الياف پليمري مصنوعي (1)

در اين مقاله ما به توصيف الياف پليمري مصنوعي مي پردازيم. توليد الياف پليمري مصنوعي به گفته بسياري پيشرفت عظيمي در نيمه دوم قرن بيستم به شمار مي آيد. در حقيقت از لحاظ منطقي عمر الياف با ظهور الياف مصنوعي مانند نايلون، پلي استر و ... شروع شده است. اين پيشرفت شگرف در اواخر دهه ي 1930 اتفاق افتاد. در اين زمان بسياري از شرکت ها مانند دوپون (Dupont)، مانساتو (Monsato)، بي اي اس اف (BASF)، هوي چست (Hoechst)، آي سي آي (ICI) و ... در بخش الياف فعاليت کردند. براي آگاهي از وسعت فعاليت ها مي توان فعاليت هاي شرکت دوپون را در بين سال هاي 1902-1980 بررسي نمود.
بسياري از الياف پليمري مصنوعي مانند پلي استر، نايلون و... داراي خواص يکنواخت هستند و مي تواند آنها را چندين بار بازيافت کرد.
به هر حال، اين الياف داراي مدول الاستيک پايين هستند، از اين رو کاربرد اين الياف بيشتر به پوشاک و منسوجات محدود مي شود. کارهاي تحقيقاتي انجام شده باعث شد تا الياف پليمري مصنوعي با استحکام و سفتي مناسب جهت تقويت کننده ي کامپوزيت ها توليد گردد. اين کارهاي تحقيقاتي در اواخر دهه ي 1950و ابتداي دهه ي 1960 شروع شد. که باعث ورود الياف پليمري محکم مانند آراميدها (aramid) و پلي اتيلن با زنجيره هاي طويل به عرصه تجاري شد. در ادامه به توصيف توليد، ساختار و خواص تعدادي از الياف پليمري مصنوعي مي پردازيم.

تاريخ مختصري از الياف آلي
 

مرور مختصري بر کارهاي انجام شده در زمينه الياف آلي مي تواند ما را در آگاهي يافتن از جايگاه اين مواد در زندگي کمک کند. براي اين کار ما از کشف نايلون شروع مي کنيم. نايلون بوسيله شرکت دوپون در سال 1938 کشف و تجاري سازي شد. والاس کارتررز (Wallas Carothers) از شرکت دوپون عموماً به عنوان پدر نايلون در نظر گرفته مي شود. نايلون براي اولين بار و پيش از جنگ جهاني دوم به مراکز فروش جوراب وارد شد. در حقيقت سال 1988، پنجاهمين سالگرد ورود نايلون به عنوان ماده ي اوليه در توليد جوراب زنانه ساق بلند بود. نايلون بوسيله روش ريسندگي مذاب (melt spinning) توليد مي شود اين فيبر بسيار انعطاف پذير و با دوام است و حالت کشباف دارد. همه ي اين ويژگي ها منجر شد تا نايلون به عنوان يکي از مهمترين الياف در صنعت منسوجات درآيد. همچنين استحکام بالاي نايلون و خواص ضربه اي و مقاومت به خستگي مناسب اين فيبر باعث شد تا نايلون در صنعت الاستيک سازي نيز مصرف شود. اين مسأله بايد مورد توجه قرار گيرد که واژه ي نايلون به گروهي از مواد شبيه به هم اطلاق مي شود، همانگونه که ما گروهي از مواد را با نام شيشه، فولاد و يا کربن مي شناسيم. و به همين خاطر ما نايلون را با حروف بزرگ ننوشته ايم. (در انگليسي حروف اول کلمات خاص با حروف بزرگ نوشته مي شود).
پس از نايلون، پلي اتيلن ترفتالات (PET) و پلي اکريلونيتريل (PAN) دو کشف در زمينه ي الياف آلي بودند. پلي اتيلن ترفتالات از روش ذوبي ريسندگي مي شود و اين در حالي است که پلي اکريلو نيتريل از روش Spinable Polymer solution dope به الياف تبديل مي شود. پلي اتيلن ترفتالات يک پلي استر ترموپلاست است. اين ماده به سرعت به عنوان جايگزين براي پنبه، پشم و رايون در فرش، پتو و ... درآمد. پلي اکريلونيتريل نيز به عنوان پيش ماده در توليد الياف کربن (Carbon fiber) استفاده مي شود. از ميان تمام ويژگي هاي منحصر به فردي که الياف مصنوعي مانند نايلون، PET، PAN و ... دارند، برخي از ويژگي ها مانند خواص سايشي، مقاومت در برابر چروک خوردن، دوام و قابليت شستشوي آنها باعث شده اند تا الياف مصنوعي موفق باشند. توليد الياف پليمري مصنوعي به عنوان يکي از پيشرفت هاي شگرف بشر در نيمه ي دوم قرن بيستم به حساب مي آيد. به هر حال، مهم تر از اين مسئله اين است که هنگامي که اهميت رابطه ي ميان خواص و ساختار در پليمرها کشف شد، عصر جديدي در الياف ساخته بشر شروع شد. تعدادي از کارهاي مؤثر در زمينه ي کريستاليزاسيون پليمرها در اواخر دهه ي 1960 باعث پديد آوردن اين دوره شد. شناخت از فرآيند کريستاليزاسيون پليمرها باعث شد تا رابطه ي ميان ساختار و خواص مواد پليمري شناخته شود. يکي از نتايج اصلي که از کارهاي انجامي بر روي رابطه خواص و ساختار بدست آمد اين مسئله بود که «آرايش زنجيره هاي پليمري به صورت جهت دار و در طول فيبر باعث بهبود خواص مکانيکي مي گردد.» توليد الياف آلي با استحکام کششي و مدول بالا مانند آراميدها و پلي اتيلن، نتيجه ي مستقيم اين تلاش هاست. در واقع در توليد الياف با استحکام و مدول بالا از دو مسئله ساختاري متفاوت استفاده شده است. در پليمرهاي با استحکام بالا و صلب مانند آراميدها ما از صلبيت ذاتي و بسيار بالاي گروه هاي آراميدي در زنجيره ي اصلي به همراه آرايش فيزيکي زنجيره ها بهره گرفته ايم. در حالي که پليمرهاي داراي زنجيره ي انعطاف پذير مانند پلي اتيلن ما از آرايش زنجيره هاي پليمري براي بدست آوردن مدول بالا بهره برده ايم.
در ادامه ما تکنيک هاي عمومي در توليد الياف پليمري مصنوعي را بيان مي کنيم و پس از آن فرآيندهاي توليد، ساختار و خواص برخي از الياف آلي با مدول پايين را توصيف مي کنيم. سرانجام ما به توصيف دو نوع از الياف آلي تجاري مهم که داراي سفتي و مدول بالايي هستند، (آراميدها و پلي اتيلن) مي پردازيم.

توليد
 

عموماً، پليمرهاي مصنوعي بوسيله فرآيند ريسندگي به فيبر تبديل مي شود. ريسندگي فيبر (Fiber spinning) فرآيندي است که در طي آن مايعي از ميان سوراخ هاي کوچک عبور مي کند و به صورت فيلامنت هاي جامد در مي آيد.

در شکل 1 شماتيک کلي اين فرآيند نشان داده شده است. در ابتداي فرآيند ما نيازمند محلول يا مذاب پليمر هستيم. فيلامنت ها از سوراخ هاي رشته ساز (spinnert) بيرون مي آيند و پس از آن ممکن است از داخل حمام و آون عبور کند. و سپس به صورت تک نخ بر روي يک بوبين (bobbin) پيچيده مي شود. واژه ي ريسندگي (spinning) همچنين به معني ريسندگي نخ (spinning yarn) نيز استفاده مي شود و اين يک وضعيت نامناسب ايجاد مي کند. در طبيعت کرم ابريشم و عنکبوت ها بوسيله ي همين روش فيلامنت هايي مداوم توليد مي کنند. فرآيند ريسندگي الياف جامد بدين گونه است که يک مايع از ميان روزنه هاي بسيار ريز عبور مي کند و در حقيقت اين موقعيت از آنجايي بدست که مواد خاصي مانند پليمرهاي آلي و شيشه هاي غيرآلي بر پايه ي سيليس داراي ويسکوزيته ي متعادلي براي ايجاد فيلامنت پايدار از روزنه ها هستند. خروج فيلامنت ها از رشته ساز ممکن است بوسيله ي جريان هوا يا حمام انعقاد (coagulating bath) پايدار گردد. اگر ويسکوزيته پايين باشد، جريان خروج فيلامنت ها به خاطر کشش سطحي، ناپايدار مي شود. فلزات مذاب معمولاً داراي ويسکوزيته بسيار پاييني هستند (نزديک به ويسکوزيته ي آب) و بنابراين به طور عادي نمي توان از ريسندگي مذاب براي تهيه ي فيلامنت هاي فلزي استفاده کرد. نقطه ي کليدي که بوسيله آن مي توان تشخيص داد که چگونه جريان مذاب با ويسکوزيته ي پايين را به صورت جريان پايدار درآورديم، امواج رايليت (Rayleigh Waves) است.
بر طبق اين امواج کشش سطحي مناسب تعيين مي گردد و با تنظيم کشش سطحي جريان فلامينت ها پايدار مي شود. يک راه جهت ايجاد فيلامنت هاي مداوم و پايدار اين است که جريان فيلامنت هاي خروجي از روزنه ها را از يک محيط فعال شيميايي عبور دهيم. ويسکوزيته ي پليمرهاي آلي و شيشه ها در گستره اي است که فيلامنت هاي عبوري از روزنه ها تا زمان سرد شدن مشکلي ندارند. (اين ويسکوزيته بيش از 10 به توان 5 poise است.) در واقع عدم پايداري فيلامنت ها گاها به خاطر چسبيدن آنها به همديگر رخ مي دهد که در مورد جريان هاي مذاب با ويسکوزيته پايين مي توان از پايدار کننده هاي شيميايي استفاده کرد. براي مثال والنبرگر (wallenberger) و همکارانش در سال 1992 فرآيندي براي توليد الياف (آلومينا و سيليس) را ابداع کردند که در آن جرياني از فيلامنت ها با ويسکوزيته ي پايين (10poise) را بوسيله ي پروپان پايدار مي کنند. و پيش از اينکه فيلامنت ها به صورت قطره درآيند فرآيند پايدار کنندگي الياف انجام مي شود.
در ادامه به توصيف مختصري از روش هاي توليد الياف مي پردازيم:

1) ريسندگي مذاب (melt spinning)
 

در اين روش موادي که مي خواهيم آنها را به شکل الياف درآوريم را ذوب مي کنيم و مذاب حاصله از ميان يک رشته ساز عبور مي دهيم. (شکل 2)

مايع عبوري از رشته ساز بوسيله ي هوا سرد و جامد مي گردد. اين روش عموما براي توليد الياف آلي مانند نايلون، پلي استر و پلي پروپيلن استفاده مي شود.

2) ريسندگي خشک (Dry spinning)
 

در اين روش محلولي از مواد پليمري در حلال فرار آلي از ميان رشته ساز عبور مي کنند و بداخل يک محيط گرم وارد مي شوند. باريکه اي از هواي گرم در همان لحظه اي که جريان فيلامنت از رشته ساز بيرون مي آيد، بدان برخورد مي کند. اين مسئله باعث بخار شدن حلال مي گردد. و با خشک شدن حلال، فيلامنت هاي جامد پديد مي آيند. (شکل 3)

اليافي مانند استات، اکريليک و الاستومرهاي پلي يوريتاني از اين روش توليد مي شوند.

3) ريسندگي تر (wet spinning)
 

يک محلول پليمري در يک مايع آلي يا معدني از ميان سوراخ هاي رشته ساز اکسترود مي شوند. پس از عبور فيلامنت ها از داخل رشته ساز، آنها از حمام انعقاد عبور مي کنند. در اين حمام واکنش هاي فيزيکي و شيميايي بر روي فيلامنت ها رخ مي دهد. و پس از خروج فيلامنت از حمام، الياف تشکيل مي شوند. شکل4 اين فرآيند را نشان مي دهد. مثال هايي از الياف آلي توليدي با اين روش عبارتند از رايون و الياف اکرليک.

4) ريسندگي تر- خروج خشک (Dry jet-wet spinning)
الياف آراميد به اين روش توليد مي شوند. در اين فرآيند، محلول آن- ايزوتروپيک از ميان سوراخ هاي رشته ساز اکسترود مي شود و وارد يک فاصله ي هوايي (تقريباً 1cm) مي شود و سپس از آنجا وارد يک حمام انعقاد مي شود. الياف انعقاد يافته سپس شسته مي شوند و پس از شسته شدن، عمليات خنثي سازي و خشک کردن اتفاق مي افتد.

5) ريسندگي ژله اي (gel spinning)
 

در اين فرآيند، فيلامنت ها از سوراخ هاي رشته به صورت يک ماده ي رابر مانند يا ژله اي خارج مي شوند و سپس سرد مي شوند. اين فرآيند براي ريسندگي پليمرهاي خطي با زنجيره ي انعطاف پذير مانند پلي اتيلن مناسب است. يک فيبر ژله اي هنگامي که محلولي مناسب از رشته ساز خارج گردد و سپس در هوا سرد گردد، پديد مي آيد.
اين الياف ژله اي داراي ساختاري شبکه اي از زنجيره هاي متورم هستند که با سرعت بالا و در دماي زير نقطه ذوب تشکيل مي شوند. الياف پلي اتيلن با وزن ملکولي بسيار بالا که داراي سفتي و استحکام بالاست، بوسيله ي اين فرآيند توليد مي شوند.

6) توليد الياف از غشاء (fibres from films)
 

در همه ي روش هاي توضيح داده شده در بالا محلول يا مذابي از پليمر در داخل رشته ساز اکسترود مي شود. در اينجا مي خواهيم روشي را توضيح دهيم که با روش هاي بالا کاملا متفاوت است. در اين روش از غشاء نازک جهت توليد الياف استفاده مي شود. اين تکنيک براي پليمرهاي به کار مي رود که به آساني به غشاء تبديل مي شوند. همچنين براي پليمرهايي مناسب است که بسيار جهت دارند و توليد غشاء از آنها گران نباشد. اين غشاء ها آن- ايزوتروپ هستند و خواص کششي آنها در جهات اصلي متفاوت است. (در واقع استحکام آنها در جهت طولي بسيار بيشتر از حالت عمود بر آن است). در اصل اين مسئله جهت گيري زنجيره هاي پليمري در جهت کشش غشاء است. اين تفاوت در خواص در جهات مختلف اجازه مي دهد که غشاء به آساني به الياف توليد شود. اين کار بوسيله فرآيندهاي مکانيکي مانند برس زني (brushing)، سائيدن (rubbing) يا پيچاندن (twisting) انجام مي شود. در واقع غشاء به آساني برش مي خورد. مقطع عرضي اين نوع الياف به جاي دايره اي، مستطيلي يا مربعي است که علت آن نوع مواد مورد استفاده است.