الیاف پلیمری مصنوعی (5)

الیاف آرامیدی

روش دومی که برای تولید الیاف پلیمری سخت وبا استحکام بالا استفاده می شود روش کریستال مایع است.این روش مربوط می شود.به تولید واکسترود کردن پلیمرهای با زنجیره ملکولی صلب ومیله ای .ازلحاظ تاریخی می توان گفت که تحقیقات در زمینه ی تولید پلی امیدهای آروماتیک با زنجیره ی سخت از میانه ی قرن بیستم میلادی شروع شد. به هرحال یک مسئله به زودی کشف شدوآن این بود که پلی آمیدهای آروماتیک خصایت حل شدن ضعیفی دارند که این مسئله حل نشدن آنها در حلال ها یک تنگنا محسوب می شد.درسال 1965 ،استفانی کولک ( Stephanie Kwolek) (یک دانشمند تحقیقاتی درکمپانی دوپون) کشف کردکه اسید آمینو بنزوئیک پارا می تواند در واکنش پلیمریزاسیون شرکت کرد ودر شرایط معین به صورت محلول مایع وکریستالی درآید که این محلول کریستای مایع وصلب را می توان ریسندگی کرد.این کشف را می توان مقدمه ای درتولید الیاف آرامیدی بیان کرد .بعدها این مسئله فهمیده شد که پلیمری که از واکنش پارا - فنیلن دی آمین واسید تترافتالیک تولید می شود، بهتر است . در ادامه به توصیف فرآیند تولید، ساختاروخواص الیاف آرامیدی می پردازیم.

تولید

واژه ی آرامید در الیاف آرامیدی فرم کوتاه شده ی پلی آمیدهای آروماتیک است.همانگونه که می دانیم پلی آمیدهای سنتی ومرسوم مانند نایلون دارای واحدهای آلیفاتیک وسیکلو آلیفاتیک در ساختار زنجیره ی ماکرو ملکولی شان هستند وآرامید نام عمومی گروه مهمی از الیاف است. هیئت تجارت فدرال ایالات متحده ی امریکا، آرامید ها را این گونه تعریف می کند: آرامیدها،الیافی مصنوعی هستند که مواد تشکیل دهنده ی این الیاف پلی آمیدهای مصنوعی با زنجیره ی طویل هستند. 85% از اتصالات آرامیدی در این پلیمرها به طور مستقیم به دو حلقه ی آروماتیک متصل است. نام های تجاری مختلفی برای الیاف آرامیدی انتخاب شده است. کمپانی دوپون نام های کولار (kevlar) ونومکس (Nomex) را برای این الیاف انتخاب کرده است.همچنین کمپانی تیجین ( Teijin) نام های تجاری تی جین کنکس (Teijin conex) وتکنورا ( Tech nora) وکمپانی آکزو (Akzo) نام تجاری توارون ( Twaron) را انتخاب کرده است. تفاوت اصلی میان کولارونومکس دراین است که کولار دارای حلقه های آروماتیک درحالت پاراست درحالی که نومکس دارای حلقه های آروماتیک درحالت متاست. درواقع کولار دارای یک ملکول متقارن است که پیوندهای اتصالی به هر حلقه ی آروماتیک حالت موازی دارد ولی نومکس دارای زاویه ی پیوند 120 درجه است.
شاید تکرار توضیحاتی درمورد برخی از واژگان دراین زمینه بد نباشد.الیاف آرامیدی نام عمومی گروهی از الیاف آلی هستند که به آنها الیاف پلی آمید آروماتیک می گویند.نایلون نام عمومی برای هر پلی آمید با زنجیره ی طویل است که کمتر از 85% گروه های آروماتیک دارد.الیاف آرامیدی مانند نومکس وکولار ترکیباتی حلقوی هستند که ساختارآنها بر پایه ی بنزن است ( درواقع برخلاف نایلون که برای تولید آن از ترکبیات خطی استفاده می شود.) ساختار شیمیایی اصلی الیاف کولار دارای واحدهای آروماتیک جانشین در حالت پاراست که استقلال حرکتی زنجیره را محدود می کند .و باعث می گردد که پلیمر صلب ومیله ای مانند گردد. این ساختار صلب ومیله ای مانند باعث می گردد دمای انتقال به حالت شیشه ای بالا رود وحلالیت پلیمر کاهش یابد.همچنین این مسئله باعث می گردد تا ریسندگی پلیمر باروش های معمولی ومتداول مشکل باشد. به جای آن مجبوریم این پلیمر را به روش ریسندگی از محلول پلیمری درحالت کریستال مایع به فیبر تبدیل کنیم.بسیاری از پلیمرهای آروماتیک را می توان با روش ریسندگی کریستال مایع به الیاف با مدول بالا تبدیل نمود.از لحاظ تئوری ،این مسئله مورد انتظار است که پلیمرهای با چنین ساختار ملکولی صلب ومیله ای مانند باعث پدید آمدن الیاف با ساختار بسیار سخت وجهت دار می گردد.وحتی بدون فرآیند کشش نیز ساختاری جهت دار پدید آید.به هر حال دراین پروسه دومشکل عملی وجود دارد:
1) این پلی آمیدهای آروماتیک دارای دمای ذوب نسبتاً بالایی هستند ویا آنها در دماهای بالا ذوب نمی شوند. بلکه متلاشی می شوند. بنابراین نمی توان آنها را ذوب وریسندگی کرد.
2) ویسکوزیتدی محلول ایزوتروپیک این پلیمرها بسیار بالاست.بنابراین محلول آنها برای ریسندگی مناسب نیست به هر حال، این مسئله مشاهده شده است که یک چنین سیستم هایی تحت شرایط مناسب غلظت ، حلال ، وزن ملکولی، ودما و...ایجاد محلول کریستال مایع می کنند. برای اینکه مفهوم کریستال مایع را بهتر بشناسیم بهتر است درمورد آنها توضیح دهیم. یک کریستال مایع دارای ساختاری بینابین یک کریستال منظم سه بعدی ویک مایع ایزوتروپیک نامنظم است.دونوع عمده از کریستال های مایع وجود دارد که عبارتند از :لیوتروپیک ( Motropic ) و ترموتروپیک (Thermotropic)
کریستال های مایع لیوتروپیک از محلول های پلیمری با ویسکوزیتدی پایین بدست می آیند که غلظت محلول درحدی بحرانی است.درحالی که کریستال های مایع ترموتروپیک از مذاب پلیمرها در لحظه ای از ویسکوزیتد پایین است، بدست می آید.لپی آمیدهای آروماتیک والیاف آرامیدی از نوع کریستال های مایع لیوتروپیک هستند .این پلیمرها دارای نقطه ذوب بالایی هستند ودر واقع دمای ذوب آنها به دمای تجزیه ی آنها نزدیک است.بنابراین باید این پلیمرها را بوسیله ی یک حلال مناسب مانند اسید سولفوریک حل و ریسندگی نمود.به عبارت دیگر پلی استرآروماتیک یک پلیمرکریستال مایع از نوع ترموتروپیک است.این نوع پلیمر را می توان از طریق قالب گیری تزریقی، اکسترود ویا ذوب کردن ، ریسندگی کرد.

انواع بسیاری از کریستال های مایع وجود دارند. درشکل 1 ساختار تعدادی از این کریستال های مایع آورده شده است.همه ی این مواد دارای قلمروهای منظم هستند وتفاوت عمده ی آنها جهت قرارگیری این قلمروهای منظم در مایع است.جهت گیری های خاص این کریستال ها مسئله ی مهمی است که مد نظر ماست.
نکته ی مهم درمورد الیاف آرامید این است که ویسکوزیتدی محلول ایزوتروپ با افزایش غلظت پلیمرافزایش می یابد تا جایی که فاز آن - ایزوتروپ شروع به تشکیل کند. درنقطه ی تشکیل فاز آن- ایزوتروپ ویسکوزتیه افت شدیدی پیدا می کند.محلول های تولیدی از پلیمرهای میله مانند در غلظت معین پلیمر از خود خاصیت تبدیل شدن از حالت ایزوتروپ به حالت فاز کریستال مایع از نشان می دهند. همانگونه که می دانید پلی آمیدهای مرسوم مانند نایلون عمدتاً دارای واحدهای سیکلو آلیفاتیک ویا آلیفاتیک درساختار زنجیره ی ماکرو ملکولشان هستند.این مسئله باعث می شود تا آنها به آسانی ذوب وبه فیبر تبدیل شوند. تولید الیاف آرامیدی با پلیمریزاسیون تراکمی محلول دی آمین وهالیدهای دی اسید در دمای پایین شروع می شود. پلیمریزاسیون تراکمی پارا - فنیلن دی آمین (PPD) وتترا فتالویل کلراید (Tcl) دریک حلال دی آلکیل آمید مثالی از این پلیمریزاسیون است. حلال های آمیدی مورد استفاده عبارتند از N متیل یپرولیدول ودی متیل استامید به صورت تک تک یا مخلوط . این محلول ها عموماً به همراه نمک های غیر آلی مانند کلرید لیتیم یا کلرید کلسیم استفاده می شوند.پلیمرتولیدی بوسیله ی آب رسوب داده می شود .سپس خنثی، شسته وخشک می شود. پلی پارا- فنیلن تترافتالامید ( PPTA) پلیمری است که در حلال های معمولی غیر محلول است اما در اسیدهای قوی مانند اسید سولفوریک غلیظ حل می گردد. مهمترین پیش نیاز برای تولید الیاف با مدول و استحکام بالا این است که محلول تهیه شده برای فرآیند ریسندگی دارای نظم خاصی از کریستال مایع باشد. کریستال های مایع به خاطر وجود قلمروهای منظم از لحاظ اپتیکی آن - ایزوتروپ هستند. این مسئله را می توان بوسیله ی نگاه کردن به یک کریستال مایع (مانند یک محلول اسید سولفوریک و آرامید) مشاهده کرد. این مسئله خاصیتی ذاتی برای محلول های کریستال مایع است که برای تولید الیاف آرامیداز آن استفاده می شود. ساختار فیبرمانند یک فیبر آرامیدی به خاطر موازی قرار گرفتن کریستال های پلیمر درجهت موازی با محور فیبر بوجود می آید. پلی آمیدهای آروماتیک جهتداراز محلول کریستال مایع ودر شرایط غلظت ، دما وحلال معین تولید می شوند.

برای تولید الیاف آرامیدی روش ریسندگی تر- خروج خشک استفاده می شود .این فرآیند درشکل 2 نشان داده شده است. پلیمریزاسیون تراکمی محلول دی آمین وهالیددی اسید در دمای پایین (درحدود صفر درجه سانتیگراد) باعث تولید پلی آمید می گردد.استفاده از دمای پایین به خاطر این است که از تولید محصولات فرعی جلوگیری می شود.وهمچنین شرایط تشکیل پلی آمیدخطی فراهم شود. پلیمر تولیدی سپس به صورت پودری شسته شده وخشک شده در می آید. بعد از آن این پودر در داخل اسید سولفوریک غلیظ ( H2 SD4) حل می گردد ومحلول از میان رشته ساز عبور می کند.این پروسه در دمای 100 درجه سانتیگراد انجام می شود. رشته های پلیمری قبل از ورود به حمام آب سرد ( با دمای 4-0 درجه سانتیگراد)، از جریانی از هوا به ضخامت 1CM عبور می کنند.فیبر درهنگام عبور از فاصله ی هوایی انعقاد پیدا می کند.واسید موجود در آن در هنگام عبور از حمام انعقاد جدا می شود.باریک بودن رشته ها وفاصله ی هوایی باعث می شود قلمروهای بیشتری هم جهت شوند واین مسئله موجب نظم ،کریستالینیتی وجهتداری بیشترالیاف در طی فرآیند ریسندگی می شود. فاصله ی هوایی همچنین باعث می شود تا عملیات ریسندگی در دمای بالاتری انجام شود. این دمای بالاتر باعث می شود تا از محلول های غلیظ تری برای ریسندگی استفاده کنیم وبتوان از سرعت های بیشتری برای ریسندگی استفاده کنیم.
( این سرعت ها حتی به چند صد متر بر دقیقه نیز می رسد) درفرآیند ریسندگی تر - خروج خشک ساختار زنجیره ملکولی جهتدار است .وهمچنین زنجیره های ملکولی تولیدی حالت کشیده دارند. فرآیندهای متداول ریسندگی مانند ریسندگی تر یاخشک این نیاز را دارند که بعد از فرآیند تولید فیبر،فرآیندهایی مانند کشش درجهت ایجاد خواص ممتاز در فیبر ،انجام شود.
علاوه برشکل مداوم الیاف ،الیاف آرامیدی کولار دارای چندین شکل غیر مداوم مانداستیپل، فلوک (Floc) ، تفاله ای (pulp) و...می باشد. شکل تفاله مانند (pulp) این الیاف را می توان در پوشش ها ، چسب ها ودرزگیرها استفاده کرد.انواع شکل های غیر مداوم کولار را می توان به عنوان تقویت کننده درکامپوزیت های زرینی مانند اپوکسی استفاده کرد.

خواص الیاف آرامیدی

برخی از خواص مهم الیاف کولار در جدول 1 آورده شده است. همانگونه که درجدول 1 آورده شده است می بینید الیاف کولار بسیار سبک هستند ودارای سفتی واستحکام کششی بالایی هستند دونوع معروف از الیاف کولار،کولار 49 وکولار 29 هستند وکولار 29 دارای مدولی برابر یک دوم مدول کولار 49 است اما کرنش شکست آن دو برابرکولار 49 است.این کرنش بالای کولار 29 باعث شده است تا از آن برای تولید جلیقه های ضد گلوله استفاده شود.این مساله باید تذکر داده شود که الیاف آرامیدی مانند سایرالیاف با کارایی بالا دارای استحکام فشاری ضعیفی هستند.استحکام فشاری الیاف آرامیدی تقریباً یک هشتم استحکام کششی آنهاست. این مسئله به خاطر ماهیت آن -ایزوتروپ این الیاف است. درهنگامی که نیروی کششی براین الیاف اعمال شود. پیوندهای کوالانسی قوی موثرند واین درحالی است که درهنگام اعمال نیروی فشاری پیوندهای ضعیف هیدروژنی و واندرو الس درگیر هستند.بنابراین الیاف آرامیدی برای کاربردهایی که با نیروهای فشاری دست وپنجه نرم می کنند، مناسب نمی باشند.الیاف آرامیدی کولار دارای خاصیت ضربه گیری خوبی هستند.کامپوزیت های کولار - اپوکسی دارای فرسودگی یک پنجم نسبت به کامپوزیت های فایبر گلاس هستند.

مانند سایر پلیمرها، الیاف آرامیدی نیز به تابش اشعه ی فرا بنفش حساس هستند. هنگامی که این الیاف به مدت طولانی تحت تابش فرا بنفش باشد،رنگ آنها تغییر می کند. (از زرد به قهوه ای )و خواص مکانیکی آنها کاهش می یابد. تابش طول موج خاص از امواج می تواند باعث تخریب یک پلیمر شود که علت آن جذب آن طول موج به وسیله ی پلیمر و شکست پیوندهای شیمیایی می باشد. براساس داده های منتشر شده بوسیله ی کمپانی دوپون ناحیه ی جذب نور بوسیله ی الیاف کولار در محدوده ی 300-400 نانومتر است.این محدوده ی جذب در ناحیه ی طول موج نورمرئی وفرا بنفش است.بنابراین کمپانی دوپون سفارش کرده است که الیاف آرامیدی کولار را نباید درنزدیکی لامپ های فلئورسنت ویادرکنار پنجره ها انبار کرد.
منبع انگلیسی مقاله : fibrous materials/k.k. chawla