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 )

تغییر مدول به عنوان تابعی از سرعت کرنش یا کشش برای برای پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی پروپیلن (PP) در جهت محوری و جهت مورب آورده شده است. توجه کنید که تغییر سرعت کرنش یا کشش در جهت مورب تأثیر کوچکی بر روی مدول می گذارد.
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.

شکل 2 شماتیک این پدیده را نشان می دهد. یکی از خواص پارچه های بافته شده این است که این پارچه ها دارای سوراخ های مجزا هستند و در هنگام تورم الیاف این سوراخ ها می توانند به طور کامل یا به صورت نیمه، پر شوند. و از ایجاد تنش جلوگیری 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.

بخش (CONH) نشان دهنده گروه آمیدی است. گروه های آمیدی موجود در زنجیره های مجاور باعث می شوند که بین این زنجیره ها پیوند هیدروژنی بوجود آید. و این مسأله باعث ایجاد ساختار متراکم تر می شود. برای تعریف نایلون می توان از تعریفی که بوسیله ی کمیسیون تجارت فدرال ایالات متحده ی آمریکا (Commision Federal Trade) برای این الیاف بیان شده است استفاده کنیم. با توجه به تعریف این کمیته فیبر نایلون فیبری مصنوعی است که مواد اولیه ی استفاده شده برای تولید آن از یک پلی آمید مصنوعی با زنجیره های طویل هستند و کمتر از 85% از اتصالات آرامیدی آن به طور مستقیم به دو حلقه ی آروماتیک متصل هستند. در واقع 85% مرز میان پلی آمیدها و الیاف آرامیدی است. و این تمایز این دو نوع فیبر به شمار می آید. همانگونه که در بالا گفته شد واژه ی نایلون به خانواده ی پلی آمیدها اشاره دارد. به هر حال دو نوع مهم از نایلون ها وجود دارد. یکی نایلون 66 و دیگری نایلون 6. نایلون 66 عمده ترین فیبر پلی آمیدی است. علت این گونه نامگذاری آنها بدین علت است که فرآیند تولید الیاف بدین صورت است که ابتدا پلیمر پایه تولید می شود و سپس با استفاده از روش ریسندگی مذاب، الیاف تهیه می شوند. چهار عنصر اساسی کربن(C)، هیدروژن (H)، نیتروژن (N)، و اکسیژن (O) تشکیل دهنده ی مواد اولیه در تولید نالیون 66 و 6 است. در واقع با ترکیب اسید چرب هگزامتیلن (adipic acid hexamethylene) و کاپرولاکتام (Caprolactam) این نوع نایلون ها تولید می شود. فرآیند پلیمریزاسیون این نایلون از نوع پلیمریزاسیون تراکمی است و بواسطه آن زنجیره ای طویل از پلی آمید شکل می گیرد. 66 در نایلون 66 به تعداد اتم های کربن در جزء اصلی نایلون اشاره دارد. مثلا عامل دی آمین و اسید دو عاملی هر کدام 6 اتم در ساختارشان دارند. به هر حال اگر پلی آمید تولیدی دارای یک تک جزء اصلی باشد (مثلا مونوم آن یک آمینو اسید باشد)، برای بیان تعداد کربن در جزء اصلی تنها از یک عدد استفاده می شود. مثلا نایلون 6 پلی آمید تولیدی سپس به روش ریسندگی ذوبی به فیلامنت تبدیل می شود. پس از عملیات کشش (با سرعت کشش 5) و پس از سرد کردن الیاف، الیاف نایلون ترموپلاست با استحکام بالا پدید می آید. در اینجا باید بدین مسئله توجه کرد که استفاده از دستگاه ریسندگی الیاف با سرعت بالا (بالاتر از 6000 متر بر دقیقه) می تواند نیاز های ما را برای مرحله کشش برطرف کند.

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.

اگر چه پلی استرها می توانند ترموپلاست و ترموست باشند واژه ی پلی استر با PET مترادف شده است. توجه داشته باشید که ساختار زنجیره PET از ساختار ساده تر نایلون یا پلی اتیلن متفاوت است. در PET، حلقه ی آروماتیک و پیوندهای کربن کربن متصل به آن به گونه ای هستند که باعث صلب شدن ساختار شده اند. همچنین ساختار پلی استر فضای بیشتری نسبت به نایلون یا پلی اتیلن اشغال می کند. (ساختار بالک تری دارد). این مسئله موجب می شود تا پلی استر نسبت به نایلون و پلی اتیلن انعطاف پذیری کمتری داشته باشد و سرعت کریستالیزاسیون PET آهسته تر از سرعت کریستالیزاسیون در نایلون و پلی اتیلن باشد. بنابراین هنگامی که مذاب پلی استر سرد می شود، مقدار قابل توجهی از کریستالیزاسیون اتفاق نمی افتد.
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.

روزن ران این فرآیند دارای یک رشته ساز در انتهای خود است و مانند سایر موارد، رشته ساز عموماً دارای روزن هایی است که بر روی یک شکل استوانه ای قرار دارند. دمای ذوب پلیمر در این فرآیند 250 درجه سانتیگراد است. فیلامنت های تولیدی از داخل یک تانک آب عبور می کنند و سپس به بخش غلطک های کشنده رفته، کشیده می شوند. رشته های کشیده شده سپس به بخش آون آینلپنگ برده شده، سرانجام بر روی قرقره پیچیده می شوند. مانند سایر پلیمرها، میزان جهت گیری زنجیره ها، تابعی از سرعت کشش الیاف. در این مورد نیز سرعت کشش برابر است با نسبت سرعت غلتک کشش (draw roll) به سرعت غلتک های پوول (rolls Pull). عموماً این سرعت کشش برابر 9 است که می تواند الیاف با استحکام بالا تولید کند. فرآیند آینلینگ نیز باعث آزاد سازی تنش های پس ماند می گردد.
منبع انگلیسی مقاله : Fibrous Materials/k.k.chawla