
الیاف پلیمری مصنوعی (2)
مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون
منبع : راسخون
کشش و جهت دهی
ما به کرار گفتیم که یکی از خواص مهم هر فیبر پلیمری میزان جهت گیری زنجیره ی ملکولی در طول محور آن است. فرآیند روزن رانی (extrusion) از میان رشته ساز باعث می گردد تا برخی از زنجیره ها در فیلامنت جهت گیری کند. عموماً ، ملکولهای موجود در ناحیه سطحی بیشتر از ملکولهای داخلی فیلامنت جهت گیری می کنند، علت این مسئله این است که ملکولهای سطحی بیشتر تحت تأثیر لبه های سوراخ رشته ساز قرار می گیرند. این مسئله حتی می تواند بر روی بسیاری از خواص دیگر فیبرها اثر بگذارد. برای مثال، چسبندگی با یک زمینه پلیمری یا قابلیت رنگ پذیری الیاف.اکثر الیاف پلیمری که به روش ریسندگی تولید می شوند را تحت کشش قرار می دهند تا سایز زنجیره های پلیمری نیز در جهت محور فیبر جهت گیری کنند و در نتیجه سفتی و استحکام در جهت محور فیبر افزایش یابد. عموماً مقدار کشش مورد نیاز با واژه ی سرعت کشیدن یا سرعت کرنش (strainratio)، لاندا، نشان داده می شود. این مقدار برابر است با نسبت قطر ابتدایی به قطر نهایی، برای مثال الیاف نایلون به طور نمونه وار با سرعت کشش 5 روبرو می شوند. سرعت کشش بالاتر از حد نیاز باعث افزایش هم ترازی زنجیره ها می شود و این مسئله نهایتاً مدول الاستیک بالاتری ایجاد می کند. ( شکل 1 )
جهت گیری زنجیره های ماکروملکولها. همچنین بر روی قابلیت فیبر در جذب رطوبت تأثیر می گذارد. افزایش هم جهتی در زجیره ها باعث می شود، کریستالینیتی افزایش یابد و جذب رطوبت کمتر می شود. عموماً عملیات کشش باعث مقاومت بیشتر در برابر نفوذ ملکولهای خارجی می شود. این مسئله موجب پایداری شیمیایی بیشتر الیاف می گردد. به طور خاص عملیات کشش بر روی خواص رنگرزی الیاف تأثیر می گذارد. که علت آن این است که ملکولهای رنگ نمی توانند به آسانی به الیاف نفوذ کنند. به هر حال میزان کشش اعمالی بر روی یک فیبر پلیمری دارای محدودیت است زیرا کشش بیش از حد موجب ایجاد پدیده گلویی شدن (necking) در پلیمر می گردد. این پدیده موجب گسستن فیبر می گردد. گلویی شدن نتیجه تغییر فرم پلاستیکی است که در یک نقطه مشخص اتفاق می افتد. گلویی شدن سرانجام باعث شکست ماده در آن محل می شود. این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که پدیده گلویی شدن در کلیه موادی که تحت کشش از خود رفتار پلاستیک نشان می دهند، اتفاق می افتد. هم جهت شدن زنجیره های ملکولی پلیمر در طول محور آن باعث تغییر قابل ملاحظه ای در خواص الیاف پلیمری در جهات مختلف می گردد.
اثرات محیطی بر روی الیاف پلیمری
فاکتورهای محیطی از جمله رطوبت، دما، PH، تابش نور فرابنفش (UV) و میکروارگانیزم ها می توانند بر روی الیاف پلیمری اثر بگذارند. الیاف پلیمری طبیعی نسبت به الیاف پلیمری مصنوعی حساس ترند و زودتر تخریب می شوند. سلولز بوسیله گروه زیادی از باکتری ها، قارچ ها و کپک ها مورد هجوم قرار می گیرد. در واقع میکروارگانیزم ها از سلولز به عنوان منبع غذایی استفاده می کنند. الیاف طبیعی بر پایه ی پروتئین مانند پشم، مو و ابریشم و ... همچنین می توانند به عنوان منبع غذایی میکروارگانیزم ها باشند. اما این چنین الیافی با وجود رطوبت و دمای مناسب برای تخریب مساعدتر می شوند. الیاف پلیمری (طبیعی و مصنوعی) هنگامی که در معرض تابش پرتو نور (نور مرئی و فرابنفش) قرار گیرند، تخریب نوری می شوند. از لحاظ فیزیکی تابش پرتو نور موجب تغییر رنگ الیاف می گردد. علاوه بر تغییر رنگ، خواص مکانیکی این الیاف نیز کاهش می یابد.بیشتر الیاف پلیمری (طبیعی و مصنوعی) به خاطر جذب رطوبت متورم می شوند. مقدار تورم در مورد الیاف مصنوعی بیشتر است. در مورد الیاف مصنوعی، مخصوصاً آنهایی که دارای درجه ی کریستالیستی هستند، تورم در جهت مورب بیشتر از جهت طولی است. این مسئله به خاطر آن - ایزوتروپ بودن این الیاف است. همچنین علت دیگر این مسئله این است که ملکولهای آب نفوذ کننده در الیاف زنجیره های ملکولی را از پهلو بیشتر از جهت در طول محور فیبر باز می کنند.
الیاف پلیمری با مدول پایین
در ادامه به توصیف فرآیند تولید، ساختار و خواص تعدادی از الیاف پلیمری مصنوعی با مدول پایین می پردازیم:نایلون (Nylon)
نایلون نام عمومی هر پلی آمید با زنجیره بلند و ترموپلاست است که بیش از 85% از گروه های آلیفاتیک آن در زنجیره ی اصلی باشند. این مسأله مهم است که بدانیم نایلون ها و پلی آمیدها نام عمومی یک گروه از الیاف هستند. واژه ی نایلون عموماً در آمریکای شمالی و انگلستان استفاده می شود در حالی که واژه پلی آمید در کشورهای اروپایی مرسوم است. ساختار شیمیایی نایلون 66 در شکل 3 نشان داده شده است.الیاف پلی استر (Polyester Fibres)
الیاف پلی استر، مانند الیاف پلی آمید یکی دیگر از خانواده های مهم الیاف هستند. الیاف پلی استر در انگلستان و در سال 1941 کشف شد و در سال 1950 به صورت تجاری در آمد. دو نام عمومی متداول برای پلی استر عبارتست از: داکرون (Dacron) و تریلن (Terylene). در واقع نام تجاری داکرون در آمریکا و تریلن در انگلستان استفاده می شود. واژه ی پلی استر بیان کننده خانواده ای از الیاف است که از پلی اتیلن ترفتالات ساخته می شوند. دی متیل ترفتالات (terephtalate Dimethyl) در حضور کاتالیزور اکسید آنیموآن با اتیلن گلیکول (ethylene glycol) واکنش می دهد و پلی اتیلن ترفتالات یا پلی استر تولید می گردد. ساختار تکرار شونده ی PET در شکل 4 نشان داده شده است.مانند نایلون، الیاف پلی استر از پلیمرهای خطی که حاصل پلیمرایزاسیون تراکمی است، بدست می آیند. و بوسیله ریسندگی مذاب تشکیل می شوند. سپس عملیات کشش بر روی این الیاف انجام می شود. مانند نایلون، عملیات کشش در الیاف پلی استر در دمای 80 درجه سانتی گراد و در بالای دمای انتقال به حالت شیشه ای (Tg) انجام می شود.
الیاف پلی اولفین (polyolefin fibers)
پلی پروپیلن و پلی اتیلن احتمالا دو نوع مهم از الیاف پلی اولفینی هستند. پلی اتیلن دارای ساختار زنجیره ای خطی و ساده است. در ساختار پلی اتیلن، اتم های کربن زنجیره ای اصلی و هیدروژن گروه های جانبی را تشکیل می دهد. یک چنین ساختاری کریستالیزاسیون آن را آسان می کند.برای پلی اتیلن سه درجه بندی معمولی وجود دارد.
1) پلی اتیلن با دانسیته ی پایین (low density polyethylen)
این درجه از پلی اتیلن را به اختصار LDPE می نامیم.2) پلی اتیلن با دانسیته بالا (high density polyethylen)
این درجه از پلی اتیلن را به اختصار HDPE می نامیم.3) پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا (ultra-high molecular weight polyethelene)
این درجه از پلی اتیلن را به اختصار UMWPE می نامیم.برای ساخت الیاف با مدول بالا از UMWPE استفاده می شود.
در بخش های بعدی در مورد الیاف پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا به طور مفصل توضیح می دهیم. علت این مسئله این است که این نوع الیاف به عنوان یکی از الیاف با استحکام و مدول بالا در نظر گرفته می شود.
الیاف پلی پروپیلن نیز یکی از الیاف مهم محسوب می شوند، اگرچه این الیاف مدول بسیار بالایی ندارند. درجه کریستالیزاسیون بدست آمده در الیاف پلی پروپیلنی عموما کمتر از درجه ی کریستالیزاسیون در پلی اتیلن است. علت این مسئله این است که پلی پروپیلن دارای گروه های جانبی است در حالی که پلی پروپیلن خطی است. عموماً گروه های جانبی بزرگ باعث می شود تا آرایش زنجیره های ملکولی سخت گردد. نحوه ی قرار گیری گروه ها (آریشمندی) نیز در این مورد مهم می باشد. الیاف پلی اولفینی از پلیمر یا کوپلیمرهای اولفینی مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن تولید می شوند. الیاف پلی پروپیلن بوسیله ریسندگی مذاب تولید می شود. در این فرآیند پلیمر از میان روزن ران (extruder) اکسترود می گردد. و پس از آن عملیات حرارتی و مکانیکی مناسب بر روی الیاف انجام می شود. شکل 5 نشان دهنده ی شماتیک این فرآیند است.
منبع انگلیسی مقاله : Fibrous Materials/k.k.chawla
تاریخ : سه شنبه 93/5/21 | 5:29 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()