم پی-متوکسی‌سیانامات[8] ، 3-مشتقات بِنزوفنون[9] نظیر: 4،2-دی هیدروکسی‌بِنزوفنون[10] ، 4-مشتقات سالیسیلیک اسید[11] نظیر: فنیل سالیسیلات [12] و مواد جدید دیگر ]16،17[. در بسیاری از مطالعات مشخص گردید که بِنزوفنون و مشتقات آن بهترین جاذب‌های فرابنفش آلی سنتز و تجاری شده با کمترین آمار حساسیت‌زایی و بالاترین میزان جذب فرابنفش و مقاومت در برابر تخریب این اشعه می‌باشند]16،17،18[.

با این وجود، به دلیل مشکلات زیست محیطی ایجاد شده در مراحل تولید و استفاده جاذب‌های شیمیایی و سنتزی، اخیراً تمرکز مطالعات انجام شده، بیشتر بر روی ساختارهای طبیعی و دوستدار محیط زیستی است که توانایی آنتی اکسیدانی و جلوگیری از اکسید شدن و تخریب نوری ساختار های آلی را دارند.





شکل 1: تعدادی از مهمترین آنتی‌اکسیدان‌های طبیعی]14،18[.

3-3-آنتی‌اکسیدان‌ها[13]: در مطالعات جدید، امکان استفاده از مواد طبیعی به عنوان آنتی‌اکسیدان مورد مطالعه قرار گرفته است. آنتی‌اکسیدان‌ها، ترکیبات آلی­ای هستند که با اکسیژن ترکیب شده و مانع واکنش اکسیژن فعال و برانگیخته شده با مواد مفید موجود در بِستر می‌گردند. به همین دلیل، این مواد، موجب افزایش پایداری محصولات می شوند، پس گزینه های خوبی برای محافظت کالا در برابر تخریب نوری هستند. در بررسی‌های گوناگون، گونه‌های نادری از مواد شیمیایی به عنوان آنتی‌اکسیدان مطرح گردیده‌اند. از جمله مواد شیمیایی که برای این منظور استفاده می‌گردند: فنُل‌ها[14]، آمین‌های آروماتیک ثانویه[15]، بعضی اِسترهای سولفیدی، ترکیبات فسفر سه ظرفیتی، هیندِرِد آمین‌ها [16]، متال‌دی‌تیو‌کربامات‌ها[17]، متال دی‌تیو‌فسفات‌ها[18] و... هستند. آنتی‌اکسیدان‌ها به دو شیوه جذب و مهار کردن رادیکال‌های آزاد و یا تجزیه یون پروکسید عمل می‌کنند. به عنوان نمونه برای آنتی‌اکسیدان‌های مهارکننده رادیکال می توان از گالیک اسید[19] و استرهای آن ، توکوفرول[20] و برخی پلی فنول‌های گیاهی نظیر: میریستین[21]، کوئرسیتین[22]، وانیلیک اسید[23]، کافئیک اسید[24] و فرولیک اسید[25] نام برد. برای مواد افزایش دهنده سرعت تجزیه یون پروکسید نیز می‌توان به آسکوربیک اسید[26] (ویتامین C) و اریتوربیک اسید[27] اشاره کرد]14،15[.

در مطالعات مشخص گردیدکه بهترین جاذب‌های فرابنفش موجود در طبیعت برای استفاده در عملیات تکمیل منسوجات طبیعی، جهت بالا بردن ثبات نوری، آنتی‌اکسیدان‌های موجود درگیاهان نظیر: اسکوربیک اسید، گالیک اسید و استرهای آن، توکوفرول و برخی از پلی‌فنول‌های گیاهی چون: کوئرسیتین، میریستین، وانیلیک اسید، کافئیک اسید و فرولیک اسید (شکل1) هستند]14[. بررسی ‌و مطالعه مقالات انجام شده نشان می‌دهد که امکان پیشرفت و انجام مطالعات بیشتر در این زمینه فراهم می باشد.

4-نتیجه‌گیری

تخریب نوری و زردی ایجاد شده در الیاف پشم، یکی از بزرگترین مشکلات تجاری، در بافته ها و منسوجات گوناگون است. در این گردآوری، تلاش شد، بر اساس مطالعات انجام شده در زمینه تخریب نوری الیاف و با تاکید بر مواد مورد استفاده بر روی الیاف پشم، تحقیقات انجام شده بر روی جاذب های فرابنفش مورد استفاده در منسوجات، مرور گردند. هدف عمده مطالعات انجام شده در این زمینه، سنتز و معرفی ساختارهایی با توانایی جذب و تبدیل انرژی اشعه فرابنفش در کل محدوده 280 تا 400 نانومتر بوده است. از طرفی، تاکید روزافزون بر مقررات زیست‌ محیطی، باعث توجه بیشتر به مواد زاید موجود در پساب کارگاه‌ها و کارخانه‌های نساجی شده است. به همین دلیل در مطالعات اخیر، تلاش گردیده با تاکید بر طبیعت گرایی و استفاده از مواد موجود در طبیعت، جاذب‌های فرابنفشی معرفی و عرضه شود که کمترین آسیب را به محیط زیست وارد می کنند. به عنوان نتیجه گیری کلی از مرور مقالات و تحقیقات منتشر شده می‌توان انتظار داشت که مطالعه در این زمینه و پیشرفت در سالهای آتی روند فزاینده و رو به رشدی داشته باشد.



منابع:

Zhang H, Millington KR, Wanga X. 2008. A morphology-related study on photo-degradation of protein fibers. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 92: 135–143.

Schindler WD, Hauser PJ. 2004. Chemical finishing of textiles. New York. CRC: 157-165,

Egerton GS. 1949. The Mechanism of the Photochemical Degradation of Textile Materials. Society of Dyers and Colourists. 65: 764-780.



[1] Photon



[2]Photolysis

[3] Zinc Oxide (ZnO)

[4] Titanium Dioxide (TiO2)

[5] p-Aminobenzoic acid (PABA)

[6] Ethyl p-aminobenzoate

[7] cinnamic acid

[8] Sodium p-methoxycinnamate

[9] Benzophenone

[10] 2,4-Dihydroxybenzophenone

[11] salicylic acid

[12] Phenyl salicylate

[13] Antioxidants

[14] Phenol

[15] Secondary aromatic amine

[16] Hindered amine

[17] Metal dithiocarbamate

[18] Metal dithiophosphate

[19] Gallic acid

[20] Tocopherol

[21] Myricetin

[22] Quercitin

[23] Vanillic acid

[24] Caffeic acid

[25] Ferulic acid

[26] Ascorbic acid

[27] Erythorbic acid