الیاف (1)

مقدمه

الیاف در همه جا وجود دارند.آنها در اشکال طبیعی ومصنوعی هستند. این الیاف دارای جنس پلیمر،فلز ویا سرامیک است. در این بخش در مورد خواص میکرو ساختار وروشهای تولید مواد در حالت لیف صحبت می کنیم.
گستره ی جنس الیاف متنوع است مثلا ابریشم یک لیف طبیعی است وآرامیدها ( aramid ) وپلی اتیلن الیافی مصنوعی و ساخته ی بشر هستند. همچنین از مواد فلزی وسرامیکی نیز الیاف تهیه می شود مثلا الیافی از فولاد و تنگستن (مواد فلزی) و آلومینا و سیلیکون کاربید ( مواد سرامیکی ) تولید شده اند.
واژه ی لیف ( fiber ) که با نام فیبر نیز معروف است، این تصوررادرذهن ایجاد می کند که لیف(فیبر)الیافی هستند که در صنعت پوشاک از آنها استفاده می شود در واقع شما با شنیدن نام فیبر به یاد نخ های لباس و دامن های زیبا و جوراب و... می افتید.
طبیعت برای مافهرستی گسترده از مواد در حالت الیاف آورده است.این الیاف طبیعی برای ساختن بخش های با عملکرد چند گانه ( multifunctional ) و پیچیده استفاده می شود. پروتئین که از لحاظ شیمیایی ترکیبی متنوع از آمینواسید هاست ،به طور فراوان در طبیعت وبه شکل فیبر وجود دارد.برای مثال کلاژن( collagen ) یک پروتئین در حالت فیبری است که به شکل بافت های اتصال دهنده ی بخش های سخت ونرم وجود دارد. فیبر طبیعی شناخته شده تر که در طبیعت یافت می شود ودر اصل از پروتئین خالص ساخته شده است، ابریشم است. ابریشم یک فیبر بیولوژیک، طبیعی ومهم است که بوسیله ی عنکبوت وکرم ابریشم تولید می شود.
ابریشم به دست آمده از کرم ابریشم برای زمان زیادی است که به صورت تجاری در آمده است در حالی که اکنون دانشمندان و مهندسان در حال پی بردن به پتانسیل مناسب ابریشم به دست آمده از عنکبوت است.
حقیقتا الیاف از مدتهای طولانی توسط بشر مورد استفاده قرار گرفته است.
الیاف از زمان ماقبل تاریخ ( prehistoric ) بوسیله ی انسان برای بافت پارچه ، طناب،سیم و بسیاری محصولات دیگر استفاده می شده است. که استفاده از این الیاف بسیار پیش از این بوده است که دانشمندان در مورد ساختار داخلی آنها نظری داشته باشند.
مقوله ی بافت لباس، بخش مهمی از اکثرجوامع قدیم را به خود اختصاص می داده است. مسئله ی لباس به سرعت به عنوان استعاره ای از جامع مطرح شد و همواره مقوله ی لباس مبحثی سیاسی واخلاقی بوده است. این جالب است که بدانید درحفاری های انجام شده در محلی در ترکیه قدمتی 9000 ساله داشت،یک تکه پارچه از جنس کتان کشف شده است. این تکه ی پارچه ی کتان از الیاف درخت کتان بافته شده است. عموما، باستان شناسان تعیین کرده اند که عصر تولید پارچه، عصر سفال بوده است.
از کاوش انجام شده در این مکان این مسئله به نظر می رسد که حتی پیش از دوره ی سفال نیز در این مکان پارچه بافته می شده است.همچنین استفاده از بخیه جهت ترمیم جراحت ها در دوره ی ماقبل تاریخ ثبت شده است. یک رساله ی پزشکی که در سال 800 پیش ازمیلاد نوشته شده است، توضیحاتی در مورد نحوه ی بخیه زدن با الیاف به هم تنیده ی مانند موی اسب ( hourse hair )، الیاف پنبه ( cotten fibers )، رباط حیوانات وپوست فیبر مانند درختان را توضیح می داده است. این رساله بوسیله ی یک جراح هندی به نام سوشروتا سامهیتا ( sushruta samhita ) نوشته شده است.
مواد درحالت فیبر تاثیر زیادی بر روی اقتصاد دارند. در واقع این مسئله اغراق نیست مثلا صنعت مرتبط با الیاف بخش بزرگی از اقتصاد آمریکا را تشکیل داده است. براساس اطلاعات بدست آمده از منابع آمریکایی، آمریکایی ها 8 میلیارد( 8ضربدر 10 به توان 9) کیلو گرم فیبر مصرف صنعت می کنند. در آمریکا، صنعت مرتبط با الیاف صنعتی 200 میلیارد دلاری است. که تقریبا 12% نیروی کار صنعتی را به خود اختصاص می دهد و مصرف انرژی آن 6% است. صنعت مرتبط با الیاف در اروپا ،آسیا،آمریکای جنوبی ودیگر بخش های جهان همان اهمیت را دارد که در آمریکا دارد. بنابراین هرگونه که بسنجیم مرتبط با الیاف بخش بسیار مهم از اقتصاد جهان را تشکیل می دهد.
در ذیل برخی از کاربردهای مواد الیافی بیان می گردد.
1) پوشاک
2)انواع فرش ها وچمن مصنوعی
3) لاینرهای باربری که در زیربزرگراه ها وخطوط ریلی قرار می گیرند
4) کامپوزیت های تقویت شده با الیاف که در محصولات ورزشی مانند راکت ها، چوب گلف و... کاربرد دارند.
5) قایق ها
6) قطعات پیش ساخته ی ساختمانی
7) صنعت هوا- فضا
8) استحکام دهی در هواپیما بوسیله ی الیاف
9) نازل های راکت
10) دماغه ی موشک وشاتل های فضایی
این کاربردها به این مسئله اشاره دارند که الیاف در زندگی ما دخیل هستند و کاربرد فراوانی دارند.

تاریخچه :

الیاف طبیعی از زمان ماقبل تاریخ در اطراف انسان ها بوده اند. الیاف ابریشم طبیعی برای زمان طولانی به عنوان یک کالای گران بها بود.
به هر حال، این مسئله ادامه داشت تا در سال 1880 مردی فرانسوی به نام کنت هیلر دِ چاردونت (count hilaire de chrdonnet ) موفق شد با تقلید از کرم ابریشم ، ابریشم مصنوعی را از مغز ساقه ی درخت توت تولید کند.این الیاف رایون ( rayon ) نامیده شدند. البته رایون ابریشم واقعی نبود اما حالت ابریشم طبیعی راداشت. این مسئله باعث شددوره ی تولیدالیاف سلولزی طبیعی مانندرایون واستات ( acetate ) شروع شود. بعد از آن در وسط دهه ی 1920 الیاف مصنوعی ظهور کردند. پیشرفت بزرگ زمانی حاصل شد که کاروترز ( carothers ) فرآیند پلیمریزاسیون تراکمی را کشف کرد. کشف فرآیند پلیمریزاسیون تراکمی منجر به تولید پلیمر های متنوعی از جمله پلی آمید ها ( polyamids )، پلی استرها ( polyesters ) وپلی یوریتان ها ( polyurethanes ) شد. این مسئله بنظر می رسد که عصر مدرن الیاف تولید شده بوسیله ی بشر از کشف نایلون ( nylon ) در دهه ی 1930 شروع شد.
نام دو شیمیدان، یکی آمریکایی بانام والاس کاروتر ( wallace carothers ) ودیگری آلمانی بانام پائول اسچلاک ( paul schlack ) در کنار کارهای مقدماتی که منجر به کشف فیبر نایلون شده است، آمده است. کارخانه ی دوپون ( Dupont co ) تولید فیبر نایلون را در سال 1939 شروع کرد که این مسئله را می توان به عنوان دوره ی آغازین تولید الیاف مصنوعی در نظر گرفت. به هر حال جنگ جهانی دوم باعث گسیخته شدن پیشرفت در زمینه تولید الیاف مصنوعی شد. به زودی پس از جنگ جهانی دوم تعدادی دیگری از الیاف مصنوعی مانند اکریلیک، پلی استر و... کشف شد. و پیشرفت ها در جهت توسعه ی الیاف مصنوعی از سر گرفته شد. این مسئله در طی ربع دوم قرن بیستم رخ داد که در این دوره دانشمندان شروع به شناخت ساختار داخلی برخی ازالیاف طبیعی کردند و به زودی پس از آن الیاف مصنوعی بهبود یافته با الیاف طبیعی را تولید کردند. بیشتر این کارها برای کاربردهای پوشاک واستفاده های شبیه به آن به مصرف می رسید بنابراین به وضوح مشخص است که اکثر اطلاعات بدست آمده در طی دهه ی 1940 و 1950 در مورد مواد الیافی از اشخاصی بدست آمده که در زمینه پوشاک مشغول بودند. به عبارت دیگر اطلاعات از اشخاصی بدست می آمده که در زمینه ی پارچه فعالیت می کردند به موازات توسعه در زمینه الیاف آلی ( organic fibers ) در اواخر دهه ی 1930 ودر ابتدای دهه ی 1940، این مسئله کشف شد که شیشه ها بر پایه ی سیلیکا ( silica-based glass ) را می توان به الیاف با استحکام بالا تبدیل کرد. سفتی ( stiffness ) الیاف شیشه با سفتی شیشه ی بالک فرقی نمی کند. این مسئله به خاطر این است که شیشه یک ماده ی آمورف است. وبنابراین، پس از فرآیند کشش در آن هیچگونه جهت گیری ترجیحی رخ نمی دهد. به هر حال سفتی شیشه در مقایسه با اکثر پلیمر ها بسیار بالاتر است. وبنابراین فیبر شیشه ماده ی بسیار مناسبیجهت تقویت مواد پلیمری است. ظهور فیبر شیشه را می توان به عنوان مقدمه ای بر استفاده و ساخت قطعات غیر بافتنی به شمار آورد. البته سیم های فلزی ( metal wires ) برای اهداف خاص ومتنوعی استفاده می شود مثلا سیم مسی برای انتقال الکتریسیته و سیم تنگستن برای رشته های روشنایی استفاده می شود. همچنین سیم ترموکوپل از آلیاژهای متنوعی ساخته می شود ( ترموکوپل وسیله ای برای اندازه گیری دما می باشد ) سیم های تولیدی از فولاد و دیگر آلیاژهای فلزی برای ساخت وسایل موسیقیائی مختلف مانند پیانو، ویولون و... استفاده می شود. در ربع آخر قرن بیستم کارهای زیادی در زمینه ی تولید الیاف با مدول بالا ( high modulus fibers ) انجام شد. تولید الیاف با مدول بالا هم از مواد آلی وهم معدنی صورت گرفت. در دهه ی 1950 این مسئله کشف شد که پیوند کربن-کربن در زنجیره ی اصلی پلیمرها، پیوندی قوی است. واگر بتوانیم پلیمر را به گونه ای قرار دهیم که جهت دهی در سمت زنجیره ی اصلی پلیمر باشد می توانیم الیاف آلی با مدول بالا تولید کنیم. پس تلاش ها در این زمینه آغاز شد و در ابتدا تنها بوسیله ی افزایش سرعت کشش وتنیدن الیاف آلی این مسئله تحقق یافت. و نتیجه ی این کار بهبود سفتی الیاف بود. اما بازهم این سفتی به حد سفتی الیاف شیشه نمی رسید. برای مثال مدول یانگ ( مدول کششی ) در این الیاف ودر جهت فیبر می توانست به 70 گیگا پاسگال برسد. به هرحال پس از زمان محققین فهمیدند که علاوه بر جهت گیری، گسترش زنجیره ی ملکولی نیز نیاز است. این جهت گیری وگسترش زنجیره ی ملکولی باعث می گردد تا از پتانسیل پیوند کربن-کربن به حد کمال استفاده شود. آرامیدها والیاف پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا ( polyetelen ultru-high weight ) که دارای مدول یانکی برابر 100 گیگا پاسکال هستند، دارای جهت گیری ومناسب وساختار زنجیره ی گسترش یافته اند. در ربع آخر قرن بیستم همچنین کارهای بسیار زیادی در زمینه ی الیاف سرامیکی دارای دانسیته پایین، سفتی بالا واستحکام بالا انجام شد. مسئله ی مهم تر در مورد این الیاف این است که این الیاف خواص خود را در دمای بالا حفظ می کنند ( در دمای 1000درجه و بالاتر ). مثال هایی از این الیاف سرامیکی عبارتند از: الیاف بور ( boron fiber )، الیاف کربن ( carbon fiber ) الیاف آلومینا ( alumina fiber )، الیاف سیلیکون کاربید ( silicon carbide fiber ) و...
برخی از این الیاف بسیار گران بها هستند وبوسیله ی تکنیک های پیشرفته ابداعی برپایه ی سل ژل و استفاده از پیش ماده های پلیمری تولید می شود.( برای مثال الیاف آلومینا ، سیلیکون کاربید و... از جمله ی این الیاف گران بها هستند).
این پیشرفت های بسیار خاص باعث باز شدن مبحث بسیار جدیدی در زمینه ی مواد الیافی شدند. این الیاف دارای خواص خاصی از جمله ی:
1) سفتی الاستیک بالا
2) استحکام بالا
3) دانسیته پایین
4) قابلیت تحمل در دماهای بسیار بالا
و...
مسئله ی که باعث توسعه ی این الیاف شد، نیاز به استفاده از این الیاف جهت استحکام دهی به سرامیک ها و فلزات بود. مثلا در جاهایی که محیط با دمای بسیار بالا وجود داشت.