سفارش تبلیغ
صبا

 

 فراوانی کربن
فراوانی کربن
مترجم : نیلوفر فشنگ ساز

 
در عالم آغازین
کربن، عنصری فراوان در نخستین سال های پیدایش عالم بوده است.
گروی از اختر شناسان پژوهشگر، از دانشگاه اهیمه و کیوتر در ژاپن، یک خط نشری کربن (CIV 9/ 154نانومتر) را با موفقیت در طیف دورترین کهکشان رادیویی شناخته شده در عالم آغازین شناسایی کردند. این گروه با بهره گیری از دوربین و طیف نگار اجرام کم نور (FOCAS) سوار بر تلسکوپ سوبارو کهکشان رادیویی 2201-0924 TN-J را، که 5/ 12میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد، رصد کردند و توانستند نسبت اجزای سازنده ی آن را برای نخستین بار اندازه گیری کنند. تحقیقات آن ها درباره ی خط کربن آشکار شده حاکی از آن است که مقادیر قابل توجهی کربن در 5/ 12 میلیارد سال پیش، یعنی تقریبا یک میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، موجود بوده است. کربن مولکولی ضروری برای حیات به شمار می آید و شاید درک ترکیبات سازنده ی عالم نخستین به ما در یافتن منشأ حیات کمک کند. این کشف مهم به درک ما از تکامل شیمی عالم کمک می کند و سرنخ هایی درباره ی ماهیت شیمیایی انسان، که از عناصر گوناگونی مانند کربن و اکسیژن تشکیل شده است، به ما می دهد.
عالم ما حدود 7/ 13میلیارد سال پیش با رویداری موسوم به انفجار بزرگ آغاز شد. هیدروژن و هلیوم تنها عناصر موجود در این عالم نوباوه بودند. اگر این دو تنها عناصر بودند، کجا و چطور سایر عناصر سنگین تر از هیدروژن و هلیوم، که آن ها را در اصطلاح نجوم «فلز» می نامیم، شکل گرفتند ؟
پاسخ در ستاره هایی نهفته است که در آسمان شب می درخشند. پدیده ی انفجار ابونواختری و همجوشی هسته ای درون ستاره ها موجب این گوناگونی عناصر موجود در عالم شده است. غنی سازی شیمیایی عالم در جریان تولد و مرگ تعداد بی شماری از ستاره ها در مقیاس زمانی کیهانی به وقوع پیوسته است. درک تکامل شیمیایی عالم رازهای فراوانی را از تکامل خود عالم و منشأ شیمیایی بدن انسان فاش می سازد.
اخترشناسان برای بررسی تکامل شیمیایی عالم، میزان فلزات را در اجرام آسمانی در انتقال به سرخ های گوناگون اندازه گیری کردند. همان طور که اشاره شد، در علم نجوم به هر یک از عناصر سنگین تر از هیدروژن و هلیوم فلز می گوییم. انتقال به سرخ نیز میزان کشیده شدن هر طول موج را بر اثر انبساط عالم بیان می کند هر چه انتقال به سرخ کهکشان (z) بیشتر باشد، یعنی به لحاظ زمانی و مکانی دورتر است. به این ترتیب سنجش طیف کهکشان هایی با انتقال به سرخ بیشتر اطلاعاتی درباره ی میزان فلزات در عالم نخستین را در دسترس ما قرار می دهد. کهکشان های رادیویی به ویژه اجرام مناسبی برای چنین سنجش هایی به شمار می آیند زیرا هم در نور مرئی و هم در طول موج رادیویی درخشان اند.
این گروه تحقیقاتی تلاش خود را روی اندازه گیری میزان فلز در کهکشانی رادیویی در انتقال به سرخی بیش از آنچه که در گذشته انجام شده بود، متمرکز کردند. گرچه آنها در تحقیقات پیشین خود میزان فلزات را در کهکشان های رادیویی با انتقال به سرخ هایی کمتر از چهار اندازه گیری کرده بودند، یافته های شان نشان می داد که دوره اصلی تکامل فلزات شاید حتی در انتقال به سرخ های بیشتر و در زمانی بسیار کهن رخ داده باشد. بنابراین، رصدهای خود را روی کهکشان 2201-0924 TN Jمتمرکز کردند که دورترین کهکشان رادیویی شناخته شده است؛ این کهکشان انتقال به سرخی بیش از 5 دارد (19/ 5 = Z) و در فاصله ای 5/ 12 میلیارد سال نوری از ما واقع است.
آشکار سازی خط نشری کربن در طیف این کهکشان اولیه فرضیه های محققان را درباره ی فراوانی فلزات در عالم نخستین در بیش از 5/ 12 میلیارد سال پیش و در انتقال به سرخی بیش از 5 تأیید کرد. این تحقیق دریچه ای را برای بررسی های آینده درباره ی میزان فلزات در کهکشان های عالم آغازین با انتقال به سرخی بیش از 5 می گشاید.
برگرفته از مجله نجوم شماره 213





تاریخ : شنبه 91/4/24 | 3:53 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

 مقدمه

بر اساس مجموعه مقالات چاپ شده توسط آکادمی ملی علوم آمریکا، پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا و ارتش ایالات متحده در مطالعه ی تار عنکبوت به پیشرفت هایی دست یافته اند. تار عنکبوت را می توان تا سی الی پنجاه درصد طول اولیه اش بدون پاره شدن کشید. این ماده از فولاد محکم تر و از نظر استحکام با الیاف کولار قابل مقایسه است. بر مبنای مجموعه مقالات چاپ شده، شمار نوشتار های علمی در زمینه ی تار عنکبوت در دهه ی گذشته افزایش قابل توجه ای داشته است. این افزایش به علت ویژگی های مکانیکی شگفت انگیز تار عنکبوت است.

                                                                                                                                                                                  

 ساختار و ویژگی های پروتئین تار عنکبوت

پروتئینی که عنکبوت را قادر می سازد خود را آویزان کند و همچنین به شکار طعمه کمک می کند، نظر دانشمندان را به خود جلب کرده است. مولکول های این پروتئین بسیار کشسان و قوی هستند، تقریباً 20 برابر از نایلون کشسان تر و 9 برابر از فولاد در قطر مساوی قوی تر می باشد. علاقه به تار عنکبوت در حالی است که زمینه ی مواد زیستی، مورد بسیار قابل توجه و رو به رشدی در زمینه ی پژوهش های مواد است. دلیل توجه ارتش ایالات متحده به این ماده استفاده از آن در ساخت جلیقه های ضد گلوله و محافظ هاست. هدف عمده ی پژوهش های دانشمندان، درک چگونگی چین خوردن این پروتئین و سازماندهی رشته ی تار عنکبوت است. پژوهشگران با استفاده از روش میکروسکوپ نیروی اتمی و یک کشنده ی مولکولی، با تصویربرداری و کشش این پروتئین، به سرنخ هایی دست یافته اند. این مشاهدات به پژوهشگران کمک می کند تا آنچه در هنگام تشکیل تار عنکبوت در غده تراوش تار عنکبوت رخ می دهد، شبیه سازی کنند. آن ها دریافته اند که وقتی پروتئین باز می شود به صورت تکه تکه است. در ضمن این پروتئین دارای پیوند هایی است که هنگام افزایش بار، باز شده و تغییر شکل می دهند. این امر از الگویی پیروی می کند که در دیگر پروتئین های تحت بار کشف شده است. تار عنکبوت دارای بخش های کریستالی و بخش های شبه لاستیکی کشسانی است. پژوهشگران دریافته اند که مولکول های منفرد دارای هر دو بخش هستند.

 

 الیاف کولار

عنکبوت و کرم ابریشم دارای غده های مولد پروتئین های لیفی هستند که با ریسیدن آن ها الیافی بدست می آید که از فولاد محکم تر است. الیاف کولار در جلیقه های ضد گلوله، وسایل ورزشی، قطعات هواپیما و ریسمان های مورد استفاده در سکو های نفتی بکار می رود. ولی الیاف کولار انعطاف پذیری بسیار کم تری نسبت به تار عنکبوت دارد. این بدین معناست که تار عنکبوت قبل از پاره شدن انرژی زیادی جذب می کند. مزیتی که عنکبوت به کمک آن موفق به شکار حشرات می شود.

                                                                                        

 خلق مواد برتر از تار عنکبوت

 پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس بر این باورند که با مطالعه ی توانمندی عنکبوت ها در تنیدن تار می توان به راز تولید مواد قوی تر و بهتر پی برد. بنا بر اظهار نظر توماس هان، استاد دانشگاه مکانیک و هوا فضا دانشگاه کالیفرنیا و فرانک کو استاد دانشگاه درکسل، مهندسان می توانند با تقلید از قدرت عنکبوت در تنیدن تار، فرآیند طراحی تار را بهبود بخشند. به این ترتیب آن ها می توانند کارایی محصولات گوناگونی را از راکت تنیس گرفته تا بمب افکن بهبود بخشند. آزمایش های انجام شده توسط پروفسور کو نشان می دهد که تار عنکبوت در برابر تغییر خواص، فوق العاده مقاوم است و می توان آن را در هوا یا زیر آب تنید. به طور معمول می توان موادی فوق العاده قوی ساخت ولی با این کار چقرمگی کاهش می یابد. همچنین می توان موادی با چقرمگی فوق العاده بالا ساخت ولی استحکام کاهش خواهد یافت که این دو ویژگی در تار عنکبوت مشاهده می شود.

                                                                         

 مهندسی طبیعت

اساس تار عنکبوت، پلیمر است. محلول پروتئینی تار عنکبوت حاوی 30 الی 40 درصد پلیمر است و بقیه اش آب است. غده های تولید تار عنکبوت، قادرند پروتئین های بزرگ الیافی را ترکیب کنند و آن پروتئین ها را درون الیاف قابل حل، پردازش کنند.  پروفسور مهندسی مکانیک، می گوید: موضوع شگفت آور طبیعت این است که چگونه مواد از محلول آبی به شکل تار در می آیند و الیافی را تولید می کنند که دوباره تجزیه نمی شود. تار عنکبوت خشک، مانند یک تخم مرغ پخته شده، به شکل مایع قبلی اش باز نمی گردد.

 

 نتیجه گیری

از آن جایی که تار عنکبوت نوعی پروتئین است، ساخت آن توسط ژنی در موجود زنده مولد آن کنترل می شود. با وجود اینکه ساختمان شیمیایی این ترکیب پروتئینی شناخته شده، پیچیدگی آن تولید مصنوعی آن را مشکل می کند. بهترین روش، استفاده از موجودات زنده برای تولید طبیعی این ماده است. تولید الیاف با دوام از پروتئین تار عنکبوت ( که در آب قابل انحلال است ) کار مشکلی است و هیچ کس تاکنون  این کار را به خوبی عنکبوت ها انجام نداده است






تاریخ : پنج شنبه 91/3/25 | 6:29 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

 

در زیر خلاصه ای از خواص و چگونگی تولید این الیاف رو براتون تدارک دیدم . البته بحث خیلی گسترده هستش ولی با این مطالب و اون چیزی که از انجمن کامپوزیت بدست آوردید می تونید تا حدودی ازش استفاده کنید.

تقسیم بندی الیاف کربن برحسب نوع ماده اولیه به کار گرفته شده در تولید :
در حال حاظر سه نوع منبع برای تولید این الیاف وجود دارد :
-1 الیاف کربن ساخته شده از گیاهان یا سلولزی -2 الیاف کربن ساخته شده از قیر یاpitch
-3 الیاف کربن ساخته شده از پلی اکریل نیتریل (PAN)
به دلیل ساختمان مولکولی و اتمی و همچنین تولید مدول کششی قابل توجه با سایر انواع الیاف نوع سوم از اهمیت بیثشتری برخوردار بوده و کاربردهای متعددی در صنعت دارد . ما هم توجه خود را معطوف به این نوع کرده و به اختصار درباره روش تولید آن توضیحاتی را بیان می کنیم . شایان ذکر است که مطالب مربوط به تولید بسیار مفصل بوده و در این مقاله نمی گنجد
PAN(PolyAcryloNitrile
پلی اکریل نیتریل یاPAN از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد آکریل نیتریل یاAN بدست می آید . برای تهیه آکریل نیتریل نیز از فرایند معروف SOHIO که توسط ژاپنیها ابداع شده است ? استفاده می شود . در این فرایند از واکنش شیمیایی بین دو گاز پروپیلن و آمونیاک در حضور کاتالیزورهای مناسب که شدیداً هم گرمازا می باشد ? آکریل نیتریل به همراه HCN تولید می شود که همانطور که گفته شد از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد آکریل نیتریل ? آکریل نیتریل بدست می آید . راکتور مورد استفاده برای پلیمریزاسیون از نوع بستر سیالی یا Fluid Bed می باشد . بعد از تهیه پلی اکریل نیتریل خام باید تعدادی از فرایندهای مناسب برای آماده سازی و هرچه حالص تر شدن آن مورد استفاده قرار گیرد. زیرا در غیر اینصورت الیاف کربن تولیدی مقاومت کششی مطلوب را نخواهند داشت .مهمترین این فرایندها filteration می باشد که ابعاد صافی های مورداستفاده در حد میکرون µ می باشند.

مراحل تولید :
شمای کلی خط تولید به صورت زیر می باشد :


ریسش یا Spining
در این مرحله همانطور که گفته شد یکی از مراحل آماده سازی PAN می باشد . که بعد از انجام filteration مناسب پلی اکریل نیتریلها را بصورت رشته ای یا به صورت تار در می آورند .سپس در دستگاههای ریسش مخصوص به صورت نوعی فیبر در خواهند آمد .

اکسیداسیون oxidation
دراین مرحله در کوره های مخصوص فیبرهای اکریلیک تحت درجه حرارتی در حدود 200 الی 300 درجه سانتیگراد ودر حضور هوا یا گازهای مناسب دیگر قرار می گیرند . تا آمادگی کامل برای طی و سپری کردن سایر مراحل تولید را بدست آورند. البته به این مرحله مرحله تثبیت سازی نیز گفته می شود . فیبرهای آکریلیک باید زمانی در حدود 2 ساعت را دراین کوره ها طی کنند.

کربونیزاسیونCarbonization
درجه حرارت در این مرحله بین 1000تا 1700 درجه سانتیگراد میباشد . این فرایند باید در یک محیط راکد و معمولا در حضور گاز نیتروژن صورت می گیرد. خواص فیبرهای کربن بعد از طی این مرحله بصورت زیر می باشد :
مدول کششی :200-300GPa
مقاومت فشاری :3GPa
مدول برشی:15GPa

گرافیتاسیون Graphitization
این فرایند نیز درون کوره های مخصوصی دریک محیط راکد و در درجه حرارتی بین 2500تا3000 درجه سانتیگراد صورت می گیرد. البته این مرحله در مورد فیبرهایی که باید مدول کششی بالایی داشته باشند اجرا می شود . خواص فیبرهای کربن بعد از طی این مرحله بصورت زیر می باشد :
مدول کششی :500-600GPa
مقاومت فشاری : 16GPa
مدول برشی:10GPa
بعد از طی این مرحله قطر الیاف کربن به 5 الی 7 میکرون می رسد .

عملیات سطحی و اندازه ای surface treatment and sizing
در این مرحله سطح الیاف کربن را با باندها و نوارهای شیمیایی وبرای اینکه در هنگام استفاده از رزین در تهیه مواد کامپوزیتی چسبندگی بهتری داشته باشد ? آغشته می کنند. و همچنین در مرحله اندازه بندی علاوه بر بسته بندی الیاف کربن و تعیین چگونگی روش بارگیری آن ? برای محافظت فیبرهای کربن در طی انجام مراحل بعدی از یک اپوکسی نیز استفاده می شود .

انواع الیاف کربن با توجه به مقدار مدول الاستیسیته :
1- مدول کم (Low Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله تا 200GPa می رسد و درجه حرارت فرایند کربونازیسیون تا 1000 درجه سانتیگراد خواهد بود.
2-مدول استاندارد(Standard Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله بین 200-250GPa و درجه حرارت کربونازیسیون بین 1000-1500 درجه سانتیگراد می باشد .
3- مدولهای متوسط(Intermediate Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به 250-325GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون بین 1500تا 2000 درجه سانتیگراد می باشد .
4- مدولهای زیاد(High Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به 350-600GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون بیش از 2000درجه سانتیگراد به همراه مرحله گرافیتازیسیون می باشد .
5- مدولهای بسیار زیاد(Ultra High Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به بیش از 600GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون درحدود 3000درجه سانتیگراد به همراه مرحله گرافیتازیسیون می باشد .

کاربردهای الیاف کربن :

با یک مقایسه سریع بین خواص این الیاف و فولاد می توان به اهمیت این مواد پی برد :
فیبر کربن استاندارد :
مقاومت کششی :3.5GPa مدول کششی230GPa وچگالی 1.75g/ccm
فولاد با مقاومت خیلی زیاد:
مقاومت کششی:1.3GPa مدول کششی210GPa و چگالی 7.87g/ccm
با توجه به جدول پر واضح است که الیاف کربن مقاومت کششی بالاتری نسبت به فولاد دارند در حالی که وزن تقریبا یک چهارم آن را دارا می باشند . به همین دلیل امروزه در صنایع مختلفی بویژه هوا فضا سعی می شود از این الیاف به جای فلزات استفاده شود . حتی در تهیه ابزارالات ورزشی نیز ( چوب گلف و راکت تنیس) نیز امروزه از این الیاف استفاده می شود . در ساخت اسکلت بتنی پلها و ساختمانهای بزرگ نیز از این الیاف برای بالا بردن استحکام و کاهش وزن سازه نیز استفاده می شود . در صنایع نفت و گاز و نظامی و... کاربردهای متعددی از این الیاف وجود دارد. تنها مشکل و ایراد وارد براین الیاف بدون توجه به مسئله زیستی و محیطی مقاومت پایین این کامپوزیتهای در برابر ضربه می باشد که برای جبران این نقص از سایر انواع کامپوزیتها به عنوان مکمل مثل فیبر شیشه استفاده می شود .
10 سال آینده را می توان دهه حکومت این الیاف در تمامی جنبه های صنعتی پیش بینی کرد .






تاریخ : شنبه 91/3/13 | 10:58 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

الیاف (2)
الیاف (2)

 

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون



طبقه بندی الیاف

الیاف رابه روش های متنوعی می توان طبقه بندی کرد. برای مثال در یک تقسیم بندی ممکن است الیاف را به دو نوع الیاف پوشاک و الیاف غیر پوشاک تقسیم بندی کرد.
این تقسیم بندی براساس استفاده ی نهایی ازماده ی فیبری انجام شده است. الیاف پوشاکی شامل الیاف مصنوعی مانند نایلون، پلی استر، اسپاندکس ( spandex ) و الیاف طبیعی مانند پنبه، کنف ( jute )، سیسال ( sisal : نوعی الیاف که از گیاه آگاوای مکزیکی بدست می آید). رامی ( ramie )، ابریشم و... می باشند. الیاف غیر پوشاکی شامل الیاف تولیدی از آرامیدها، پلی اتیلن، فولاد، مس، کربن، شیشه، سیلیکون کاربید و آلومینا می باشد.این الیاف غیر پوشاکی برای تولید سیم وسیمان، ژئوتکستایل ( geotextiles ) وکاربردهای ساختمانی مانند کامپوزیت های تقویت شده با الیاف استفاده می شود. این الیاف دارای سفتی و استحکام بالاتری هستند وتنش های کمتری در ساختار آنها وجود دارد. خواص این الیاف همچنین بستگی زیادی به نوع فرآیند تولید ومیزان وجود عوامل تخریب کننده ( مانند مایعات خورنده ) دارد.
مثلا عموما این الیاف دارای تافنس کم هستند. تقسیم بندی های دیگر برای الیاف را می توان باتوجه به طول فیبر، مداوم یا استیپل ( staple ) بودن الیاف در نظر گرفت. می توان گفت الیاف مداوم دارای طولی بینهایت است در حالی که الیاف استیپل دارای طولی کوتاه و معین ( 10-400 میلی متر ) هستند. مانند الیاف مداوم، الیاف استیپل رانیز می توان ریسندگی کرد وبه نخ تبدیل کرد. این نوع نخ، نخ استیپل فیبری ( staple fiber yarn ) نامیده می شود. اگر الیاف استیپل مورد استفاده خود حالت پیچش و در هم فرو رفتنرا داشته باشند، قابلیت رسیدن نخ تولیدی از آنها بهبود می یابد. الیاف استیپل برای تولید بدنه های بزرگ استفاده می شوند در واقع این الیاف حالت پرکنندگی و فیلتراسیون ایجاد می کنند.خیلی اوقات الیاف استیپل طبیعی مانند پنبه وپشم را با الیاف استیپل مصنوعی مانند نایلون وپلی استر مخلوط می کنند تا خواص مطلوبی ازهر دوی آنها بدست آورند.

طبقه بندی براساس اندازه ی فیبر وحالت محصول تولیدی که به طور معمول موجود است را نشان داده است. برای مثال برخی محصولات به شکل بافته شده وبرخی بافته نشده وجود دارند. که در شکل 1 آورده شده است. هنوز هم یکی از طبقه بندی های راحت ومناسب از الیاف براساس طبیعی یا مصنوعی بودن استوار است. همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است. گروهی از الیاف طبیعی ( natural fibers ) در گستره ی مواد پلیمری هستند که از گیاهان وحیوانات بدست می آید. در حالی که گروه دیگر الیاف طبیعی از منیزال ها بدست می آیند. این منیزال ها از سرامیک های کریستالین ساخته شده اند.

یک خصوصیت ممتاز الیاف طبیعی این است که آنها عموما از مخلوطی از ترکیبات مختلف ( شیمیایی وفیزیکی ) ساخته شده اند. الیاف مصنوعی را نیز می توان به الیاف پلیمری، فلزی وسرامیکی یا شیشه ای تقسیم بندی کرد. در اینجا باید به این مسئله اشاره کرد که یکی از زیر گروه های خاص وممتاز، ویسکرها ( whiskers ) هستند. ویسکرها الیاف تک کریستال، کوتاه هستند که استحکام بسیار بالایی دارند. استحکام ویسکرها درحد استحکام تئوری است که علت این امر نبود عیوب کریستالی ( مانند نابجایی ها ) در ساختار ویسکرهاست. در واقع به خاطر تک کریستال بودن آنها، مرزدانه نیز وجود ندارد.
ویسکرها به طور معمول به روش رشد از فاز بخار ( vapor phase growth ) تولید می شوند. به طور نمونه، این ویسکرها می توانند قطری درحد چند میکرون وطولی برابر چند میلی متر داشته باشند. بنابراین نسبت طول به قطراین الیاف می تواند بین 50 تا10000 باشد. شاید مهمترین اشکال ویسکرها این الیاف خواص و ابعاد یکسان ندارند. این مسئله باعث می شودکه خواص این الیاف درگستره ی وسیعی قرار داشته باشد. هم تراز کردن وتنظیم کردن ویسکرها در ماتریکس کامپوزیت نیز یکی دیگر از مشکلات استفاده از ویسکرها هست.

الیاف محکم و سفت :

همانگونه که قبلا گفتیم مواد فیبری به وفور در طبیعت یافت می شوند. تا میانه ی قرن بیستم، اکثر استفاده از الیاف به مقوله ی پوشاک ووسایل خانه محدود می شد. تقریبا در میانه ی قرن بیستم الیاف با کارایی بالا ( high per formance fiber ) برای استفاده در قطعات بافتگی و تقویت کننده های مورد استفاده در کامپوزیت ها، بوجود آمد. در این بخش سعی داریم در مورد فرآیند، ریز ساختار، خواص وکاربرد مواد در حالت فیبری صحبت کنیم. تمرکز ما برروی الیاف مصنوعی است که برای کاربردهای غیر پارچه ای استفاده می شوند. این الیاف معمولا بسیار سفت ومحکم هستند . در زمینه ی این الیاف تحولات وپیشرفت های زیادی در نیمه ی دوم قرن بیستم رخ داده است. استفاده ازاین الیاف به عنوان مواد با کاربرد بالا در کاربردهای ساختاری مهندسی بر پایه ی سه مشخصه ی مهم این الیاف است:
1) قطر کوچک نسبت به اندازه ی دانه وسایر واحدهای ریزساختاری. این مسئله باعث می گردد تا بیشترین کسر استحکام تئوری در حالت بالک در فیبر حاصل گردد.
این مسئله نتیجه ای مستقیم از اثر اندازه ( size effect ) است.
این اثر می گوید: اندازه ی کوچکتر، احتمال داشتن عیوب را کاهش می دهد. کاهش احتمال داشتن عیوب باعث می گردد عیوب بحرانی که منجر به شکست ماده می شوند کاهش یابند. بنابراین حتی برای مواد در حالت فیبر هرچه قطرشان افزایش یابد، استحکامشان کاهش می یابد.
2) درجه ی انعطاف پذیری بسیار بالا یکی از خصوصیات مواد با مدول بالا وقطر کوچک است. این انعطاف پذیری اجازه می دهد تا بتوان از تکنیک های متنوعی برای تولید کامپوزیت های تقویت شده با الیاف استفاده کرد.
3)نسبت طول به قطر ( L/d ) بالا که موجب می شود نسبت بیشتری از نیروی اعمالی به ماتریکس کامپوزیت تقویت شده با الیاف بوسیله ی الیاف منتقل شود.
ممتازترین خاصیت مواد فیبری این است که این الیاف در جهت طولشان دارای بهترین عملکرد هستند. از این جهت الیاف به طور عمومی والیاف مداوم به طور خاص بسیار جذاب هستند.
یک ماده ی فیبری نسبت طول به قطر بزرگ تری نسبت به حالت بالکش دارد. واز این روبسیار انعطاف پذیرتر است. این الیاف انعطاف پذیر را می توان به نخ تبدیل کرد. وسپس نخ ها را به شکل های مختلف وپیچیده ای بافت. این مسئله را تصور کنید که موادی مانند شیشه، آلومینا یا سیلیکون کاربید که در حالت بالک ترد هستند را به صورت الیاف در آورده و از آنها شکل های بافته شده تهیه کرد. در حالتی که الیاف تهیه شده دارای قطر بسیار ریزی باشند خاصیت انعطاف پذیری آنها بسیار بهبود یافته ومانند الیاف آلی مورد استفاده برای پوشاک مانند نایلون می شوند. ( یکی از کاربرد های نایلون تولید جوراب های ساقه بلند زنانه است.)
همانگونه که به طور مکرر بیان کردیم مواد در حالت فیبری دارای استحکام بیشتری هستند ودر برخی اوقات در صورتی که به طور مناسب جهت گیری کنند ( یعنی الیاف در جهات مناسب قرار گیرند)
حتی مدول الاستیک آنها از حالت بالک نیز بیشتر است. این خواص منجر به توسعه ی کامپوزیت های تقویت شده با الیاف متنوعی می گردد که در زمینه ی آنها می تواند پلیمری، فلزی، شیشه ای وسرامیکی باشد.






تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:12 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

الیاف (1)
الیاف (1)

 

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون



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.






تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:12 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

الیاف پلیمری طبیعی (1)
الیاف پلیمری طبیعی (1)

 

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون



از لحاظ تجاری ، احتمالا الیاف پلیمری مهمترین نوع از الیاف باشند. این الیاف دارای گستره ی کاربرد وسیعی هستند. دو گروه عمده از الیاف پلیمری وجود دارند :
1) الیاف پلیمری طبیعی
2) الیاف پلیمری مصنوعی
الیاف طبیعی از منابع مانند پنبه، سیسال، کنف ومنابع حیوانی مانند پشم، ابریشم و... بدست می آیند. الیاف طبیعی موجود در طبیعت عمدتا پلیمری هستند. به هر حال، تعدادی از الیاف طبیعی نیز وجود دارند که از سنگ بدست می آیند. این الیاف از جنس مینرال هستند وبنابراین می توان آنها را جزء الیاف سرامیکی در نظر گرفت. نمونه هایی از این نوع الیاف عبارتند از آزبست (پنبه نسوز) وبازالت. در این قسمت ما به معرفی الیاف پلیمری طبیعی می پردازیم. ما در ابتدا به طور خلاصه مباحث مقدماتی پلیمرها را می گوییم وسپس الیاف پلیمری طبیعی را معرفی می کنیم. در ادامه ودر بخش های بعدی الیاف پلیمری مصنوعی را معرفی می کنیم. این الیاف پیشرفت شگرف صنعت الیاف در نیمه ی دوم قرن بیستم هستند. گستره ی وسیعی از الیاف پلیمری طبیعی وجود دارند. که این الیاف دارای کاربردهای تجاری گسترده ای هستند. اکنون بیشتر تلاش های تحقیقاتی در این زمینه برروی بدست آوردن ابریشم از عنکبوت ها تمرکز یافته است. ایده ای که در اینجا وجود دارد این است که باید فرآیند، ساختار وخواص الیاف ابریشم بررسی گردد. الیاف ابریشم الیافی محکم وسفت هستند که در ادامه به آن می پردازیم.
حجم مصرف سایر الیاف طبیعی مانند پنبه، کنف، سیسال، رامی و... در کاربردهای صنعتی وغیر صنعتی بالاست. که علت این امر خصوصیات فراوان این الیاف از جمله نرمی ولطافت پنبه می باشد همچنین حقیقتی که در این میان باعث افزایش مصرف وتولید این الیاف شده است این است که آنها از منابع بازگشت پذیر تولید می شوند. عیب عمده ی این الیاف تغییرات گسترده در خواص فیزیکی، شیمیایی ومکانیکی آنهاست.
در ابتدا برای آنکه دید بهتری نسبت به موضوع پیدا کنیم بهتر است راجع به ساختار مواد پلیمری صحبت کنیم وبه طور نمونه برخی از ویژگی های مهم مربوط به زنجیره های ماکرو ملکولی پلیمری رابیان می کنیم. این ویژگی ها گاها در نقطه ی مقابل سرامیک و فلزات قرار دارد.

ساختار و خواص پلیمرها :

پلیمرها چه طبیعی باشند یا مصنوعی بوسیله ی ساختار با زنجیره های طویل مشخص می شوند. ملکول های بزرگ تشکیل دهنده ی پلیمرها ماکرو ملکول ( macro molecules ) نامیده می شوند . این ماکرو ملکول ها از واحدهای سازنده ی کوچک ساخته شده اند و پلیمر هنگامی تولید می شود که تعداد زیادی از این واحدهای سازنده (مونومر) باهم ترکیب شوند وزنجیره پدید آید. ما در زیر تعدادی از گروه های پلیمری را معرفی کرده وساختار و برخی از ویژگی های مهم آنها را بیان می کنیم.

طبقه بندی پلیمرها :

پلیمرها را به روش های مختلفی می توان طبقه بندی کرد. یکی از راههای ساده برای طبقه بندی پلیمرها براساس فرآیند تولید آنها استوار است. دونوع مهم از فرآیند های پلیمریزاسیون وجود دارد:

1) پلیمریزاسیون تراکمی ( condensation polymerization )

در این فرآیند پلیمریزاسیون یک پلیمریزاسیون مرحله به مرحله و تدریجی رخ می دهد وپس از واکنش مونومر ها با یکدیگر ودر هر مرحله یک ملکول ساده که در اکثر موارد آب است پدید می آید. این ملکول تولیدی محصول فرعی فرآیند پلیمریزاسیون است.

2) پلیمریزاسیون افزایشی ( addition polymerization )

در این فرآیند پلیمریزاسیون بدون تولید محصول جانبی اتفاق می افتد. این نوع پلیمریزاسیون عموما در حضور کاتالیزور انجام می شود.
طبقه بندی دیگر پلیمرها براساس نحوه ی رفتار پلیمر در هنگام حرارت دادن آن پایه گذاری شده است. یک پلیمر ترموپلاست ( thermoplastic polymer ) در هنگام حرارت دیدن نرم می شود. بسیاری از پلیمرهای خطی این گونه عمل می کنند. این گونه پلیمرهای ترموپلاست را می توان بوسیله ی روش های تشکیل از فاز مایع ( liquid flow forming methods ) تولید کرد. مزیت این پلیمرها قابلیت بازیافت آنهاست. مثال هایی از پلیمرهای ترموپلاست عبارتند از پلی اتیلن سبک وسنگین، پلی استیرن، پلی متیلن متا اکریلات ( PMMA ) و.... هنگامی که پلیمر در ساختار خود دارای پیوند عرضی باشد وتشکیل حالت شبکه ای بدهد با حرارت دیدن نرم می شوند. این پلیمرها که در ساختار خود پیوند عرضی دارند، پلیمرهای ترموست ( thermosetting polymer ) نامیده می شوند.
هنگامی که یک پلیمرترموست را حرارت دهیم، تجزیه می گردد. مثال هایی از پلیمرهای ترموست عبارتند از اپوکسی، فنولیک، پلی استرو...

همچنین ما می توانیم پلیمرها را براساس ساختارشان نیز طبقه بندی کنیم واحد سازنده ی اساسی یک پلیمر زنجیره های انعطاف پذیرند (a-1) هنگامی که نظم مولکولی پر دامنه وجود داشته باشد وزنجیره های پلیمری انعطاف پذیر به صورت رندوم باشند، ما ساختار آمورف داریم این چنین پلیمری یک پلیمر آمورف ( amorphous polymer ) یاشیشه ای ( slassy polymer ) نامیده می شود. در شرایط معین می توان پلیمرهای نیمه کریستالین یا کریستالین تولید کرد. حالت کریستالین لایه ای هنگامی که مذاب یک پلیمر کریستالی مانند یک پلیمر خطی به طور خیلی آهسته سرد گردد، بدست می آید. کریستال های تکی صفحه ای مانند نیز از ته نشین کردن پلیمر از محلول آبکی بدست می آید. در این لایه ها، زنجیره های طویل ملکولی به صورت منظم ( همانگونه که در شکل b-1 دیده می شود) برروی هم قرار گرفته اند. تعداد زیادی از این بخش های لایه ای کریستالین می توانند با هم به صورت یک گروه در آیند این گروه هامتمرکز اسفرلایت ( spherulites ) نامیده می شوند.
براساس نوع واحدهای تکرار شونده نیز می توان پلیمرها را طبقه بندی کرد. یک هموپلیمر ( homo polymer ) دارای واحد تکرار شونده ی یکسان است. کوپلیمرها پلیمرهایی هستند که دارای بیش از یک نوع مونومر ( واحد سازنده ) هستند. اگر مونومرهای در یک پلیمر به صورت رندوم در طی زنجیره قرار گرفته باشند این کوپلیمر، کوپلیمر منظم یا رندوم ( regular or random copolymer ) نامیده می شود. به عبارت دیگر اگر رشته ای از یک نوع مونومر به رشته ای دیگری با مونومر متفاوت متصل باشد این کوپلیمر، کوپلیمر نوع بلوک ( block copolymer ) نامیده می شود. اگر زنجیره ی اصلی پلیمر از یک نوع پلیمر و زنجیره های فرعی از نوع دیگری از مونومر تشکیل شده باشند، این کوپلیمر، کوپلیمر گرافت ( graft copolymer ) نامیده می شود.
در ادامه ما به معرفی برخی از خواص مهم پلیمرها می پردازیم.

درجه کریستالینیتی :

برخلاف سرامیک ها وفلزات، تولید یک پلیمر با درصد کریستالینیتی 100 درصد بسیار مشکل است. در عمل بسته به نوع پلیمر، وزن ملکولی ودمای کریستالینیتی، مقدار کریستالینیتی در یک پلیمر نیمه کریستالین می تواند گستره ی 30% تا 90 باشد. تحت شرایط خاص مانند تولیدی بوسیله ی الیاف پلی اتیلن، درجه ی کریستالینیتی می تواند تا 98% برسد واین در حالی است که می توان الیاف پلی دی استیلن ( polydiacetylenes ) تک کریستالین بوسیله ی پلیمریزاسیون حالت جامد تولید کرد. ناتوانی در تولید ساختار کاملا کریستالی عمدتا به دلیل ساختار زنجیره ای بلند پلیمر است.
بخش های در هم گیر افتاده و پیچیده از زنجیره ها که در بین نواحی کریستالین گیر افتاده اند هرگز فرصت آرایش ثانویه برای تولید یک پلیمر کاملا کریستالی را پیدا نمی کنند. ساختار ملکولی همچنین یکی از عوامل مؤثر بر روی رفتار کریستالیزاسیون است. ملکولهای خطی که گروه های جانبی کوچک دارند ویا گروه جانبی ندارند، به آسانی کریستالی می شوند. ملکولهای شاخه دار با گروه های جانبی بزرگ به آسانی کریستالیزه نمی شوند. برای مثال پلی اتیلن خطی با دانسیته بالا ( liner high-density polyethylene ) می تواند تا 90% کریستالی شود در حالی که پلی اتیلن شاخه دار تنها می تواند تا حدود 65% کریستالی شود. عموما استحکام وسفتی پلیمر با افزایش درجه کریستالینیتی پلیمر افزایش می یابد.

جرم ملکولی :

پلیمرها از لحاظ ساختاری بسیار پیچیده تر از فلزات وسرامیک ها هستند یکی از مظاهر این پیچیدگی پارامتر وزن ملکولی ( molecular weight ) یا به طور صحیح تر جرم ملکولی ( molecular mass ) است. جرم ملکولی یک پلیمر یکی از مشخصه های مهم آن است. هرملکولی دارای جرم ملکولی خاصی است. جرم ملکولی ترکیبات معمولی برای بسیاری از اهداف زیاد مهم نیست اهمیت این پارامتر در مورد پلیمرها از ساختار زنجیره ای آنها منشأ می شود. زنجیره های ملکولی موجود در یک پلیمر می توانند جرم های ملکولی متفاوت داشته داشته باشند. حتی در مورد زنجیره های پلیمری ساده مانند پلی اتیلن می توانیم گستره ی وزن ملکولی بالا، مرفولوژی ساختاری وخواص متفاوت داشته باشیم. عموما، خواص مکانیکی مانند استحکام با افزایش جرم ملکولی بهبود می یابد. این مسئله تاجایی ادامه می یابد و از آن به بعد ثابت می شود.
نقطه ذوب و دمای انتقال به حالت شیشه ای (Tg ) یک ماده ی خالص وکریستالی دارای نقطه ذوب ( melting point ) معینی است. نقطه ذوب، دمایی است که در آن نظم کریستالی به طور کامل در اثر گرما تخریب شوند. یک چنین انتقال فازی در مواد آمورف رخ نمی دهد.

به هر حال یک ماده ی آمورف را می توان با شاخصی به نام دمای انتقال به حالت شیشه ای ( glass transition temperature)
شکل 2 منحنی حجم ویژه ( volume / unit mass: specific volume ) براساس دما برای یک ماده ی آمورف و یک پلیمر نیمه کریستالاپن نشان داده شده است. هنگامی که یک پلیمر مایع سرد شود، منقبض می شود. انقباض به دلیل کاهش تحریک وجنس گرمایی ملکولها وکاهش فضای آزاد رخ می دهد. به عنوان مثال ملکولها هنگامی که آزاد هستند، فضای بیشتری اشغال می کنند. در مورد پلیمر های آمورف، این انقباض ادامه می یابد تا دما به زیر نقطه ذوب پلیمر کریستالی ( Tm ) برسد. در این حالت پلیمر مایع فوق سرد شده به خاطر ویسکوزیته بالایش به حالت جامد در می آید. اگر چه در این مکان تغییر شیب شدیدی مانند نقطه ذوب اتفاق نمی افتد، می توانیم این نقطه را دمای انتقال به حالت شیشه ای (Tg ) بنامیم. واژه های شیشه ( glass ) و آمورف ( amorphous ) مکررا به جای هم استفاده می شوند. بیشتر شیشه های غیر آلی بر پایه ی سیلیس هستند برخی از آلیاژهای فلزی را می توان در حالت شیشه ای تولید کرد. این مسئله هنگامی امکان پذیر است که سرعت سرد کردن بالا باشد. در مورد پلیمر های آمورف ما ساختاری شیشه ای از ملکولهای آلی بوجود آورده ایم. در مورد مواد جامد کریستالی دمای تبدیل به حالت شیشه ای (Tg ) با دمای ذوب یکسان است. بسیاری از خواص فیزیکی ( مانند ویسکوزیته، ظرفیت گرمایی، مدول الاستیکی، ضریب انبساط و...) به طور ناگهانی در دمایTg تغییر می کند برای مثال پلی اتیلن Tg در حدود 100 درجه سانتیگراد دارد وبنابراین در دمای اتاق حالت صلب دارد. رابرها دارایTg حدود 75- درجه سانتیگراد دارند وبنابراین در دمای اتاق حالت انعطاف پذیر دارند.

Tg پلیمر ها به ساختار شیمیایی آنها بستگی دارد.

اگر یک پلیمر دارای زنجیره ی اصلی صلب ویا گروه های جانبی بزرگ باشد، Tg آن از حالتی که پلیمر دارای زنجیره ی اصلی صلب نیست ویا گروه جانبی بزرگ ندارد، بیشتر است. در جدول 1 عدد Tg را برای برخی از مواد پلیمری معمولی می بینید.

دمای تبدیل به حالت شیشه ای ( Tg ) یکی از خصوصیت های مواد با ساختار شیشه ای، پلیمرهای آلی، شیشه های غیر آلی بر پایه ی سیلیس وحتی شیشه های فلزی است.
به هر حال مقدارTg برای شیشه های غیر آلی چند صد درجه سانتیگراد از Tg پلیمرهای آلی بیشتر است. علت این امر تفاوت در نوع پیوند ومیزان جهت دار بودن در پلیمرهای آلی وشیشه های برپایه ی سیلیس دارای پیوندهای کوالانسی ویونی است وهمچنین بسیار جهت دار است. این مسئله باعث می گردد تا پایداری گرمایی آنها از پلیمرها بیشتر باشد در واقع پیوندهای مواد پلیمری از نوع کوالانسی است وهمچنین جهت دار بودن آنها نیز کمتر است. Tg پلیمرها با افزایش جرم ملکولی پلیمر افزایش می یابد. این مسئله بدین خاطر است که ملکولهای بزرگ تر، تحرک کمتری دارند. ودر نتیجه دمای بالاتری نیاز است تا انرژی لازم جهت حرکت زنجیرها فراهم گردد. بیشتر بودن پیوندهای عرضی همچنین حرکت زنجیرها رابا مشکل روبرو می کند. ودر نتیجه دمای تبدیل به حالت شیشه ای بالاتر می رود. به عبارت دیگر، گستره ی دمای تبدیل به حالت شیشه ای یک پلیمر بوسیله ی گستره ی جرم ملکولی آن تعیین می گردد. این مسئله بسیار مهم می باشد زیرا در اکثر موارد پلیمر دارای گستره ی دمایی به جای دمای تبدیل به حالت شیشه ای دارد.و Tg آن یک عدد ثابت نیست.

رفتار مکانیکی پلیمرها :

پلیمرهادارای خواص تنش- کرنش متفاوتی هستند. یکی از خواص پلیمرها که بطور محسوس از فلزات وسرامیک ها متفاوت است، خواص مکانیکی آنها ووابستگی زیاد آنها به دماوزمان است. یک الاستومر( elastomer ) یا پلیمر رابر مانند ( rubbery polymer ) دارای نمودار تنش- کرنش غیر خطی است.
خاصیت ارتجاعی بسیارعالی که رابرها از خود نشان می دهند به علت آن است که این مواد به خاطر داشتن ساختار پیچیده پس از برداشته شدن نیروی اعمالی برآنها دوباره حالت ابتدائی را بدست می آورند .

مدول الاستیک پلیمرها وابستگی بسیار بیشتری نسبت به فلزات وسرامیک ها با دما دارند. شکل3 نشان دهنده ی تغییر مدول الاستیک یک پلیمر با دماست. همچنین رابطه ی افزایش کریستالینیتی رانیز نشان داده است. با افزایش درجه ی کریستالینیتی ناحیه ی تپه مانند رابری افزایش می یابد. در دماهای زیر نقطه ی Tg ، پلیمر سخت است وعدد مدول الاستیک به صورت نمونه وار 5 گیگا پاسکال است. در بالای دمای Tg ،عدد مدول الاستیک به طور عمده افت می کندو پلیمر رفتار رابری از خود نشان می دهد. یکی دیگر از جنبه های مهم پلیمرها مربوط می شود به اثرات وارده بر پلیمر از طرف محیط. پلیمرها در دماهای نه زیاد بالا ودر حضور رطوبت تخریب می شوند. جذب رطوبت از محیط باعث می شود پلیمر متورم گردد. و در همین حین دمای تبدیل به حالت شیشه ای آن نیز کاهش می یابد. هنگامی که پلیمرها درتابش اشعه ی فرابنفش قرار گیرند، تخریب می شوند. در واقع با تابش اشعه ی فرابنفش برخی از زنجیره های پلیمری قطع می شود.






تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:12 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

الیاف پلیمری طبیعی (2)
الیاف پلیمری طبیعی (2)

 

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون



الیاف پلیمری طبیعی از منابع حیوانی وگیاهی بدست می آیند در ادامه توصیف کوتاهی از این الیاف ارائه می کنیم الیاف بدست آمده از حیوانات ( animal kingdom fibers )

الیاف بدست آمده از حیوانات ( animal fibers ) در اصل از برخی انواع پروتیئن ها ساخته می شوند. کلاژن ( collagen ) که یک نوع ماده کریستالین است فیبر ساختاری پایه ای در الیاف بدست آمده از حیوانات است. این ماده تقریبا در همه ی حیوانات وجود دارد. معمولا این ماده یکی از اجزای یک نوع بافت اتصال دهنده ی پیچیده است. ساختار این ماده بر پایه ی آرایش حلزون مانند سه پلی پپتاید ( poly peptides ) بوجود آمده است که این ساختار بوسیله ی پیوندهای هیدروژنی داخل زنجیره ای پایدار شده است.
این سه پلی پپتاید حلزونی با یک بخش دیگر تشکیل ساختار حلزونی ثانویه ای می کنند که باعث می گردد ساختار فنرمانند تشکیل گردد. این ساختار شبیه یک طناب تافته شده با سه نخ است که هرنخ آن یک زنجیره ی پلی پپتاید است.
تمام الیافی که از حیوانات بدست می آیند کریستال های پروتیئنی هستند که در امتداد محور فیبر کشیده شده اند. کریستال های پروتیئن در یک زمینه ی پلیمری جای گرفته اند. بنابراین تشکیل یک کامپوزیت طبیعی می دهند. کراتین ( keratin ) نام عمومی برای محصولات پروتیئنی فیبری است این محصولات در سلولهای جداره ی بیرونی ستون فقرات وجود دارند. موی انسان یک فیبر پلیمری طبیعی است که همه ی ما با آن آشناییم.
موی انسان یک کراتین مربوط به پستانداران ( mammalian keratin ) است وبه دلیل قطر کوچکش، بسیار انعطاف پذیر است.
به عبارت دیگر شاخ ( horn )، سم ( hoof ) وپر ( quill ) دارای کراتین سفت هستند. این مواد نیز جزء کامپوزیت های الیافی هستند. مثال های دیگر از الیاف بر پایه ی پروتیئن عبارتند از:
پشم ( wool ) و الیاف بدست آمده از پیله ی کرم ابریشم مانند ابریشم. پشم نوعی لیف پلیمری است که از گوسفند بدست می آید. الیاف پشم عموما قطری برابر 20-50 میکرو متر دارند. جزء اصلی پشم نیز از کراتین ساخته شده است. کرنش شکست پشم 30% است. ومانند پنبه، پشم نیز رطوبت را به خود جذب می کند. این میزان جذب بیش از یک سوم وزنی پشم است. پشم را به آسانی می توان به رنگ های مختلف در آورد ( رنگ رزی آن آسان است.)
پشم دارای غشاء بیرونی است. این غشاء که اپیکوتایل نام دارد غشائی آب گریز است. همه ی این خواص موجب می شود تا پشم یکی از الیاف بسیار مناسب ومتداول برای تهیه پوشاک باشد. الیاف پشم مانند اکثر الیاف طبیعی بر پایه ی پروتیئن سطحی فلس مانند دارد. این مسئله باعث پدید آمدن اثر اصطکاکی جهت دار می شود. در واقع هنگامی که در جهت خلاف فلس ها حرکت کنیم اصطکاک از زمانی که در جهت آن حرکت کنیم بیشتر است. حرکت در جهت خلاف فلس ها به خاطر زبری بیشتر سخت تر است. علاوه بر استفاده های پوشاکی ، پشم کاربردهایی در ساخت پتو، مواد عایق، لوازم منزل( upholstery )، فرش وقالیچه ونمد دارد. سایر الیاف پشم مانند نیز از حیواناتی شبیه بز، شتر و... گرفته می شود. البته این نوع الیاف پشم مانند عموما جزء مو حساب می شوند. موی یک نوع بز به نام آنگورا ( Angora goat )، موهیر ( mohair ) نامیده می شود.
همه ی الیاف طبیعی بدست آمده از حیوانات دارای یک جزء پروتیئنی مانند کلاژن ( collagen )، کراتین ( keratin ) یا فیبروین ( fibroin ) هستند. فیبروین یک جزء فیبری است که در الیاف ابریشم وجود دارد. واحد ساختاری پایه در یک پروتیئن آمینواسید است. ( شکل 1 )

عامل (H2N ) یک گروه آمینی ( amino group ) است. ( Co2H )نیز یک گروه اسیدی است. R نیز یک گروه جانبی است. گروه های آمینی واسیدی واکنش می دهند ویک اتصال آمید ( amide ) با فرمول ( CoNH ) ایجاد می کنند. تفاوت مشخص مواد فیبری بر پایه ی پروتیئن باهم در این است که در آمینواسیدهای مختلف گروهR متفاوت است.

الیاف ابریشم :

الیاف ابریشم در ابتدا در کشور چین تولید شد واز آنجا به کشورهای ژاپن، هند وایران آمد وسرانجام به اروپا وارد شد. بافته های ابریشمی در طی قرن های متمادی پربها وارزشمند بوده اند زیرا فیبر ابریشم محکم، کشسان، نرم وقابل رنگرزی هستند. بافته های ابریشمی به گونه ای در جهان گسترش یافته اند که جزئی از سنت های اجدادی مردمان سراسر دنیا شده اند. الیاف ابریشمی جزء الیاف لوکس و گرانبها هستند واز آن برای تهیه ی لباسهای تشریفاتی مانند کیمونوی ژاپنی وساری هندی استفاده می شود.
اگر چه در برخی از کاربردها، الیاف مصنوعی جایگزین الیاف ابریشمی شده اند، هنوز هم ابریشم جایگاه خود را تهیه ی لباس های لوکس و گران قیمت حفظ کرده است. الیاف ابریشمی محصول ترشح غدد ریسندگی ( spinning glands ) گروه متنوعی از حشرات و عنکبوت هاست. غدد ریسندگی در حشرات مختلف انواع مختلفی ابریشم تولید می کنند. اما ویژگی مشترک همه ی الیاف ابریشمی تولیدی از حشرات این است که همه ی آنها از جنس پروتیئن هستند و دارای فیبروین ( fibroins ) هستند. اگرچه حشرات مختلفی ابریشم تولید می کنند اما تنها ابریشم تولیدی از دو گونه پروانه( بید) به نام های علمی بومبیکس موری ( bombyx mori ) و آنترا پرنی ( antheraea pernyi ) در کاربردهای پوشاک استفاده می شود. از بین این دو نوع ابریشم تولیدی بوسیله ی این دو گونه پروانه ( بید) نوعی که بوسیله ی کرم ابریشم بومیکس موری ترشح می شود، مهم تر است.
برای سال های متمادی پرورش کرم ابریشم به عنوان یک صنعت پایدار و سودده مطرح بود در پرورش کرم ابریشم، کرم بوسیله ی برگ درخت توت ویا بلوط تغذیه می شود. کرم ابریشم دارای دو کیسه ی فیبروین است. ( فیبروین نوعی پروتیئن کریستالین است.) در فرآیند تولید الیاف ابریشم، کرم ابریشم خود را به یک شاخه ی نازک می چسباندو بواسطه ی حرکات ماهیچه ای فیبروین را یک سوراخ به بیرون می فرستد. الیاف ابریشم ( تولیدی بوسیله ی کرم ابریشم یا عنکبوت ) دارای ساختاری پیچیده است. این ساختار پیچیده بدین گونه است که دو رشته ی فیبروین بوسیله ی یک ماده ی چسبناک به نام سریسین ( sericin ) در بر گرفته می شوند. این ماده ی چسبناک ( سریسین ) معمولا پیش از تبدیل فیبرها به نخ از آنها جدا می شود.
زنجیره های پروتیئنی طویلکه الیاف را تشکیل می دهند شامل آمینو اسیدها می شوند ( به طور دقیق تر 44 درصد آنها گلیسین (glycine ) و 30 درصد آلانین ( alanine ) ) انسان برای ساخت وسایل ومواد جدید نیازمند مطالعه ی طبیعت دارد ازاین رو علاقه به تحقیقات در زمینه ی انواع متنوع الیاف ابریشمی مانند الیاف بدست آمده از عنکبوت زیاد شده است. در واقع مطالعه در زمینه ی فرآیند ومیکرو ساختار الیاف ابریشمی بدست آمده از عنکبوت زمینه ی تحقیقاتی مناسبی است. هنگامی که یک عنکبوت تار می تند، مایع با قابلیت حل شدن در آب به الیاف ابریشم جامد با قابلیت حل نشدن در آب تبدیل می شود. مکانیزم عمل چنین تبدیلی هنوز به طور کامل شناخته نشده است. اما ظاهرا مولکولهای زنجیره ی پلی پپتیدی ( poly peptide ) آرایش خود را تغییر می دهند.
در مورد کرم ابریشم این مسئله فهمیده شده است که این فرآیند به طور ساده در هنگام کشش زنجیره اتفاق می افتد. علت علاقه مندی در جهت شناخت فرآیند تولید الیاف در عنکبوت این است که عنکبوت ها انواع مختلفی از الیاف ابریشمی را تولید می کنند. این الیاف دارای خواص مکانیکی فوق العاده ای هستند ودر دمای محیط وبا حلال آبکی تولید می شوند وهمچنین زیست سازگار پذیر هستند. فرآیند تولید الیاف ابریشمی بوسیله ی عنکبوت ها در مقایسه با فرآیند تولید الیاف آرامیدی مانند کولار ( Kevlar ) که نیازمند حلال های خاص دارد، بسیار ساده تر است. مثلا در فرآیند تولید کولار نیازمند استفاده از اسید سولفوریک دودکننده داریم. ازاین رو علاقه مندی زیادی برای پی بردن به نحوه ی تولید و ریز ساختار الیاف ابریشمی تولیدی بوسیله ی عنکبوت وجود دارد.
ادامه دارد ... /ن





تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:11 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
الیاف پلیمری طبیعی (3)
الیاف پلیمری طبیعی (3)

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون



الیاف گیاهی ( vegetable fibers ) :

در حقیقت گیاهان یکی از منابع بزرگ تامین کننده ی الیاف هستند. مزیت بزرگ این الیاف، ارزان بودن آنهاست. الیاف سلولز در شکل های مختلف: پنبه، کتان ( flax )، کنف هندی ( jute )، کنف شاهدانه ( hemp )، سیسال ( sisal )، رامی ( ramie ) و... وجود دارد. این گونه الیاف در صنعت پوشاک استفاده می شوند در حالی که چوب وپوشال در صنعت کاغذ مصرف دارند. در ادامه به طور خلاصه به معرفی برخی از الیاف گیاهی مهم می پردازیم.
الیاف گیاهی را می توان از بخش های مختلف گیاه پایه بدست آورد.
مثلا الیاف پنبه و کاپوک ( kapok ) از بخش پنبه دانه ( بخش دانه دار) گیاه بدست می آید وکتان وکنف از ساقه وپوست درخت بدست می آیند همچنین سیسال وپینا ( pina ) جزء الیاف بدست آمده از بخش برگ گیاه هستند. این الیاف دارای وظایف متنوعی در گیاه مادر هستند. در اغلب موارد این الیاف وظیفه ی تقویت کردن ساقه وبرگ های گیاه را برعهده دارند. در هنگام اعمال طوفان وبادهای شدید این الیاف بارها از گیاه مواظبت می کنند. در برخی گیاهان الیاف با ایجاد یک لفاف از بذر گیاه محافظت می کنند مانند پنبه دانه.
جزء اصلی هر فیبر گیاهی سلولز ( cellulose ) در اغلب موارد سلولز به صورت اجزای رشته ای و محکم تشکیل می شود این فیبرهای سلولزی در اکثر موارد به صورت کامپوزیتی طبیعی تشکیل می شوند. مثلا چوب کامپوزیتی از الیاف سلولزی با ماده ای به نام لیگنین ( lignin ) هست. همچنین الیاف پنبه دارای 80-85 درصد سلولز هستند.
الیاف دیگر مانند رامی، کنف شاهدانه، کنف هندی، کتان وسیسال بین 65-70 درصد سلولز دارند. سلولز از سه عنصر کربن، هیدروژن واکسیژن تشکیل شده است. فرمول عمومی سلولز C6H 10O 5 است ویک ماده ی کریستالین است. برای بدست آوردن واطمینان از این مسئله می توان از تکنیک تفرق اشعه ی ایکس بهره برد.
یک پلیمر آمورف هالدای پراکنده تشکیل می دهد. این هالدی پراکنده نشان دهنده ی عدم وجود نظم در آرایش اتم هاست. همچنین ممکن است در ناحیه ی آمورف تعدادی خطوط همتراز مربوط به زنجیره ها وجود داشته باشد. الگوی تفرق اشعه ی ایکس یک پلیمر با کریستالینیتی بالا نقاط منظم یا حلقه های منظمی را نشان می دهد. این نقاط ویا حلقه های منظم نشان دهنده ی قرارگیری منظم در یک تک کریستال است.

بعضی اوقات نقاط گسسته حالت رگه مانند یاقوس پیدا می کنند؛ که علت آن انطباق ترجیحی زنجیره های پلیمری است. حلقه های منظم با فاصله ی مناسب نشاندهنده ی یک ناحیه ی کریستالین و رندوم است. شکل 1الگوی تفرق اشعه ایکس الیاف سیسال را نشان می دهد. این الگو بوسیله ی روش دبی شرر تهیه شده است. قوس های موجود در این الگوی تفرق نشاندهنده ی سلولز طبیعی و کریستالین است که بخش عمده ی سیسال را تشکیل داده است. علاوه بر سلولز، الیاف گیاهی دارای مقادیر زیادی از سایر مواد شیمیایی مانند لیگنین ( lignin )، همی سلولز ( hemicelluloses )، پکتین ( pectin )، رزین، مواد معدنی، چربی وواکس ( wax ) هستند. پس از جداسازی الیاف از گیاه، آنها را در برخی محلولها قرار می دهند تا همی سلولز، لیگنین و... از آنها جدا گردد. لیگنین ودیگر مواد غیر سلولزی مربوط به دیواره ی سلولی هستند.
وحضورشان در فیبر موجب کاهش کیفیت فیبر می گردد. مواد غیر سلولزی را نمی توان به آسانی از الیاف جدا کرد. عموما جداسازی آنها گران است واز این رو به طور کامل از الیاف جدا می شوند. ویژگی مهم الیاف گیاهی توانایی آنها در جذب رطوبت از اتمسفر است. این الیاف درصد بالایی رطوبت جذب می کنند. این مسئله به خاطر این است که سلولز ماده ای نم گیر است. سلولز رطوبت را در هنگام زیاد بودن آن در اتمسفر جذب می کند ودر هنگامی که اتمسفر خشک باشد رطوبت خود را پس می دهد. این مسئله باعث دگرگونی در وزن وابعاد الیاف می شود. همچنین برروی استحکام و سفتی الیاف نیز تاثیر می گذارد. درصد رطوبت موجود در فیبر را می توان با محاسبه ی وزن از دست داده ی فیبر پس از قرارگیری آن در آون محاسبه کرد. برای محاسبه ی این درصد رطوبت، درصد رطوبت را براساس حالت خشک محاسبه می کنیم. دیگر ویژگی مهم الیاف گیاهی این است که آنها زیست تخریب پذیرند. اکثر الیاف گیاهی پس از مدتی تیره وضعیف می شوند وهمچنین آنها نور را جذب می کنند. دوام الیاف گیاهی از الیاف پلیمری مصنوعی کمتر است. همه ی الیاف گیاهی به آسانی توسط میکروارگانیزم های مختلفی مورد هجوم قرار می گیرد. و در دما و رطوبت بالا می پوسند وکپک می زنند.
در ادامه به توصیف مختصری از برخی الیاف گیاهی می پردازیم:

پنبه ( cotton ) :

پنبه سلطان الیاف نامیده می شود. پنبه هنگامی که در حال رشد است یک فیبر توخالی است. اما هنگامی که چیده می شود، منقبض می گردد. بنابراین مقطع عرضی آن پهن است ومی توان میکرو فیبرهای تشکیل دهنده ی الیاف پنبه را بوسیله ی یک میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی کم مشاهده کرد. ترکیب پنبه را بطور عمده از سلولز کریستالین با مقادیر متنوع از پرکتین، چربی وواکس. مولکول سلولز دارای شکلی مارپیچ است. که زاویه ی پیچش آن بین 20 تا30 درجه است. شکل 2نشان دهنده ی ساختار الیاف پنبه است. دانسیته ی الیاف پنبه در حدود 1.5 گرم برسانتیمتر مکعب است.

پنبه یک فیبر بسیارمناسب است. الیاف پنبه به آسانی رنگ می گیرند، به سهولت رطوبت را به خود جذب می کنند ودر محیط های کاری مختلف دوام خود را حفظ می کند. نخ پنبه برای تولید انواع بسیاری از لباس ها کاربرد دارد. ( این فیبر با الیاف مصنوعی نیز قابلیت ترکیب دارد.) در حقیقت تقریبا نیمی از تمام پارچه های مصرفی در دنیا از پنبه بافته می شود. به غیر پوشاک، پنبه در فیلتر قهوه ( coffee filters )، تور ماهیگیری ( fishnet )، بند پوتین ( lace )، اثاثیه ولوازم منزل ( upholostery ) و... کاربرد دارد. پنبه زیست تخریب پذیر است ومی توان از آن به عنوان جاذب در جاهایی که نشت روغن وجود دارد، استفاده کرد.

کنف هندی ( jute ) :

الیاف کنف هندی از بخش داخلی پوست گیاهی از گروه کورچوروس ( corchorus ) بدست می آید. این فیبر عمدتا در بنگلادش، برزیل وهند تولید می شود. این فیبر به طور فراوان در تولید ریسمان ( cords )، لباسهای زبر وکیسه ( sack ) استفاده می شود. گاها نیز می توان کت های مخصوص مراسم که از این الیاف تولید شده اند را نیز مشاهده کرد.
الیاف کنف هندی از فرآیندی به نام رتینگ ( retting ) از بخش چوبی ساقه جدا می گردد. فرآیند بدین گونه است که ابتدا ساقه های گیاه در آب غوطه ور می شوند. سپس با پوشاندن با علف وخورده ی چوب کاری می کنیم که ساقه ها کاملا در آب فرو روند. مدت فرآیند رتینگ بستگی به دما وخصوصیات آب دارد. پس از پایان مرحله رشته های فیبر جداسازی می شوند. این الیاف با پاشیدن آب بر روی آنها تمیز می شوند سپس فشرده می شوند تا آب اضافی داخلشان خارج شود وسپسدر نور آفتاب آویزان می شوند تا خشک شوند. سپس برای بارگیری در کشتی آماده می شوند.
فیبر کنف هندی دارای رنگی زرد تا قهوه ای است. نوع تجاری این الیاف از رشته های فیبری کنف تشکیل شده اند که بوسیله ی چسب های طبیعی بهم چسبیده اند.

هنگامی که بوسیله ی یک میکروسکوپ نوری به مقطع عرضی این فیبر نگاه کنیم سلولهای پلی گونال ( poly gonal cells ) قابل مشاهده هستند. این سلولها طولی معادل 2.5 میلی متر دارند. این سلولها دیواره ای ضخیم دارند وحفره ی سلولی درون جداره ی آنها ( lumen ) را می توان دید. (شکل 3 )
مانند اکثر الیاف بدست آمده از گیاهان، استحکام الیاف کنف هندی نیز در جاهای مختلف متفاوت است. کرنش شکست این الیاف در حدود 107% است. دانسیته ی کنف هندی 105 گرم بر سانتیمتر مکعب است. الیاف کنف هندی مقدار قابل ملاحظه ای آب جذب می کند. مثلا هنگامی که رطوبت جو در حدود 65% باشد این الیاف 15% وزنی آب جذب می کنند.

سیسال ( sisal ) :

سیسال یک فیبر برگ مانند است که از گیاه آگاسیسالانا ( agave sisalana ) بدست می آید. این گیاه بومی آمریکای مرکزی است. برای رشد گیاه سیسال آب وهوای گرم سیری با میزان رطوبت متعادل نیاز است. که این نوع آب وهوا عمدتا در آفریقای شرقی وبرزیل وجود دارد.
گیاه سیسال دارای ساقه ی کوتاه وضخیمی است که برگ های آن به صورت چتر بر روی آن رشد می کنند. این برگ ها دارای الیاف سیسال هستند. برگ های گیاه از جایی که به ساقه ی اصلی متصل شده اند، قطع می شوند. این کار باید سرعت پس از برداشت محصول انجام شود زیرا برگ های کنده شده از گیاه به سرعت فاسدمی شوند. الیاف بوسیله ی فرآیند خرد کردن وفشار دادن جدا سازی می شوند تا ماده ی سبز رنگ اطراف الیاف جدا گردد. سپس الیاف جداشده در آفتاب خشک می شوند. رشته های بدست آمده از الیاف سیسال می توانند طولی از 0.5 تا 1.25 متر داشته باشند. مانند الیاف کنف هندی، تعداد زیادی از الیاف سیسال بوسیله ی چسب طبیعی به هم متصل شده اند. رنگ الیاف سیسال از سفیدتا زرد کم رنگ تغییر می کند. الیاف سیسال استفاده هایی در کاربرد های متنوع دارد. مثلا پوشش های حصیری ( mattings )، قالیچه، طناب های دریانوردی، لایی های اتومبیل ( padding materials )، لوازم و اثاثیه ی منزل و...

رامی ( ramie ) :

رامی یکی دیگر از الیاف گیاهی مهم است. این فیبر دارای رنگی سفید ودرخشان است. کرنش شکست این فیبر 3-4% است.
این فیبر در مقایسه بادیگر الیاف گیاهی، مقاومت بالاتری در برابر باکتری ها، قارچ ها و کپک ها دارد. که این ویژگی یک ویژگی استثنایی محسوب می شود. در اغلب موارد این فیبر با سایر الیاف ترکیب می شود واز این فیبر ترکیبی برای تولید پوشاک استفاده می شود.

رایون ( Rayon ) :

الیاف رایون که بوسیله ی ایجاد تغییراتی در سلولز بدست می آید، معمولا سلولز احیا شده ( regenerated cellulose ) نامیده می شود. در این فیبر جزء اصلی سلولز است. این سلولز در اصل از منابع گیاهی بدست آمده است از این رو رایون را جزء الیاف طبیعی طبقه بندی می کنیم. سلولز بدست آمده از منابع مختلف را می توان برای تولید الیاف رایون استفاده کرد. برای مثال خمیر سلولزی بدست آمده از پنبه ( از الیاف کوتاه متصل به پنبه ) یا الوارهایی که حاوی بیش از 90% سلولز هستند برای تولید الیاف رایون مناسبند. سلولز ذوب نمی شود و در حلالهای معمولی نیز حل نمی شود بنابراین این ماده باید به فرم های مختلفی تبدیل گردد مثلا برای تولید رایون ابتدا باید خمیر چوب در محلول سدیم هیدروکسید حل گردد. سپس کربن دی سولفید به این محلول اضافه گردد تا سدیم سلولز اکسانتات ( sodium cellulose xanthate ) تشکیل گردد. این ترکیب شیمیایی ازسلولز در محلول رقیق سدیم هیدروکسید حل می گردد. با حل شدن این ترکیب در محلول رقیق سدیم هیدروکسید یک محلول غلیظ ملاس مانند بدست می آید که ویسکوز ( viscose ) نامیده می شود.
ماده ی ویسکوز از داخل یک نخ ریس عبور کرده وسپس به داخل یک حمام اسید سولفوریک وارد می شود در این حمام الیاف اکسترود شده دوباره به فرم سلولزی تبدیل می شود و به صورت فیلامنت در می آید. فیلامنت های حاصله به شکل نخ ریسیده می شوند وبر روی قرقره پیچیده می شوند یا به صورت بریده بریده در آمده وبرای تولید پارچه های رایونی استپنل در می آید. سپس نخ تولیدی شسته می شود تا مواد شیمیایی مانده برروی الیاف که از پروسه ی تولید ایجاد شده اند از بین بروند. در طی پروسه ی ریسندگی، قطر الیاف تعیین می گردد ودر صورت لزوم الیاف رنگ می شوند.
خلاصه ای از خواص مهم تعدادی از الیاف گیاهی در جدول 1آورده شده است.

اثرات محیطی بر روی الیاف پلیمری :

فاکتورهای محیطی مانند رطوبت، دما، PH، تابش فرابنفش و میکرو ارگانیزم ها می توانند بر روی الیاف پلیمری تاثیر بگذارند. الیاف پلیمری طبیعی نسبت به الیاف پلیمری مصنوعی حساس ترند وزودتر بوسیله ی عوامل محیطی تخریب می شوند. لاور ( Larvae ) برخی حشرات ممکن است از مواد خشک متنوعی که دارای درصد بالایی سلولز وپروتیئن هستند تغذیه شوند. مثال هایی از این مواد خشک ودارای درصد بالایی سلولز وپروتیئن عبارتند از الیاف گیاهی وحیوانی. بنابراین الیافی مانند ابریشم، پشم،پنبه، کنف هندی و... ومحصولات تهیه شده از آنها مانند پوشاک ( کت، پلوورو...) وفرش مستعد تخریب شدن بوسیله ی میکروارگانیزم ها هستند مخصوصا سلولز که بوسیله ی گروه متنوعی از باکتریها، قارچها وجلبکها مورد هجوم قرار قرار می گیرد. میکروارگانیزم ها سلولز را به عنوان یک ماده ی غذایی مصرف می کنند. بوسیله ی برخی از فرآیندها وافزودنیها می توان از حملات میکروارگانیزم ها جلوگیری نمود. مثال خوبی از این فرآیندهای جلوگیری از حمله ی میکروارگانیزم ها، عمل آوری الیاف پشم است.
احتمالا عامل جلوگیری کننده ای که در فرآیند عمل آوری این الیاف استفاده می شود، پرمترین ( permethrin ) باشد. پرمترین یک نوع ماده ی شیمیایی سنتزی است. این ماده از لحاظ ساختاری شبیه گاو چشم ( pyrethrum )، یک ماده ی طبیعی است. گاوچشم یک حشره کش طبیعی است که در گونه های گل داوودی ( chrysanthemum ) وجود دارد. پرمترین به طور گسترده در کشاورزی وبرای کنترل حشرات خانگی وهمچنین به عنوان محافظ چوب از فاسد شدن استفاده می شود. الیاف طبیعی بر پایه ی سلولز وپروتیئن نسبت به الیاف آلی سنتزی تمایل بیشتری به تخریب شدن دارندکه علت آن رطوبت ودما می باشد. هنگامی که این الیاف در معرض نور باشند( نور مرئی وفرابنفش ) در آنها تخریب نوری اتفاق می افتد. این تخریب باعث ایجاد رنگ پریدگی وکاهش خواص مکانیکی الیاف می گردد. اکثر الیاف پلیمر ( طبیعی ومصنوعی ) به خاطر جذب رطوبت متورم میشوند. این تورم در مورد الیاف طبیعی بیشتر است.

کاربرد الیاف پلیمری طبیعی :

الیاف پلیمری طبیعی کاربرد گسترده ای در همه ی زمینه های زندگی بشر دارند. در زیرمثال هایی از کاربردها آمده است:
الیاف پلیمری طبیعی برای تولید انواع مختلفی از منسوجات از لباس گرفته تا وسایل واثاثیه ی منزل،کیسه وطناب استفاده می شود. این الیاف به طور مکرر با الیاف مصنوعی ترکیب می شوند تا بتوان الیافی باخواص اپیتمم بدست آوریم. بسیاری از الیاف طبیعی مورد فرآیند عمل آوری قرار می گیرند وسپس از آنها برای ساخت کامپوزیت ها بهره گرفته می شود. (البته در کاربرد هایی که تنش های بسیار بالا اعمال نمی شود.)
بسیاری از الیاف طبیعی کاربردهایی در اتومبیل ها ووسایل نقلیه ی ریلی وجاده ای پیدا کرده اند. یکی از دلایل استفاده از آنها این است که مسئله ی تخریب آنها در طبیعت مهم می باشد. به عبارت دیگر ما دنبال موادی هستیم که در طبیعت تخریب شوند. این تخریب باعث کاهش مسائل زیست محیطی می گردد. الیاف طبیعی منابعی تجدیدپذیرند ومشکل انتشار گازCO2را تشدید نمی کنند.
این الیاف نه تنها طبیعی هستند بلکه دوست دار طبیعت هستند. این الیاف همچنین دارای خواص مکانیکی به نسبت خوبی هستند. مثلا مقاومت به ضربه ی آنها حتی در وزنهای پایین نیز مناسب است. مثال هایی از کاربردهای الیاف طبیعی، اتومبیل مرسدس بنز کلاس E است. به طور خاص در این اتومبیل تکه های پنبه، حصیرهای عایق، و لایی هایی از جنس الیاف نارگیل، موی حیوانات ولاتکس طبیعی وجود دارد. همچنین در ساختار آن از پلیمرهای تقویت شده با الیاف سیسال وکتان نیز استفاده شده است . همچنین باید به این مسئله اشاره شود که الیاف کتان ( flax ) بومی کشور آلمان است در حالی که سیسال بومی برزیل وبسیاری کشورهای دیگر است. الیاف طبیعی همچنین برای تولید ژئوتکستیل ( gcotextiles) استفاده می شود. ئوتکستیل بافته هایی است که برای تثبیت خاک از آنها استفاده می شود.





تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:11 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

 

الیاف پلیمری مصنوعی (1)
الیاف پلیمری مصنوعی (1)

 

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون




 

در این مقاله ما به توصیف الیاف پلیمری مصنوعی می پردازیم. تولید الیاف پلیمری مصنوعی به گفته بسیاری پیشرفت عظیمی در نیمه دوم قرن بیستم به شمار می آید. در حقیقت از لحاظ منطقی عمر الیاف با ظهور الیاف مصنوعی مانند نایلون، پلی استر و ... شروع شده است. این پیشرفت شگرف در اواخر دهه ی 1930 اتفاق افتاد. در این زمان بسیاری از شرکت ها مانند دوپون (Dupont)، مانساتو (Monsato)، بی ای اس اف (BASF)، هوی چست (Hoechst)، آی سی آی (ICI) و ... در بخش الیاف فعالیت کردند. برای آگاهی از وسعت فعالیت ها می توان فعالیت های شرکت دوپون را در بین سال های 1902-1980 بررسی نمود.
بسیاری از الیاف پلیمری مصنوعی مانند پلی استر، نایلون و... دارای خواص یکنواخت هستند و می تواند آنها را چندین بار بازیافت کرد.
به هر حال، این الیاف دارای مدول الاستیک پایین هستند، از این رو کاربرد این الیاف بیشتر به پوشاک و منسوجات محدود می شود. کارهای تحقیقاتی انجام شده باعث شد تا الیاف پلیمری مصنوعی با استحکام و سفتی مناسب جهت تقویت کننده ی کامپوزیت ها تولید گردد. این کارهای تحقیقاتی در اواخر دهه ی 1950و ابتدای دهه ی 1960 شروع شد. که باعث ورود الیاف پلیمری محکم مانند آرامیدها (aramid) و پلی اتیلن با زنجیره های طویل به عرصه تجاری شد. در ادامه به توصیف تولید، ساختار و خواص تعدادی از الیاف پلیمری مصنوعی می پردازیم.

تاریخ مختصری از الیاف آلی

مرور مختصری بر کارهای انجام شده در زمینه الیاف آلی می تواند ما را در آگاهی یافتن از جایگاه این مواد در زندگی کمک کند. برای این کار ما از کشف نایلون شروع می کنیم. نایلون بوسیله شرکت دوپون در سال 1938 کشف و تجاری سازی شد. والاس کارتررز (Wallas Carothers) از شرکت دوپون عموماً به عنوان پدر نایلون در نظر گرفته می شود. نایلون برای اولین بار و پیش از جنگ جهانی دوم به مراکز فروش جوراب وارد شد. در حقیقت سال 1988، پنجاهمین سالگرد ورود نایلون به عنوان ماده ی اولیه در تولید جوراب زنانه ساق بلند بود. نایلون بوسیله روش ریسندگی مذاب (melt spinning) تولید می شود این فیبر بسیار انعطاف پذیر و با دوام است و حالت کشباف دارد. همه ی این ویژگی ها منجر شد تا نایلون به عنوان یکی از مهمترین الیاف در صنعت منسوجات درآید. همچنین استحکام بالای نایلون و خواص ضربه ای و مقاومت به خستگی مناسب این فیبر باعث شد تا نایلون در صنعت الاستیک سازی نیز مصرف شود. این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که واژه ی نایلون به گروهی از مواد شبیه به هم اطلاق می شود، همانگونه که ما گروهی از مواد را با نام شیشه، فولاد و یا کربن می شناسیم. و به همین خاطر ما نایلون را با حروف بزرگ ننوشته ایم. (در انگلیسی حروف اول کلمات خاص با حروف بزرگ نوشته می شود).
پس از نایلون، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی اکریلونیتریل (PAN) دو کشف در زمینه ی الیاف آلی بودند. پلی اتیلن ترفتالات از روش ذوبی ریسندگی می شود و این در حالی است که پلی اکریلو نیتریل از روش Spinable Polymer solution dope به الیاف تبدیل می شود. پلی اتیلن ترفتالات یک پلی استر ترموپلاست است. این ماده به سرعت به عنوان جایگزین برای پنبه، پشم و رایون در فرش، پتو و ... درآمد. پلی اکریلونیتریل نیز به عنوان پیش ماده در تولید الیاف کربن (Carbon fiber) استفاده می شود. از میان تمام ویژگی های منحصر به فردی که الیاف مصنوعی مانند نایلون، PET، PAN و ... دارند، برخی از ویژگی ها مانند خواص سایشی، مقاومت در برابر چروک خوردن، دوام و قابلیت شستشوی آنها باعث شده اند تا الیاف مصنوعی موفق باشند. تولید الیاف پلیمری مصنوعی به عنوان یکی از پیشرفت های شگرف بشر در نیمه ی دوم قرن بیستم به حساب می آید. به هر حال، مهم تر از این مسئله این است که هنگامی که اهمیت رابطه ی میان خواص و ساختار در پلیمرها کشف شد، عصر جدیدی در الیاف ساخته بشر شروع شد. تعدادی از کارهای مؤثر در زمینه ی کریستالیزاسیون پلیمرها در اواخر دهه ی 1960 باعث پدید آوردن این دوره شد. شناخت از فرآیند کریستالیزاسیون پلیمرها باعث شد تا رابطه ی میان ساختار و خواص مواد پلیمری شناخته شود. یکی از نتایج اصلی که از کارهای انجامی بر روی رابطه خواص و ساختار بدست آمد این مسئله بود که «آرایش زنجیره های پلیمری به صورت جهت دار و در طول فیبر باعث بهبود خواص مکانیکی می گردد.» تولید الیاف آلی با استحکام کششی و مدول بالا مانند آرامیدها و پلی اتیلن، نتیجه ی مستقیم این تلاش هاست. در واقع در تولید الیاف با استحکام و مدول بالا از دو مسئله ساختاری متفاوت استفاده شده است. در پلیمرهای با استحکام بالا و صلب مانند آرامیدها ما از صلبیت ذاتی و بسیار بالای گروه های آرامیدی در زنجیره ی اصلی به همراه آرایش فیزیکی زنجیره ها بهره گرفته ایم. در حالی که پلیمرهای دارای زنجیره ی انعطاف پذیر مانند پلی اتیلن ما از آرایش زنجیره های پلیمری برای بدست آوردن مدول بالا بهره برده ایم.
در ادامه ما تکنیک های عمومی در تولید الیاف پلیمری مصنوعی را بیان می کنیم و پس از آن فرآیندهای تولید، ساختار و خواص برخی از الیاف آلی با مدول پایین را توصیف می کنیم. سرانجام ما به توصیف دو نوع از الیاف آلی تجاری مهم که دارای سفتی و مدول بالایی هستند، (آرامیدها و پلی اتیلن) می پردازیم.

تولید

عموماً، پلیمرهای مصنوعی بوسیله فرآیند ریسندگی به فیبر تبدیل می شود. ریسندگی فیبر (Fiber spinning) فرآیندی است که در طی آن مایعی از میان سوراخ های کوچک عبور می کند و به صورت فیلامنت های جامد در می آید.

در شکل 1 شماتیک کلی این فرآیند نشان داده شده است. در ابتدای فرآیند ما نیازمند محلول یا مذاب پلیمر هستیم. فیلامنت ها از سوراخ های رشته ساز (spinnert) بیرون می آیند و پس از آن ممکن است از داخل حمام و آون عبور کند. و سپس به صورت تک نخ بر روی یک بوبین (bobbin) پیچیده می شود. واژه ی ریسندگی (spinning) همچنین به معنی ریسندگی نخ (spinning yarn) نیز استفاده می شود و این یک وضعیت نامناسب ایجاد می کند. در طبیعت کرم ابریشم و عنکبوت ها بوسیله ی همین روش فیلامنت هایی مداوم تولید می کنند. فرآیند ریسندگی الیاف جامد بدین گونه است که یک مایع از میان روزنه های بسیار ریز عبور می کند و در حقیقت این موقعیت از آنجایی بدست که مواد خاصی مانند پلیمرهای آلی و شیشه های غیرآلی بر پایه ی سیلیس دارای ویسکوزیته ی متعادلی برای ایجاد فیلامنت پایدار از روزنه ها هستند. خروج فیلامنت ها از رشته ساز ممکن است بوسیله ی جریان هوا یا حمام انعقاد (coagulating bath) پایدار گردد. اگر ویسکوزیته پایین باشد، جریان خروج فیلامنت ها به خاطر کشش سطحی، ناپایدار می شود. فلزات مذاب معمولاً دارای ویسکوزیته بسیار پایینی هستند (نزدیک به ویسکوزیته ی آب) و بنابراین به طور عادی نمی توان از ریسندگی مذاب برای تهیه ی فیلامنت های فلزی استفاده کرد. نقطه ی کلیدی که بوسیله آن می توان تشخیص داد که چگونه جریان مذاب با ویسکوزیته ی پایین را به صورت جریان پایدار درآوردیم، امواج رایلیت (Rayleigh Waves) است.
بر طبق این امواج کشش سطحی مناسب تعیین می گردد و با تنظیم کشش سطحی جریان فلامینت ها پایدار می شود. یک راه جهت ایجاد فیلامنت های مداوم و پایدار این است که جریان فیلامنت های خروجی از روزنه ها را از یک محیط فعال شیمیایی عبور دهیم. ویسکوزیته ی پلیمرهای آلی و شیشه ها در گستره ای است که فیلامنت های عبوری از روزنه ها تا زمان سرد شدن مشکلی ندارند. (این ویسکوزیته بیش از 10 به توان 5 poise است.) در واقع عدم پایداری فیلامنت ها گاها به خاطر چسبیدن آنها به همدیگر رخ می دهد که در مورد جریان های مذاب با ویسکوزیته پایین می توان از پایدار کننده های شیمیایی استفاده کرد. برای مثال والنبرگر (wallenberger) و همکارانش در سال 1992 فرآیندی برای تولید الیاف (آلومینا و سیلیس) را ابداع کردند که در آن جریانی از فیلامنت ها با ویسکوزیته ی پایین (10poise) را بوسیله ی پروپان پایدار می کنند. و پیش از اینکه فیلامنت ها به صورت قطره درآیند فرآیند پایدار کنندگی الیاف انجام می شود.
در ادامه به توصیف مختصری از روش های تولید الیاف می پردازیم:

1) ریسندگی مذاب (melt spinning)

در این روش موادی که می خواهیم آنها را به شکل الیاف درآوریم را ذوب می کنیم و مذاب حاصله از میان یک رشته ساز عبور می دهیم. (شکل 2)

مایع عبوری از رشته ساز بوسیله ی هوا سرد و جامد می گردد. این روش عموما برای تولید الیاف آلی مانند نایلون، پلی استر و پلی پروپیلن استفاده می شود.

2) ریسندگی خشک (Dry spinning)

در این روش محلولی از مواد پلیمری در حلال فرار آلی از میان رشته ساز عبور می کنند و بداخل یک محیط گرم وارد می شوند. باریکه ای از هوای گرم در همان لحظه ای که جریان فیلامنت از رشته ساز بیرون می آید، بدان برخورد می کند. این مسئله باعث بخار شدن حلال می گردد. و با خشک شدن حلال، فیلامنت های جامد پدید می آیند. (شکل 3)

الیافی مانند استات، اکریلیک و الاستومرهای پلی یوریتانی از این روش تولید می شوند.

3) ریسندگی تر (wet spinning)

یک محلول پلیمری در یک مایع آلی یا معدنی از میان سوراخ های رشته ساز اکسترود می شوند. پس از عبور فیلامنت ها از داخل رشته ساز، آنها از حمام انعقاد عبور می کنند. در این حمام واکنش های فیزیکی و شیمیایی بر روی فیلامنت ها رخ می دهد. و پس از خروج فیلامنت از حمام، الیاف تشکیل می شوند. شکل4 این فرآیند را نشان می دهد. مثال هایی از الیاف آلی تولیدی با این روش عبارتند از رایون و الیاف اکرلیک.

4) ریسندگی تر- خروج خشک (Dry jet-wet spinning)
الیاف آرامید به این روش تولید می شوند. در این فرآیند، محلول آن- ایزوتروپیک از میان سوراخ های رشته ساز اکسترود می شود و وارد یک فاصله ی هوایی (تقریباً 1cm) می شود و سپس از آنجا وارد یک حمام انعقاد می شود. الیاف انعقاد یافته سپس شسته می شوند و پس از شسته شدن، عملیات خنثی سازی و خشک کردن اتفاق می افتد.

5) ریسندگی ژله ای (gel spinning)

در این فرآیند، فیلامنت ها از سوراخ های رشته به صورت یک ماده ی رابر مانند یا ژله ای خارج می شوند و سپس سرد می شوند. این فرآیند برای ریسندگی پلیمرهای خطی با زنجیره ی انعطاف پذیر مانند پلی اتیلن مناسب است. یک فیبر ژله ای هنگامی که محلولی مناسب از رشته ساز خارج گردد و سپس در هوا سرد گردد، پدید می آید.
این الیاف ژله ای دارای ساختاری شبکه ای از زنجیره های متورم هستند که با سرعت بالا و در دمای زیر نقطه ذوب تشکیل می شوند. الیاف پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا که دارای سفتی و استحکام بالاست، بوسیله ی این فرآیند تولید می شوند.

6) تولید الیاف از غشاء (fibres from films)

در همه ی روش های توضیح داده شده در بالا محلول یا مذابی از پلیمر در داخل رشته ساز اکسترود می شود. در اینجا می خواهیم روشی را توضیح دهیم که با روش های بالا کاملا متفاوت است. در این روش از غشاء نازک جهت تولید الیاف استفاده می شود. این تکنیک برای پلیمرهای به کار می رود که به آسانی به غشاء تبدیل می شوند. همچنین برای پلیمرهایی مناسب است که بسیار جهت دارند و تولید غشاء از آنها گران نباشد. این غشاء ها آن- ایزوتروپ هستند و خواص کششی آنها در جهات اصلی متفاوت است. (در واقع استحکام آنها در جهت طولی بسیار بیشتر از حالت عمود بر آن است). در اصل این مسئله جهت گیری زنجیره های پلیمری در جهت کشش غشاء است. این تفاوت در خواص در جهات مختلف اجازه می دهد که غشاء به آسانی به الیاف تولید شود. این کار بوسیله فرآیندهای مکانیکی مانند برس زنی (brushing)، سائیدن (rubbing) یا پیچاندن (twisting) انجام می شود. در واقع غشاء به آسانی برش می خورد. مقطع عرضی این نوع الیاف به جای دایره ای، مستطیلی یا مربعی است که علت آن نوع مواد مورد استفاده است.
منبع انگلیسی مقاله : Fibrous Meterials/k.k.chowla






تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:10 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

 

الیاف پلیمری مصنوعی (2)
الیاف پلیمری مصنوعی (2)

 

مترجم : حبیب الله علیخانی
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 )

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






تاریخ : یکشنبه 91/2/3 | 11:10 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
.: Weblog Themes By BlackSkin :.