الیاف پلیمری مصنوعی (3)

الیاف تک کریستال پلی دی استیلن ( Polydiacetylene Single Crystal fiber) ما قبلا درمورد درجه ی کریستالینیتی در پلیمرها صحبت کردیم. همچنین این حقیقت را گفتیم که تولید یک پلیمر 100% کریستالی بسیار مشکل است.مخصوصا درمورد الیاف تک کریستالی پلی دی استیلن این مسئله نمود دارد. درواقع این الیاف به روش پلیمریزاسیون حالت جامد تولید می شوند.دراین فرآیند مونومر تک کریستال به روش رسوب از فاز بخار (Dapor phase deposition) یا رسوب ازیک محلول آبکی بدست می آید.این مونومر سپس بوسیله ی پلیمریزاسیون حالت جامد ( به صورت هموژن یا هتدوژن) به پلیمر تبدیل می شوند. دراین فرآیند پلیمریزاسیون از تابش سینگروترونی ( Synchrotron radiation) ، اشعه ی گاما ویا گرما برای فعال سازی وشروع پلیمرایزاسیون بهره گرفته می شود. الیاف تولیدی بوسیله این روش دارای نقایصی هستند مثلا این الیاف دارای طول بسیار کوتاهی هستند. این طول از 5- 10 سانتیمتر تجاوز نمی کند.همچنین تولید آنها نسبتا آهسته است.همچنین این مساله باید اضافه گردد که تنها دی استیلین را می توان به روش پلیمریزاسیون حال جامد به صورت تک کریستال تولید کرد واین تکنیک برای سایر سیستم های مشابه قابل کاربرد نیست.

الیاف الاستومری (elastomeric fibers)

الا ستومرها را می توان به روش بسیار کلی تعریف کرد. برطبق این تعریف کلی وعمومی الاستومرها پلیمرهایی هستند که رفتار رابرای (rubbery behavior) دارند.یعنی آنها رفتار الاستیک غیر خطی دارند. انجمن آزمایش ومواد آمریکا (ASTM) تعریفی دقیقتر از الاستومرها ارائه کرده است. برطبق این تعریف یک الاستومر ماده ای است که می تواند در دمای اتاق به طور مکرر کشید شود و حداقل به اندازه ی دو برابر طول اولیه اش کش آید. وسریعاً پس از برداشتن نیروی وارده برآن به طور تقریبی به اندازه ی اولیه ی خود برگردد. بنابرتعریف ارائه شده بوسیله ی ASTM تعداد زیادی از کوپلیمرها دارای این ویژگی هستند. وبنابراین به آنها الاستومر گفته می شود. به هر حال همه ی این مواد توانایی تبدیل شدن به فیبر را ندارند. به طور خلاصه باید گفت که : الاستومرها موادی هستند که میزان کرنش الاستیک غیر خطی آنها بالاست. بیشتر الاستومرها دارای مدول یانگ (E) بسیار پایینی هستند. اگر چه مواد الاستومری دارای سختی به نسبت پایینی هستند اما خواص دمپینگ (ضربه گیری) خوبی دارند. خاصیت عمده ی این مواد این است که آنها دارای گسترده ی کرنش الاستیک وسیعی هستند. این گستره کرنش الاستیک همچنین دارای دو ویژگی مهم است یکی آن که کرنشی برگشت پذیر است و دیگری اینکه کرنش آن غیر خطی است. برای مثال یک الاستومر می تواند در تحت تنش تا 700 درصد از خود کرنش نشان دهد. واین درحالی است که کرنش یک قطعه ی فولاد تحت تنش قرار گرفته ، تقریباً O.1 درصد است. کرنش اتفاق افتاده در فلزات و سرامیک ها بدلیل تغییرات الاستیکی است که در اتم ها اتفاق می افتد. از لحاظ ریزساختاری الاستومرها پلیمرهایی با زنجیره ی ملکولی طویل هستند که دمای تبدیل به حالت شیشه یا (Tg) آنها کمتر از دمای اتاق (298k) است. حالت کشدار بودن الاستومرها بدلیل ساختار درهم پیچیده ی آنهاست. واین درحالی است که وقتی الاستومرها تحت کشش واقع شوند، این ماکروملکولها به زنجیره های صاف تبدیل می شوند. بنابراین کشش باعث می شود زنجیره ها جهت گیری کنند وهمچنین این جهت گیری باعث می گردد آنتروپی (s) کاهش یابد. آنتروپی میزان بی نظمی درقرارگیری زنجیره هاست.میزان تغییر انرژی آزاد گیبس به صورت زیر است:
G= ?H-T?S?
در این فرمول :
H? : تغییر آنتالپی
T : دما
S? : تغییر آنتروپی
هنگامی که یک الاستومر کشیده می شود تغییر آنتالپی صفراست. درواقع آنتالپی ثابت می ماند.بنابراین تغییر انرژی آزاد اتفاق افتاده و دراین فرآیند برابر می شود با :
G= -T?S?
با درنظر گرفتن این مسئله که زنجیره ی پلیمری بین دونقطه کشیده می شود زنجیره ی انعطاف پذیر پلیمری بین این دونقطه می تواند وضعیت های متنوعی داشته باشد. برای نشان دادن آنتروپی وضعیتی ما میتوانیم عبارت زیر را بنویسیم ( این معادله از مکانیک آماری بدست آمده است): S_config=klnp
دراین فرمول:
K: ثابت بلتزمن
و P : تعداد وضعیتها است:
هنگامی که یک نوار رابری را می کشیم ، دوبخش ثابت را از هر دو طرف می کشیم و دراین حالت تعداد حالت های ممکن زنجیره ها به تعداد حالت های ممکن زنجیره ها درحالتی که رابر درحالت طبیعی است، کاهش می یابد. این مسئله بدین معناست که هنگام کشیده شدن، آنتروپی (S) کاهش می یابد واز آنجایی که دما (T) همواره مثبت است و?S درهنگام کشیده شدن رابر منفی است، انرژی ازاد درهنگام کشیده شدن مثبت است. واز این مسئله می فهمیم که حالت کشیده شده برای رابر حالتی مساعد از لحاظ ترمودینا میکی نیست. واین امر موجب می شود تا هنگامی که نیروی اعمالی بر رابر کشیده شده برداشته شود، رابر به حالت اولیه ی خود باز گردد.
ویژگی مورد نیاز برای یک فیبر الاستومر این است که این مواد باید بتواند تا 7 برابر طول ابتدایی شان کشیده شوند. هنگامی که نیرو از روی آنها برداشته شود این مواد باید به ابعاد اولیه باز گردند.این خاصیت به دو روش می تواند در یک پلیمر اتفاق افتد.

1) زنجیره های لپیمری انعطاف پذیر با پیوندهای عرضی

این پویندهای عرضی را می توان با ولکلانیزاسیون(Vul Canization) رابر بوسیله ی گوگرد انجام شود. در واقع با ولکلانیزاسیون یک رابر پیوندهای عرضی در آن ایجاد می شود.

2) تولید یک پلیمر مالتی بلوک و دوفازی (two – phase , multiblock)

این پلیرمها معمولا با نام پلیمرهای حلقه دار (polymer Segmented ) معروفند مثالی از چنین پلیمری عبارتست از پلی یوریتان های حلقه دار (Segmented polyurethanes) .الیاف الاستومری را می توان بوسیله ی رابر طبیعی ( natural rubber ) تولید کرد. لاتکس ( latex) که سوسپانسیونی از کره های رابری در داخل آب است را می توان با یک عامل ولکلانیزاسیون مخلوط نمود و سپس مخلوط را به وسیله ی روش تر، ریسندگی کرد. الیاف اکسترود شده وارد یک حمام انعقاد می شوند و پس از آن زنجیره ها بوسیله ی فرآیند ولکلانیزاسیون پیوند عرضی می دهند. این چنین الیافی برای تولید پارچه های کش باف و بافتنی استفاده می شوند. البته در اغلب موارد این الیاف به صورت خالص و بدون مخلوط شدن با سایر الیاف نساجی به صورت پوشاک در می آیند.
به هر حال بیشتر الیاف رابری طبیعی بوسیله ی الیاف الاستومری مصنوعی جایگزین شده اند. مخصوصا این جایگزینی در پوشاک ورزشی بوجود آمده است. علت این جایگزینی خاصیت رنگ پذیری ضعیف، مقاومت سایشی پایین و پایداری شیمیایی کم الیاف رابری در مقایسه با الیاف پلی یوریتان حقله دار است. واژه ی اسپاندکس (Spandex) یا لیکرا ( Lycra) نام عمومی گروهی از الیاف مصنوعی است که حداقل دارای 85% پلیمر پلی یوریتان حلقه دار هستند. در اروپا به این الیاف الاستان (elastane) می گویند.

فرآیندهای تولید الیاف الاستومری

الیاف الاستومری مانند اسپاندکس، الیافی پلی پوریتانی هستند و بوسیله ی ریسندگی پلیمرشان تولید می شوند و سپس بین گروه های یوریتان اتصال ایجاد می گردد.
فرآیند تولید این مواد شامل چندین فرایند شیمیایی است که از تولید پلیمر با وزن ملکولی پایین ( پیش پلیمر) شروع می شود سپس پیش پلیمر (pre polymer) با دی ایزوسیانات( diisocyanate) واکنش می دهد. در انتهای کار با واکنش پیش پلیمر و دی ایزوسیانات، پلی یوریتان حلقه دار بوجود می آید.
پلی یوریتان تولیدی یک پلیمر خطی است که در بسیاری از حلال ها حل می گردد .وسپس می توان آن را به روش تر یا خشک ریسندگی کرد. همانگونه که می دانید در فرایند رسیندگی تر، الیاف عبور کرده و از رشته ساز از یک حمام انعقاد عبور کرده در حالی که در ریسندگی خشک این الیاف از یک اتمسفر گازی عبور می کنند. که این عبور باعث خروج حلال از الیاف می شود. ریسندگی تر فرآیندی عمومی تر برای تولید الیاف الاستومری است. در فرآیند ریسندگی از افزودنی های فراوانی استفاده می شود. این افزودنی ها از جمله عوامل درخشنده کننده، پایدار کننده ، آنتی اکسیدان، روانساز وعوامل تقویت کننده ی رنگ پذیری هستند: مانند Tio2
پلیمردوپ شده با افزودنی ها از میان رشته ساز عبور کرده و با وزش گاز داغ حلال موجود در آن بخارمی گردد .فیلامنت های تکی با هم ترکیب می شوند. تا یک فیلامنت چند گانه پدید آید. سرعت ریسندگی بین 200- 800 متر بر دقیقه است. عموما یک عملیات کشش پس از ایجاد فیلامنت ها ودر دمای c 150 درجه انجام می شود که در طی این پروسه جهت گیری زنجیره ها درجهت محور الیاف بیشتر می شود که این مسئله باعث افزایش استحکام می شود.
اگر ملکول پلی یوریتان به شکل ساختاری سه بعدی تشکیل شود دیگر درحلال حل نمی شود وهمین مسئله باعث می گردد تا نتوان آن را بوسیله ی فرایند خشک وتر ریسندگی کرد. ترفند بکار رفته در ریسندگی این نوع الیاف بدین گونه است که ابتدا مخلوط پیش پلیمر وعوامل ولکلانیزاسیون ایجاد می شود. و سپس این مخلوط ریسندگی می شود و پس از آن واکنش شیمیایی بین پیش پلیمر وعامل ولکلانیزاسیون اتفاق می افتد. عامل ولکلانیزاسیون باعث پدید آمدن پیوندهای عرضی در ماده می شود.

ساختار و خواص الیاف الاستومر

پلی یوریتان ها که شکل اصلی الیاف الاستومری هستند از واکنش میان الکل ها و دی ایزوسیانات ها تولید می شوند. این الیاف از نوع پلیمرهای بلوک هستند. ویژگی الیاف الاستومر همانگونه که گفتیم این است که این الیاف به طور مکرر می توانند تحت کشش قرار گیرند. (کشسانند). از لحاظ ساختاری این کوپلیمرهای بلوک شامل یک بخش انعطاف پذیر و یک بخش سخت هستند. بخش انعطاف پذیر این نوع پلیمر ها، پلی استرهای آلیفاتیک رندوم( کوپلی استرها) هستند. در حالی که بخش سخت این نوع پلیمرها، پلی یورتیان های آلیفاتیک- آروماتیک هستند. اتصال های یوریتان باعث اتصال بخش های سخت و نرم زنجیره می شوند.

شکل 1 شماتیک نحوه ی اتصال بخش های سخت و نرم زنجیره ی یک الاسترمر را نشان می دهد. این شکل نشان می دهد که چگونه این اتصالات موجب پدید آمدن خاصیت کشسان می گردد. بخش نرم زنجیره که 65- 90% وزنی زنجیره را تشکیل می دهد، در حالتی که نیرو برالاستومر اعمال نشود، حالتی غیر جهتدار دارد و زمانی که فیبر کشیده شود این بخش به صورت جهتدار و صاف در می آید.
بخش نرم زنجیره ی الاستومر اجازه می دهد تا پلی یوریتان به آسانی کشیده شود در حالی که بخش سخت زنجیره ی الاستومر مانند یک لنگر عمل کرده و هنگامی که نیروی وارده بر الاستومر برداشته شود این لنگر باعث برگشتن الاستومر به حالت عادی می گردد. با استفاده از تنظیم نسبت بخش سخت به نرم زنجیره ها می توان میزان کشیده شدن الیاف را کنترل کرد .الیاف اسپاندکس دارای دانسیته ی خطی 1-500tex وکرنش شکست 400- 800% هستند.

شکل 2- منحنی های تنش – کرنش یک فیبر اسپاندکسی و یک فیبر رابری طبیعی را نشان می دهد. الیاف اسپاندکس از الیاف رابری محکم ترند. این الیاف دارای مدول کنتری نسبت به نایلون هستند اما میزان کرنش این الیاف بسیار بیشتر است.
الیاف پلی یوریتان اسپاندکسی از لحاظ شیمیایی کاملا پایدارند. این پایداری در محیط شستشوی نرمال و شرایط حمام آب دارای کلر برقرار است برای اینکه این الیاف دربرابر اشعه ی مادون قرمر، مواد حاصل از تعریف بدن و سانتان لوشن (ماده ی شیمیایی که پوست را در برابر اشعه های مضر محافظت می کند) مقاوم باشد باید از پایدار کننده های ویژه استفاده نمود.
منبع انگلیسی مقاله : Fibrous Materials/k.k.chawla