فرآیند ساخت و تولید صفحات الکتریکی پارچه‌ای

در این مقاله فرآیند ساخت و تولید صفحات الکتریکی (Electric Board) از جنس پارچه به اختصار بررسی شده است. در زندگی روزمره تا به‌حال در صفحات الکتریکی زیادی و یا به عبارتی کیت‌های الکتریکی زیادی همانند صفحه‌ اصلی کامپیوتر (مادر بورد) و یا انواع و اقسام صفحات دیگر برخورد کرده‌ایم. این صفحات معمولاً از موادی سخت ساخته می‌شوند به‌طوری که در درون ساختمان خود در نقاطی خاص رسانا و در نقاطی دگر نارسانا می‌باشند. و همچنین می‌توانند درجه حرارت‌های بالا را به راحتی تحمل نمایند. در این مقاله با الهام از صفحات الکتریکی متداول و خواص آنها به بررسی ساخت، صفحه‌ای از جنس پارچه پرداخته شده است که در ادامه به شرح آن پرداخته خواهد شد.
● مقدمه
صفحات الکتریکی در ابعاد بسیار وسیع در زندگی روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند. کافی است به مادربورد کامپیوتر نگاه کنیم، که نوعی صفحه هوشمند و پیشرفته است و یا اگر به دورن تلویزیون نگاه کنیم با انواع صفحات الکتریکی روبه‌رو می‌شویم که همه آنها شامل تعداد زیادی خازن، آی سی، مقاومت، دیود و... می‌باشند. مشخصه اصلی این صفحات سخت بودن آنهاست، یعنی این صفحات حالت جامد و حالت صفحه‌ای سخت را دارا هستند که توسط پیچ از کناره‌ها به بدنه دستگاه متصل شده‌اند.
تمام این صفحات دارای حالت سخت و با ابعاد مشخص هستند که در درون ساختار خود شامل نقاطی خاص می‌باشند که بنا به کاربرد، آن نقاط از درون به هم متصل و یا آنکه از هم منفصل می‌باشند. نقاط متصل به هم در ساختار صفحه می‌تواند به‌صورت منظم و یا نامنظم باشد. چنانچه صفحه شامل نقاطی در درون ساختارش باشد که آن نقاط به‌صورت منظم به هم متصل شده باشد به آن صفحه ساده می‌گویند و چنانچه نقاط درون ساختار صفحه به صورت نامنظم و بنا به طرح مورد نظر به هم متصل باشد به آن صفحه حرفه‌ای گفته می‌شود، که در اکثر دستگاه‌ها از صفحه نوع دوم استفاده می‌شود و صفحه نوع اول بیشتر جنبه آزمایشگاهی دارد.
طراحی صفحه معمولاً توسط مهندسان الکترونیک صورت می‌گیرد و بسته به کاربرد صفحه، می‌تواند شامل نقاط ساده و مسیرهای ساده باشد و یا آنکه بسیار پیچیده بوده که معمولاً اجراء ساخت این صفحات توسط رایانه صورت می‌پذیرد. همان‌طور که بیان شد در صفحه الکتریکی، یک‌سری از نقاط به هم متصل هستند و در واقع آن نقاط جریان را به نقطه بعدی انتقال می‌دهند و در یک سری دیگر نقاط هیچ‌گونه اتصال الکتریکی به هم ندارند که این نقاط نمی‌توانند هادی جریان بین خویش باشند. همان‌طور که می‌دانیم پارچه‌تاری پودی، از تار در راستای عمودی و پود در راستای افقی تشکیل شده است. چنانچه ساخت صفحه ساده مدنظر باشد بنا به طرح صفحه، می‌توانیم جنس نخ تار را از الیاف نارسانا و جنس نخ پودر را از الیاف رسانا یا بالعکس انتخاب کنیم. ماشین‌های بافندگی ژاکارد، راپیری و یا هر ماشینی که بتواند طرح مورد نظر را پیاده کند، جهت انجام عملیات بافندگی مناسب است. همان‌طور که می‌دانیم ماشین ژاکارد می‌تواند با دستور به هر نخ تار به طور تک تک در نقطه‌ای تار را در رو و در نقطه‌ای دیگر پود را در رو قرار دهد. همین کافی است که نقاط مورد نظرمان را در رو یا زیر قرا دهیم و به‌طور مثال چنانچه نخ پود هادی جریان الکتریسته باشد نقاطی از پودر که در روی بافت است می‌تواند نقش نقاط خاص روی صفحه را بازی کرده و در صورت جریان دادن به پودها، مدار الکتریکی را تشکیل داد. باید در انتخاب الیاف به کار رفته در نخ‌ها، چه تار و چه پود دقت لازم را مبذول داشت. چون این الیاف باید در برخی نخ‌ها، هادی جریان و در برخی دیگر نارسانا باشند و بنا به شرایط کاربرد صفحه نرم و یا انعطاف‌پذیر باشند و مهمتر از همه اینکه در مقابل حرارت ناشی از انتقال جریان ذوب یا متلاشی نشود.
چنانچه لیف نارسانا، مدنظر باشد، الیاف پلی استر، نایلون، شیشه و سرامیک بهترین انتخاب اند، چنانچه لیف مقاوم در مقابل حرارت مدنظر باشد، الیاف شیشه، کربن، کولار، نومکس (کلا آرامیدها) و... مدنظر هستند و چنانچه لیفی هم رسانا و هم مقاوم در برابر حرارت بخواهیم بی‌شک الیاف کربن بهترین گزینه است و سرانجام چنانچه لیف نارسانا و مقاوم در برابر حرارت بخواهیم الیاف شیشه بهترین گزینه هستند.
البته در این مورد محدودیت لیف وجود ندارد زیرا با پوشش‌های پلیمری مناسب می‌هٔوان لیف را به‌صورت نارسانا و یا آنکه مقاوم در برابر حرارت تبدیل نمود. در یک آزمایش نخ نارسانا و همچنین با مقاومت حرارتی بالا در نخ تار قرار گرفته و نخ نارسانا و مقاوم در برابر حرارت در نخ پودر واقع می‌شود.
ویژگی‌ نخ پود انتخابی اهمیت به‌سزائی دارد. در نخ پود الیافی که انتخاب می‌شوند باید سعی شوند خصوصیت هدایت جریان الکتریسته را دارا بوده و همچنین همان‌طور که اشاره شد، مقاومت حرارتی بالائی داشته و در صورت لزوم نرمتر از نخ تار باشد تا در هنگام قرار گیری در بافت، تنش ناشی از بافت را به حداقل برساند زیرا سختی نخ تار جهت استحکام صفحه لازم و کافی به‌نظر می‌رسد. چنانچه در نخ پود خصوصیت هدایت الکتریسیته نیز می‌هٔواند جریان الکتریسته را از خود عبور دهند.
چنانچه بخواهیم صفحه‌ای را طراحی کنیم که انعطاف‌پذیر باشد و بتوانیم همانند یک پارچه به این صفحه نگاه کنیم، کافی است در نخ تار صفحه از الیاف نرم و انعطاف‌پذیر استفاده نمائیم، یعنی استفاده از پلیمرهائی که با رنگزاهای هادی الکتریسته رنگرزی شده‌آند و بعد پلیمر رنگرزی شده را در نخ پود به کار بندیم.
همچنین می‌توانیم در نخ تار صفحه از الیاف نرم و انعطاف پذیر استفاده نمائیم، یعنی استفاده از پلیمرهائی که انعطاف‌پذیری خوبی دارند همانند پلی استر و نایلون که در نتیجه صفحه را به سمت صفحه‌های قابل پوشش (Wearable) نزدیک می‌سازد و چنانچه بخواهیم حتماً صفحه مورد نظر قابلیت پوشش داشته باشد باید از دانسیته پارچه کم کرد زیرا سنگینی پارچه باعث آزار فرد پوشنده صفحه خواهد شد و در نتیجه در این طرح الیاف فلزی که دانسیته بالائی دارند از گزینه‌ەای انتخابی حذف شده و در عوض استفاده از پلیمرهای هادی سبک مانند الیاف کربن و یا الیاف پلیمری هادی شدهتوسط رنگ منطقی به نظر می‌رسند. چنانچه بخواهیم بیشتر به صفحه خاصیت پارچه بودن را بدهیم، در دید اول استفاده از نخ‌های مخلوط پنبه و پلی‌استر منطقی به‌نظر می‌رسد، اما با کمی تامل در می‌یابیم که پنبه جاذب رطوبت بوده و با جذب عرق بدن عملاً موجبات ایجاد اتصالی در مدار را فراهم کرده و منجر به سوختن کیت یا دستگاه ما خواهد شد. پس بهتر است پارجه ۳ بعدی همانند شکل پارچه ۳ لا را طراحی کرده و خوصا مورد نظر را در آن اعمال کنیم.
این پارچه‌های ۳ بعدی از چند لایه به هم چسبیده پارچه که به طرق مختلف مثلاً سوزن زنی به هم جسبیده‌اند ساخته می‌شوند. در یک طرح پیشنهادی این پارچه ۳ لایه دارد:
۱) لایه ۱، پارچه‌ای از جنس پنبه خالص، بافته شده به روش حلقوی یا تار و پودی و یا حتی بی بافت
۲) لایه ۲ ، پارچه‌ای که جذب رطوبت آن صفر بوده مثل پلی اتیلن و یا آنکه پارچه‌ای که پلیمری نارسانا روی آن روکش است.
۳) لایه ۳ ، پارچه مورد نظر که تاری پودی بوده و بر حسب شرایط، نارسانا و یا رسانا است. چنانچه بخواهیم پارچه یا صفحه الکتریکی اطلاعات را از بدن دریافت دارد و یا کاربرد مستقیم روی بدن داشته باشد. کافی است فقط از لایه سوم به تنهائی استفاده کرد. مثلاً چنانچه بخواهیم پارچه‌ای ساخته که از طریق اتصال به بدن ضربان قلب را کنترل کرده و یاانکه این پارچه، طبق دستور پزشک در لحظه‌ای خاص، شوک معینی را به محدوده مورد نظر روی بدن اعمال کند، این تکنیک مناسب است.
چنانچه بخواهیم، به‌طور مداوم استفاده کنیم در هر بار تعرق بدن و ترشح عرق و چربی از منافذ پوست، این مواد روی پارچه منتقل شده و باعث می‌شود پارچه حالت نیمه عایق گرفته و کارآئی خود را تا حد زیادی از دست بدهند و چنانچه تکمیل ضد چرک خللی در هدایت الکتریکی پارچه ایجاد نکند این مشکل را نیز مرتفع کرده‌ایم. (استفاده از تکمیل ضد چرک توسط فرآیند نانو به‌علت مخارج زیاد آن در حال حاضر منطقی نیست).
چنانچه بخواهیم به صفحه الکتریکی به دید صنعتی نگاه کرده و از حالت قابل پوشش بودن آن فاصله بگیریم. آزادی عمل بیشتری خواهیم داشت و افزایش دانسته نخ و پارچه و به عبارتی تراکم بافت بالاما را به صفحات الکتریکی متداول امروزی نزدیک می‌سازد.
● ساخت صفحه ساده
در مرحله اول در ساخت صفحه الکتریکی طرح ساده آن مدنظر بوده و ماشین بافندگی ماکوئی و یا حتی دستی نیز جوابگوی کار در حد آزمایشگاهی خواهد بود. نخ تار مورد استفاده پلی‌استر بوده که نارساناست و نخ پود از جنس الیاف کربن انتخاب گردیده است (البته گزینه‌های دیگر مانند هرلیفی که قابلیت هدایت جریان الکتریسته را دارا می‌باشد، آزمایش را محدود نکرده و قابل استفاده است).
باید توجه داشت که بین ۲ پود رسانا به‌طور متناوب ۱ پودر نارسانا باید قرار گیرد، زیرا چنانچه به پود اول جریان مثبت و به پود دوم جریان منفی بدهیم در صورت عدم وجود پود نارسانا مدار اتصالی کرده و عملاً برقراری جریان و تشکیل مدار غیر ممکن است (شکل مربوط به نحوه قرارگیری پود نارسانا)
در صورت عدم رعایت قاعده فوق‌اتصالی در مدار رخ خواهد داد. جنس پود نارسانا می‌تواند از جنس نخ تار بوده ولی چنانچه همسانی در پودها را خواسته باشیم باید ترجیحاً به سراغ طراحی نخ سومی به نام پود خنثی برویم که حداقل از لحاظ ظاهر به پودهای رسانا شبیه باشد.
مشکل اساسی در ساخت این گونه صفحات این است که بافتن صفحه با ماشین‌ی بافندگی اصلاً مقرون به صرفه نیست که بخواهیم به‌طور مثال برای ابعاد حداکثر (۱m*۱m)، از چند سیکل ماشین بافندگی استفاده کنیم. البته بعضی معتقد هستند که می‌هٔوان این پارچه‌ها را در ابعاد وسیع تولید کرد و سپس برش داد که در پاسخ به این نظریه باید گفت که عملیات برش از کیفیت صفحه مورد نظر کاسته و ممکن است خواص صفحه را تحت تأثیر قرار دهد، پس فعلاً منطقی‌ترین راه ماشین بافندگی دستی و یا ماکوئی و یا دستگاه‌های بافندگی آزمایشگاهی است به‌طوری‌که بتوانیم با تعداد مشخصی تار و پود به تراکم مورد نظر در صفحه دست یابیم.
نکته قابل توجه اینکه چون صفحات الکتریکی در ابعاد کوچکتر از پارچه‌های مصرفی در صنعت نساجی تولید می‌شوند و از طرفی در بافت آنها از الیاف مصنوعی استفاده می‌شوند، لذا تار و پود نسبت به موقعیت خود حرکت کرده و ممکن است با کشیدن نخ پود بتوانیم آن را از بافت خارج کنیم.
منطقی‌ترین راه حل، پوشاندن یک طرف پارچه با چسب یا رزین‌های مخصوصی مانند پلی وینیل الکل و سپس حرارت دادن این مواد جهت تثبیت بر روی پارچه است. از مشخصات پلیمر یا چسب مصرفی این است که ۱۰۰ درصد غیرهادی بوده و عملاً هیچ‌گونه واکنشی با الیاف در تار یا پود نداده و در ضمن در مقابل حرارت نیز مقاوم بوده و تجزیه نشود.
به‌طور کلی با انتقال جریان به درون لیف رسانا و فراهم کردن محیطی مناسب اطراف نخ رسانا در واقع مدار الکتریکی را به درون پارچه منتقل کرده‌ایم که این پارچه بهتنهائی تمام قابلیت یک صفحه الکتریکی ساده را دارا می‌باشد و چنانچه در طراحی پارچه ذهنیت بافت را به سمت صفحه پیچیده سوق دهیم در آینده نه چندان دور، قادر به تولید پارچه‌هائی خواهیم بود که از لحاظ کارآئی همانند صفحات حرفه‌ای خواهند بود و علاوه بر آن دارای مزیت‌های فراوانی از جمله قابلیت پوشیدن صفحه همانند یک لباس، ابعاد کوچکتر وزن کمتر، افزایش سرعت انتقال الکترون در مدار و غیره را دارا خواهند بود. چنانچه بخواهیم یافت که نیازی نیست که تمامی پودهای صفحه رسانا باشند بلکه متناسب با کارکرد و نوع صفحه می‌توان تعدادی پود را در بافت پارچه رسانا در نظر گرفت و در محل‌های خاصی از صفحه که لازم است با عبور جریان، مدار در آن نقطه تشکیل شود رسانا بودن پود را مد نظر بگیریم.
پس با این تفکر می‌توان بسیاری از هزینه‌های ساخت صفحه را کاهش داد. چنانچه استفاده از الیاف فلزی مدنظر باشد روش کار کمی متفاوت خواهد بود. می‌دانیم الیاف فلزی که از برش صفحات فلزی که پشت و روی آنها با ماده پلیبمری پوشیده شدهاست ساخته می‌شوند. حال چنانچه الیاف فلزی در بافت پارچه مورد نظر به کار رود می‌توانیم روکش پلیمری آن را در نقطه‌ای خاص در اثر حرارت و گرما ذوب کرده و به‌عنوان نقطه‌ای آزاد جهت اتصال عناصر الکتریکی در نقطه در نظر بگیریم بدون آنکه رو یا زیر بودن پود از اهمیت برخوردار باشد.

منابع:
۱) کتاب شیمی نساجی - تألیف دکتر بهزاد احمد ی جلد ۱، ۲ و ۳
۲) فیزیک الیاف - تألیف دکتر حسین توانائی
۳) مکانیزم و تکنولوژی ماشین‌های بافندگی - تألیف دکتر هوشمند بهزادان و مهندس شاهپور وزیر دفتری
۴) سنتز پلیمرها - تألیف پل رمپ و ادوارد مریل
۵) تکمیل در صنعت نساجی - تألیف دکتر حسین توانائی
۶) خصوصیات الیاف نساجی - تألیف محسن حاجی شریفی و جواد ساسان نژاد.
تهیه و تنظیم: مهندس روزبه سالاری - مهندس حبیب‌اله طیبی - دکتر محمد اسماعیل یزدانشناس

منبع : ماهنامه نساجی امروز