مقاله الیاف کولار

[*mishi* 11,920]

کولار(پلی-پارافنیلن ترفتالامید)PPD-T

در اين نوشتار برآنيم كه به معرفي، تاريخچه با نحوه اكتشاف، فرايند پليمريزاسيون، نحوه تهيه الياف و كاربردهاي پليمر بپردازيم كه در دنيا با نام تجاري كولار شناخته شده است. باشد كه مورد استفاده دوستان قرار بگيرد.

كولار چيست؟ كولار نام تجاري الياف آراميد بر پايه پلي‌(پارافنيلن- ترفتال آميد) (PPD-T) از اولين الياف با مقاومت بالا و مدول بالاست كه به صورت صنعتي و تجاري توليد شده است. داستان كولار شالي است از يك تلاش گسترده تحقيقاتي و يك فرايند نوآوري و نموداري است از چگونگي يك كشف آزمايشگاهي و انتقال اين كشف به توليد صنعتي پس از 22 سال تلاش مداوم و پيگير، اولين قدم براي كشف كولار در اوايل دهه 1960 ميلادي و براساس يك نياز توسط شركت دوپان برداشته شد. پيگيري مطلب منجربه يك كشف مهم علمي در سال 1965 گرديد.قبل از هرچِِيز خلاصه ای اززندگینامه خانم کولک را با هم مرور میکنيم:

استفان ال كولك

 

با اتكا به تجربه و هوش استفان كولك يكي از مواد پر كاربرد دنياي جديد بنام كولار را اختراع كرد او در نيوكنزينگتون اليافت پنسيلوانيا در سال 1923 متولد شد. در كودكي به علوم و پزشكي علاقمند بود. در كالج زنان كه هم اكنون به نام دانشگاه كارنگي ملون شناخته مي شود و در نزديكي پيتبورگ قرار دارد درس خواند و در سال 1946 كارشناسي خود را در رشته شيمي از آن كالج دريافت كرد. سپس به دليل نداشتن پول كافي براي ادامه تحصيل در دانشكده پزشكي، در آزمايشگاه الياف پارچه شركت دوپان در بوفالو ايالت نيويورك به عنوان محقق شروع بكار كرد.

كولك با جديد بسيار بالايي كار مي‌كرد چون به كار كردن عشق مي‌ورزيد و از طرفي نمي‌خواست موقعيت شغلي‌اش را در آزمايشگاه از دست بدهد. پس از پايان جنگ جهاني دوم او به آزمايشگاه تحقيقاتي پيشرفته شركت دوپان در ويلمينگتون ايالت دولاور منتقل شد اين آزمايشگاه در سال 1950 تاسيس شده بود. در اينجا با حمايت دوبيليو هال چارچ اولين رئيس آزمايشگاه كولك به موفقيتهايي در زمينه پليمرهاي جديد دست يافت. تخصص كولك در فرايندهاي دماي پايين براي پليمرهاي تراكمي بود يعني توليد زنجيرهاي بلند مولكولي در دماي پايين كه موج تهيه و توليد الياف سنتزي پايه نفتي مي‌گردد و سختي و مقاومت قابل توجهي دارد در دهه 1960 او شاخه جديدي از پيليمرهاي بلور مايع سنتزي را كشف كرد و اولين مونومر خالص مورد نياز در سنتز پلي بنزآميد را تهيه نمود.

اما كولك همچنين در مواد واسط مورد نياز در فرايند سنتز كه منجربه تهيه مواد فوق‌العاده حساس به رطوبت و حرارت كه به آساني هيدروليز خود پليمريزه مي‌شود علاقمند بود. بنابراين او حلال قابل قبول براي انجام واكنشهاي دماي پايين را براي مواد واسط كشف كرد. نتيجه پليمرهاي آراميد بود كه بيشتر محققين آن را بدليل مايع بودن و تيره بودن پذيرا نشدندو كولك به هوشمندانه محلول حاصل را ريسندگي كرد نتيجه الياف سنتزي شد كه بسيار محكم‌تر از الياف توليد شده قبلي بود.

شركت دوپان آزمايشگاه پيشتاز خود را در جهت صنعتي كردن كشف كولك و تبديل پليمر بلوري به محصول صنعتي تجهيز نمود. نتيجه كار توليد محصولي به نام كولار شد كه اولين بار در سال 1971 وارد بازار گرديد. الياف كولار 5 برابر محكم‌تر از فولاد بوده و دانسيته آنها نصف دانسيته الياف شيشه مي‌باشد. هم اكنون كولار براي عموم مردم الياف شناخته شده‌اي است چون جليقه‌هاي ضد گلوله را از آن تهيه مي‌كنند و تنها در اين كاربرد خاص كشف كولك جان هزاران نفر را نجات داده است. در واقع كولار كاربردهاي گسترده‌ و متنوعي دارد مانند تايرهاي راديال، لنتهاي ترمز كه در آنها جايگزين آلياف آزبست شده است، قايق‌هاي مسابقه، كابلهاي نوري، پوسته‌هاي سفينه‌هاي هوايي و دريايي، كابلهاي نگهدارنده پلهاي معلق هم اكنون از آن در تهيه تخته‌هاي اسكي و كلاه‌هاي ايمني نيز استفاده مي‌شود. در اقتصاد، كولار بازاري به وسعت صدها ميليون دلار در سال در جهان ايجاد كرده است.

كولك كارش را در آزمايشگاه شركت دوپان تا سن بازنشستگي به عنوان محقق ارشد تا سال 1986 ادامه داد. او به تنهايي و يا همراه با ديگر محققين اختراع در اداره ثبت اختراع امريكا ثبت كرده است.

از جمله روش ريسندگي كه موجب توليد صنعتي الياف آراميده گرديده است. و 5 ثبت اختراع در مورد نمونه‌سازي الياف كولار از زمان ايجاد آن نيز از فعاليتهاي خانم كولاك بوده است. كولاك همكاريش را با دوپان بصورت نيمه وقت و به عنوان مشاور ادامه داد.

با توجه به اينكه نامبرده همواره مورد احترام و توجه محققين جوان و بالاخص خانمها بوده است كولاك جوايز متعددي را درياف كرده است از جمله جايزه كيل‌باي و مدال ملي تكنولوژي اخيرا بخاطر فعاليت نامبرده و پيشتازيش در اختراعات، استفانه كولاك افتخار دريافت جايزه مادام‌العمر Lemleson-MIT را بدست آورده است. كه آن را در جشن كشف سانفرانسيسكو در 22 آوريل 1999 دريافت كرد.

مراحل توسعه :

1960 نياز

1965 كشف

1972-1965 تحقيق و توسعه

1972 توليد و توسعه صنعتي

1982 صنعتي شدن كامل

شكل 1

نياز: اختراع نايلون و الياف مشابه ديگر، منجربه توجه و تلاش بيشتر تحقيقاتي با هدف تهيه الياف برتر لبر الياف، گرديد. در دهه 1960 شركت دوپان اين هدف را داشت: تهيه اليافي با مقاومت حرارتي آزبست و صلابت و سختي شيشه.

كارهاي تجربي نشان دادند كه را رسيدن به چنين اليافي از ميان پلي‌آميدهاي آروماتيك چقرمه مي‌گذرد چرا كه اين مود به علت عدم حلاليت فوق‌العاده و دوام دانشمندان را وسوسه مي‌كردند.

كشف: كشف كولار در سال 1965 عملي شد. خانم Stephunie Kwolek محقق مركز تحقيقاتي دوپان در ويلينگتون اين كشف بزرگ را انجام داد.

او دريافت كه پارا بنزوئيك اسيد مي‌تواند پليمريزه شده و تحت شرايط ويژه‌اي حل و منتج به پليمر سخت قابل رشته شده مي‌گردد.

وقتي اولين محلول پليمري ساخته شد چنين تصور مي‌شد كه نمي‌توان آن را به صورت الياف در آورد. علت آن اين بود كه محلول بدست آمده شفاف نبود و نمي‌شود بوسيله حرارت يا صاف كردن آن را بي‌رنگ نمود. انتظار مي‌رفت كه اين مواد بي‌اثر پخش شده در محلول باعث گرفتگي روزنه‌هاي رشته‌ساز شوند. خانم Kwolek با ترديد مواد را اكسترود كرد و با كمال تعجب دريافت كه مواد به خوبي از روزنه‌هاي رشته‌ساز عبور كردند و هيچ نوع گرفتگي رخ نداد. هم اكنون مي‌دانيم كه اين عدم شفافيت به علت تشكيل بلور مايع پليمري است كه تا آن زمان شناخته شده نبود. منحني تنش- كرنش اولين ليف آراميدي تهيه شده، شگفت‌انگيز و غيرقابل باور بود بطوريكه براي اطمينان بيشتر، اين تست چندين مرتبه تكرار شد و نتايج مشابهي حاصل شد.

رفتار مولكولهاي سخت در حلال كاملا با رفتار مولكولهاي نرم تفاوت دارد. مولكولهاي نرم مانند نايلون در محلولهاي رقيق به مقدار كمي درگيري و درهم رفتگي خواهند داشت. اما پليمرهاي بسيار سخت مانند آراميدهاي پارا، درگذر از محلول رقيق به غليظ نمي‌توانند تشكيل مارپيچهاي راندوم بدهند چون تحركات آنها محدود شده است.

در يك غلظت بحراني آنها ديگر نمي‌توانند بصورت راندوم در محلول قرار بگيرند در اين مرحله در صورت قرار گرفتن مقادير زيادتري از مولكولها در حلال اجبارا به صورت موازي نسبت به يكديگر قرار مي‌گيرند كه در گويچه‌هاي بلور مايع و به صورت راندوم نظم يافته‌اند.

تحت نيروي برشي در عمل روزن راني گويچه‌هاي بلور مايع در جهت تغيير شكل منظم مي‌شوند در اين امرمنجربه تشكيل زنجيرهاي كاملا كشيده شده در الياف حاصل و ايجاد مدول و مقاومت بالا مي‌گردد.

تحقيق و توسعه: در اين مرحله تحقيق و توسعه اصلي شروع گرديد. هدف توسعه درك عميق‌تري از تشكيل محلولهاي بلور مايع و مشخص كردن سيستمهاي پليمري سخت و ميله مانند كم هزينه‌تر بود. اين تلاش منجربه انواع زيادي از پليمرهاي سخت گرديد كه پتانسيل تشكيل محلولهاي قابل ريسندگي بلور مايع و الياف محكم و چقرمه را دارا بودند.

بهترين گزينه انتخابي پليمر حاصل از پارا- فنيلن دي‌آمين و ترفتاليك اسيد با كد مشخصه PPD-T بود. لذا اين پليمر به عنوان پايه كولار قرار گرفت. اين پليمر داراي ويژگيهايي نظير: 1- ارزاني مواد 2- بالاترين تقارن 3- بالاترين چقرمگي را دارا بود.

براي بدست آوردن بهترين خواص، محلول رشته‌سازي مي‌بايست اسيد سولفوريك 100% مي‌باشد كه در اين صورت ويسكوزيته محلول آماده شده براي رشته‌سازي پليمر زياد خواهد بود لذا سرعت رشته‌سازي بايد كم باشد تا خواص خوبي بدست آيد و در اين حالت فرايند توليد اقتصادي نخواهد بود.

اين دومين قدم بود ولي مشكلاتي وجودداشت: فرايند توليد علي‌رغم ارزاني مواد عملا قابل انجام نبود. چرا كه محلول ريسندگي غير معمولي و بسيار خورنده بود. راندمان محصول بسيار كم و هزينه بسيار بالا بود. پروژه عملا روبه شكست بود اما .......

[*mishi* 11,920]

..........اين هم مثالي بود از حل يك مشكل در يك سيستم پيچيده شيميايي با استفاده از مهارتهاي مهندسي ،برنامه براي پيدا كردن حلال جايگزين حدود 40 سال تلاش تكنيكي مصرف نمود.

-توليد و توسعه كامل صنعتي كولار

تا اينجا مراحل نياز ، فاز اكتشاف وفرايند توسعه در مقياس صنعتي توضيح داده شدند. چالش بزرگ بعدي معرفي پتانسيل بازار كولار بود. در واقع در بين اين معرفي لازم بود كه مرحله نهايي فرايند نوآوري و توليد تمام عيار صنعتي كه نياز به سرمايه گذاري كلان داشت توجيه پذير شود.در اين مرحله نياز به توجيه وتضمين كافي بود كه الياف كولار در مقايسه با ديگر انواع الياف نظير نايلون؛ الياف شيشه و كربن ميتواند داراي برتري هايي باشد.

- روشهاي دستيابي به كاربرد كولار

در ابتداي اين تلاش روشن شد كه الياف كولار اليافي بي رقيب و ممتاز است كه بصورت اتوماتيك در سيستمهاي كاربرد عادي و معمولي قرار نمي گيرد ما در مهندسي يك سيستم مثلثي براي پيدا كردن موارد مصرف يك محصول داريم به اين شكل كه يك راس مثلث ساختار

شيميايي به عنوان مثال تركيب يك پليمر ، يك راس ديگر ساختار فيزيكي به عنوان مثال كريستاليتي و نهايتا راس سوم نماينده خواص الياف است مثل مقاومت كششي و غيره. برخورد بين اين سه گوش فرايند مهندسي را تشكيل مي دهند.

براي درك بهتر اين سيستم يك مثال مي‌زنيم:

مصرف كولار در طنابها و كابلها

عامل اصلي استفاده از كولار در تهيه طنابها و كابلها مقاومت زياد آنها در واحد وزن، كشساني كم و خزش كم آنها مي‌باشد. مثلا در هوا و خشكي مقاومت آنها 7 برابر فولاد و در دريا مقاومت مخصوص آنها 20 برابر فولاد مي‌باشد. در طولهاي زياد كه وزن سيمهاي فولادي مشكل آفرين مي شوند. كولار نقش موثرتري ايفا مي‌كند.

در شكل زير منحني انعطاف تنش كرنش مواد پيشرفته مورد بررسي قرار گرفته است.

مثال بعدي استفاده از كولار در هواپيماهاي كامپوزيتي است. مواد اوليه مورد استفاده، كولار، الياف كربن و رزين اپوكسي است. انگيزه بكارگيري مقاومت زياد كششي و چقرمگي آنها است. تكنولوژي مورد استفاده شامل تركيبي از

كولار و الياف كربن و رزين اپوكسي است تا بهترين حالت تعادل خواص

مكانيكي و تولرانس صدماتي (Damage tolerance) بدست آيد. ساختار قطعات هواپيما نه تنها به خواص خوب و كامل مكانيكي نياز دارد بلكه به تولرانس صدماتي نيز نيازمند است. يعني توان تحمل تولرانس كاربردي و فشارهاي خمشي Catastrophic را داشته باشد. الياف كربن اما داراي چقرمگي زياد و مقاومت فشاري زياد هستند. بهرحال بخاطر ساختار حلقه‌اي زنجيري صفحه مانند آن الياف كربن شكننده خواهند بود. در اين صورت قادر نخواهند بود كه Catastrophic impact را تحمل كنند.

كولار از طرف ديگر ساختاري دارد كه به علت Ductile compressive failure باعث تولرانس تخريبي خوب آن مي‌شود.

اين موضوع به علت buckling فشاري زنجيره‌اي PPD-T اتفاق مي‌افتد در واقع اين bucking انتقالي خواهد بود از شكل ترانس به شكل سيس. نتيجه اين تغيير فرم تحمل استرس وارده بدون شكست پيوندي خواهد بود. اين تغيير فرم و بهم ريختگي فرمولي بسيار شبيه آكاردئون در اثر خمش مي‌باشد.

كامپوزيتهاي هيبريدي از كولار و الياف كربن در هواپيماهاي تجاري بوئينگ 767-777 يا ايرباس 340A-380A و نيز در ساختار هلي‌كوپترها و ساير

وسايل پرنده مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

 

از ديگر زمينه‌هاي كاربرد اين مواد كه در حال توسعه مي‌باشد و بصورت رشته

پيچي مورد استفاده قرار مي‌گيرد به عنوان مثال مي‌توان به استفاده از آنها در پوسته موشهاي تريدنت trident و ظروف تحت فشار اشاره كرد.

جالب است بدانيد كه در نيمه دهه هفتاد كولار در 50 كاربرد استفاده مي شد ولي امروزه متجاوز از 200 كاربرد براي آن پيدا شده است.

ابتدا در ريچموند يك پلنت mmlb45 ساخته شد. سپس در سال 1988 دومين پلنت در ايرلند شمالي شروع بكاركرد سومي در ژاپن و ... رشد كولار كماكان ادامه دارد.

اين داستان تلاشي خستگي ناپذير از زنان و مرداني بود كه ثابت كردند در تحقيق و پژوهش صبر و استقامت حرف اول را مي زند و شروع كننده اين تلاش نيز در زمره زنان بزرگ دنياي علم قرار گرفت.

اين مطلب به خانم كولك تقديم مي شود.

با تشكر از همكاريهاي صميمانه پدرم.

پايان

مراجع و منابع

1- داستان كولار، مثالي از تحقيق و نوآوري، دكتر مهدي باريكاني، مركز تحقيقات پليمر ايران- 1373.

2- تهيه الياف كولار « گزارش پروژه»، دكتر مهدي باريكاني، مژگان ميرزاطاهري 1375.

3- H. H. yang- Kevlar Aramid Fiber- John Wiley & Sons- 1993.

4- Kwolek S. L, US Patent Re-issue 30, 352 (to Du Pont 1980).

5- سايتهاي مختلف اينترنتي