الياف پليمري مصنوعي (2)

کشش و جهت دهي
 

ما به کرار گفتيم که يکي از خواص مهم هر فيبر پليمري ميزان جهت گيري زنجيره ي ملکولي در طول محور آن است. فرآيند روزن راني (extrusion) از ميان رشته ساز باعث مي گردد تا برخي از زنجيره ها در فيلامنت جهت گيري کند. عموماً ، ملکولهاي موجود در ناحيه سطحي بيشتر از ملکولهاي داخلي فيلامنت جهت گيري مي کنند، علت اين مسئله اين است که ملکولهاي سطحي بيشتر تحت تأثير لبه هاي سوراخ رشته ساز قرار مي گيرند. اين مسئله حتي مي تواند بر روي بسياري از خواص ديگر فيبرها اثر بگذارد. براي مثال، چسبندگي با يک زمينه پليمري يا قابليت رنگ پذيري الياف.
اکثر الياف پليمري که به روش ريسندگي توليد مي شوند را تحت کشش قرار مي دهند تا سايز زنجيره هاي پليمري نيز در جهت محور فيبر جهت گيري کنند و در نتيجه سفتي و استحکام در جهت محور فيبر افزايش يابد. عموماً مقدار کشش مورد نياز با واژه ي سرعت کشيدن يا سرعت کرنش (strainratio)، لاندا، نشان داده مي شود. اين مقدار برابر است با نسبت قطر ابتدايي به قطر نهايي، براي مثال الياف نايلون به طور نمونه وار با سرعت کشش 5 روبرو مي شوند. سرعت کشش بالاتر از حد نياز باعث افزايش هم ترازي زنجيره ها مي شود و اين مسئله نهايتاً مدول الاستيک بالاتري ايجاد مي کند. ( شکل 1 )

تغيير مدول به عنوان تابعي از سرعت کرنش يا کشش براي براي پلي اتيلن ترفتالات (PET) و پلي پروپيلن (PP) در جهت محوري و جهت مورب آورده شده است. توجه کنيد که تغيير سرعت کرنش يا کشش در جهت مورب تأثير کوچکي بر روي مدول مي گذارد.
جهت گيري زنجيره هاي ماکروملکولها. همچنين بر روي قابليت فيبر در جذب رطوبت تأثير مي گذارد. افزايش هم جهتي در زجيره ها باعث مي شود، کريستالينيتي افزايش يابد و جذب رطوبت کمتر مي شود. عموماً عمليات کشش باعث مقاومت بيشتر در برابر نفوذ ملکولهاي خارجي مي شود. اين مسئله موجب پايداري شيميايي بيشتر الياف مي گردد. به طور خاص عمليات کشش بر روي خواص رنگرزي الياف تأثير مي گذارد. که علت آن اين است که ملکولهاي رنگ نمي توانند به آساني به الياف نفوذ کنند. به هر حال ميزان کشش اعمالي بر روي يک فيبر پليمري داراي محدوديت است زيرا کشش بيش از حد موجب ايجاد پديده گلويي شدن (necking) در پليمر مي گردد. اين پديده موجب گسستن فيبر مي گردد. گلويي شدن نتيجه تغيير فرم پلاستيکي است که در يک نقطه مشخص اتفاق مي افتد. گلويي شدن سرانجام باعث شکست ماده در آن محل مي شود. اين نکته بايد مورد توجه قرار گيرد که پديده گلويي شدن در کليه موادي که تحت کشش از خود رفتار پلاستيک نشان مي دهند، اتفاق مي افتد. هم جهت شدن زنجيره هاي ملکولي پليمر در طول محور آن باعث تغيير قابل ملاحظه اي در خواص الياف پليمري در جهات مختلف مي گردد.

اثرات محيطي بر روي الياف پليمري
 

فاکتورهاي محيطي از جمله رطوبت، دما، PH، تابش نور فرابنفش (UV) و ميکروارگانيزم ها مي توانند بر روي الياف پليمري اثر بگذارند. الياف پليمري طبيعي نسبت به الياف پليمري مصنوعي حساس ترند و زودتر تخريب مي شوند. سلولز بوسيله گروه زيادي از باکتري ها، قارچ ها و کپک ها مورد هجوم قرار مي گيرد. در واقع ميکروارگانيزم ها از سلولز به عنوان منبع غذايي استفاده مي کنند. الياف طبيعي بر پايه ي پروتئين مانند پشم، مو و ابريشم و ... همچنين مي توانند به عنوان منبع غذايي ميکروارگانيزم ها باشند. اما اين چنين اليافي با وجود رطوبت و دماي مناسب براي تخريب مساعدتر مي شوند. الياف پليمري (طبيعي و مصنوعي) هنگامي که در معرض تابش پرتو نور (نور مرئي و فرابنفش) قرار گيرند، تخريب نوري مي شوند. از لحاظ فيزيکي تابش پرتو نور موجب تغيير رنگ الياف مي گردد. علاوه بر تغيير رنگ، خواص مکانيکي اين الياف نيز کاهش مي يابد.
بيشتر الياف پليمري (طبيعي و مصنوعي) به خاطر جذب رطوبت متورم مي شوند. مقدار تورم در مورد الياف مصنوعي بيشتر است. در مورد الياف مصنوعي، مخصوصاً آنهايي که داراي درجه ي کريستاليستي هستند، تورم در جهت مورب بيشتر از جهت طولي است. اين مسئله به خاطر آن - ايزوتروپ بودن اين الياف است. همچنين علت ديگر اين مسئله اين است که ملکولهاي آب نفوذ کننده در الياف زنجيره هاي ملکولي را از پهلو بيشتر از جهت در طول محور فيبر باز مي کنند.

شکل 2 شماتيک اين پديده را نشان مي دهد. يکي از خواص پارچه هاي بافته شده اين است که اين پارچه ها داراي سوراخ هاي مجزا هستند و در هنگام تورم الياف اين سوراخ ها مي توانند به طور کامل يا به صورت نيمه، پر شوند. و از ايجاد تنش جلوگيري کنند.

الياف پليمري با مدول پايين
 

در ادامه به توصيف فرآيند توليد، ساختار و خواص تعدادي از الياف پليمري مصنوعي با مدول پايين مي پردازيم:

نايلون (Nylon)
 

نايلون نام عمومي هر پلي آميد با زنجيره بلند و ترموپلاست است که بيش از 85% از گروه هاي آليفاتيک آن در زنجيره ي اصلي باشند. اين مسأله مهم است که بدانيم نايلون ها و پلي آميدها نام عمومي يک گروه از الياف هستند. واژه ي نايلون عموماً در آمريکاي شمالي و انگلستان استفاده مي شود در حالي که واژه پلي آميد در کشورهاي اروپايي مرسوم است. ساختار شيميايي نايلون 66 در شکل 3 نشان داده شده است.

بخش (CONH) نشان دهنده گروه آميدي است. گروه هاي آميدي موجود در زنجيره هاي مجاور باعث مي شوند که بين اين زنجيره ها پيوند هيدروژني بوجود آيد. و اين مسأله باعث ايجاد ساختار متراکم تر مي شود. براي تعريف نايلون مي توان از تعريفي که بوسيله ي کميسيون تجارت فدرال ايالات متحده ي آمريکا (Commision Federal Trade) براي اين الياف بيان شده است استفاده کنيم. با توجه به تعريف اين کميته فيبر نايلون فيبري مصنوعي است که مواد اوليه ي استفاده شده براي توليد آن از يک پلي آميد مصنوعي با زنجيره هاي طويل هستند و کمتر از 85% از اتصالات آراميدي آن به طور مستقيم به دو حلقه ي آروماتيک متصل هستند. در واقع 85% مرز ميان پلي آميدها و الياف آراميدي است. و اين تمايز اين دو نوع فيبر به شمار مي آيد. همانگونه که در بالا گفته شد واژه ي نايلون به خانواده ي پلي آميدها اشاره دارد. به هر حال دو نوع مهم از نايلون ها وجود دارد. يکي نايلون 66 و ديگري نايلون 6. نايلون 66 عمده ترين فيبر پلي آميدي است. علت اين گونه نامگذاري آنها بدين علت است که فرآيند توليد الياف بدين صورت است که ابتدا پليمر پايه توليد مي شود و سپس با استفاده از روش ريسندگي مذاب، الياف تهيه مي شوند. چهار عنصر اساسي کربن(C)، هيدروژن (H)، نيتروژن (N)، و اکسيژن (O) تشکيل دهنده ي مواد اوليه در توليد ناليون 66 و 6 است. در واقع با ترکيب اسيد چرب هگزامتيلن (adipic acid hexamethylene) و کاپرولاکتام (Caprolactam) اين نوع نايلون ها توليد مي شود. فرآيند پليمريزاسيون اين نايلون از نوع پليمريزاسيون تراکمي است و بواسطه آن زنجيره اي طويل از پلي آميد شکل مي گيرد. 66 در نايلون 66 به تعداد اتم هاي کربن در جزء اصلي نايلون اشاره دارد. مثلا عامل دي آمين و اسيد دو عاملي هر کدام 6 اتم در ساختارشان دارند. به هر حال اگر پلي آميد توليدي داراي يک تک جزء اصلي باشد (مثلا مونوم آن يک آمينو اسيد باشد)، براي بيان تعداد کربن در جزء اصلي تنها از يک عدد استفاده مي شود. مثلا نايلون 6 پلي آميد توليدي سپس به روش ريسندگي ذوبي به فيلامنت تبديل مي شود. پس از عمليات کشش (با سرعت کشش 5) و پس از سرد کردن الياف، الياف نايلون ترموپلاست با استحکام بالا پديد مي آيد. در اينجا بايد بدين مسئله توجه کرد که استفاده از دستگاه ريسندگي الياف با سرعت بالا (بالاتر از 6000 متر بر دقيقه) مي تواند نياز هاي ما را براي مرحله کشش برطرف کند.

الياف پلي استر (Polyester Fibres)
 

الياف پلي استر، مانند الياف پلي آميد يکي ديگر از خانواده هاي مهم الياف هستند. الياف پلي استر در انگلستان و در سال 1941 کشف شد و در سال 1950 به صورت تجاري در آمد. دو نام عمومي متداول براي پلي استر عبارتست از: داکرون (Dacron) و تريلن (Terylene). در واقع نام تجاري داکرون در آمريکا و تريلن در انگلستان استفاده مي شود. واژه ي پلي استر بيان کننده خانواده اي از الياف است که از پلي اتيلن ترفتالات ساخته مي شوند. دي متيل ترفتالات (terephtalate Dimethyl) در حضور کاتاليزور اکسيد آنيموآن با اتيلن گليکول (ethylene glycol) واکنش مي دهد و پلي اتيلن ترفتالات يا پلي استر توليد مي گردد. ساختار تکرار شونده ي PET در شکل 4 نشان داده شده است.

اگر چه پلي استرها مي توانند ترموپلاست و ترموست باشند واژه ي پلي استر با PET مترادف شده است. توجه داشته باشيد که ساختار زنجيره PET از ساختار ساده تر نايلون يا پلي اتيلن متفاوت است. در PET، حلقه ي آروماتيک و پيوندهاي کربن کربن متصل به آن به گونه اي هستند که باعث صلب شدن ساختار شده اند. همچنين ساختار پلي استر فضاي بيشتري نسبت به نايلون يا پلي اتيلن اشغال مي کند. (ساختار بالک تري دارد). اين مسئله موجب مي شود تا پلي استر نسبت به نايلون و پلي اتيلن انعطاف پذيري کمتري داشته باشد و سرعت کريستاليزاسيون PET آهسته تر از سرعت کريستاليزاسيون در نايلون و پلي اتيلن باشد. بنابراين هنگامي که مذاب پلي استر سرد مي شود، مقدار قابل توجهي از کريستاليزاسيون اتفاق نمي افتد.
مانند نايلون، الياف پلي استر از پليمرهاي خطي که حاصل پليمرايزاسيون تراکمي است، بدست مي آيند. و بوسيله ريسندگي مذاب تشکيل مي شوند. سپس عمليات کشش بر روي اين الياف انجام مي شود. مانند نايلون، عمليات کشش در الياف پلي استر در دماي 80 درجه سانتي گراد و در بالاي دماي انتقال به حالت شيشه اي (Tg) انجام مي شود.

الياف پلي اولفين (polyolefin fibers)
 

پلي پروپيلن و پلي اتيلن احتمالا دو نوع مهم از الياف پلي اولفيني هستند. پلي اتيلن داراي ساختار زنجيره اي خطي و ساده است. در ساختار پلي اتيلن، اتم هاي کربن زنجيره اي اصلي و هيدروژن گروه هاي جانبي را تشکيل مي دهد. يک چنين ساختاري کريستاليزاسيون آن را آسان مي کند.
براي پلي اتيلن سه درجه بندي معمولي وجود دارد.

1) پلي اتيلن با دانسيته ي پايين (low density polyethylen)
 

اين درجه از پلي اتيلن را به اختصار LDPE مي ناميم.

2) پلي اتيلن با دانسيته بالا (high density polyethylen)
 

اين درجه از پلي اتيلن را به اختصار HDPE مي ناميم.

3) پلي اتيلن با وزن ملکولي بسيار بالا (ultra-high molecular weight polyethelene)
 

اين درجه از پلي اتيلن را به اختصار UMWPE مي ناميم.
براي ساخت الياف با مدول بالا از UMWPE استفاده مي شود.
در بخش هاي بعدي در مورد الياف پلي اتيلن با وزن ملکولي بسيار بالا به طور مفصل توضيح مي دهيم. علت اين مسئله اين است که اين نوع الياف به عنوان يکي از الياف با استحکام و مدول بالا در نظر گرفته مي شود.
الياف پلي پروپيلن نيز يکي از الياف مهم محسوب مي شوند، اگرچه اين الياف مدول بسيار بالايي ندارند. درجه کريستاليزاسيون بدست آمده در الياف پلي پروپيلني عموما کمتر از درجه ي کريستاليزاسيون در پلي اتيلن است. علت اين مسئله اين است که پلي پروپيلن داراي گروه هاي جانبي است در حالي که پلي پروپيلن خطي است. عموماً گروه هاي جانبي بزرگ باعث مي شود تا آرايش زنجيره هاي ملکولي سخت گردد. نحوه ي قرار گيري گروه ها (آريشمندي) نيز در اين مورد مهم مي باشد. الياف پلي اولفيني از پليمر يا کوپليمرهاي اولفيني مانند پلي اتيلن و پلي پروپيلن توليد مي شوند. الياف پلي پروپيلن بوسيله ريسندگي مذاب توليد مي شود. در اين فرآيند پليمر از ميان روزن ران (extruder) اکسترود مي گردد. و پس از آن عمليات حرارتي و مکانيکي مناسب بر روي الياف انجام مي شود. شکل 5 نشان دهنده ي شماتيک اين فرآيند است.

روزن ران اين فرآيند داراي يک رشته ساز در انتهاي خود است و مانند ساير موارد، رشته ساز عموماً داراي روزن هايي است که بر روي يک شکل استوانه اي قرار دارند. دماي ذوب پليمر در اين فرآيند 250 درجه سانتيگراد است. فيلامنت هاي توليدي از داخل يک تانک آب عبور مي کنند و سپس به بخش غلطک هاي کشنده رفته، کشيده مي شوند. رشته هاي کشيده شده سپس به بخش آون آينلپنگ برده شده، سرانجام بر روي قرقره پيچيده مي شوند. مانند ساير پليمرها، ميزان جهت گيري زنجيره ها، تابعي از سرعت کشش الياف. در اين مورد نيز سرعت کشش برابر است با نسبت سرعت غلتک کشش (draw roll) به سرعت غلتک هاي پوول (rolls Pull). عموماً اين سرعت کشش برابر 9 است که مي تواند الياف با استحکام بالا توليد کند. فرآيند آينلينگ نيز باعث آزاد سازي تنش هاي پس ماند مي گردد