مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1887

در مطالعه حاضر، شناسایی بافت پارچه تحت عنوان حوزه بررسی به منظور اجرا و پیاده سازی این مکانیزم به اشتراک گذاری ویژگی بین حس بینایی و لامسه در روبات ها، در نظر گرفته شده است: حس لامسه قادر به درک بافت های بسیار دقیق نظیر الگوی توزیع نخ در لباس می باشد در حالیکه حس بینایی الگوهای مشابه موجود در بافت (هرچند گاها این بافت درک شده کاملا تار می باشد) را شناسایی می نماید. علاوه بر این، عواملی که تنها در یک ویژگی (خصوصیت) وجود دارند منجر به بدتر شدن عملکرد شناسایی شده اند. به عنوان مثال، مغایرت رنگی در پارچه از طریق بینایی قابل مشاهده بوده اما از منظر حس لامسه قابل درک نمی باشد. هدف از مطالعه حاضر استخراج اطلاعات مشترک از این دو ویژگی و در عین حال حذف این عوامل، می باشد. به منظور فراگیری فضای نهان مشترک حس بینایی و لامسه، در مطالعه حاضر، چارچوبی جدید از ائتلاف عمیق مبنی بر شبکه های عصبی عمیق و تجزیه و تحلیل حداکثر واریانس، معرفی شده است. مجموعه داده ای جدید که شامل جفت داده های بصری و لامسه می باشد نیز در مطالعه، ارائه شده اند.
در مطالعات پیشین به صورت معمول به منظور تایید و تصدیق تماس ها، به جای بهره گیری از حسگر GelSight با وضوح بالا (960 در 720) از حسگرهای لمسی با وضوح پایین (به عنوان مثال، حسگر لامسه Weiss دارای 14 در 6 تاکسل) برای ثبت و ضبط بافت های دقیق که مساله ای دشوارتر از تایید وتصدیق تماس ها می باشد، استفاده نموده اند. حسگر GelSight شامل دوربینی در بخش تحتانی و قطعه ژله ای الاستومتریک پوشیده شده با غشای بازتابنده در بخش فوقانی، می باشد. الاستومر به منظور لمس شکل هندسی سطح و بافت اشیایی که در تعامل با آنها می باشد، تغییر شکل می دهد. سپس این تغییر شکل توسط دوربین در زیر اشاعه نور از لدهایی که در جهت های مختلف با هدف هدایت صفحات نوری به سمت پرده (پوسته) جایگذاری شده اند، ثبت و ضبط می گردد. علاوه بر این، بر اساس اطلاعات جمع آوری شده، پژوهش حاضر اولین مطالعه ایست که هم تصاویر لامسه ای و هم داده های بصری را برای شناسایی بافت مورد ارزیابی و بررسی قرار داده است.

2. مجموعه داده های مربوط به لباس وی تک
مجموعه ای از داده های بصری و لامسه ای مربوط به لباس را با بهره گیری از 100 قطعه لباس روزانه تحت عنوان مجموعه داده ای لباس وی تک، جمع آوری شده اند. البسه به کار گرفته شده از گونه های مختلف و از پارچه هایی با جنس های متنوع با بافت های مختلف، بوده اند. در مقایسه با داده های موجود که تنها شامل تصاویر بصری [2] یا برداشت های لامسه ای [3] از سطوح بافت می باشند، داده هایی که بردرگیرنده دو ویژگی نظیر بینایی و لامسه هستند، هنگامیکه پارچه به مسطح بوده، جمع آوری شده اند. در ابتدا تصاویر رنگی با استفاده از دوربین کانن T20i SLR به صورت تقریبا موازی با خود لباس همراه با چرخش های مختلف در سطح گرفته شده اند تا بدین ترتیب در مجموع بازای هر لباس، ده تصویر در دسترس باشد. در نتیجه، 1000 عکس دیجیتالی در پایگاه داده ای وی تک، موجود می باشد. داده های لامسه ای توسط حسگر GelSight جمع آوری شده اند. همانطور که در شکل 1a نیز نمایش داده شده، فردی حسگر GelSight را در دست گرفته و بر سطح پاچه لباس مد نظر در جهات معمول، فشار می دهد. همانظور که در شکل 1b نیز قابل مشاهده می باشد، با فشار حسگر بر سطح پارچه لباس، مجموعه ای از تصایر مربوط به بافت لباس توسط GelSight گرفته و ذخیره می شوند. در مجموع 96536 تصویر با بهره گیری از GelSight جمع آوری شده است. تمامی داده ها بر اساس ساختار سطحی پارچه لباس بوده و هرگونه زینت سخت موجود در سطح البسه به منظور جلوگیری از نمایان شدن در تصاویر گرفته شده توسط Gelsight یا تصاویر دیجیتالی، حذف شده است. نمونه هایی از تصاویر دیجیتالی و داده های جمع آوری شده توسط GelSight در شکل2ف نمایش داده شده است.

3. روش شناسی و نتایج
به منظور مطابقت داده های بصری و لامسه ای که به خوبی جفت نشده اند، با بهره گیری از تجزیه و تحلیل عمیق حداکثر واریانس (DMCA) ابتدا تمثیل های این دو ویژگی از طریق عبور آنها از لایه های چندگانه انباشته جداگانه تبدیل غیرخطی، محاسبه و سپس با پیاده سازی و اجرای تجزیه و تحلیل حداکثر واریانس، فضای پنهان مشترک برای این دو ویژگی به طوریکه کوواریانس بین این دو تمثیل حداکثر مقدار خویش باشد، محاسبه شده است. به منظور ارزیابی و بررسی روش DMCA معرفی شده در شناسایی بافت لباس، از مجموعه داده ای لباس وی تک استفاده شده است.
ابتدا از روش شناسایی تک نمایی کلاسیک با بهره گیری از داده های مربوط به هریک از ویژگی ها، استفاده شده است. هنگام بهره گیری از داده های مربوط به حسگر GelSight و دوربین دیجیتال برای مجموعه آموزش و آزمون، میزان دقت برآورد شده برای شناسایی بافت پارچه برابر با 83.4% یا 85.9% می باشد. این ارقام نشان دهنده، تمثیل های فراگرفته شده توسط شبکه های عمیق به کارگرفته شده برای شناسایی بافت با استفاده از هریک از ویژگی ها به صورت جداگانه، می باشند. با این حال، به ویژه در حوزه رباتیک، دستیابی به داده های مربوط به ویژگی خاص که برای آموزش به کار گرفته شده اند، امری آسان نمی باشد: داده های لامسه ای اغلب در دسترس نبوده یا جمع آوری آنها بسیار دشوار می باشد؛ علاوه بر این، دسترسی به بافت های دارای جزئیات متعلق به اجسام (اشیا) حتی از طریق دوربین های دیجیتال، امری ممکن و آسان نمی باشد. بدین منظور، به منظور آموزش مدل برای شناسایی بافت متقاطع پارچه با بهره گیری از یک ویژگی حسی در عین حال نیز از داده های ویژگی دیگر برای اجرای مدل استفاده شده است. این امر بر اساس این فرض که ویژگی های مشابه بصری بافت ها به احتمال زیاد دارای بافت های لامسه ای مشابه می باشند و برعکس، شکل گرفته است.
شایان ذکر است که روش مقطعی شناسایی بافت پارچه عملکردی بدتر نسبت به موارد انجام گرفته توسط روش تک نمایی، است. هنگام ارزیابی داده های برگرفته شده از حسگر GelSight برای آموزش با بهره گیری از مدل آموزش داده شده توسط داده های بصری، دقت به دست آمده برابر با 16.7% بوده است. از سویی دیگر، در وضعیت برعکس، دقت به دست آمده تنها برابر با 14.8% بوده است. دلایل احتمالی این امر، عواملیست که منجر به تفاوت در شکل ظاهری الگوی پارچه مشابه در دو ویژگی مختلف، می باشند. در دوربین، دید، مقیاس، چرخش، انتقال، واریانس رنگ و نور قابل مشاهده می باشند. درمورد احساس لامسه نیز، برداشت های مختلف از الگوهای لباس با توجه به میزان فشارهای مختلف اعمال شده توسط حسگر بر سطح پارچه، تغییر می نمایند. این تفاوت ها بدین معنا می باشند که امکان مناسب نبودن ویژگی های فراگرفته شده توسط یکی از روش ها برای روش دیگر، وجود دارد. به منظور استخراج ویژگی های همبسته بین حس بینایی و لامسه، و حفظ این ویژگی ها برای شناسایی بافت پارچه و در عین حال کاهش تفاوت های بین این دو روش، از روش DMCA معرفی شده به منظور دستیابی به تمثیل مشترک از بافت ها برای این دو ویژگی ها، بهره گرفته شده است.
در طی بررسی ها، چنین فرض شده که داده های جمع آوری شده توسط دوربین و GelSight در طی مرحله فراگیری مدل به کارگرفته شده اند در حالیکه، از داده های GelSight یا دوربین تنها در تحلیل های بعدی انجام گرفته با استفاده از داده های جدید، بهره گرفته شده است. تنظیمات به کار گرفته شده در پی بردن به این مساله که آیا چارچوب DMCA قادر به بهره گیری از تمثیل های دارای ابعاد کمتر که در داده های دونمایی اطلاعات را نسبت به موارد فراگرفته شده توسط داده های تک نمایی، بهتر نمایش می دهند، می باشد یا نه، کمک قابل توجهی می نمایند. ابتدا نحوه طبقه بندی بافت پارچه در صورت در دسترس بودن داده های برگرفته از GelSight، بررسی شده است. به دلیل افزایش ابعاد خروجی هنگام بهره گیری از روش DMCA، عملکرد طبقه بندی نیز بهبود می یابد. با ادامه افزایش ابعاد خروجی، میزان دقت روش DMCA نیز کاهش یافته و میزان دقت طبقه بندی انجام گرفته به 90% می رسد. عملکردی مشابه هنگام طبقه بندی گروه های مختلف پارچه با بهر گیری از روش DMCA در صورت در دسترس بودن تصاویر اتخاذشده از دوربین، نیز قابل مشاهده است. عملکرد طبقه بندی روش DMCA با افزایش ابعاد خروجی، افزایش قابل توجهی از خود نشان داده و هنگام ابعاد خروجی به بیش از 20 می رسد، کاهش شدیدی داشته و بدین ترتیب دقت طبقه بندی برابر با 92.6% می گردد.
به طور کلی، نتایج به دست آمده چنین نشان داده اند که رویه فراگیری DMCA معرفی شده هنگام استفاده از تمثیل های مشترک لامسه-بصری چه در شناسایی لامسه ای چه در شناسایی بصری بافت پارچه، عملکرد قابل توجهی از خود ارائه می دهد. این امرثابت می نماید که DMCA نه تنها ابزاری قدرتمند برای ویژگی های ساخت دست بشر می باشد، بلکه، برای ابزاری مناسب و قدرتمند برای ویژگی های فراگرفته شده توسط شبکه های عمیق نیز است. علاوه بر این، چنین نمایش داده شده است که استفاده از داده های مدل دیگر در مرحله یادگیری تنها هنگام بهره گیری از یک ویژگی در مرحله آزمون، منجر به بهبود عملکرد شناسایی می گردد. جزئیات بیشتر در [4] ارائه شده است.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

اصل ابزاری به اندازه گیری انتقال گرمایی از دست رفته از ارزیابی سر ناشی از تبخیر رطوبت از سطح آن تفاوت دمایی بین سطح ابزار و عبور هوا همرا با اندازه گیری بستگی دارد. ابزار مقاوت گرمایی و مقاومت تبخیر از پارچه ها و نفوذ پذیری بخار نسبی را اندازه گیری می کند . جزییات ابزار و پیش زمینه تئوری ارزش های اندازه گیری شده به وسیله Hes و همکارانش منتشر شد .
ارزیابی نفوذ پذیری هوا با استفاده از آزمونگر نفوذپذیری هوایی FX3300بر طبق استاندارد ISO9237 انجام شد . همه ی تست های راحتی و اندازه گیری تستی نفوذ پذیری هوایی از لایه جلویی بالایی نوارهای فضا دهنده انجام شدند.
تکنیک های سنجش تمایزی رنگ همچنین برای خصوصیات گرمایی نمونه ها مورد استفاده قرار گرفتند. تفاوت هایی در جریان گرما در برابر دما در نمونه ها و در ماده مرجع با استفاده از ابزار Perkin Almer DSC اندازه گیری شدند . مقدار هر نمونه به عنوان 20mg تعیین شده بود . پروسه گرمایی از طریق جریان ادامه داری از هوای گرم در میزان دمای رو به افزایش 5 اتفاق می افتد .
پردازش تصویر بر اساس تصویرهای گرفته شده از یک دوربین بارجفت شده (CCD) انجام شد که روی میکروسکوپ استریو اُلیمپوس SZX31نصب شده بود. تصاویر در رنگ دقیق با درشت نمایی مختلف گرفته شده و به صورت سیاه و سفید نشان داده شده اند . بدنبال این تجزیه و تحلیل نرم افزار تصویری BAB استفاده شد تا این که پوشش پارچه و بنابراین تخلخل آن را تعیین کند .
بسته نرم افزاری آماری JMP برای تفسیر داده های آزمایشی در سطح 95% مورد استفاده قرار گرفت . تجزیه تکراری واریانس (ANOVA) برای ارزیابی معناداری هر عامل مورد استفاده قرار گرفت . نتایج بر اساس نسبت F و احتمال نسبت F ارزیابی شدند. هر چه احتمال نسبت F پایین تر باشد، متغییر معنا دار تر است . طرح پارچه (D)، استحکام پارچه (T) ، ترکیب فیبری (FP) به عنوان عوامل اصلی برای تجزیه انتخاب شدند . اثرات متقابل همچنین در نظر گرفته شده اند .

نتایج و مباحث
ویژگی های پارچه ای پارچه های تریکو تولید شده برای مصرف خانگی در جدول 3 داده شده است . هنگامی که ساختار پارچه متراکم تر شود وزن پارچه و تراکم حلقه افزایش می یابد . طول حلقه نمونه های طراحی شده پوست باز (c1, c2,C3) طولانی تر از این موارد در نمونه های A1, A2,A3 است که تراکم یکسانی دارند اما در عین حال ساختار پوست بسته دارند.اگر چه همه ی پارچه های تریکو برای فاصله یکسانی بین سیلندر و صفحات مندرج از ماشین های بافت کشباف دو لایه تولید شده بودند، نمونه هایی با ساختار پوست باز ضخیم تر هستند . فکر می کنیم که این نتیجه بدلیل لایه سطحی بزرگتری در این نمونه هاست که بدلیل کنار هم قرار گرفتن بخیه های چین دار بدور قسمت های کرک دار بوجود آمده اند.

تخلخل
سطح پارچه بافته شده متشکل از منفذ هایی است که به وسیله الیاف احاطه شده اند . ویژگی های مرتبط با نفوذپذیری پارچه های بافته شده به میزان زیادی با درصد تخلخل مرتبط است . تخلخل نمونه ها با معادله ساده ای که در زیر آمده است محاسبه می شود :

اندازه گیری تخلخل با استفاده از تحلیل تصویر انجام شد . همه ی اندازه گیری های تخلخل برای میزان بزرگنمایی یکسانی انجام شد و میانگین ده اندازه گیری به عنوان تخلخل با خطای اندازه گیری 5% ثبت شد . فرایند اندازه گیری برای ساختار پوست باز در نمودار 3 داده شده است . از تصویر واضح است که بعضی از حلقه ها قابل شناسایی به وسیله دوربین نیستند و از این رو به عنوان نواحی متخلخل شناخته می شوند . این به دلیل زبری سطح پوست بود که منجر به حل مشکلات می شود . لایه های پارچه فضادار در زیر لایه جلویی بالایی در مقایسه با پارچه های بافته شده ساده معمولی ، دلیل اصلی تخلخل پایینی هستند .

رابطه خطی بین پارامترهای بافندگی مانند ضخامت پارچه ، طول حلقه ، تراکم بخیه و تخلخل به وسیله یک محقق قبلی مطالعه شد. اما وقتی نتایج مورد مقایسه قرار گرفت ، همبستگی بین مابقی پارامترهای بافندگی و تخلخل جدای از ضخامت پارچه یافت نشد (نمودار 4) . این نتایج به پیچیدگی پارچه های تریکو بافته شده سه بعدی نسبت داده شد که در آن سه طول حلقه ای نیاز به اندازه گیری دارد . تعامل بین لایه های درون ساختار استنتاج تمایل در مقایسه با تک بافت های کشباف را سخت می کند .
بافت پارچه یا طرح و ضخامت پارچه عوامل مهمی بر تخلخل پارچه های بافته شده هستند. تخلخل در نمونه های پوست باز افزایش می یابد (نمونه های مشخص شده با حرف C). استحکام همچنین عامل مهمی است از این رو که نمونه های با استحکام بیشتر درصد تخلخل پایین تری دارند . برای ساختارهای فشرده که مقدار تخلخل زیر 62% است ، بدلیل موقعیت نزدیک تری از حلقه ها ، ناحیه پوشیده شده از الیاف افزایش می یابد . نوع فیبری عامل مهم دیگری است از این رو که تخلخل برای نمونه های ساخته شده از الیاف اصلی نسبت به نمونه های ساخته شده از الیاف تاری برای گروههای یکسانی پایین تر است . هر چه ترکیب فیبرهایPES بالاتر باشد ، درصد تخلخل بیشتر است. این نتیجه بدلیل مو داری صفر الیاف کول مکس چند رشته ای است . نتایج ANOVA اثرات متقابل بین عامل ها را مشخص می سازد . تعاملات FP+T و FP+D معنی دار هستند ( مقادیر F احتمالی به ترتیب و .0000./0347 می باشند ) به علاوه سه عامل اصلی مهم (F, D, FP).

نفوذ پذیری هوا
ویژگی های نفوذ پذیری منسوجات مستقیما مرتبط با تعداد منفذ های در سطح پارچه و علاوه بر این درصد تخلخل است . دریافته ایم که نفوذپذیری هوا از سطح پارچه به میزان بالایی مرتبط با تخلخل است ( R=.932). از نمودار 5 روشن است که نفوذپذیری هوا از سطح پارچه مستقیما متناسب با درصد تخلخل است . هر چه که تخلخل پارچه بالاتر باشد ، نفوذ پذیری هوا بالاتر است . برای ساختار پارچه ای یکسان ترکیب فیبری ر شته ای بالاتر ، نفوذ پذیری هوای بالاتری را امکان پذیر می سازد که این امر بدلیل الیاف چند رشته ای مو داری است که مرتبط با الیاف اصلی می باشند ( جدول 1) نفوذ پذیری هوا در پارچه با افزایش استحکام پارچه کاهش می یابد . طرح پارچه و بافت پارچه مستقیما بر تعداد منفذ های پارچه اثر می گذارارد . روشن است که نفوذ پذیری هوا از پارچه های پوست باز (C1, C2, C3) بالا تر از پارچه های پوست بسته است (A1, A2, A3).

هدایت گرمایی
هدایت گرمایی یک ویژگی ماده است که بعنوان مقدار گرمای منتقل شده از طریق ضخامت ماده تعریف می شود که برای سطح ارزیابی شده طبیعی باشد. این ویژگی بیانگر توانایی پارچه برای هدایت گرما سرچشمه گرفته از منبع است . برای استفاده از تشک ها ، منبع گرمایی خود بدن است که در طی شب ، در تماس با پارچه تشک است.

تفاوت مشاهده شده از نتایج نمونه هایی که بافت یکسان و ترکیب فیبری نزدیک دارند نشان دهنده این است که که مقادیر هدایت گرمایی به میزان زیادی وابسته به انبوه مربعی پارچه هاست. نظرات یکسانی در کارهای قبلی منتشر شده است . نمونه های محکم تر (B1, B2,B3) با داشتن وزن بالاتر ، مقادیر هدایت گرمایی بالاتری دارند(نمودار6). با در نظر گرفتن طرح پارچه ، نمونه هایی با داشتن ساختار پوست باز (C1,C2,C3) نسبت به ساختار گرمایی پوست بسته ، هدایت گرمایی بالاتری دارند. مقدار هوای محبوس شده داخل ساختار عامل مهم دیگری است که بر هدایت گرمایی بالاتر نمونه ها با ساختار پوست باز کمک می کند . بدلیل انتقال گرمایی در پارچه که به صورت آزادانه افزایش یافته است . این نتیجه همچنین با شکل حلقه ای در نمونه هایی با یک ساختار پوست باز مشاهده شد، جایی که حلقه های تا شده در دور سوراخ هایی از لایه های جلویی جمع شده بودند. چنین حلقه های تا شده جمع شده ممکن است که مقادیر هدایت گرمایی را افزایش دهند. نتایج ANOVA این نظریه ها را تایید کرد همچنین تمامی این سه عامل FP,D,T با احتمال نسبتهای Fاز /000 و ./..11.و 0/0042 به ترتیب معنا دار هستند.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

فرآیند کاتیونیزه شدن
فرآیند کاتیون دار نمودنبرای تولید سایت های کاتیونی روی سطح الیاف پنبه، روندکاتیون دار نمودن [32] مورد استفاده قرار گرفت. پارچه پنبه کاتیونی با استفاده از کلرید 2،3-epoxypropyltrimethylammonium (EP3MAC) آماده شد. EP3MAC در محلول آبی با واکنش 3-chloro-2-هیدروکسی پروپیل آمونیوم کلریدtrimethyl (CHP3MAC) با سود آماده شد. زمانی که که EP3MAC با گروه های هیدروکسیل سلولز واکنش نشان می دهد ، بارهای کاتیونی بر روی سطح نمونه ایجاد می شود. بلورهایCHP3MAC (65%) و سود از آلدریچ به دست آمد. در 200 میلی لیتر آب مقطر، 100 گرم از CHP3MAC و 45.5 گرم سود افزوده شد. این محلول پد، برای نمونه های پنبه در برداشت 100٪ مرطوب اعمال شد و نمونه پارچه به مدت 24 ساعت در شرایط محیط ((20 C و 65٪RH) ) در کیسه های Ziploc. نگهداری می شود. پارچه پنبه دارای یون مثبت در خشک کن تجاری در 60 درجه خشک شد. نمونه های تصادفی که از پارچه بریده شد با رنگ های آنیونی رنگ شد تا اطمینان حاصل شود که فرایندکاتیون دار نمودن تشکیل شده است.

تشکیل فیلم چند لایه نانو ZnO
تشکیل فیلم چندلایه ano-ZnOبرای فرایند رسوب چندلایه، جعبه های حمل و نقل پلی پروپیلن (20 سانتی متر در 30 سانتی متر) مورد استفاده قرار گرفت. در فرایند رسوب، پارچه های پنبه با بار مثبت در محلول ها به طور متناوب برای دوره های 5 دقیقه غوطه ور شد: (a) محلول آنیونی کلوئید اکسید روی (b) آب مقطر، (c) محلول کاتیونی کلوئیدی اکسید روی، (d) آب مقطر. این چرخه رسوب به عنوان یک چرخه رسوب 2 لایه در نظر گرفته شد و تا زمانی که 10 و 16 فیلم چندلایه اکسید روی در الیاف پنبه رسوب یابد تکرار شد. فیلم چند لایه رسوب یافته بر روی پارچه پنبه ای در دمای 60 خشک شد و در دمای 130 C برای 3 دقیقه پرداخت شد.

توصیف کاراکتر
اندازه گیری های طیف فوتوالکترون اشعهX -(XPS)
اندازه گیری های XPS با استفاده از طیف سنج SPECS با منبع Mg و و یک تحلیلگر آینه کروی کارکردی در حالت طیفی انجام شد. فشار کل در محفظه خلاء اصلی در تجزیه و تحلیل بود، به طور معمول 4 9 10-7 Torr بود.. عناصر شیمیایی حاضر نمونه از طیف بررسی مشخص شد. اسکن بررسی در 1100 الکترون ولت آغاز و در با 0.80 الکترون ولت پایان یافت و گام های 0.40 EV با زمان ساکن 0.30 میلی ثانیه اتخاذ شد. بالاترین رزولوشن اسکن در اطراف قله های موردنظر انجام شد.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
میکروسکوپ اسکن الکترونی (SEM)میکروسکوپ اسکن الکترونی QUANTA 400F با وضوح بالا (SEM) برای بررسی سطوح نمونه های بافته شده پنبه در ولتاژ در ولتاژ شتاب 10 کیلو ولت مورد استفاده قرار گرفت. نمونه های پارچه پنبه با 10 نانومتر طلا/ PD قبل از مشاهدات SEM. پوشش داده شد.

اندازه گیری نفوذپذیری هوا
اندازه گیری نفوذ پذیری هواابزار Tex Test Instruments FX 3300 Air Permeability Tester III برای به دست آوردن مقادیر نفوذپذیری هوا در پارچه های پنبه ای فیلم-رسوب یافته nano-ZnO در در فشار Pa 100 بر اساس استاندارد EN ISO 9237. مورد استفاده قرار گرفت.اندازه گیری مقدار سفیدی اسپکتروفتومتر Minolta 3600d برای به دست آوردن مقدار سپیدی پارچه های پنبه ای دارای یون مثبت و نانو اکسید روی فیلم رسوب به عنوان شاخصStensby با با استفاده از منابع نور D 65 مورد استفاده قرار گرفت.

اندازه گیری استحکام کششی
آزمون های مکانیکی در Lloyd LR5K به علاوه دستگاه های الکترونیکی استحکام کششی با توجه به استاندارد EN ISO 2062. انجام شد. قدرت شکستن و کشیدگی نخ های تار و پود در شکستگی مورد بررسی قرار گرفت. بیست نمونه برای هر آزمون مورد استفاده قرار گرفت، و نتایج آزمون با تجزیه و تحلیل آماری برنامه SPSS 16.0 بررسی شد.

اندازه گیری فعالیت ضد باکتریایی
استاندارد تعیین پارچه آنتی باکتریال ISO 20645 برای روش آزمون فعالیت آگار صفحه نفوذ ضد میکروبی برای به دست آوردن اثرات ضد میکروبی پارچه های پنبه ای چندلایه فیلم رسوب یافته بر علیه باکتری استافیلوکوکوس اورئوس (گرم مثبت) مورد استفاده قرار گرفت.

اندازه گیری نفوذ UV و حفاظت
توانایی یک پارچه برای جلوگیری از نور UV توسط مقدار عامل حفاظت از اشعه ماوراء بنفش (UPF). ارائه می شود. سیستم های اندازه گیری نفوذ و حفاظت از UV، Camspec M350 UV/ visible Spectrophotometer (SDL/ATLAS) قابل مشاهده (SDL / ATLAS) برای بدست آوردن میانگین UV-A، میانگین UV-B و مقادیر میانگین UPF برایب پارچه های پنبه ای چندلایه فیلم رسوب یافته با توجه به Australian/New Zealand Standard AS/NZS 4399:1996 مورد استفاده قرار گرفت.

روش لباسشویی
فعالیت های ضد باکتریایی پارچه پنبه ای nano-ZnO فیلم رسوب یافته بعد از فرآیندLbL مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. برای تعیین دوام ویژگی ضد باکتری، نمونه های پارچه پنبه ای 10 و 20 بار در 40 درجه به مدت 30 دقیقه با ماشین شستشوی Gyrowash نوع آزمایشگاهی شسته شدند. نمونه های پارچه چند لایه با توجه به استاندارد روش آزمون EN ISO 20105-C01 قرار گرفتند، و مواد شوینده استاندارد AATCC بدون درخشان کننده های نوری در سراسر چرخه شستشو استفاده شدند.

نتایج و بحث
طیف سنجی فوتوالکترون اشعه X-برای بررسی تجزیه و تحلیل دولت شیمیایی سطح در فرآیند مونتاژ nano-ZnO روی فیلم نانوذرات بر روی پارچه های پنبه ای بافته شده مورد استفاده قرار گرفت. یک طیف XPS اسکن بررسی از پارچه پنبه بافته شده دارای یون مثبت در شکل. 1. نشان داده شده است همانطور که انتظار می رود، قله های مشخص در 283.95، 399.6 و 530.11 ولت نشان دهنده حضور کربن، نیتروژن و اکسیژن، است. شکل 2 نشان دهنده طیف XPS بررسی اسکن از 10 و 16 فیلم اکسید روی چندلایه نانوذرات رسوب یافته بر روی پارچه های پنبه ای دارای یون مثبت است. قله های متمایز در 283.95، 530.11 و 1،033.7 ولت نشان دهنده حضور کربن، اکسیژن و روی، به ترتیب است. با فرآیند رسوب LbL، پیک روی را افزایش در شدت را با افزایش تعداد لایه را نشان می دهد.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

مقدمه
ساختارهای کامپوزیت پلیمر-الیاف به لایه لایه شدگی ترک خوردگی ناشی از ضربه، بارهای ضخیم مستقیم، تنش های لبه، تخریب محیطی و دیگر رویدادهای مخرب آسیب پذیر می باشد. ترک های لایه لایه بین چند لایه می تواند به شدت خواص ساختاری مواد کامپوزیت، مانند مقاومت تراکمی و عمر خستگی را کاهش دهد. آسیب لایه لایه شدگی در مفاصل کامپوزیت پیوندی می تواند مقاومت کششی وعمر خستگی را پایین بیاورد. روش های مختلفی برای جلوگیری از شروع و/یا رشد ترک های لایه لایه در قطعات (پانل های) کامپوزیت و مفاصل پیوندی، شامل سیستم های رزین سخت، جایگذاری گرمانرم، و تقویت مستقیم ضخامت با بافندگی، بخیه زدن یا اتصال سه بعدی توسعه یافته است. اگرچه این روش ها در ترک خوردگی لایه لایه مقاومتی مرثر هستند، اما هر گونه رشد آسیب باید بدون تعمیر باقی بماند تازمانی که قطعه از سرویس خارج شود.
یک جواب برای آسیب لایه لایه شدگی فرایند تعمیر ارادی خودشفا می باشد، که با پراکنده کردن مجرا های کوچک حاوی کاتالیست و سیال شفابخش با ویسکوزیته کم به داخل ماتریس پلیمر [1-3] حاصل می شود. خودشفایی اساسا با رشد لایه لایه مجرا ها را پاره می کند و درنتیجه عامل شفابخش مایع را به داخل ترک آزاد می کند. عامل شفابخش در داخل ترک به وسیله واکنش با کاتالیزگر، که به عنوان یک سیال در مجرای جداگانه یا به عنوان ذرات جامد در ماتریس ذخیره شده است، پلیمریزه (ترکیب) می شود. با انتخاب و پراکندگی مناسب عامل شفابخش و کاتالیست، تعمیر ترک ها و دستیابی به بازیابی مناسب در خواص مکانیکی پلیمرها، پوشش های پلیمری و کامپوزیت های پلیمری امکان پذیر می باشد (برای مثال، [1 – 12]).
سیستم های خودشفای اصلی از کپسول های کوچک برای ذخیره سازی عامل شفابخش مایع استفاده می کنند. کپسول ها به طور معمول در اندازه های 10-500 μm هستند، که در ماتریس پلیمری به محتویات حجمی بین 2% و 20% پراکنده می شوند [2, 3]. چندین محدودیت در استفاده از کپسول ها وجوددارد، مانند محدودیت منابع سیال خودشفا برای تعمیر ترک های بزرگ و این که این عامل ها یک بار مصرف هستند. توجه زیادی به الیاف توخالی برای انتقال و ذخیره سازی رزین وجوددارد، که شفابخشی ارادی سیستم های زنده با سیستم شبکه مجرایی از مجرا های نازک را تقلید می کند. شبکه های ریزمجرا با استفاده از الیاف توخالی نازک القایی در مواد کامپوزیت مکانیزم خونریزی در سیستم های بیولوژیکی را تقلید می کنند. وقتی الیاف توخالی شکسته می شود سیال خودشفا به داخل ترک آزاد می شود تا ماده را درمان کند و شفا بخشد [2, 3, 13 – 27]. Toochey et al [7] نشان داد که سیستم های مجرادار بازپرسازی پیوسته سیال های خودشفا به نواحی آسیب دیده را از منبع بیرونی قادر می سازد. این بازپرسازی با کپسول ها و دیگر مجراهای ذخیره سازی محصور امکان پذیر نمی باشد. علاوه بر خودشفایی، الیاف توخالی عملکردهای دیگری در مواد کامپوزیت، مانند خنک کنندگی از طریق انتقال سیال های خنک یا حس کردن با استفاده از رنگ های فلوئورسانس [2, 18, 20, 24] نیز دارا می باشد. الیاف توخالی معمولا 40-200 μm قطر دارند، اگرچه اندازه های کوچک تر و بزرگ تر نیز بکار رفته است، و الیاف ها در سطح مشترک بین لایه ها که درآن ترک خوردگی لایه لایه ای بیشترین احتمال رخداد را دارد، جایگذاری می شوند. ترکیب های آسیب دیده شامل الیاف های شیشه ای توخالی رفتار شفابخشی و بازیابی مناسبی از خواص مکانیکی را نشان می دهند [3, 21 – 23, 25 – 27].
بررسی های اخیراز فناوری تعمیر شفابخشی توسط Keller et al [2] و Wu et al [3]اثر ذخیره سازی مجراها بر خواص مکانیکی پلیمرها و کامپوزیت ها را به عنوان یک موضوع بسیار مهم مشخص کرد. شبکه الیاف توخالی ممکن است به دلیل اثرات تراکم تنش و حذف ماده بار تکیه گاه برای تطبیق با الیاف تاثیر منفی بر خواص مکانیکی کامپوزیت پیش آسیب دیده داشته باشد. با این حال، تنها حجم اندکی از اطلاعات درباره تاثیر اندازه، کسر حجمی، جهت و توزیع الیاف توخالی بر خواص مکانیکی کامپوزیت های پلیمری [22 – 24, 28, 29] در دسترس می باشد. Trask et al [22, 24] 16% کاهش در مقاومت خمشی ورقه شیشه الیاف شامل الیاف توخالی با قطر 60 μm اندازه گیری کرد. Williams et al [23] دریافت که الیاف با اندازه مشابه موجب تلفات کم در مقاومت خمشی اپوکسی کربن (زیر 10%) می شوند، و نتیجه گرفت که الیاف توخالی به عنوان مکان هایی از ضعف ساختاری ظاهر نمی شوند.

این مقاله یک مطالعه تحقیقی تجربی درباره اثر الیاف توخالی مورداستفاده برای خودشفایی در خواص مکانیکی ورقه  های اپوکسی کربن و مفاصل پیوندی ارائه می  دهد. الیاف شیشه  ای توخالی درامتداد سطح مشترک لایه-های با ضخامت متوسط در مواد کامپوزیت و درامتداد خط پیوندی در مفاصل کامپوزیت جایگذاری می  شوند. اثر افزایش قطر الیاف (تا 680 μm) بر سختی (چقرمگی) لایه لایه  شدگی، تنش، تراکم و ویژگی  های خستگی مواد کامپوزیت تعیین شده  است. اثر قطر الیاف بر خواص مکانیکی مفاصل T نیز تحقیق و بررسی شده  است. پیشرفت  ها و کمبودهای خواص مکانیکی مواد و مفاصل، مربوط به تغییرات ریزساختاری کامپوزیت و اثرات تمرکز تنش نیز ناشی از الیاف توخالی می  باشد. اطلاعات ارائه  شده در این مقاله را می  توان در طراحی سیستم  های خودشفای مجرادار که تاثیر حداقلی بر خواص مکانیکی مواد و مفاصل کامپوزیت دارند، بکاربرد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

This paper presents an experimental study into the effect of self-healing hollow fibres on the mechanical properties and delamination resistance of carbon-epoxy composite panels and bonded joints. Hollow fibres made using thin-walled glass tubes are used in microvascular self-healing systems for the storage and transport of liquid reagents for autonomic repair of composite materials. This study shows that hollow fibres located along the mid-thickness plane of the composite material cause no change or a small loss (less than a few per cent) to the in-plane elastic modulus. The tension and compression strengths are not changed when hollow fibres are aligned parallel to the loading direction, but the strength properties are reduced when the fibres are normal to the load. The strength loss is caused by changes to the composite microstructure (e.g. increased ply waviness). The mode I delamination toughness increases with fibre diameter, with improvements up to ∼50%. The tensile (pull-off) strength of composite T-joints is not affected by hollow fibres at the bond-line. However, the fibres increase the failure strain and total work energy-to-failure of the joints up to 100% due to several bond-line toughening processes. The results can be used in the determination of the optimum size and orientation of hollow fibres for vascular self-healing systems in structural composite materials and joints.

1. Introduction

Fibre–polymer composite structures are prone to delamination cracking caused by impact, through-thickness loads, edge stresses, environmental degradation and other damaging events. Delamination cracks between the ply layers can severely reduce the structural properties of composite materials, such as reduced compression strength and fatigue life. Delamination damage within bonded composite joints can lower the pull-off strength and fatigue life. Various techniques have been developed to suppress the initiation and/or growth of delamination cracks in composite panels and bonded joints, including toughened resin systems, thermoplastic interleaving, and through-thickness reinforcement by three-dimensional weaving, stitching or pinning. While these techniques are effective at resisting delamination cracking, any damage growth must remain unrepaired until the component is taken out-of-service. A solution to delamination damage is the autonomic repair process of self-healing, which is achieved by dispersing small vessels containing a low viscosity healing fluid and catalyst within the polymer matrix [1–3]. Self-healing basically works by the growing delamination rupturing the vessels and thereby releasing liquid healing agent into the crack. The healing agent is polymerized inside the crack by reacting with the catalyst, which is stored as a fluid in a separate vessel or as solid particles in the matrix. By the appropriate selection and dispersion of the healing agent and catalyst, it is possible to repair cracks and achieve good recovery to the mechanical properties of polymers, polymer coatings and polymer composites (e.g. [1–12]). The original self-healing systems used small capsules to store the liquid healing agent. The capsules are typically 10–500 μm in size, which are dispersed in the polymer matrix to volume contents between about 2% and 20% [2, 3]. There are several limitations in the use of capsules, such as the limited supply of self-healing fluid to repair large cracks and that they are single-use only. There is great interest in hollow fibres for resin transport and storage, which mimic the autonomic healing of living systems with a vascular network system of thin vessels. Microvascular networks using thin, hollow fibres embedded in composite materials mimic the bleeding mechanism in biological systems. When a hollow fibre is fractured the self-healing fluid is released into the crack where it cures and heals the material [2, 3, 13–27]. Toohey et al [7] demonstrated that vascular systems allow the continuous replenishment of healing fluids to the damaged region from an external supply. This replenishment is not possible with capsules and other closed storage vessels. In addition to selfhealing, hollow fibres can have other functions in composite materials, such as cooling via the transport of cold fluids or sensing using florescent dyes [2, 18, 20, 24]. The hollow fibres are typically 40–200 μm in diameter, although smaller and larger sizes have been used, and fibres are placed at the interface between the ply layers where delamination cracking is most likely to occur. Damaged composites containing hollow glass fibres show good self-healing behaviour and recovery of mechanical properties [3, 21–23, 25–27]. Recent reviews of self-healing repair technology by Keller et al [2] and Wu et al [3] identified as a critical issue the effect of storage vessels on the mechanical properties of polymers and composites. A hollow fibre network may adversely affect the mechanical properties of the pre-damaged composite because of stress concentration effects and removal of loadbearing material to accommodate the fibres. However, only a small amount of information is available on the effects of the size, volume fraction, orientation and distribution of hollow fibres on the mechanical properties of polymer composites [22–24, 28, 29]. Trask et al [22, 24] measured a 16% reduction to the flexural strength of a fibre glass laminate containing 60 μm diameter hollow fibres. Williams et al [23] found that the same sized fibres caused a small loss in flexural strength to carbon-epoxy (under 10%), and concluded that hollow fibres do not appear to act as sites of structural weakness. This paper presents an experimental research study into the effect of hollow fibres used for self-healing on the mechanical properties of carbon-epoxy laminates and bonded joints. Hollow glass fibres were placed along the mid-thickness ply interface in composite materials and along the bond-line in composite joints. The effect of increasing fibre diameter (up to 680 μm) on the delamination toughness, tension, compression and fatigue properties of composite materials was determined. The influence of fibre diameter on the mechanical properties of T-joints was also investigated. Improvements and reductions to the mechanical properties of the materials and joints are related to changes to the composite microstructure and stress concentration effects caused by the hollow fibres. The information presented in this paper can be used in the design of vascular self-healing systems that have minimal impact on the mechanical properties of composite materials and joints.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی:

چکیده
این مقاله، قابلیت دسترسی سیستم تولید نخ تابیده را توصیف می کند که بخشی از کارخانه تولید نخ است. واحد های مورد مطالعه، با ماشیتن های تک منظوره تجهیز می شوند. آنالیز عملکرد سیستم برای شناسایی فاکتور های کلیدی صورت می گیرد. مقدار بهینه r که r نشان دهنده تعداد تعمیرکاران برای تعمیر 12 ماشین نخ ریسی می باشد که برای بیشینه سازی قابلیت دسترسی وضعیت ثابت سیستم محاسبه می شود. مسئله اصلی با استفاده از احتمال ورش متغیر مکمل فرموله بندی می شود. ملاحظات احتمال در مراحل مختلف، معادلات دیفرانسیل ارایه می شود که با روش لاگرانژ برای بدست اوردن احتمالات حل می شود. آنالیز عددی به افزایش سرعت تولید با کنترل عوامل موثر بر سیستم و بهینه سازی کمک می کند.
لغات کلیدی: نگه داری پیش گیرانه، نگه داری تصحیحی، قابلیت دسترسی به سیستم، بهبود قابلیت دسترسی، تعمیر کار
مقدمه
قابلیت اعتماد را می توان به صورت احتمال عملکرد سیستم یا ابزار برای دوره زمانی معین تحت شرایط کارکردی تعریف کرد. قابلیت اعتماد یک ملاحظه مهم در برنامه ریزی، طراحی، و عملکرد سیستم است. صنایع فراوری زیر ساخت و بنیان توسعه هر کشور هستند. این صنایع می توانند تولید پیوسته و بلند مدتی را برای رفع تقاضای روز افزون با هزینه پایین در اختیار بکذارند. قابلیت اعتماد و تحلیل قابلیت دسترسی صنایع فراوری از حیث تولید بیش تر و نگه داری کم سودمند هستمد. نیاز و کاربرد فناوری قابلیت اعتماد در این صنایع توسط محققان درک شده است. سینک به بررسی مسئله قابلیت اعتماد سیستم با واحد های مشابه دارای خرابی های مستقل و وابسته پرداخت. تحلیل قابلیت اطمینان سیستم های زاید و تابع هزینه جامع ارایه شده است. هجدن یک سری مدل های ریاضی روش های بهینه سازی را ارایه کرده است که با آن بازه های نگه داری پیشگیرانه را می توان از دیدگاه قابلیت دسترسی به بازه های زمانی تعیین کرد. یک روش برای بهینه سازی سیستم های مهندسی بر اساس تخصیص اطمینان پذیری با کمینه سازی کل ارایه شد. این مقاله به بررسی خصوصیات اطمینان پذیری نظیر تابع اطمینان، فراوانی شکست و فراوانی تجدید می پردازد.کومارف گوپتا و گارگ و سینگ و برحی از محققان دیگر از فناوری اطمینان پذیری یا قابلیت اطمینان برای سیستم های صنعتی مختلف استفاده کرده و به نتایج مهمی رسیدند. تودینوف (9) یک روش جدید را برای بهینه سازی توپوولژی سیستم مهندسی بر اساس تخصیص قابلیت اطمینان با کمینه سازی هزینه کل ارایه کرد.
این مقاله بحث مختصری را در خصوص روش محاسبه خصوصیات قابلیت اطمینان نظیر تابع اطمینان پذیری در اختیار می گذارد. کارخانه تولید نخ در هیماکال پرادش برای مطالعه انتخاب شد. تولید نخ شانه ای و بخشی از سیستم تولید نخ به صورت مفصل بحث شده است. در سیستم تولید نخ شانه ای، یک سیستم متشکل از چهار زیر سیستم اتاق ضربه (B)، دستگاه کاردینگ (C)، ماشین آن لیپ
(U) و ماشین ماشین پنبه زنی می باشد که به صورت یک سری با هم کار می کنند. زیر سیستم M داری چند واحد بوده و به طور موازی کار می کند. زیر سیستم C به صورت 5 از 12 است، سیستم G طوری است که 12 ماشین کاردینگ به طور موازی کار کرده و سیستم تا زمانی کار می کند که حداقل 5 ماشین کاردینگ در حالت خوب و کارکردی باشد. تولید نخ شانه ای زمانی که تنها چهار ماشین کاردینگ در موقعیت کاری باقی بماند و یا زیر سیستم B و یا U در حالت خرابی قرار گیرد. وقتی که تنها چهار ماشین کاردینک در وضعیت کاری باشد، سیستم خراب شده و تعمیر کلی ماشین های کاردینگ صورت می گیرد. به طور کلی، 8 یا 10 واحد در وضعیت کاری باقی می ماند. 12 ماشین کاردینک با کمک تعمیر کار R تعمیر می شود. مقدار بهینه R محاسبه شده و وضعیت ثابت سیستم کاری با 10 و یا بیشتر ماشین کاردینگ را بیشینه می کند.ظرفیت تولید کارخانه 34.56 تن نخ شانه ای در هر روز در سطح بهینه است. هدف مدیریت تولید 29 تن نخ شانه ای در هر روز است. این هدف در صورتی حاصل می شود که حداقل 10 ماشین کاردینگ در وضعیت کاری قرار گیرد. با این وضعیت، عملکرد سیستم بررسی می شود. تحلیل رقومی با نرم افزار متلب صورت می گیرد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

abstract The paper describes the availability of combed sliver production system, a part of yarn production plant. The units under study are specialized single purpose machines. Performance analysis of the system is carried out to identify the key factors. The optimum value of ‘r’, where ‘r’ represent the number of repairman to repair the twelve carding machines (r 12), is calculated to maximizing the steady state availability of the system. The problem is formulated using probability consideration and supplementary variable technique. Probability considerations at various stages give differential-difference equations, which are solved using Lagrange method to obtain the state probabilities. The numerical analysis carried out helps in increasing the production rate by controlling the factors affecting the system i.e. availability optimization. 2010 Elsevier Inc. All rights reserved. 1. Introduction Reliability, in general, can be defined as the probability of a system/device performing its anticipated purpose adequately for the intended period of time under the given operating conditions. Reliability is an important consideration in the planning, design and operation of the system. The process industries are the backbone of a country for its development. The process industries must provide continuous and long-term production to meet the ever-increasing demand at lower costs. The reliability and availability analysis of process industries can benefit in terms of higher production and lower maintenance. The need and application of reliability technology in the process industries is well understood by many researchers. Singh [1] analyzed the problem of system reliability with identical units having statically independent and dependent (common cause) failures. Singh [2] computed the state probabilities of a complex system with preemptive repeat priority repairs and failure of non-failed components. Subramanian and Anantharaman [3] carried out reliability analysis of a complex standby redundant system and estimated the comprehensive cost function. Dijkhuizen and Heijden [4] have given a series of mathematical models and optimization techniques, with which the optimal preventive maintenance intervals can be determined from an interval availability point of view. Kumar [5,6], Gupta et al. [7], Garg and Singh [8] and some other workers applied reliability technology to various industrial systems obtaining important results. Todinav [9] is proposed a new method for optimization of the topology of engineering systems based on reliability allocation by minimizing the total cost. The present paper consists of a brief discussion of method of calculating some important reliability characteristic such as reliability function, failure frequency and renewal frequency. A yarn production plant situated in Himachal Pradesh (India) is chosen for study. Here, the production of combed sliver, a part of a yarn production system has been discussed in detail. The 0307-904X/$ – see front matter 2010 Elsevier Inc. All rights reserved. doi:10.1016/j.apm.2010.02.021 * Corresponding author. E-mail address: savitaphd@rediffmail.com (S. Garg). Applied Mathematical Modelling 34 (2010) 3300–3308 Contents lists available at ScienceDirect Applied Mathematical Modelling journal homepage: www.elsevier.com/locate/apm combed sliver production system further consists of four sub-systems blow room (B), carding machine (C), unilap machine (U) and comber machine (M), all working in series. Sub-system M is having multiple units working in parallel. The sub-system C is a 5-out-of-12: G system i.e. there are 12 carding machines working in parallel and the system works till there are at least 5 carding machines in good and operating state. Combed sliver production sliver fails either when there remain only four carding machines in working position, or sub-system B or U comes to failed state. When there remain only four carding machines are in working state, the system is under breakdown and the collective repair (including corrective and preventive maintenance) of all the carding machines is performed. In routine, normally eight or ten units remain in working states. The twelve carding machines are repaired with the help of ‘r’ repairmen where (r < 12). The optimum value for ‘r’ is calculated which maximizes the steady state availability of the system operating with ten or more carding machines. The production capacity of the plant is 34.56 tones combed yarn per day at optimum level. The target of the management to produce 29 tones combed yarn per day. This target can be achieved if at least ten carding machines remain in operative state. With this consideration, the performance of the system is examined. Numerical analysis is carried out making use of software package MATLAB. 2. The system 2.1. System description There are four machines in the combed sliver production system. The first machine is the blow room. The raw cotton that arrives in the mill is in the form of hard pressed bales contains a lot of impurities. This cotton is fed manually into the blow room where opening, cleaning and removal of heavy particles, dust etc. of cotton is done. Cleaned fiber in sheet form, from the blow room is fed to the carding machines. Carding machine once again individualize and cleans the cotton fiber laps, remove neaps, short fiber ends and delivers compact carded sliver. Then unilap machine is used for processing the carded sliver transforming it into laps. This process helps in getting a good quality of comber material. Finally these laps are loaded on comber machine which further removes short fibers and remaining neaps, thus giving a fine combed sliver. Undergoing all these processes serially, we get a combed sliver. Fig. 1 gives the schematic flow chart of the combed sliver production process. The mathematical modeling is carried out for these machines that are prone to failure. 

اصلاح سطح پارچه پنبه با فیلم های چند لایه Nano-ZnO با استفاده از روش رسوب لایه به لایه

Modifying of Cotton Fabric Surface with Nano-ZnO Multilayer Films by Layer-by-Layer Deposition Method

چکيده
مقدمه
تجربی
مصالح
توصیف کاراکتر
اندازه گیری هاي طیف فوتوالکترون اشعهX -(XPS)
اندازه گیری استحکام کششی
اندازه گیری فعالیت ضد باکتریایی
اندازه گیری نفوذ UV و حفاظت
روش لباسشویی
نتایج و بحث
چندلايه nano-ZnO
نتیجه گیری

چکیده
فیلم هاي نانوکامپوزیت چندلايه مقاله اکسید مبتنی بر نانوذرات ZnO روي پارچه هاي پنبه بافته شده داراي يون مثبت از طریق روش خود مونتاژ لایه به لایه مولکولی ساخته مي شوند. برای بار سطحی کاتیونی، پارچه های پنبه ای با کلرید 2،3-epoxypropyltrimethylammonium (EP3MAC) به روش دسته-پد تحت پرداخت قرار مي گيرند.. XPS و SEM براي بررسی فیلم هاي چندلايه رسوب nano-ZnO بر روی پارچه های پنبه ای استفاده مي شوند. فیلم هاي nano-ZnO رسوب يافته روی پارچه های پنبه ای، فعالیت ضد میکروبی بسیار عالی را در برابر باکتری استافیلوکوکوس اورئوس به نمایش گذاشتند. همچنین نتایج نشان داد که پارچه پوشش داده شده با فیلم چندلايه افزایش nano-ZnO حفاظت از پارچه های پنبه ای را در مقابل تابش UV ارتقا مي دهد. تست های فیزیکی (استحکام کششی پود و تار نخ، نفوذپذیری هوا و ارزشهای سفیدی) بر روی پارچه ها، قبل و بعد از درمان با نانوذرات Zno به منظور بررسی اثر فرآیند لایه لایه(LbL) روي خواص پارچه پنبه انجام شد.
مقدمه
مونتاژ لایه به لایه (LbL)، اختراع شده توسط G. Decher، روشي منحصر به فرد برای ساخت فیلم هاي نازک کامپوزیتی است .جذب ترتیبی عکس متهم پلي کاتيون ها پلي آنيون ها بر روی سطوح جامد منجر به ایجاد فیلم های پلي الکتروليت چندلايه مي شود. رسوب ترتیبی چندلايه را می توان با فرو بردن بستر در محلول های کاتیونی و آنیونی به صورت متناوب انجام داد. پس از رسوب هر لایه، بستر در محلول مقدار سپيدي غوطه ور مي شود. هر دو مراحل جذب می تواند به صورت دوره ای براي تشکيل ساختارهای چند لایه در سطح بستر تکرار شود. طیف گسترده ای از مولکول هاي تابعی را می توان در فیلم، از جمله نانوذرات، رنگ ها، پروتئین ها و سایر ذرات فرامولکولي گنجانید[1-5]

نتیجه گیری

مونتاژ نانوذرات ZnO براي تشکيل فيلم چندلايه روي پارچه هاي پنبه اي توسط فرآيند رسوب لايه به لايه آماده شد. تحليل هاي XPS و SEM براي بررسي فيلم هاي چندلايه نانوکامپوزيت روي فيبرهاي پنبه اي به کارگرفته شد. نتايج ميکروگراف SEM نشاندهنده يک تفاوت چشمگير در مورفولوژي فيبرها قبل و بعد از فرآيند رسوب LBL بود. تحليل عنصري نشان داد که رابطه اي خطي بين تعداد لايه هاي رسوب يافته و محتواي Zn وجود دارد. فرآيند رسوب LbL با نانوذرات ZnO اثرات قابل توجهي روي نفوذپذيري هوا، مقدار سفيدي و ويژگي هاي استحکام کششي پارچه هاي پنبه اي ندارد. به طور مشخص نتيجه گيري شد که چندلايه nano-Zno روي پارچه هاي پنبه نشاندهنده فعاليت ضدباکتريايي عالي در برابر استافيکولوس اوئورس است. پارچه هاي پنبه اي که در آن فيلم هاي چندلايه nano-Zno توسط فرآيند Lbl رسوب مي يابند، داراي ويژگي حفاظت از UV نسبت به پارچه پرداخت نشده به علاوه فعاليت ضدباکتريايي کارامد بود. اين کار، يک روش ساده و جديد را براي رسوب فيلم نانوکامپوزيت nano-Zno روي پارچه هاي پنبه اي و کاربرد آنها در پارچه هاي پنبه اي براي دستيابي به عملکرد حفاظت UV و ضدباکتريايي ارائه مي دهد.

Abstract

ZnO nanoparticle–based multilayer nanocomposite films were fabricated on cationized woven cotton fabrics via layer-by-layer molecular self-assembly technique. For cationic surface charge, cotton fabrics were pretreated with 2,3-epoxypropyltrimethylammonium chloride (EP3MAC) by pad-batch method. XPS and SEM were used to examine the deposited nano-ZnO multilayer films on the cotton fabrics. The nano-ZnO films deposited on cotton fabrics exhibited excellent antimicrobial activity against Staphylococcus aureus bacteria. The results also showed that the coated fabrics with nano-ZnO multilayer films enhanced the protection of cotton fabrics from UV radiation. Physical tests (tensile strength of weft and warp yarns, air permeability and whiteness values) were performed on the fabrics before and after the treatment with ZnO nanoparticles to evaluate the effect of layer-by-layer (LbL) process on cotton fabrics properties.

Introduction

Layer-by-layer assembly (LbL), invented by G. Decher, is a unique technique for the fabrication of composite thin films. The sequential adsorption of oppositely charged polycations and polyanions on solid surfaces leads to the buildup of polyelectrolyte multilayer films. The sequential multilayer deposition can be carried out by immersing the substrate into the cationic and anionic solutions, alternately. After deposition of each layer, the substrate is immersed into the washing solution. Both adsorption steps can be repeated cyclically to form multilayer structures on the surface of a substrate. A wide range of functional molecules can be incorporated within the film, including nanoparticles, dyes, proteins and other supramolecular species [1–5].

Conclusions

ZnO nanoparticles assembly for the multilayer film formation on the cotton fabrics were prepared by layer-bylayer deposition process. XPS and SEM analyses were employed to examine the nanocomposite multilayer films on the cotton fibers. The SEM micrograph results indicated a significant difference in the morphology of the fibers before and after the LbL deposition process. Elemental analysis showed that there is a linear relationship between the deposited numbers of layers and Zn content. LbL deposition process with ZnO nanoparticles does not considerable effects on the air permeability, whiteness value and tensile strength properties of cotton fabrics. It was clearly concluded that the nano-ZnO multilayer deposited on cotton fabrics showed excellent antibacterial activity against to Staphylococcus aureus bacteria. Cotton fabrics on which nano-ZnO multilayer films were deposited by LbL process were proved to have better UV protection property than the untreated fabric in addition to the efficient antibacterial activity. This work provides a novel and simple method for nano-ZnO nanocomposite film deposition on cotton fabrics and their application onto cotton fabrics to gain antibacterial and UV protection functions.

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

افزایش تقاضا برای مواد پارچه ای چند عاملی مستلزم یک رویکرد چند رشته ای قوی و ترکیب رشته های علمی مختلف است(1-3). اولین کاربرد تجاری نانوپرداخت را می توان در منسوچات در شکل نانوذرات از طریق فرایند پرداخت مشاهده کرد. با این حال، این پرداخت ها مقاومتی در برابر شست و شو به دلیل تثبیت ضعیف نانوذرات فوق در سطح پارچه نشان نمی دهند. اطمینان از پیوند و اتصال نانوذرات در سطح پارچه نه تنها موجب افزایش دوام و مقاومت می شود، بلکه خصوصیات مناسبی از نظر زیست محیطی برای پیش گیری از آزاد شدن نانوذرات با پیوند ضعیف به محیط نشان می دهند. با استفاده از ماتریس های پلیمر عاملی آب دوست و آب گریز به عنوان محیط انتشار برای نانوذرات منجر به نانوکامپوزیت های پلیمری با خواص پیوندی بالا و قابلیت خیس شدگی مطلوب با خواص عاملی نظیر مقاومت فرابنفش، ضد میکروبی و ضد حریق بودن که از خصوصیات منحصر به فرد نانوذرات است می شود. در این مقاله، بر کاربرد PN در منسوجات برای دست یابی به قابلیت خیس شدگی بالا، حفاظت در برابر اشعه فرابنفش، خواص رسانایی و ضد میکروبی تاکید می شود.
طبیعت ایجاد نانوکامپوزیت های پلیمری با رویکرد منحصر به فردی کرده است که در این روش اصول فیزیکی و شیمیایی برای ایجاد سطوح اب گریز دافع ترکیب شده اند. برگ های یونجه باغی دافع آب بوده و به دلیل وجود موم اب گریز و زائدات ریز که در سطح برگ وجود دارد این اتفاق رخ می دهد( 4-5). سطح با زاویه تماس آب بالاتر از 150 درجه می تواند به صورت فرا اب گریز در نظر گرفته شود. در حقیقت، سطوحی با زاویه تماس آب بالاتر از 150 را می توان با استفاده از زبری بر روی مرز موادی که دارای انرژی سطحی پایین می باشند ایجاد کرد( 6-8). مطالعات ونزل 9 و کاسی و باکستر 10 اثبات کرده است که زبری علاوه بر انرژی سطحی از مهم ترین عوامل موثر بر تر شوندگی سطح می باشند. اثبات شد که افزایش زبری سطحی موجب بهبود خواص آب دوستی سطوح آب دوست و آب گریزی سطوح آب گریز می شود. از این روی، افزودن نانوذرات پلیمری به پلیمر های عاملی اب دوست و اب گریز موجب بهبود خواص پلیمری با استفاده از خواص عاملی نانوذرات پلیمری می شود. گایو و مک مارتی تاکید کردند که پسماند زاویه تماس و نه زاویه تماس بالا، کنترل کننده آب گریزی سطح است(11).
پرداخت های اب دوست/مدیریت رطوبت بر روی منسوجات برای افزایش جذب مناسب می باشند و این یکی از ملاحظات مهم در تولید البسه ورزشی است که از روش های عاملی با الیاف سلولزی استفاده می شود. شیوه عمل متشکل از ریز الیاف هایی است که رطوبت را سریعا از پوست به لایه های خارجی جاذب انتقال می دهد.
خواص وارد شده در منسوجات دارای نانوذرات پلیمری شامل حفاظت از اشعه فرابنفش، خصوصیات ضد باکتریایی، ضد حریق، ضد استاتیک و رسانش است. مواد مهار کننده اشعه بهتر است تا ارگانیک باشند زیرا غیر سمی بوده و تحت حرارت بالا از نظر شیمیایی پایدار می باشند. معمولا اکسید های نیمه هادی نظیر TiO2 SiO2, ZnO و الومینیوم اکسید به عنوان بلوکر فرابنفش استفاده می شوند(12-13). پراش ریلی بستگی به طول موجی دارد که در آن انتشار و پراش ارتباط معکوسی با طول موج با توان چهارم دارد. این نظریه پیش بینی می کند که به منظور منعکس کردن اشعه فرابنفش بین 200 تا 400 نانومتر، اندازه ذرات بهینه بین 20 تا 40 نانومتر است. برای استفاده از خواص انتی باکتریایی، نانونقره، تیتانیوم اکسید و اکسید روی استفاده می شود(14-17). نانونقره وقتی که با باکتری ها و قارچ ها تماس پیدا می کند با پروتین واکنش می دهد و اثر شدیدی بر متابولیسم سلول و مهار رشد سلول دارد(18). پارچه های فراوری شده با تیتانیوم اکسید می تواند حفاظت موثر در برابر باکتری ها و رنگ بری به دلیل اثر کاتالیز نوری این عامل ایجاد کند(19-20). اکسید روی می تواند خواص کاتالیز نوری موثر ایجاد کند به خصوص زنانی که تحت نور قرار گیرد و برای وارد کردن خواص انتی باکتریایی به پارچه ها استفاده شود(21-23).
برخی از سطوح پارچه های ساکن باید با گروه های عامل یموجود برای پیوند با پرداخت نانوذرات پلیمری اصلاح شوند. برخی از تیمار ها نظیر تیمار هیدروکسی الامین و پلاسما برای پیش تیمار سطحی پارچه ها استفاده می شود( 24-25). تیمار های پلاسمایی در سوبسترای پارچه هایی نظیر کتان، پشم و مصنوعی نشان می دهد که این نوع تیمار موجب افزایش درجه سفیدی می شود و در عین حال موم را خارج کرده و تعیین کننده اندازه عوامل پرداخت، جذب و تثبیت رنگ ها و عوامل پرداخت، بهبود ماندگاری اثرات عاملی بوده و می تواند گروه های عامل یخاص برای اتصال نانوذرات پلیمری فراهم کند( 26-30). الای و همکاران 31، به بررسی و مطالعه اثر تیمار پلاسمای پارچه های کتان بر روی پرداخت های ضد آب مبتنی بر فلوروگربن پرداختند.پی برده شد گه آب گریزی پارجه بعد از پیش تیمار پلاسنا به طور معنی داری بهبود می یابد و خصوصیت اب گریزی حتی بعد از 5 بار شست و شو با زاویه تماس بالاتر از 120 حفظ می شود.
مفهوم پرداخت نانوذرات پلیمری در منسوجات
نانوذرات پلیمری چیستند و چه چیزی باعث شده است تا آن ها در منسوجات از اهمیت بالایی برخودار باشند. پاسخ به این سوالات در مقیاس های طولی غالب در مورفولوژی و خواص این مواد نهفته است. نانوذرات پلیمری دسته ای جدید از پلیمر های معدنی می باشند که شامل مقادیر نسبتا کمی از ذرات غیر ارگانیک با اندازه نانو می باشد. آن ها یک جایگزین رادیکال و مهم برای کامپوزیت های پلیمری متعارف است(32-36). سه خصوصیت اصلی بر عملکرد نانوذرات پلیمری اثر دارد: ماتریکس نانواسکوپی پلیمر، اجزای غیر ارگانیک نانومقیاس و ارایش نانومقیاس این اجزا. هدف این تحقیق بررسی بهینه سازی و استفاده کامل از پتانسیل این خصوصیات در صنعت منسوجات است.

بخشی از مقاله انگلیسی:

The increasing demand for multifunctional fabric materials requires a strong multidisciplinary approach as well as the merging of traditional scientific disciplines [1–3]. The first commercial application of nanofinishes is found in textiles in the form of nanoparticles through finishing processes. However, these finishes do not withstand subsequent washing due to poor fixing of these nanoparticles on the textile surface. Assuring improved bonding of the nanoparticles with textile surfaces not only increases the durability property, but also provides an ecofriendly consideration of preventing release of loosely-bound nanoparticles into the environment. Using hydrophobic/hydrophilic functional polymer matrices as the dispersion medium for the nanoparticles will result in polymer nanocomposites (PN) with improved bonding properties and impart desired wettability with different functional properties like ultraviolet (UV) resistance, antimicrobial and flame retardancy which are unique characteristics of different nanoparticles. In this review article, we focus mainly on the applications of PN to textiles for achieving desired wettability, UV protection, antimicrobial and conductivity properties. Nature has already developed PN with an elegant approach that combines chemistry and physics to create super-repellent hydrophobic surfaces. Lotus leaves are unusually water-repellent and keep themselves spotless due to micro protrusions and hydrophobic wax covering the surface [4, 5]. A surface with receding and advanced water contact angle above 150° is considered to be ultrahydrophobic. In fact, surfaces with water contact angle more than 150° can be developed by introducing proper roughness on a material’s boundary having low surface energy [6–8]. Classical work of Wenzel [9] and Cassie and Baxter [10] established that roughness as well as surface energy are the factors that determine wettability of a surface. It was proved that increasing the surface roughness enhances both hydrophilicity of hydrophilic surfaces and hydrophobicity of hydrophobic surfaces. Therefore, addition of nanoparticles to the hydrophobic/hydrophilic functional polymers will improve the properties of the polymer with additional incorporation of the functional properties of nanoparticles. Gao and McCarthy emphasized that contact angle hysteresis (the difference between the advancing and receding contact angles), and not high contact angle, controls water-repellency of a surface [11]. Moisture management/hydrophilic finishes on textiles are very important to impart absorbency, which is one of the main considerations in the applications of sportswear which are generally made with functional jersey with cellulosic fiber on the outside. The mode of action consists of the finest fibrilled microfibers transporting moisture rapidly from the skin through the capillary interstices to the absorbent outer layer. The properties imparted to textiles having PN include UV protection, antibacterial, flame retardancy, antistatic and conductivity. The inorganic UV blockers are preferable to organic blockers as they are non-toxic and chemically stable under exposure to both high temperature and UV. Usually certain semiconductor oxides such as TiO2, SiO2, ZnO and Al2O3 are used as UV blockers [12, 13]. Rayleigh’s scattering is dependent upon the wavelength where the scattering is inversely proportional to the wavelength to the fourth power. This theory predicts that in order to scatter UV radiation between 200 to 400 nm, the optimum particle size will be between 20 to 40 nm. For imparting antibacterial properties, nanosilver, TiO2 and ZnO are used [14–17]. Nanosilver is very reactive to protein when contacting with bacteria and fungus; it will adversely affect the cellular metabolism and inhibit the cell growth [18]. Fabrics treated with nano TiO2 can provide effective protection against bacteria and discoloration of stain due to the photo catalysis effect of this agent [19, 20]. Nano ZnO provides effective photo catalytic properties once it is illuminated by light and it is employed to impart antibacterial properties to textiles [21–23]. Some inert textile surfaces need to be pretreated making certain functional groups available for bonding with PN finishing. Some of the treatments, such as hydroxylamine treatment and plasma discharges, are used for surface pretreatment of fabrics [24, 25]. Plasmatic treatments in several textile substrates like cotton, linen, wool and synthetic fibers were studied proving that this type of treatment increases whiteness degree, removal of waxes and sizing agents, absorption and fixation of dyes and finishing agents, improves durability of functional effects and is able to provide certain functional groups available to bind PN [26–30]. Alay et al. [31] studied the effect of plasma treatment of cotton fabrics on fluorocarbon-based water-repellent finishing. It was found that the hydrophobicity of the fabric is significantly improved after plasma pretreatment and the hydrophobic character is maintained even after five washings with contact angle higher than 120° (Figures 1 and 2).

The PN Finishing Concept in Textile Applications

What are PN and what makes them interesting in textile applications? The answer to these questions resides in the fundamental length scales dominating the morphology and  properties of these materials. PN are an emerging class of mineral-filled polymer that contain relatively small amounts (usually < 10%) of nanometer-sized inorganic particles. They represent a radical alternative to the conventional polymer composites [32–36]. Three major characteristics define and form the basis of PN performance: nanoscopically-confined matrix of polymer; nanoscale inorganic constituents; and nanoscale arrangements of these constituents. The drive for current research is to optimize and enable full exploitation of the potential of their unique characteristics in the textile industry

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

مقدمه
ابعاد فنی استفاده از فراصوت برای تسریع فراوری زیستی انزیمی
تجربی
راکتور شش وجهی فراصوت
آزمایش زیستی دانه پکتیناز ترکیبی / فراصوت
نتایج تجربی
اثر فراصوت بر دانه های زیستی پکتیناز از پارچه پنبه
بحث
نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

مقدمه
از اواسط سال 1990 میلادی، استفاده از آنزیم های مختلف در صنعت نساجی، مانند پنبه بطور قابل توجهی افزایش یافته است، به خصوص در فرآوری طبیعی ، الیاف ارزش بیشتریپیدا کردند. مزیت عمده آنزیم زیستی فرآوری است که استفاده از آنزیم خیلی بیشتر با محیط زیست سازگار است و واکنش های کاتالیز بسیار خاص هستند، بنابراین اطمینان عملکرد بالاتر است. در مقابل، استفاده سنتی از مواد شیمیایی آلی / معدنی برای زیست فراوری انزیمی پنبه تولید مقادیر زیادی از پساب سمی را موجب می شود ، که اغلب عوارض جانبی نامطلوب، مانند کاهش در درجه پلیمریزاسیون سلولز را القا می کنند . آنزیم های مورد استفاده در زیست فراوری انزیمی پنبه ، به عنوان کاتالیزور اقدام به ، سرعت بخشیدن به واکنش های پیچیده زیستی و شیمیایی مانند هیدرولیز سلولز (با سلولاز)، پکتین (توسط آنزیم پکتیناز)، نشاسته (توسط آمیلاز)، و ترکیبات مبتنی بر تری گلیسرید در چربی ها و روغن ها (توسط لیپاز) می کنند.
هنگامی که آن ها به عنوان کاتالیزور عمل می کنند، غلظت نسبتا کمی از آنزیم ها مورد نیاز هستند. اگر شرایط مطلوب به آنزیم های خاص اعمال شود، چندین بار در طول فرآیند تکرار می شود.
دیگر مزایای بالقوه آنزیم زیستی شامل کاهش هزینه از طریق صرفه جویی در انرژی و آب، و بهبود کیفیت محصول است . حتی پذیرش بیشتر آنزیم زیستی توسط صنعت نساجی در آینده نزدیک احتمالا از افزایش فشارهای قانونی، از بخشی از دولت ها در سراسر جهان خواهد بود، که به شدت موجب کاهش مقدار سمی بودن پساب نساجی خواهد شد.
در سال های اخیر، تقاضا در سراسر جهان برای انرژی بالا بوده و منابع نفتی ناپایدار به تدریج گران تر تحمیل می شوند . سوخت های جدید در جابجایی و توسعه یافته اند ، مانند اتانول در مواد خام زیست توده مختلف، از جمله منابع سلولز گیاهی، مانند ماشین پنبه پاک کنی و زباله مورد استفاده قرارگرفته. در حال حاضر، تولید مقرون به صرفه رقابتی برای بیو اتانول سلولزی است که عمدتا توسط هزینه های بالا و بهره وری پایین از هیدرولیز آنزیمی از سلولز گیاهی ممنوع است. با این وجود اخیرا، در هزینه تولید آنزیم سلولئویتیک کاهش قابل توجهی ایجاد شده، تبدیل واقعی سلولز گیاهی به قندها هنوز یک گام گران و کند است.
یکی از مهم ترین مراحل این تبدیل کارخانه سلولز به سوخت های بیولوژیکی استخدام واکنش هیدرولیز بین یک آنزیم بسیار خاص و بستر تطبیق (به عنوان مثال ماشین پنبه پاک کنی / پرز سلولز زباله با سلولاز) ، قندهای محلول، در نتیجه منجر می شود که به راحتی در گام پس از آن به اتانول تبدیل شود. برنامه های کاربردی آنزیم معمولی برای زیست فراوری انزیمی پنبه و ضایعات پنبه سلولز در جدول 1 خلاصه شده است .
علاوه بر مزایای متعدد از زیست فراوری انزیمی پنبه و ضایعات پنبه سلولز، کاستی ها حیاتی – مانند هزینه های فرآوری اضافه شده و مهمتر از همه، نرخ واکنش آهسته – باید ذکر شود. زیست فراوری انزیمی پنبه ، مانند هر سیستم مرطوب دیگر، شامل انتقال جرم (مولکول های آنزیم) از محیط فرآوری مایع (محلول آنزیم) در سراسر سطح بستر است. مکانیزم واکنش های آنزیمی، کاملا پیچیده است،و هنوز در حال بررسی می باشد. در شرایط بسیار کلی، واکنش آنزیمی می تواند با توجه به مراحل شکل 1 انجام شود. حداقل دو مرحله از واکنش های آنزیمی (1 و 4) شامل جابجاییمولکول های آنزیم و محصولات واکنش آنزیمی به سطح بستر توصیف شده اند .
از آنجا که هر دو مرحله توسط انتشار کنترل می شوند ، سرعت واکنش کلی از هیدرولیز آنزیمی می باشد که توسط میزان انتشار مولکول های آنزیم اداره می شود. به طور کلی، مولکول های آنزیم سه بعدی نرخ نفوذ بسیار کم و همچنین تمایل به واکنش با الیاف سلولزی از نخ پنبه ای، که می تواند در آسیب بیش از حد فیبر پدید آید نشان می دهند. پیشنهاد شده است که فراصوت از راه حل های فرآوری آنزیم در شرایط خاص می تواند یک مکانیزم جابجاییبسیار کارآمد تر برای مولکول های آنزیم در سرتاسر لایه مرزی مایع در سطح بستر فراهم کند.

بحث
روند کلی مشاهده شده در طول مطالعات تجربی بر روی دانه های زیستی آنزیمی پارچه پنبه و تبدیل هیدرولیتیک از سلولز ضایعات پنبه به قندهای نشان می دهد که مقدمه ای از یک میدان فراصوت یکنواخت سطح پایین به محفظه واکنش قابل توجهی نسبت به عملکرد آنزیم های دارد و به میزان به قابل توجهی به افزایش نرخ واکنش نشان می دهد . اثرات سودمند انرژی مافوق صوت را می تواند به صورت زیر خلاصه کرد:
الف) شتاب از جابجایی مولکول های آنزیم به سمت سطح بستر / فیبر از طریق لایه مرزی از مایع در رابط مایع جامد بدست می آید. غلظت مولکول های آنزیم در این لایه یک فاکتور کنترل است، که سرعت واکنش کلی را تعریف می کند؛
ب) تحریک شدید لایه مرزی به طور معمول در رابط مایع جامد ، ناشی از فراصوت بی حرکت است ،و کمک می کند تا مولکول های آنزیم موقعیت خود را فقط بر روی بستر ایجاد کنند؛
ج) جلوگیری از هر گونه تجمع ممکن مولکول های آنزیم، که می تواند فعالیت آنزیم را کاهش کاهش دهد؛
د) حذف محصولات هیدرولیز آنزیمی از منطقه واکنش بهبود یافته ، که تسریع سرعت واکنش آنزیمی کلی را موجب می شود؛
ه) “باز کردن” سطح بستر / الیاف به عنوان یک نتیجه از اثرات مکانیکی تولید شده توسط حباب حفره فروپاشی است.
نتیجه گیری
• به نظر می رسد که روش فراصوت از راه حل های فرآوری آنزیم فعالیت خاص مولکول های آنزیم را به هیچ وجه به اندازه قابل توجهی کاهش نمی دهد.
• در مقیاس آزمایشگاهی، معرفی انرژی مافوق صوت در محفظه واکنش در طول آماده سازی های زیستی آنزیمی پارچه پنبه یا آنزیمی زیستی تبدیل سلولز ضایعات پنبه به قندهای منجر به بهبود قابل توجهی در بهره وری آنزیم می شود.
• ترکیب آماده سازی های زیستی آنزیمی و تبدیل سلولز ضایعات پنبه با سطح پایین، با تابش فراصوت یکنواخت می تواند به طور قابل توجهی از این فرایندهای جدید “شیمی سبز” پیشبرد و آن ها را برای اجرای گسترده صنعتی مناسب تر گرداند. این به میزان قابل توجهی می تواند مقدار پساب، مصرف انرژی و هزینه های کلی فرآوری را کاهش دهد.
• این مطالعه همچنین پتانسیل خوبی برای تشدید فرایندهای تکنولوژیک دیگر که شامل انواع مختلفی از آنزیم ها و بسترهای تطبیق می شود فراهم می کند. می توان فرض کرد که، عملا، هر سیستم جامد / مایع که شامل واکنش بین مولکول های آنزیم و بستر جامد است تا حد زیادی از معرفی انرژی مافوق صوت به سیستم بهره مند می شود.

بخشی از مقاله انگلیسی:

INTRODUCTION

Since the middle 1990s, the use of various enzymes in the textile industry has considerably increased, especially in the processing of natural, high value fibers such as cotton. A major advantage of enzymatic bio-processing is that the application of enzymes is much more environmentally benign and the reactions catalyzed are very specific, thus assuring a higher performance. In contrast, the traditional use of harsh organic/inorganic chemicals for cotton processing generates large quantities of toxic wastewater effluents, much less specific, often inducing undesirable side effects, such as reduction in the polymerization degree of cellulose. The enzymes used in cotton bioprocessing, acting as catalysts, speed up complex bio-chemical reactions such as the hydrolysis of cellulose (by cellulases), pectins (by pectinases), starches (by amylases), and triglyceride-based compounds in fats and oils (by lipases). Once they act as catalysts, relatively small concentrations of enzymes are required; if the applied conditions are favorable to the specific enzyme, the action will be repeated several times during the process. Other potential benefits of enzymatic bio-processing include cost reduction through energy and water savings, and improved product quality. Even a larger acceptance of enzymatic bio-processing by the textile industry in the near future will probably result from increasing legislative pressures, from the part of the governments worldwide, to sharply decrease the quantity and toxicity of textile wastewater effluents. In recent years, the high worldwide demand for energy and unstable and progressively more expensive petroleum sources imposed the development of new alternative transportation fuels,1,2 such as bio-ethanol from various biomass feedstocks, including the underutilized sources of plant cellulose, such as cotton gin and lint waste. Currently, the cost-competitive production of cellulosic bio-ethanol is prohibited mostly by the high cost and low efficiency of enzymatic hydrolysis of plant celluloses. Despite the recent,3 substantial reduction in the production cost of cellulolytic enzymes, the actual conversion of plant cellulose into sugars still remains an expensive and slow step. One of the most critical stages of this conversion of plant celluloses into biofuels employs hydrolysis reactions between a highly specific enzyme and the matching substrate (e.g. cotton gin/lint waste cellulose with cellulase), soluble sugars, to be easily converted into ethanol in a subsequent step, thus resulting. The typical applications of enzymes for bio-processing of cotton and cotton waste celluloses are summarized4-7 in Table 1. In addition to the numerous advantages of enzymatic bio-processing of cotton and cotton waste celluloses, several critical shortcomings – such as added processing costs and most important, slow reaction rates – should be mentioned. Enzymatic bioprocessing of cotton, like any other wet processing system, involves transfer of mass (enzyme macromolecules) from the processing liquid medium (enzyme solution) across the surface of the substrate. The detailed mechanism of enzymatic reactions, quite complicated, is still being investigated. In very general terms, the enzymatic reaction could be described according to the stages from Figure 1. At least two stages of the enzymatic reaction (1 and 4) involve transport of the enzyme macromolecules and of the enzymatic reaction products to and from the substrate surface. Since both stages are controlled by diffusion, the overall reaction rate of enzymatic hydrolysis is governed by the diffusion rate of the enzyme macromolecules. Generally, the large threedimensional enzyme macromolecules have very low diffusion rates and also tend to react with the outlaying cellulose fibers from the cotton yarn, which could result in excessive fiber damage. It was suggested8 that sonication of the enzyme processing solution under certain specific conditions could provide a far more efficient transport mechanism for the “bulky” enzyme macromolecules throughout the immediate border layer of liquid at the substrate surface.

DISCUSSION

The general trend observed during the experimental studies on enzymatic bioscouring of cotton fabrics and hydrolytic conversion of cotton waste celluloses into sugars indicates that the introduction of a low-level uniform ultrasound field into the reaction chamber considerably enhanced the performance of enzymes by significantly increasing their overall reaction rates. The beneficial effects of the introduction of ultrasonic energy could be summarized as follows: a) acceleration of the transport of the enzyme macromolecules toward the substrate/fiber surface through the border layer of the liquid at the liquid–solid interface. The concentration of enzyme macromolecules in this layer is a controlling factor, which defines the overall reaction rate; b) vigorous agitation of the normally immobile border layer of the liquid at the liquid–solid interface, caused by sonication, helps the enzyme macromolecules to position themselves “fittingly” onto the substrate; c) prevention of any possible agglomeration of enzyme macromolecules, which could decrease enzyme activity; d) improved removal of the enzymatic hydrolysis products from the reaction zone, which accelerates the overall enzymatic reaction rate; e) “opening up” of the surface of the substrate/fibers as a result of the mechanical impacts produced by the collapsing cavitational bubbles.

CONCLUSIONS

• It appears that sonication of the enzyme processing solution does not reduce the specific activity of the enzyme macromolecules in any significant way. • At a laboratory scale, the introduction of ultrasonic energy in the reaction chamber during the enzymatic biopreparation of cotton fabrics or enzymatic bio-conversion of cotton waste celluloses into sugars resulted in a significant improvement in enzyme efficiency. • The combination of enzymatic biopreparation and enzymatic bio-conversion of cotton waste celluloses with a low-level, uniform ultrasound irradiation could significantly advance these new “green chemistry” processes and make them more suitable for widespread industrial implementation. This could considerably reduce the amount of wastewater effluents, energy consumption and overall processing costs. • This study also provides a good potential for intensifying other technological processes that involve various types of enzymes and matching substrates. One can assume that, practically, any solid/liquid system that involves a reaction between the enzyme macromolecules and the solid substrate would greatly benefit from the introduction of ultrasonic energy into the system.