الیاف پلیمری مصنوعی (1)

در این مقاله ما به توصیف الیاف پلیمری مصنوعی می پردازیم. تولید الیاف پلیمری مصنوعی به گفته بسیاری پیشرفت عظیمی در نیمه دوم قرن بیستم به شمار می آید. در حقیقت از لحاظ منطقی عمر الیاف با ظهور الیاف مصنوعی مانند نایلون، پلی استر و ... شروع شده است. این پیشرفت شگرف در اواخر دهه ی 1930 اتفاق افتاد. در این زمان بسیاری از شرکت ها مانند دوپون (Dupont)، مانساتو (Monsato)، بی ای اس اف (BASF)، هوی چست (Hoechst)، آی سی آی (ICI) و ... در بخش الیاف فعالیت کردند. برای آگاهی از وسعت فعالیت ها می توان فعالیت های شرکت دوپون را در بین سال های 1902-1980 بررسی نمود.
بسیاری از الیاف پلیمری مصنوعی مانند پلی استر، نایلون و... دارای خواص یکنواخت هستند و می تواند آنها را چندین بار بازیافت کرد.
به هر حال، این الیاف دارای مدول الاستیک پایین هستند، از این رو کاربرد این الیاف بیشتر به پوشاک و منسوجات محدود می شود. کارهای تحقیقاتی انجام شده باعث شد تا الیاف پلیمری مصنوعی با استحکام و سفتی مناسب جهت تقویت کننده ی کامپوزیت ها تولید گردد. این کارهای تحقیقاتی در اواخر دهه ی 1950و ابتدای دهه ی 1960 شروع شد. که باعث ورود الیاف پلیمری محکم مانند آرامیدها (aramid) و پلی اتیلن با زنجیره های طویل به عرصه تجاری شد. در ادامه به توصیف تولید، ساختار و خواص تعدادی از الیاف پلیمری مصنوعی می پردازیم.

تاریخ مختصری از الیاف آلی

مرور مختصری بر کارهای انجام شده در زمینه الیاف آلی می تواند ما را در آگاهی یافتن از جایگاه این مواد در زندگی کمک کند. برای این کار ما از کشف نایلون شروع می کنیم. نایلون بوسیله شرکت دوپون در سال 1938 کشف و تجاری سازی شد. والاس کارتررز (Wallas Carothers) از شرکت دوپون عموماً به عنوان پدر نایلون در نظر گرفته می شود. نایلون برای اولین بار و پیش از جنگ جهانی دوم به مراکز فروش جوراب وارد شد. در حقیقت سال 1988، پنجاهمین سالگرد ورود نایلون به عنوان ماده ی اولیه در تولید جوراب زنانه ساق بلند بود. نایلون بوسیله روش ریسندگی مذاب (melt spinning) تولید می شود این فیبر بسیار انعطاف پذیر و با دوام است و حالت کشباف دارد. همه ی این ویژگی ها منجر شد تا نایلون به عنوان یکی از مهمترین الیاف در صنعت منسوجات درآید. همچنین استحکام بالای نایلون و خواص ضربه ای و مقاومت به خستگی مناسب این فیبر باعث شد تا نایلون در صنعت الاستیک سازی نیز مصرف شود. این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که واژه ی نایلون به گروهی از مواد شبیه به هم اطلاق می شود، همانگونه که ما گروهی از مواد را با نام شیشه، فولاد و یا کربن می شناسیم. و به همین خاطر ما نایلون را با حروف بزرگ ننوشته ایم. (در انگلیسی حروف اول کلمات خاص با حروف بزرگ نوشته می شود).
پس از نایلون، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی اکریلونیتریل (PAN) دو کشف در زمینه ی الیاف آلی بودند. پلی اتیلن ترفتالات از روش ذوبی ریسندگی می شود و این در حالی است که پلی اکریلو نیتریل از روش Spinable Polymer solution dope به الیاف تبدیل می شود. پلی اتیلن ترفتالات یک پلی استر ترموپلاست است. این ماده به سرعت به عنوان جایگزین برای پنبه، پشم و رایون در فرش، پتو و ... درآمد. پلی اکریلونیتریل نیز به عنوان پیش ماده در تولید الیاف کربن (Carbon fiber) استفاده می شود. از میان تمام ویژگی های منحصر به فردی که الیاف مصنوعی مانند نایلون، PET، PAN و ... دارند، برخی از ویژگی ها مانند خواص سایشی، مقاومت در برابر چروک خوردن، دوام و قابلیت شستشوی آنها باعث شده اند تا الیاف مصنوعی موفق باشند. تولید الیاف پلیمری مصنوعی به عنوان یکی از پیشرفت های شگرف بشر در نیمه ی دوم قرن بیستم به حساب می آید. به هر حال، مهم تر از این مسئله این است که هنگامی که اهمیت رابطه ی میان خواص و ساختار در پلیمرها کشف شد، عصر جدیدی در الیاف ساخته بشر شروع شد. تعدادی از کارهای مؤثر در زمینه ی کریستالیزاسیون پلیمرها در اواخر دهه ی 1960 باعث پدید آوردن این دوره شد. شناخت از فرآیند کریستالیزاسیون پلیمرها باعث شد تا رابطه ی میان ساختار و خواص مواد پلیمری شناخته شود. یکی از نتایج اصلی که از کارهای انجامی بر روی رابطه خواص و ساختار بدست آمد این مسئله بود که «آرایش زنجیره های پلیمری به صورت جهت دار و در طول فیبر باعث بهبود خواص مکانیکی می گردد.» تولید الیاف آلی با استحکام کششی و مدول بالا مانند آرامیدها و پلی اتیلن، نتیجه ی مستقیم این تلاش هاست. در واقع در تولید الیاف با استحکام و مدول بالا از دو مسئله ساختاری متفاوت استفاده شده است. در پلیمرهای با استحکام بالا و صلب مانند آرامیدها ما از صلبیت ذاتی و بسیار بالای گروه های آرامیدی در زنجیره ی اصلی به همراه آرایش فیزیکی زنجیره ها بهره گرفته ایم. در حالی که پلیمرهای دارای زنجیره ی انعطاف پذیر مانند پلی اتیلن ما از آرایش زنجیره های پلیمری برای بدست آوردن مدول بالا بهره برده ایم.
در ادامه ما تکنیک های عمومی در تولید الیاف پلیمری مصنوعی را بیان می کنیم و پس از آن فرآیندهای تولید، ساختار و خواص برخی از الیاف آلی با مدول پایین را توصیف می کنیم. سرانجام ما به توصیف دو نوع از الیاف آلی تجاری مهم که دارای سفتی و مدول بالایی هستند، (آرامیدها و پلی اتیلن) می پردازیم.

تولید

عموماً، پلیمرهای مصنوعی بوسیله فرآیند ریسندگی به فیبر تبدیل می شود. ریسندگی فیبر (Fiber spinning) فرآیندی است که در طی آن مایعی از میان سوراخ های کوچک عبور می کند و به صورت فیلامنت های جامد در می آید.

در شکل 1 شماتیک کلی این فرآیند نشان داده شده است. در ابتدای فرآیند ما نیازمند محلول یا مذاب پلیمر هستیم. فیلامنت ها از سوراخ های رشته ساز (spinnert) بیرون می آیند و پس از آن ممکن است از داخل حمام و آون عبور کند. و سپس به صورت تک نخ بر روی یک بوبین (bobbin) پیچیده می شود. واژه ی ریسندگی (spinning) همچنین به معنی ریسندگی نخ (spinning yarn) نیز استفاده می شود و این یک وضعیت نامناسب ایجاد می کند. در طبیعت کرم ابریشم و عنکبوت ها بوسیله ی همین روش فیلامنت هایی مداوم تولید می کنند. فرآیند ریسندگی الیاف جامد بدین گونه است که یک مایع از میان روزنه های بسیار ریز عبور می کند و در حقیقت این موقعیت از آنجایی بدست که مواد خاصی مانند پلیمرهای آلی و شیشه های غیرآلی بر پایه ی سیلیس دارای ویسکوزیته ی متعادلی برای ایجاد فیلامنت پایدار از روزنه ها هستند. خروج فیلامنت ها از رشته ساز ممکن است بوسیله ی جریان هوا یا حمام انعقاد (coagulating bath) پایدار گردد. اگر ویسکوزیته پایین باشد، جریان خروج فیلامنت ها به خاطر کشش سطحی، ناپایدار می شود. فلزات مذاب معمولاً دارای ویسکوزیته بسیار پایینی هستند (نزدیک به ویسکوزیته ی آب) و بنابراین به طور عادی نمی توان از ریسندگی مذاب برای تهیه ی فیلامنت های فلزی استفاده کرد. نقطه ی کلیدی که بوسیله آن می توان تشخیص داد که چگونه جریان مذاب با ویسکوزیته ی پایین را به صورت جریان پایدار درآوردیم، امواج رایلیت (Rayleigh Waves) است.
بر طبق این امواج کشش سطحی مناسب تعیین می گردد و با تنظیم کشش سطحی جریان فلامینت ها پایدار می شود. یک راه جهت ایجاد فیلامنت های مداوم و پایدار این است که جریان فیلامنت های خروجی از روزنه ها را از یک محیط فعال شیمیایی عبور دهیم. ویسکوزیته ی پلیمرهای آلی و شیشه ها در گستره ای است که فیلامنت های عبوری از روزنه ها تا زمان سرد شدن مشکلی ندارند. (این ویسکوزیته بیش از 10 به توان 5 poise است.) در واقع عدم پایداری فیلامنت ها گاها به خاطر چسبیدن آنها به همدیگر رخ می دهد که در مورد جریان های مذاب با ویسکوزیته پایین می توان از پایدار کننده های شیمیایی استفاده کرد. برای مثال والنبرگر (wallenberger) و همکارانش در سال 1992 فرآیندی برای تولید الیاف (آلومینا و سیلیس) را ابداع کردند که در آن جریانی از فیلامنت ها با ویسکوزیته ی پایین (10poise) را بوسیله ی پروپان پایدار می کنند. و پیش از اینکه فیلامنت ها به صورت قطره درآیند فرآیند پایدار کنندگی الیاف انجام می شود.
در ادامه به توصیف مختصری از روش های تولید الیاف می پردازیم:

1) ریسندگی مذاب (melt spinning)

در این روش موادی که می خواهیم آنها را به شکل الیاف درآوریم را ذوب می کنیم و مذاب حاصله از میان یک رشته ساز عبور می دهیم. (شکل 2)

مایع عبوری از رشته ساز بوسیله ی هوا سرد و جامد می گردد. این روش عموما برای تولید الیاف آلی مانند نایلون، پلی استر و پلی پروپیلن استفاده می شود.

2) ریسندگی خشک (Dry spinning)

در این روش محلولی از مواد پلیمری در حلال فرار آلی از میان رشته ساز عبور می کنند و بداخل یک محیط گرم وارد می شوند. باریکه ای از هوای گرم در همان لحظه ای که جریان فیلامنت از رشته ساز بیرون می آید، بدان برخورد می کند. این مسئله باعث بخار شدن حلال می گردد. و با خشک شدن حلال، فیلامنت های جامد پدید می آیند. (شکل 3)

الیافی مانند استات، اکریلیک و الاستومرهای پلی یوریتانی از این روش تولید می شوند.

3) ریسندگی تر (wet spinning)

یک محلول پلیمری در یک مایع آلی یا معدنی از میان سوراخ های رشته ساز اکسترود می شوند. پس از عبور فیلامنت ها از داخل رشته ساز، آنها از حمام انعقاد عبور می کنند. در این حمام واکنش های فیزیکی و شیمیایی بر روی فیلامنت ها رخ می دهد. و پس از خروج فیلامنت از حمام، الیاف تشکیل می شوند. شکل4 این فرآیند را نشان می دهد. مثال هایی از الیاف آلی تولیدی با این روش عبارتند از رایون و الیاف اکرلیک.

4) ریسندگی تر- خروج خشک (Dry jet-wet spinning)
الیاف آرامید به این روش تولید می شوند. در این فرآیند، محلول آن- ایزوتروپیک از میان سوراخ های رشته ساز اکسترود می شود و وارد یک فاصله ی هوایی (تقریباً 1cm) می شود و سپس از آنجا وارد یک حمام انعقاد می شود. الیاف انعقاد یافته سپس شسته می شوند و پس از شسته شدن، عملیات خنثی سازی و خشک کردن اتفاق می افتد.

5) ریسندگی ژله ای (gel spinning)

در این فرآیند، فیلامنت ها از سوراخ های رشته به صورت یک ماده ی رابر مانند یا ژله ای خارج می شوند و سپس سرد می شوند. این فرآیند برای ریسندگی پلیمرهای خطی با زنجیره ی انعطاف پذیر مانند پلی اتیلن مناسب است. یک فیبر ژله ای هنگامی که محلولی مناسب از رشته ساز خارج گردد و سپس در هوا سرد گردد، پدید می آید.
این الیاف ژله ای دارای ساختاری شبکه ای از زنجیره های متورم هستند که با سرعت بالا و در دمای زیر نقطه ذوب تشکیل می شوند. الیاف پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا که دارای سفتی و استحکام بالاست، بوسیله ی این فرآیند تولید می شوند.

6) تولید الیاف از غشاء (fibres from films)

در همه ی روش های توضیح داده شده در بالا محلول یا مذابی از پلیمر در داخل رشته ساز اکسترود می شود. در اینجا می خواهیم روشی را توضیح دهیم که با روش های بالا کاملا متفاوت است. در این روش از غشاء نازک جهت تولید الیاف استفاده می شود. این تکنیک برای پلیمرهای به کار می رود که به آسانی به غشاء تبدیل می شوند. همچنین برای پلیمرهایی مناسب است که بسیار جهت دارند و تولید غشاء از آنها گران نباشد. این غشاء ها آن- ایزوتروپ هستند و خواص کششی آنها در جهات اصلی متفاوت است. (در واقع استحکام آنها در جهت طولی بسیار بیشتر از حالت عمود بر آن است). در اصل این مسئله جهت گیری زنجیره های پلیمری در جهت کشش غشاء است. این تفاوت در خواص در جهات مختلف اجازه می دهد که غشاء به آسانی به الیاف تولید شود. این کار بوسیله فرآیندهای مکانیکی مانند برس زنی (brushing)، سائیدن (rubbing) یا پیچاندن (twisting) انجام می شود. در واقع غشاء به آسانی برش می خورد. مقطع عرضی این نوع الیاف به جای دایره ای، مستطیلی یا مربعی است که علت آن نوع مواد مورد استفاده است.
منبع انگلیسی مقاله : Fibrous Meterials/k.k.chowla