الیاف کولار

کولار(پلی-پارافنیلن ترفتالامید)PPD-T
در این نوشتار برآنیم که به معرفی، تاریخچه با نحوه اکتشاف، فرایند پلیمریزاسیون، نحوه تهیه الیاف و کاربردهای پلیمر بپردازیم که در دنیا با نام تجاری کولار شناخته شده است. باشد که مورد استفاده دوستان قرار بگیرد.
کولار چیست؟ کولار نام تجاری الیاف آرامید بر پایه پلی‌(پارافنیلن- ترفتال آمید) (PPD-T) از اولین الیاف با مقاومت بالا و مدول بالاست که به صورت صنعتی و تجاری تولید شده است. داستان کولار شالی است از یک تلاش گسترده تحقیقاتی و یک فرایند نوآوری و نموداری است از چگونگی یک کشف آزمایشگاهی و انتقال این کشف به تولید صنعتی پس از ۲۲ سال تلاش مداوم و پیگیر، اولین قدم برای کشف کولار در اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی و براساس یک نیاز توسط شرکت دوپان برداشته شد. پیگیری مطلب منجربه یک کشف مهم علمی در سال ۱۹۶۵ گردید.قبل از هرچِِیز خلاصه ای اززندگینامه خانم کولک را با هم مرور میکنیم:

استفان ال کولک
با اتکا به تجربه و هوش استفان کولک یکی از مواد پر کاربرد دنیای جدید بنام کولار را اختراع کرد او در نیوکنزینگتون الیافت پنسیلوانیا در سال ۱۹۲۳ متولد شد. در کودکی به علوم و پزشکی علاقمند بود. در کالج زنان که هم اکنون به نام دانشگاه کارنگی ملون شناخته می شود و در نزدیکی پیتبورگ قرار دارد درس خواند و در سال ۱۹۴۶ کارشناسی خود را در رشته شیمی از آن کالج دریافت کرد. سپس به دلیل نداشتن پول کافی برای ادامه تحصیل در دانشکده پزشکی، در آزمایشگاه الیاف پارچه شرکت دوپان در بوفالو ایالت نیویورک به عنوان محقق شروع بکار کرد.
کولک با جدید بسیار بالایی کار می‌کرد چون به کار کردن عشق می‌ورزید و از طرفی نمی‌خواست موقعیت شغلی‌اش را در آزمایشگاه از دست بدهد. پس از پایان جنگ جهانی دوم او به آزمایشگاه تحقیقاتی پیشرفته شرکت دوپان در ویلمینگتون ایالت دولاور منتقل شد این آزمایشگاه در سال ۱۹۵۰ تاسیس شده بود. در اینجا با حمایت دوبیلیو هال چارچ اولین رئیس آزمایشگاه کولک به موفقیتهایی در زمینه پلیمرهای جدید دست یافت. تخصص کولک در فرایندهای دمای پایین برای پلیمرهای تراکمی بود یعنی تولید زنجیرهای بلند مولکولی در دمای پایین که موج تهیه و تولید الیاف سنتزی پایه نفتی می‌گردد و سختی و مقاومت قابل توجهی دارد در دهه ۱۹۶۰ او شاخه جدیدی از پیلیمرهای بلور مایع سنتزی را کشف کرد و اولین مونومر خالص مورد نیاز در سنتز پلی بنزآمید را تهیه نمود.
اما کولک همچنین در مواد واسط مورد نیاز در فرایند سنتز که منجربه تهیه مواد فوق‌العاده حساس به رطوبت و حرارت که به آسانی هیدرولیز خود پلیمریزه می‌شود علاقمند بود. بنابراین او حلال قابل قبول برای انجام واکنشهای دمای پایین را برای مواد واسط کشف کرد. نتیجه پلیمرهای آرامید بود که بیشتر محققین آن را بدلیل مایع بودن و تیره بودن پذیرا نشدندو کولک به هوشمندانه محلول حاصل را ریسندگی کرد نتیجه الیاف سنتزی شد که بسیار محکم‌تر از الیاف تولید شده قبلی بود.
شرکت دوپان آزمایشگاه پیشتاز خود را در جهت صنعتی کردن کشف کولک و تبدیل پلیمر بلوری به محصول صنعتی تجهیز نمود. نتیجه کار تولید محصولی به نام کولار شد که اولین بار در سال ۱۹۷۱ وارد بازار گردید. الیاف کولار ۵ برابر محکم‌تر از فولاد بوده و دانسیته آنها نصف دانسیته الیاف شیشه می‌باشد. هم اکنون کولار برای عموم مردم الیاف شناخته شده‌ای است چون جلیقه‌های ضد گلوله را از آن تهیه می‌کنند و تنها در این کاربرد خاص کشف کولک جان هزاران نفر را نجات داده است. در واقع کولار کاربردهای گسترده‌ و متنوعی دارد مانند تایرهای رادیال، لنتهای ترمز که در آنها جایگزین آلیاف آزبست شده است، قایق‌های مسابقه، کابلهای نوری، پوسته‌های سفینه‌های هوایی و دریایی، کابلهای نگهدارنده پلهای معلق هم اکنون از آن در تهیه تخته‌های اسکی و کلاه‌های ایمنی نیز استفاده می‌شود. در اقتصاد، کولار بازاری به وسعت صدها میلیون دلار در سال در جهان ایجاد کرده است.
کولک کارش را در آزمایشگاه شرکت دوپان تا سن بازنشستگی به عنوان محقق ارشد تا سال ۱۹۸۶ ادامه داد. او به تنهایی و یا همراه با دیگر محققین اختراع در اداره ثبت اختراع امریکا ثبت کرده است.
از جمله روش ریسندگی که موجب تولید صنعتی الیاف آرامیده گردیده است. و ۵ ثبت اختراع در مورد نمونه‌سازی الیاف کولار از زمان ایجاد آن نیز از فعالیتهای خانم کولاک بوده است. کولاک همکاریش را با دوپان بصورت نیمه وقت و به عنوان مشاور ادامه داد.
با توجه به اینکه نامبرده همواره مورد احترام و توجه محققین جوان و بالاخص خانمها بوده است کولاک جوایز متعددی را دریاف کرده است از جمله جایزه کیل‌بای و مدال ملی تکنولوژی اخیرا بخاطر فعالیت نامبرده و پیشتازیش در اختراعات، استفانه کولاک افتخار دریافت جایزه مادام‌العمر Lemleson-MIT را بدست آورده است. که آن را در جشن کشف سانفرانسیسکو در ۲۲ آوریل ۱۹۹۹ دریافت کرد.
مراحل توسعه :
۱۹۶۰ نیاز
۱۹۶۵ کشف
۱۹۷۲-۱۹۶۵ تحقیق و توسعه
۱۹۷۲ تولید و توسعه صنعتی
۱۹۸۲ صنعتی شدن کامل

نیاز: اختراع نایلون و الیاف مشابه دیگر، منجربه توجه و تلاش بیشتر تحقیقاتی با هدف تهیه الیاف برتر لبر الیاف، گردید. در دهه ۱۹۶۰ شرکت دوپان این هدف را داشت: تهیه الیافی با مقاومت حرارتی آزبست و صلابت و سختی شیشه.
کارهای تجربی نشان دادند که را رسیدن به چنین الیافی از میان پلی‌آمیدهای آروماتیک چقرمه می‌گذرد چرا که این مود به علت عدم حلالیت فوق‌العاده و دوام دانشمندان را وسوسه می‌کردند.
کشف: کشف کولار در سال ۱۹۶۵ عملی شد. خانم Stephunie Kwolek محقق مرکز تحقیقاتی دوپان در ویلینگتون این کشف بزرگ را انجام داد.
او دریافت که پارا بنزوئیک اسید می‌تواند پلیمریزه شده و تحت شرایط ویژه‌ای حل و منتج به پلیمر سخت قابل رشته شده می‌گردد.
وقتی اولین محلول پلیمری ساخته شد چنین تصور می‌شد که نمی‌توان آن را به صورت الیاف در آورد. علت آن این بود که محلول بدست آمده شفاف نبود و نمی‌شود بوسیله حرارت یا صاف کردن آن را بی‌رنگ نمود. انتظار می‌رفت که این مواد بی‌اثر پخش شده در محلول باعث گرفتگی روزنه‌های رشته‌ساز شوند. خانم Kwolek با تردید مواد را اکسترود کرد و با کمال تعجب دریافت که مواد به خوبی از روزنه‌های رشته‌ساز عبور کردند و هیچ نوع گرفتگی رخ نداد. هم اکنون می‌دانیم که این عدم شفافیت به علت تشکیل بلور مایع پلیمری است که تا آن زمان شناخته شده نبود. منحنی تنش- کرنش اولین لیف آرامیدی تهیه شده، شگفت‌انگیز و غیرقابل باور بود بطوریکه برای اطمینان بیشتر، این تست چندین مرتبه تکرار شد و نتایج مشابهی حاصل شد.
رفتار مولکولهای سخت در حلال کاملا با رفتار مولکولهای نرم تفاوت دارد. مولکولهای نرم مانند نایلون در محلولهای رقیق به مقدار کمی درگیری و درهم رفتگی خواهند داشت. اما پلیمرهای بسیار سخت مانند آرامیدهای پارا، درگذر از محلول رقیق به غلیظ نمی‌توانند تشکیل مارپیچهای راندوم بدهند چون تحرکات آنها محدود شده است.
در یک غلظت بحرانی آنها دیگر نمی‌توانند بصورت راندوم در محلول قرار بگیرند در این مرحله در صورت قرار گرفتن مقادیر زیادتری از مولکولها در حلال اجبارا به صورت موازی نسبت به یکدیگر قرار می‌گیرند که در گویچه‌های بلور مایع و به صورت راندوم نظم یافته‌اند.
تحت نیروی برشی در عمل روزن رانی گویچه‌های بلور مایع در جهت تغییر شکل منظم می‌شوند در این امرمنجربه تشکیل زنجیرهای کاملا کشیده شده در الیاف حاصل و ایجاد مدول و مقاومت بالا می‌گردد.
تحقیق و توسعه: در این مرحله تحقیق و توسعه اصلی شروع گردید. هدف توسعه درک عمیق‌تری از تشکیل محلولهای بلور مایع و مشخص کردن سیستمهای پلیمری سخت و میله مانند کم هزینه‌تر بود. این تلاش منجربه انواع زیادی از پلیمرهای سخت گردید که پتانسیل تشکیل محلولهای قابل ریسندگی بلور مایع و الیاف محکم و چقرمه را دارا بودند.
بهترین گزینه انتخابی پلیمر حاصل از پارا- فنیلن دی‌آمین و ترفتالیک اسید با کد مشخصه PPD-T بود. لذا این پلیمر به عنوان پایه کولار قرار گرفت. این پلیمر دارای ویژگیهایی نظیر: ۱- ارزانی مواد ۲- بالاترین تقارن ۳- بالاترین چقرمگی را دارا بود.
برای بدست آوردن بهترین خواص، محلول رشته‌سازی می‌بایست اسید سولفوریک ۱۰۰% می‌باشد که در این صورت ویسکوزیته محلول آماده شده برای رشته‌سازی پلیمر زیاد خواهد بود لذا سرعت رشته‌سازی باید کم باشد تا خواص خوبی بدست آید و در این حالت فرایند تولید اقتصادی نخواهد بود.
این دومین قدم بود ولی مشکلاتی وجودداشت: فرایند تولید علی‌رغم ارزانی مواد عملا قابل انجام نبود. چرا که محلول ریسندگی غیر معمولی و بسیار خورنده بود. راندمان محصول بسیار کم و هزینه بسیار بالا بود. پروژه عملا روبه شکست بود اما این هم مثالی بود از حل یک مشکل در یک سیستم پیچیده شیمیایی با استفاده از مهارتهای مهندسی ،برنامه برای پیدا کردن حلال جایگزین حدود ۴۰ سال تلاش تکنیکی مصرف نمود.
-تولید و توسعه کامل صنعتی کولار
تا اینجا مراحل نیاز ، فاز اکتشاف وفرایند توسعه در مقیاس صنعتی توضیح داده شدند. چالش بزرگ بعدی معرفی پتانسیل بازار کولار بود. در واقع در بین این معرفی لازم بود که مرحله نهایی فرایند نوآوری و تولید تمام عیار صنعتی که نیاز به سرمایه گذاری کلان داشت توجیه پذیر شود.در این مرحله نیاز به توجیه وتضمین کافی بود که الیاف کولار در مقایسه با دیگر انواع الیاف نظیر نایلون؛ الیاف شیشه و کربن میتواند دارای برتری هایی باشد.
– روشهای دستیابی به کاربرد کولار
در ابتدای این تلاش روشن شد که الیاف کولار الیافی بی رقیب و ممتاز است که بصورت اتوماتیک در سیستمهای کاربرد عادی و معمولی قرار نمی گیرد ما در مهندسی یک سیستم مثلثی برای پیدا کردن موارد مصرف یک محصول داریم به این شکل که یک راس مثلث ساختار
شیمیایی به عنوان مثال ترکیب یک پلیمر ، یک راس دیگر ساختار فیزیکی به عنوان مثال کریستالیتی و نهایتا راس سوم نماینده خواص الیاف است مثل مقاومت کششی و غیره. برخورد بین این سه گوش فرایند مهندسی را تشکیل می دهند.
برای درک بهتر این سیستم یک مثال می‌زنیم:
مصرف کولار در طنابها و کابلها
عامل اصلی استفاده از کولار در تهیه طنابها و کابلها مقاومت زیاد آنها در واحد وزن، کشسانی کم و خزش کم آنها می‌باشد. مثلا در هوا و خشکی مقاومت آنها ۷ برابر فولاد و در دریا مقاومت مخصوص آنها ۲۰ برابر فولاد می‌باشد. در طولهای زیاد که وزن سیمهای فولادی مشکل آفرین می شوند. کولار نقش موثرتری ایفا می‌کند.
در شکل زیر منحنی انعطاف تنش کرنش مواد پیشرفته مورد بررسی قرار گرفته است.
مثال بعدی استفاده از کولار در هواپیماهای کامپوزیتی است. مواد اولیه مورد استفاده، کولار، الیاف کربن و رزین اپوکسی است. انگیزه بکارگیری مقاومت زیاد کششی و چقرمگی آنها است. تکنولوژی مورد استفاده شامل ترکیبی از
کولار و الیاف کربن و رزین اپوکسی است تا بهترین حالت تعادل خواص
مکانیکی و تولرانس صدماتی (Damage tolerance) بدست آید. ساختار قطعات هواپیما نه تنها به خواص خوب و کامل مکانیکی نیاز دارد بلکه به تولرانس صدماتی نیز نیازمند است. یعنی توان تحمل تولرانس کاربردی و فشارهای خمشی Catastrophic را داشته باشد. الیاف کربن اما دارای چقرمگی زیاد و مقاومت فشاری زیاد هستند. بهرحال بخاطر ساختار حلقه‌ای زنجیری صفحه مانند آن الیاف کربن شکننده خواهند بود. در این صورت قادر نخواهند بود که Catastrophic impact را تحمل کنند.
کولار از طرف دیگر ساختاری دارد که به علت Ductile compressive failure باعث تولرانس تخریبی خوب آن می‌شود.
این موضوع به علت buckling فشاری زنجیره‌ای PPD-T اتفاق می‌افتد در واقع این bucking انتقالی خواهد بود از شکل ترانس به شکل سیس. نتیجه این تغییر فرم تحمل استرس وارده بدون شکست پیوندی خواهد بود. این تغییر فرم و بهم ریختگی فرمولی بسیار شبیه آکاردئون در اثر خمش می‌باشد.
کامپوزیتهای هیبریدی از کولار و الیاف کربن در هواپیماهای تجاری بوئینگ ۷۶۷-۷۷۷ یا ایرباس ۳۴۰A-380A و نیز در ساختار هلی‌کوپترها و سایروسایل پرنده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
از دیگر زمینه‌های کاربرد این مواد که در حال توسعه می‌باشد و بصورت رشته
پیچی مورد استفاده قرار می‌گیرد به عنوان مثال می‌توان به استفاده از آنها در پوسته موشهای تریدنت trident و ظروف تحت فشار اشاره کرد.
جالب است بدانید که در نیمه دهه هفتاد کولار در ۵۰ کاربرد استفاده می شد ولی امروزه متجاوز از ۲۰۰ کاربرد برای آن پیدا شده است.
ابتدا در ریچموند یک پلنت mmlb45 ساخته شد. سپس در سال ۱۹۸۸ دومین پلنت در ایرلند شمالی شروع بکارکرد سومی در ژاپن و … رشد کولار کماکان ادامه دارد.
این داستان تلاشی خستگی ناپذیر از زنان و مردانی بود که ثابت کردند در تحقیق و پژوهش صبر و استقامت حرف اول را می زند و شروع کننده این تلاش نیز در زمره زنان بزرگ دنیای علم قرار گرفت.
این مطلب به خانم کولک تقدیم می شود.
با تشکر از همکاریهای صمیمانه پدرم.
پایان
مراجع و منابع
۱- داستان کولار، مثالی از تحقیق و نوآوری، دکتر مهدی باریکانی، مرکز تحقیقات پلیمر ایران- ۱۳۷۳٫
۲- تهیه الیاف کولار « گزارش پروژه»، دکتر مهدی باریکانی، مژگان میرزاطاهری ۱۳۷۵٫
۳- H. H. yang- Kevlar Aramid Fiber- John Wiley & Sons- 1993.
۴- Kwolek S. L, US Patent Re-issue 30, 352 (to Du Pont 1980).
۵- سایتهای مختلف اینترنتی

ادامه مطلب