الیاف بشر ساخته

[Astraea 25,351]

در قرن هفدهم دانشمندی به نام رابرت هوک ( Robert Hooke ) با مطالعات و تحقیقات خود بر روی کرم ابریشم دریافت که اگر بتواند مایعی را از سوراخ های بسیار ریز عبور دهد و بعد از خارج شدن از سوراخ ها آن را منعقد کند، خواهد توانست مانند کرم ابریشم الیاف مداوم یا فیلامنت تولید کند. در قرن نوزدهم یک بافنده به نام لویز شواب توانست الیاف بسیار ریز و ظریف شیشه را از طریق عبور شیشه مذاب از منافذ کوچکی و سپس سرد کردن آن ها در هوا تهیه کند. پس از چندی سایر دانشمندان توانستند سلولز چوب را استخراج و در حلال مناسبی حل کنند و سپس از منافذ بسیار ریز عبور داده و الیاف ساخت دست بشر بر پایه مواد موجود در طبیعت تهیه کنند. در همین دهه دانشمندان آلمانی در تهیه مواد شیمیایی و مصنوعی و حلال های آن ها پیشرفت های چشمگیری کردند و با عبور دادن محلول پلیمر مواد مصنوعی از منافذ ریز موفق به تولید الیاف مصنوعی شدند. در سال 1936 الیاف مصنوعی همچون پلی استرها، نایلون ها و سایر مواد مصنوعی در مقیاس تجاری به بازار عرضه شد و بعد از جنگ جهانی دوم انواع الیاف مصنوعی به مصرف رسید.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[Astraea 25,351]

قبل از بررسی انواع الیاف مصنوعی تهیه شده بهتر است شرح مختصری از روش تولید این الیاف که درمورد آنها کلّیت دارد بیان شود.

انواع روش های تولید الیاف مصنوعی قبل از کارخانه ریسندگی به چهار صورت است :

1- تر ریسی (wet spinning)

2- خشک ریسی (dry spinning)

3- ذوب ریسی (melt spinning)

4- ژل ریسی ( Jel spinning) این روش تازه بوده و عومّیت ندارد.

ماده تشکیل دهنده الیاف به صورت مایعی است که می‌تواند انحلال یک ماده جامد در حلال یا مذاب یک پلیمر باشد که از سوراخ های یک رشته ساز که مشابه دوش حمام است با فشار ثابت عبور داده می‌شود. پس از خروج رشته های بسیار ریز الیاف از سوراخ ها مرحله انعقاد است که الیاف به حالت جامد در می آیند. این مرحله اساس کار روش های فوق را تشکیل می دهد.

در خشک ریسی و تر ریسی ماده جامدی در حلال حل شده که یا توسط دمش هوای گرم تبخیر می‌شود یا در آب از ماده اصلی جدا می‌شود که در صورت استفاده از ماده تبخیر شدنی از خشک ریسی و در صورت سنگین بودن حلال از روش های تر ریسی استفاده می‌کنیم.

الف) تر ریسی

مایع مخلوط حلال غیر قابل تبخیر و ماده اصلی الیاف از یک پمپ و یک هم زن عبور می‌کند سپس وارد رشته ساز شده و پس از عبور از استخر انعقاد با غلطک پیچیده می‌شود.

ب) خشک ریسی

در این روش محلول الیاف از پمپ و رشته ساز عبور کرده و از تونل هوای گرم رد می‌شود و حلال آن تبخیر شده و الیاف باقی می ماند. به علت دشواری این روش اغلب قیمت بیشتری دارد.

ج) ذوب ریسی

این روش مربوط به الیافی است که تا یک درجه حرارتی مذاب شده و در صورت خنک شدن به حالت اولیه باز می‌گردند. الیافی همچون نایلون و پلی‌استر از این دسته الیاف هستند که به آنها گرما نرم یا ترموپلاستیک می گویند. روش کار مطابق شکل زیر است و هوای خنک الیاف مذاب عبور کرده از رشته ساز را جامد و به حالت اول ولی رشته رشته در می آورد.

[Astraea 25,351]

الیافی که بدست بشر ساخته می‌شود همان طور که ذکر شد دو دسته اند. یکی آن هایی که ماده اصلی در طبیعت

هست ولی به شکل الیاف نیست و بشر با یکی از روش هایی که در بالا ذکر شد آن ها را به صورت الیاف در می‌آورد. دسته دیگر کلاً مصنوعی اند یعنی ماده اولیه نیز در آزمایشگاه با فرایندهای شیمیایی تولید شده و باز مطابق یکی از روش های فوق به صورت الیاف در می آیند.

الیاف دسته اول را بازیافتی یا رژنره می گویند. ویسکوز، استات، کوپر آمونیوم، کازئین و ... از این دسته اند.

[Astraea 25,351]

الیاف بازیافتی به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1- آن هایی که ماده اولیه آن ها مثل پنبه سلولز است.

2- آن هایی که ماده اولیه شان مثل پشم پروتئین است.

3- آن هایی که ماده اولیه شان مثل شیشه معدنی است.

[Astraea 25,351]

شامل ویسکوز، استات، کوپر آمونیوم، پلی نوزیک است.

تهیه الیاف ویسکوز توسط دو شیمیدان که مطالعات دقیقی روی ساختمان سلولز موجود در گیاهان داشتند در سال 1891 کشف و در سال 1892 به ثبت رسید. ولی به علت استحکام کم این الیاف مدت ها طول کشید به صورت تجاری به بازار عرضه شود. کلیه محصولات طبیعی که دارای سلولزکافی باشند برای تهیه این الیاف مناسب است. غالباً از الوار درختان، تفاله نیشکر، کاه برنج و گندم استفاده می‌شود و این مواد طی مراحل مختلفی به صورت خمیر خاصی که درصد ناخالصی آن بسیار کم است در می آیند و پس از عبور از رشته ساز و استخر انعقاد به صورت الیاف در می آیند. در نتیجه روش تولید الیاف ویسکوز تر ریسی است زیرا حلالی که برای ایجاد خمیر الیاف به کار می رود قابل تبخیر نیست.

خواص فیزیکی الیاف ویسکوز

گرچه ویسکوز از نظر مولکول های شیمیایی بسیار شبیه پنبه است و گاهی از پنبه های نا مرغوب تهیه می‌شود ولی

سطح ظاهری آن مانند پنبه پیچ و تاب ندارد و سطح مقطع آن چند وجهی است و دندانه دار به نظر می رسد.

کلیه الیاف بشر ساخته می‌توانند در قطرها و طول های دلخواه تهیه شوند و این تفاوت عمده این الیاف با الیاف طبیعی است که اغلب در یک قطر و طول ثابت هستند.

استحکام این الیاف با تحقیقات صورت گرفته بهبود یافته و بر خلاف پنبه با جذب رطوبت استحکامش کاهش می‌یابد و علت آن نیز وجود مناطق آمورف بیشتر نسبت به پنبه است و البته این خاصیت میزان جذب رطوبت و رنگپذیری بیشتری را ممکن ساخته است. درحالت استاندارد % 12 جذب رطوبت دارد درحالی‌که پنبه % 8 جذب رطوبت دارد. خاصیت ارتجاعی ویسکوز از پنبه نیز کمتر است و در نتیجه چروک پذیری بالایی دارد. به علت صاف بودن سطح الیاف ویسکوز از پنبه درخشنده تر است ولی در آب جوش این درخشندگی را از دست می دهد. الیاف ویسکوز در برابر نور آفتاب به مدت طولانی تغییر رنگ داده و تا 150 درجه سانتیگراد حرارت مقاومت می‌کند.

 

خواص شیمیایی الیاف ویسکوز

همانند پنبه اسیدها ویسکوز را تخریب می‌کنند ولی مقاومت ویسکوز در برابر قلیا و سود بسیار خوب است. از آنجایی که الیافی که با روش های مصنوعی تولید می‌شوند فر و موج و چین ندارند و البته باید تا حدودی مشابه الیاف طبیعی باشند اغلب این الیاف را به روش های مختلف مشابه الیاف طبیعی چین دار می‌کنند. ویسکوز نیز به روش های شیمیایی یا مکانیکی چین زده می‌شود. به علت استحکام کم الیاف ویسکوز اغلب برای ملحفه، رومیزی، لباس زنانه، پیراهن مردانه، زیر پوش و لباس ورزشی استفاده می‌شود.در واقع کلیه الیاف بازیافتی که از سلولز تهیه می شوند را ریون می نامند و ویسکوز همان ویسکوز ریون است که در بازار موجود می باشد.

[Astraea 25,351]

الیاف بازیافتی پروتئینی

ماده اصلی این الیاف پروتئین است که ممکن است حیوانی یا گیاهی باشد. همانند کازئین که تحت نام الیاف مدینوا در ایتالیا از شیر تهیه می‌شود. الیاف فیبرولان انگلستان که از بادام گرفته می‌شود و الیاف ویکارا که از دانه ذرت در امریکا تهیه می‌شود. از آنجایی که این الیاف کاربرد چندانی ندارد توضیح بیشتری لازم نیست.البته ذکر این نکته جالب است که کازئین از پشم ارزان تر است و اغلب به صورت مخلوط یا خالص برای فرش ماشینی یا لباس های کشباف به کار می رود.

[Astraea 25,351]

الیاف بازیافتی معدنی

مصرف این نوع الیاف در صنعت نساجی محدود است و آسبست (asbestes) که در اصلاح عامیانه ، پنبه کوهی یا پنبه نسوز نامیده می شود، نمونه ای از این الیاف است . این الیاف مصارف صنعتی دارد و در پارچه های ضد حریق نیز به کار می روند

 

الف) الیاف شیشه

در سالهای جنگ جهانی اول آلمان ها به علت کمبود پنبه نسوز درصدد برآمدند تا الیاف شیشه را ساخته وجایگزین نمایند .آنها پس ازمطالعات زیاد توانستند با دستگاههای ساده وابتدایی مقدار کمی شیشه تولید نمایند وپس ازسالها مطالعه وپیشرفت ماشین آ‌لات دو شرکت توانستند الیاف شیشه را به مقدار زیاد تولید کنند .

الیاف شیشه به علت ویژگی های خاص درصنایع دیگر بیشتر از نساجی کاربرد دارد .الیاف شیشه از سنگ معدن سیلیکات ، سنگ آهنگ و بوراکس وکربنات سدیم درکوره تهیه می شود .درمقابل موادشیمیایی مقاوم است ولی قلیاهای گرم وغلیظ آن را متلاشی می کنند . علی رغم مقاومت زیاد، دربرابرسایش مقاوم نیستند وجذب رطوبت نیز ندارند قابلیت کشش نیز ندارند وبیشتر در درپارچه های آباژور، رومیزی ولباس های ضد آتش کاربرد نساجی دارند . همچنین دربدنه هواپیماها واتومبیل به علت مقاومت زیاد دربرابر ضربه به کار می روند .ازآنجایی که جریان الکتریسته را عبور داده وحرارت را عبور نمی دهند برای عایق بندی ساختمان ها ولوله ها به عنوان پشم شیشه به کار می روند .

 

ب) الیاف فلزی

شاید بتوان گفت الیاف فلزی طلا ونقره اولین الیاف ساخت دست بشر بوده است .درقدیم برای تهیه پارچه های تزئینی زردبفت مورد استفاده قرار می گرفتند .انواع الیاف فلزی از قبیل طلا، نقره ،آ‌لومینیوم ،مس و... امروزه تولید می شوند .

[Astraea 25,351]

خواص فیزیكی

چگالی الیاف شیشه در هر دو حالت فرم یافته و یا توده آنیل شده اندازه گیری میشود.

ASTM C 693 یكی از روشهای آزمایش برای تعیین چگالی میباشد. در دمای اتاق چگالی یك رشته از الیاف شیشه تقریباً gr/cc 04/0 از چگالی توده آنیل شده كمتر است. چگالی الیاف شیشه كه در طیف كامپوزیت استفاده می گردند تقریبا بین gr/cc 11/2 برای D-Glass تا gr/cc 7/2 برای ECR-Glass تقویت شده میباشد.

مقاومت كششی الیاف شیشه معمولاً به صورت یك رشته از الیاف و یا یك دسته رشته در دمای اتاق اندازه گیری میشود. استحكام قابل انتظار برای یك دسته معمولاً 20% تا 30% پایین تر از مقادیر گزارش شده است كه این به علت اشكالات موجود در كوره در حین شكل دهی دسته ها میباشد. رطوبت اثر زیان آوری بر مقاومت طبیعی شیشه دارد. اندازه گیری مقاومت طبیعی یك رشته در نیتروژن مایع با كاهش نفوذ رطوبت بهترین دلیل برای این موضوع است. نتایج نشان می دهد در رطوبت نسبی 50% در دمای اتاق مقاومت بین50% تا 100% افزایش می یابد. استحكام حداكثر S-2 Glass در دمای نیتروژن مایع GPa 6/11 برای یك رشته به طول mm 7/12 و قطر mm 10 میباشد. كاهش استحكام شیشه در معرض رطوبت تحت بار خارجی به عنوان خستگی استاتیك شناخته میشود. استحكام طبیعی الیاف شیشه هنگامی كه در برابر افزایش دما قرار می گیرد، كاهش می یابد. E-Glass و S-2Glass در دمای C °538 (F °1000) تقریباً 50% از استحكام طبیعی خود در دمای اتاق را حفظ می كنند.

مدول الاستیسیته یانگ برای الیاف شیشه سیلیكاتی حدودا بین 52 تا 87 گیگاپاسكال میباشد. برای الیاف آنیل نشده مدول یانگ به تدریج افزایش می یابد. در الیاف E-Glass آنیل شده كه ساختار اتمی آن فشرده تر شده است مدول یانگ از GPa 72 به GPa 7/84 افزایش می یابد. برای بیشتر شیشه های سیلیكاتی ضریب پواسان بین 26/0- 15/0 قرار می گیرد.

ضریب پواسون برای E-Glass برابر 02/0 ± 22/0 میباشد و با افزایش دما تا C ° 510 تغییری در آن مشاهده نشده است. الیاف شیشه مقاوم S-2 Glass كه آنیل شده اند در دمای C °20 دارای خواص اندازه گیری شده زیر میباشند:

مدول یانگ GPa 8/93

مدول برشی GPa 1/38

ضریب پواسون 23/0

دانسیته توده انباشته gr/cc 488/2

2-3- مقاومت شیمیایی

مقاومت شیمیایی الیاف شیشه در برابر خوردگی و شستشو به وسیله اسیدها، بازها و آب بر حسب درصد كاهش وزن بیان میشود. هرچه این مقدار كوچكتر باشد مقاومت شیشه در برابر خوردگی و حلالیت بیشتر است. در مراحل آزمایش یك وزن معین از الیاف شیشه به قطر 10 میكرون كه آهارزنی نشده است در حجم مشخصی از یك حال خورنده در دمای 96 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. الیاف در حلال قرار گرفته و پس از زمان معینی از آن خارج شده و پس از شستشو خشك شده و وزن میشوند تا كاهش وزن بدست آید. نتایج در دو حالت 24 ساعت (1 شبانه روز) یا 168 ساعت (1 هفته)قرار گرفتن در حلال، گزارش میشود. مقاومت شیمیایی الیاف شیشه به تركیبات الیاف، نوع حلال خورنده و زمان قرارگرفتن در حلال بستگی دارد.

قابل ذكر است كه خوردگی شیشه در محیط های اسیدی یك فرآیند پیچیده است كه در آغاز سرعت خوردگی زیاد است. (كاهش وزن در 1 روز و 1 هفته نزدیك یكدیگر است) در زمان طولانی تر یك مانع مؤثر در خوردگی شیشه ها این است كه در سطح الیاف فقط مواد خالص باقی می ماند و سرعت خوردگی مواد ناخالص در لایه خالص پایین می آید. در ادامه سرعت خوردگی به نزدیك صفر می رسد به طوری كه تركیبات غیرسیلیسی از بین می روند.

برای یك تركیب مشخص از شیشه سرعت خوردگی به غلظت اسید، دما، قطر الیاف و نسبت حجم حلال به جرم شیشه بستگی دارد. در محیط های قلیایی به علت اثرات قلیایی شبكه و همچنین ته نشین شدن اكسیدهای فلزی اندازه گیری كاهش وزن معقول تر میباشد. مقاومت كششی شاخص بهتری برای خواص الیاف شیشه ته نشین بعد از 24 ساعت قرار گرفتن در حلال در دمای C ° 96 میباشد.

منبع: موسسه كامپوزیت ایران/نشریه كامپوزیت