الیاف پلیمری طبیعی (3)

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون

الیاف گیاهی ( vegetable fibers ) :

در حقیقت گیاهان یکی از منابع بزرگ تامین کننده ی الیاف هستند. مزیت بزرگ این الیاف، ارزان بودن آنهاست. الیاف سلولز در شکل های مختلف: پنبه، کتان ( flax )، کنف هندی ( jute )، کنف شاهدانه ( hemp )، سیسال ( sisal )، رامی ( ramie ) و... وجود دارد. این گونه الیاف در صنعت پوشاک استفاده می شوند در حالی که چوب وپوشال در صنعت کاغذ مصرف دارند. در ادامه به طور خلاصه به معرفی برخی از الیاف گیاهی مهم می پردازیم.
الیاف گیاهی را می توان از بخش های مختلف گیاه پایه بدست آورد.
مثلا الیاف پنبه و کاپوک ( kapok ) از بخش پنبه دانه ( بخش دانه دار) گیاه بدست می آید وکتان وکنف از ساقه وپوست درخت بدست می آیند همچنین سیسال وپینا ( pina ) جزء الیاف بدست آمده از بخش برگ گیاه هستند. این الیاف دارای وظایف متنوعی در گیاه مادر هستند. در اغلب موارد این الیاف وظیفه ی تقویت کردن ساقه وبرگ های گیاه را برعهده دارند. در هنگام اعمال طوفان وبادهای شدید این الیاف بارها از گیاه مواظبت می کنند. در برخی گیاهان الیاف با ایجاد یک لفاف از بذر گیاه محافظت می کنند مانند پنبه دانه.
جزء اصلی هر فیبر گیاهی سلولز ( cellulose ) در اغلب موارد سلولز به صورت اجزای رشته ای و محکم تشکیل می شود این فیبرهای سلولزی در اکثر موارد به صورت کامپوزیتی طبیعی تشکیل می شوند. مثلا چوب کامپوزیتی از الیاف سلولزی با ماده ای به نام لیگنین ( lignin ) هست. همچنین الیاف پنبه دارای 80-85 درصد سلولز هستند.
الیاف دیگر مانند رامی، کنف شاهدانه، کنف هندی، کتان وسیسال بین 65-70 درصد سلولز دارند. سلولز از سه عنصر کربن، هیدروژن واکسیژن تشکیل شده است. فرمول عمومی سلولز C6H 10O 5 است ویک ماده ی کریستالین است. برای بدست آوردن واطمینان از این مسئله می توان از تکنیک تفرق اشعه ی ایکس بهره برد.
یک پلیمر آمورف هالدای پراکنده تشکیل می دهد. این هالدی پراکنده نشان دهنده ی عدم وجود نظم در آرایش اتم هاست. همچنین ممکن است در ناحیه ی آمورف تعدادی خطوط همتراز مربوط به زنجیره ها وجود داشته باشد. الگوی تفرق اشعه ی ایکس یک پلیمر با کریستالینیتی بالا نقاط منظم یا حلقه های منظمی را نشان می دهد. این نقاط ویا حلقه های منظم نشان دهنده ی قرارگیری منظم در یک تک کریستال است.

بعضی اوقات نقاط گسسته حالت رگه مانند یاقوس پیدا می کنند؛ که علت آن انطباق ترجیحی زنجیره های پلیمری است. حلقه های منظم با فاصله ی مناسب نشاندهنده ی یک ناحیه ی کریستالین و رندوم است. شکل 1الگوی تفرق اشعه ایکس الیاف سیسال را نشان می دهد. این الگو بوسیله ی روش دبی شرر تهیه شده است. قوس های موجود در این الگوی تفرق نشاندهنده ی سلولز طبیعی و کریستالین است که بخش عمده ی سیسال را تشکیل داده است. علاوه بر سلولز، الیاف گیاهی دارای مقادیر زیادی از سایر مواد شیمیایی مانند لیگنین ( lignin )، همی سلولز ( hemicelluloses )، پکتین ( pectin )، رزین، مواد معدنی، چربی وواکس ( wax ) هستند. پس از جداسازی الیاف از گیاه، آنها را در برخی محلولها قرار می دهند تا همی سلولز، لیگنین و... از آنها جدا گردد. لیگنین ودیگر مواد غیر سلولزی مربوط به دیواره ی سلولی هستند.
وحضورشان در فیبر موجب کاهش کیفیت فیبر می گردد. مواد غیر سلولزی را نمی توان به آسانی از الیاف جدا کرد. عموما جداسازی آنها گران است واز این رو به طور کامل از الیاف جدا می شوند. ویژگی مهم الیاف گیاهی توانایی آنها در جذب رطوبت از اتمسفر است. این الیاف درصد بالایی رطوبت جذب می کنند. این مسئله به خاطر این است که سلولز ماده ای نم گیر است. سلولز رطوبت را در هنگام زیاد بودن آن در اتمسفر جذب می کند ودر هنگامی که اتمسفر خشک باشد رطوبت خود را پس می دهد. این مسئله باعث دگرگونی در وزن وابعاد الیاف می شود. همچنین برروی استحکام و سفتی الیاف نیز تاثیر می گذارد. درصد رطوبت موجود در فیبر را می توان با محاسبه ی وزن از دست داده ی فیبر پس از قرارگیری آن در آون محاسبه کرد. برای محاسبه ی این درصد رطوبت، درصد رطوبت را براساس حالت خشک محاسبه می کنیم. دیگر ویژگی مهم الیاف گیاهی این است که آنها زیست تخریب پذیرند. اکثر الیاف گیاهی پس از مدتی تیره وضعیف می شوند وهمچنین آنها نور را جذب می کنند. دوام الیاف گیاهی از الیاف پلیمری مصنوعی کمتر است. همه ی الیاف گیاهی به آسانی توسط میکروارگانیزم های مختلفی مورد هجوم قرار می گیرد. و در دما و رطوبت بالا می پوسند وکپک می زنند.
در ادامه به توصیف مختصری از برخی الیاف گیاهی می پردازیم:

پنبه ( cotton ) :

پنبه سلطان الیاف نامیده می شود. پنبه هنگامی که در حال رشد است یک فیبر توخالی است. اما هنگامی که چیده می شود، منقبض می گردد. بنابراین مقطع عرضی آن پهن است ومی توان میکرو فیبرهای تشکیل دهنده ی الیاف پنبه را بوسیله ی یک میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی کم مشاهده کرد. ترکیب پنبه را بطور عمده از سلولز کریستالین با مقادیر متنوع از پرکتین، چربی وواکس. مولکول سلولز دارای شکلی مارپیچ است. که زاویه ی پیچش آن بین 20 تا30 درجه است. شکل 2نشان دهنده ی ساختار الیاف پنبه است. دانسیته ی الیاف پنبه در حدود 1.5 گرم برسانتیمتر مکعب است.

پنبه یک فیبر بسیارمناسب است. الیاف پنبه به آسانی رنگ می گیرند، به سهولت رطوبت را به خود جذب می کنند ودر محیط های کاری مختلف دوام خود را حفظ می کند. نخ پنبه برای تولید انواع بسیاری از لباس ها کاربرد دارد. ( این فیبر با الیاف مصنوعی نیز قابلیت ترکیب دارد.) در حقیقت تقریبا نیمی از تمام پارچه های مصرفی در دنیا از پنبه بافته می شود. به غیر پوشاک، پنبه در فیلتر قهوه ( coffee filters )، تور ماهیگیری ( fishnet )، بند پوتین ( lace )، اثاثیه ولوازم منزل ( upholostery ) و... کاربرد دارد. پنبه زیست تخریب پذیر است ومی توان از آن به عنوان جاذب در جاهایی که نشت روغن وجود دارد، استفاده کرد.

کنف هندی ( jute ) :

الیاف کنف هندی از بخش داخلی پوست گیاهی از گروه کورچوروس ( corchorus ) بدست می آید. این فیبر عمدتا در بنگلادش، برزیل وهند تولید می شود. این فیبر به طور فراوان در تولید ریسمان ( cords )، لباسهای زبر وکیسه ( sack ) استفاده می شود. گاها نیز می توان کت های مخصوص مراسم که از این الیاف تولید شده اند را نیز مشاهده کرد.
الیاف کنف هندی از فرآیندی به نام رتینگ ( retting ) از بخش چوبی ساقه جدا می گردد. فرآیند بدین گونه است که ابتدا ساقه های گیاه در آب غوطه ور می شوند. سپس با پوشاندن با علف وخورده ی چوب کاری می کنیم که ساقه ها کاملا در آب فرو روند. مدت فرآیند رتینگ بستگی به دما وخصوصیات آب دارد. پس از پایان مرحله رشته های فیبر جداسازی می شوند. این الیاف با پاشیدن آب بر روی آنها تمیز می شوند سپس فشرده می شوند تا آب اضافی داخلشان خارج شود وسپسدر نور آفتاب آویزان می شوند تا خشک شوند. سپس برای بارگیری در کشتی آماده می شوند.
فیبر کنف هندی دارای رنگی زرد تا قهوه ای است. نوع تجاری این الیاف از رشته های فیبری کنف تشکیل شده اند که بوسیله ی چسب های طبیعی بهم چسبیده اند.

هنگامی که بوسیله ی یک میکروسکوپ نوری به مقطع عرضی این فیبر نگاه کنیم سلولهای پلی گونال ( poly gonal cells ) قابل مشاهده هستند. این سلولها طولی معادل 2.5 میلی متر دارند. این سلولها دیواره ای ضخیم دارند وحفره ی سلولی درون جداره ی آنها ( lumen ) را می توان دید. (شکل 3 )
مانند اکثر الیاف بدست آمده از گیاهان، استحکام الیاف کنف هندی نیز در جاهای مختلف متفاوت است. کرنش شکست این الیاف در حدود 107% است. دانسیته ی کنف هندی 105 گرم بر سانتیمتر مکعب است. الیاف کنف هندی مقدار قابل ملاحظه ای آب جذب می کند. مثلا هنگامی که رطوبت جو در حدود 65% باشد این الیاف 15% وزنی آب جذب می کنند.

سیسال ( sisal ) :

سیسال یک فیبر برگ مانند است که از گیاه آگاسیسالانا ( agave sisalana ) بدست می آید. این گیاه بومی آمریکای مرکزی است. برای رشد گیاه سیسال آب وهوای گرم سیری با میزان رطوبت متعادل نیاز است. که این نوع آب وهوا عمدتا در آفریقای شرقی وبرزیل وجود دارد.
گیاه سیسال دارای ساقه ی کوتاه وضخیمی است که برگ های آن به صورت چتر بر روی آن رشد می کنند. این برگ ها دارای الیاف سیسال هستند. برگ های گیاه از جایی که به ساقه ی اصلی متصل شده اند، قطع می شوند. این کار باید سرعت پس از برداشت محصول انجام شود زیرا برگ های کنده شده از گیاه به سرعت فاسدمی شوند. الیاف بوسیله ی فرآیند خرد کردن وفشار دادن جدا سازی می شوند تا ماده ی سبز رنگ اطراف الیاف جدا گردد. سپس الیاف جداشده در آفتاب خشک می شوند. رشته های بدست آمده از الیاف سیسال می توانند طولی از 0.5 تا 1.25 متر داشته باشند. مانند الیاف کنف هندی، تعداد زیادی از الیاف سیسال بوسیله ی چسب طبیعی به هم متصل شده اند. رنگ الیاف سیسال از سفیدتا زرد کم رنگ تغییر می کند. الیاف سیسال استفاده هایی در کاربرد های متنوع دارد. مثلا پوشش های حصیری ( mattings )، قالیچه، طناب های دریانوردی، لایی های اتومبیل ( padding materials )، لوازم و اثاثیه ی منزل و...

رامی ( ramie ) :

رامی یکی دیگر از الیاف گیاهی مهم است. این فیبر دارای رنگی سفید ودرخشان است. کرنش شکست این فیبر 3-4% است.
این فیبر در مقایسه بادیگر الیاف گیاهی، مقاومت بالاتری در برابر باکتری ها، قارچ ها و کپک ها دارد. که این ویژگی یک ویژگی استثنایی محسوب می شود. در اغلب موارد این فیبر با سایر الیاف ترکیب می شود واز این فیبر ترکیبی برای تولید پوشاک استفاده می شود.

رایون ( Rayon ) :

الیاف رایون که بوسیله ی ایجاد تغییراتی در سلولز بدست می آید، معمولا سلولز احیا شده ( regenerated cellulose ) نامیده می شود. در این فیبر جزء اصلی سلولز است. این سلولز در اصل از منابع گیاهی بدست آمده است از این رو رایون را جزء الیاف طبیعی طبقه بندی می کنیم. سلولز بدست آمده از منابع مختلف را می توان برای تولید الیاف رایون استفاده کرد. برای مثال خمیر سلولزی بدست آمده از پنبه ( از الیاف کوتاه متصل به پنبه ) یا الوارهایی که حاوی بیش از 90% سلولز هستند برای تولید الیاف رایون مناسبند. سلولز ذوب نمی شود و در حلالهای معمولی نیز حل نمی شود بنابراین این ماده باید به فرم های مختلفی تبدیل گردد مثلا برای تولید رایون ابتدا باید خمیر چوب در محلول سدیم هیدروکسید حل گردد. سپس کربن دی سولفید به این محلول اضافه گردد تا سدیم سلولز اکسانتات ( sodium cellulose xanthate ) تشکیل گردد. این ترکیب شیمیایی ازسلولز در محلول رقیق سدیم هیدروکسید حل می گردد. با حل شدن این ترکیب در محلول رقیق سدیم هیدروکسید یک محلول غلیظ ملاس مانند بدست می آید که ویسکوز ( viscose ) نامیده می شود.
ماده ی ویسکوز از داخل یک نخ ریس عبور کرده وسپس به داخل یک حمام اسید سولفوریک وارد می شود در این حمام الیاف اکسترود شده دوباره به فرم سلولزی تبدیل می شود و به صورت فیلامنت در می آید. فیلامنت های حاصله به شکل نخ ریسیده می شوند وبر روی قرقره پیچیده می شوند یا به صورت بریده بریده در آمده وبرای تولید پارچه های رایونی استپنل در می آید. سپس نخ تولیدی شسته می شود تا مواد شیمیایی مانده برروی الیاف که از پروسه ی تولید ایجاد شده اند از بین بروند. در طی پروسه ی ریسندگی، قطر الیاف تعیین می گردد ودر صورت لزوم الیاف رنگ می شوند.
خلاصه ای از خواص مهم تعدادی از الیاف گیاهی در جدول 1آورده شده است.

اثرات محیطی بر روی الیاف پلیمری :

فاکتورهای محیطی مانند رطوبت، دما، PH، تابش فرابنفش و میکرو ارگانیزم ها می توانند بر روی الیاف پلیمری تاثیر بگذارند. الیاف پلیمری طبیعی نسبت به الیاف پلیمری مصنوعی حساس ترند وزودتر بوسیله ی عوامل محیطی تخریب می شوند. لاور ( Larvae ) برخی حشرات ممکن است از مواد خشک متنوعی که دارای درصد بالایی سلولز وپروتیئن هستند تغذیه شوند. مثال هایی از این مواد خشک ودارای درصد بالایی سلولز وپروتیئن عبارتند از الیاف گیاهی وحیوانی. بنابراین الیافی مانند ابریشم، پشم،پنبه، کنف هندی و... ومحصولات تهیه شده از آنها مانند پوشاک ( کت، پلوورو...) وفرش مستعد تخریب شدن بوسیله ی میکروارگانیزم ها هستند مخصوصا سلولز که بوسیله ی گروه متنوعی از باکتریها، قارچها وجلبکها مورد هجوم قرار قرار می گیرد. میکروارگانیزم ها سلولز را به عنوان یک ماده ی غذایی مصرف می کنند. بوسیله ی برخی از فرآیندها وافزودنیها می توان از حملات میکروارگانیزم ها جلوگیری نمود. مثال خوبی از این فرآیندهای جلوگیری از حمله ی میکروارگانیزم ها، عمل آوری الیاف پشم است.
احتمالا عامل جلوگیری کننده ای که در فرآیند عمل آوری این الیاف استفاده می شود، پرمترین ( permethrin ) باشد. پرمترین یک نوع ماده ی شیمیایی سنتزی است. این ماده از لحاظ ساختاری شبیه گاو چشم ( pyrethrum )، یک ماده ی طبیعی است. گاوچشم یک حشره کش طبیعی است که در گونه های گل داوودی ( chrysanthemum ) وجود دارد. پرمترین به طور گسترده در کشاورزی وبرای کنترل حشرات خانگی وهمچنین به عنوان محافظ چوب از فاسد شدن استفاده می شود. الیاف طبیعی بر پایه ی سلولز وپروتیئن نسبت به الیاف آلی سنتزی تمایل بیشتری به تخریب شدن دارندکه علت آن رطوبت ودما می باشد. هنگامی که این الیاف در معرض نور باشند( نور مرئی وفرابنفش ) در آنها تخریب نوری اتفاق می افتد. این تخریب باعث ایجاد رنگ پریدگی وکاهش خواص مکانیکی الیاف می گردد. اکثر الیاف پلیمر ( طبیعی ومصنوعی ) به خاطر جذب رطوبت متورم میشوند. این تورم در مورد الیاف طبیعی بیشتر است.

کاربرد الیاف پلیمری طبیعی :

الیاف پلیمری طبیعی کاربرد گسترده ای در همه ی زمینه های زندگی بشر دارند. در زیرمثال هایی از کاربردها آمده است:
الیاف پلیمری طبیعی برای تولید انواع مختلفی از منسوجات از لباس گرفته تا وسایل واثاثیه ی منزل،کیسه وطناب استفاده می شود. این الیاف به طور مکرر با الیاف مصنوعی ترکیب می شوند تا بتوان الیافی باخواص اپیتمم بدست آوریم. بسیاری از الیاف طبیعی مورد فرآیند عمل آوری قرار می گیرند وسپس از آنها برای ساخت کامپوزیت ها بهره گرفته می شود. (البته در کاربرد هایی که تنش های بسیار بالا اعمال نمی شود.)
بسیاری از الیاف طبیعی کاربردهایی در اتومبیل ها ووسایل نقلیه ی ریلی وجاده ای پیدا کرده اند. یکی از دلایل استفاده از آنها این است که مسئله ی تخریب آنها در طبیعت مهم می باشد. به عبارت دیگر ما دنبال موادی هستیم که در طبیعت تخریب شوند. این تخریب باعث کاهش مسائل زیست محیطی می گردد. الیاف طبیعی منابعی تجدیدپذیرند ومشکل انتشار گازCO2را تشدید نمی کنند.
این الیاف نه تنها طبیعی هستند بلکه دوست دار طبیعت هستند. این الیاف همچنین دارای خواص مکانیکی به نسبت خوبی هستند. مثلا مقاومت به ضربه ی آنها حتی در وزنهای پایین نیز مناسب است. مثال هایی از کاربردهای الیاف طبیعی، اتومبیل مرسدس بنز کلاس E است. به طور خاص در این اتومبیل تکه های پنبه، حصیرهای عایق، و لایی هایی از جنس الیاف نارگیل، موی حیوانات ولاتکس طبیعی وجود دارد. همچنین در ساختار آن از پلیمرهای تقویت شده با الیاف سیسال وکتان نیز استفاده شده است . همچنین باید به این مسئله اشاره شود که الیاف کتان ( flax ) بومی کشور آلمان است در حالی که سیسال بومی برزیل وبسیاری کشورهای دیگر است. الیاف طبیعی همچنین برای تولید ژئوتکستیل ( gcotextiles) استفاده می شود. ئوتکستیل بافته هایی است که برای تثبیت خاک از آنها استفاده می شود.