الیاف (1)

مقدمه

الياف در همه جا وجود دارند.آنها در اشكال طبيعي ومصنوعي هستند. اين الياف داراي جنس پليمر،فلز ويا سراميك است. در اين بخش در مورد خواص ميكرو ساختار وروشهاي توليد مواد در حالت ليف صحبت مي كنيم.
گستره ي جنس الياف متنوع است مثلا ابريشم يك ليف طبيعي است وآراميدها ( aramid ) وپلي اتيلن اليافي مصنوعي و ساخته ي بشر هستند. همچنين از مواد فلزي وسراميكي نيز الياف تهيه مي شود مثلا اليافي از فولاد و تنگستن (مواد فلزي) و آلومينا و سيليكون كاربيد ( مواد سراميكي ) توليد شده اند.
واژه ي ليف ( fiber ) كه با نام فيبر نيز معروف است، اين تصوررادرذهن ايجاد مي كند كه ليف(فيبر)اليافي هستند كه در صنعت پوشاك از آنها استفاده مي شود در واقع شما با شنيدن نام فيبر به ياد نخ هاي لباس و دامن هاي زيبا و جوراب و... مي افتيد.
طبيعت براي مافهرستي گسترده از مواد در حالت الياف آورده است.اين الياف طبيعي براي ساختن بخش هاي با عملكرد چند گانه ( multifunctional ) و پيچيده استفاده مي شود. پروتئين كه از لحاظ شيميايي تركيبي متنوع از آمينواسيد هاست ،به طور فراوان در طبيعت وبه شكل فيبر وجود دارد.براي مثال كلاژن( collagen ) يك پروتئين در حالت فيبري است كه به شكل بافت هاي اتصال دهنده ي بخش هاي سخت ونرم وجود دارد. فيبر طبيعي شناخته شده تر كه در طبيعت يافت مي شود ودر اصل از پروتئين خالص ساخته شده است، ابريشم است. ابريشم يك فيبر بيولوژيك، طبيعي ومهم است كه بوسيله ي عنكبوت وكرم ابريشم توليد مي شود.
ابريشم به دست آمده از كرم ابريشم براي زمان زيادي است كه به صورت تجاري در آمده است در حالي كه اكنون دانشمندان و مهندسان در حال پي بردن به پتانسيل مناسب ابريشم به دست آمده از عنكبوت است.
حقيقتا الياف از مدتهاي طولاني توسط بشر مورد استفاده قرار گرفته است.
الياف از زمان ماقبل تاريخ ( prehistoric ) بوسيله ي انسان براي بافت پارچه ، طناب،سيم و بسياري محصولات ديگر استفاده مي شده است. كه استفاده از اين الياف بسيار پيش از اين بوده است كه دانشمندان در مورد ساختار داخلي آنها نظري داشته باشند.
مقوله ي بافت لباس، بخش مهمي از اكثرجوامع قديم را به خود اختصاص مي داده است. مسئله ي لباس به سرعت به عنوان استعاره اي از جامع مطرح شد و همواره مقوله ي لباس مبحثي سياسي واخلاقي بوده است. اين جالب است كه بدانيد درحفاري هاي انجام شده در محلي در تركيه قدمتي 9000 ساله داشت،يك تكه پارچه از جنس كتان كشف شده است. اين تكه ي پارچه ي كتان از الياف درخت كتان بافته شده است. عموما، باستان شناسان تعيين كرده اند كه عصر توليد پارچه، عصر سفال بوده است.
از كاوش انجام شده در اين مكان اين مسئله به نظر مي رسد كه حتي پيش از دوره ي سفال نيز در اين مكان پارچه بافته مي شده است.همچنين استفاده از بخيه جهت ترميم جراحت ها در دوره ي ماقبل تاريخ ثبت شده است. يك رساله ي پزشكي كه در سال 800 پيش ازميلاد نوشته شده است، توضيحاتي در مورد نحوه ي بخيه زدن با الياف به هم تنيده ي مانند موي اسب ( hourse hair )، الياف پنبه ( cotten fibers )، رباط حيوانات وپوست فيبر مانند درختان را توضيح مي داده است. اين رساله بوسيله ي يك جراح هندي به نام سوشروتا سامهيتا ( sushruta samhita ) نوشته شده است.
مواد درحالت فيبر تاثير زيادي بر روي اقتصاد دارند. در واقع اين مسئله اغراق نيست مثلا صنعت مرتبط با الياف بخش بزرگي از اقتصاد آمريكا را تشكيل داده است. براساس اطلاعات بدست آمده از منابع آمريكايي، آمريكايي ها 8 ميليارد( 8ضربدر 10 به توان 9) كيلو گرم فيبر مصرف صنعت مي كنند. در آمريكا، صنعت مرتبط با الياف صنعتي 200 ميليارد دلاري است. كه تقريبا 12% نيروي كار صنعتي را به خود اختصاص مي دهد و مصرف انرژي آن 6% است. صنعت مرتبط با الياف در اروپا ،آسيا،آمريكاي جنوبي وديگر بخش هاي جهان همان اهميت را دارد كه در آمريكا دارد. بنابراين هرگونه كه بسنجيم مرتبط با الياف بخش بسيار مهم از اقتصاد جهان را تشكيل مي دهد.
در ذيل برخي از كاربردهاي مواد اليافي بيان مي گردد.
1) پوشاك
2)انواع فرش ها وچمن مصنوعي
3) لاينرهاي باربري كه در زيربزرگراه ها وخطوط ريلي قرار مي گيرند
4) كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف كه در محصولات ورزشي مانند راكت ها، چوب گلف و... كاربرد دارند.
5) قايق ها
6) قطعات پيش ساخته ي ساختماني
7) صنعت هوا- فضا
8) استحكام دهي در هواپيما بوسيله ي الياف
9) نازل هاي راكت
10) دماغه ي موشك وشاتل هاي فضايي
اين كاربردها به اين مسئله اشاره دارند كه الياف در زندگي ما دخيل هستند و كاربرد فراواني دارند.

تاريخچه :

الياف طبيعي از زمان ماقبل تاريخ در اطراف انسان ها بوده اند. الياف ابريشم طبيعي براي زمان طولاني به عنوان يك كالاي گران بها بود.
به هر حال، اين مسئله ادامه داشت تا در سال 1880 مردي فرانسوي به نام كنت هيلر دِ چاردونت (count hilaire de chrdonnet ) موفق شد با تقليد از كرم ابريشم ، ابريشم مصنوعي را از مغز ساقه ي درخت توت توليد كند.اين الياف رايون ( rayon ) ناميده شدند. البته رايون ابريشم واقعي نبود اما حالت ابريشم طبيعي راداشت. اين مسئله باعث شددوره ي توليدالياف سلولزي طبيعي مانندرايون واستات ( acetate ) شروع شود. بعد از آن در وسط دهه ي 1920 الياف مصنوعي ظهور كردند. پيشرفت بزرگ زماني حاصل شد كه كاروترز ( carothers ) فرآيند پليمريزاسيون تراكمي را كشف كرد. كشف فرآيند پليمريزاسيون تراكمي منجر به توليد پليمر هاي متنوعي از جمله پلي آميد ها ( polyamids )، پلي استرها ( polyesters ) وپلي يوريتان ها ( polyurethanes ) شد. اين مسئله بنظر مي رسد كه عصر مدرن الياف توليد شده بوسيله ي بشر از كشف نايلون ( nylon ) در دهه ي 1930 شروع شد.
نام دو شيميدان، يكي آمريكايي بانام والاس كاروتر ( wallace carothers ) وديگري آلماني بانام پائول اسچلاك ( paul schlack ) در كنار كارهاي مقدماتي كه منجر به كشف فيبر نايلون شده است، آمده است. كارخانه ي دوپون ( Dupont co ) توليد فيبر نايلون را در سال 1939 شروع كرد كه اين مسئله را مي توان به عنوان دوره ي آغازين توليد الياف مصنوعي در نظر گرفت. به هر حال جنگ جهاني دوم باعث گسيخته شدن پيشرفت در زمينه توليد الياف مصنوعي شد. به زودي پس از جنگ جهاني دوم تعدادي ديگري از الياف مصنوعي مانند اكريليك، پلي استر و... كشف شد. و پيشرفت ها در جهت توسعه ي الياف مصنوعي از سر گرفته شد. اين مسئله در طي ربع دوم قرن بيستم رخ داد كه در اين دوره دانشمندان شروع به شناخت ساختار داخلي برخي ازالياف طبيعي كردند و به زودي پس از آن الياف مصنوعي بهبود يافته با الياف طبيعي را توليد كردند. بيشتر اين كارها براي كاربردهاي پوشاك واستفاده هاي شبيه به آن به مصرف مي رسيد بنابراين به وضوح مشخص است كه اكثر اطلاعات بدست آمده در طي دهه ي 1940 و 1950 در مورد مواد اليافي از اشخاصي بدست آمده كه در زمينه پوشاك مشغول بودند. به عبارت ديگر اطلاعات از اشخاصي بدست مي آمده كه در زمينه ي پارچه فعاليت مي كردند به موازات توسعه در زمينه الياف آلي ( organic fibers ) در اواخر دهه ي 1930 ودر ابتداي دهه ي 1940، اين مسئله كشف شد كه شيشه ها بر پايه ي سيليكا ( silica-based glass ) را مي توان به الياف با استحكام بالا تبديل كرد. سفتي ( stiffness ) الياف شيشه با سفتي شيشه ي بالك فرقي نمي كند. اين مسئله به خاطر اين است كه شيشه يك ماده ي آمورف است. وبنابراين، پس از فرآيند كشش در آن هيچگونه جهت گيري ترجيحي رخ نمي دهد. به هر حال سفتي شيشه در مقايسه با اكثر پليمر ها بسيار بالاتر است. وبنابراين فيبر شيشه ماده ي بسيار مناسبيجهت تقويت مواد پليمري است. ظهور فيبر شيشه را مي توان به عنوان مقدمه اي بر استفاده و ساخت قطعات غير بافتني به شمار آورد. البته سيم هاي فلزي ( metal wires ) براي اهداف خاص ومتنوعي استفاده مي شود مثلا سيم مسي براي انتقال الكتريسيته و سيم تنگستن براي رشته هاي روشنايي استفاده مي شود. همچنين سيم ترموكوپل از آلياژهاي متنوعي ساخته مي شود ( ترموكوپل وسيله اي براي اندازه گيري دما مي باشد ) سيم هاي توليدي از فولاد و ديگر آلياژهاي فلزي براي ساخت وسايل موسيقيائي مختلف مانند پيانو، ويولون و... استفاده مي شود. در ربع آخر قرن بيستم كارهاي زيادي در زمينه ي توليد الياف با مدول بالا ( high modulus fibers ) انجام شد. توليد الياف با مدول بالا هم از مواد آلي وهم معدني صورت گرفت. در دهه ي 1950 اين مسئله كشف شد كه پيوند كربن-كربن در زنجيره ي اصلي پليمرها، پيوندي قوي است. واگر بتوانيم پليمر را به گونه اي قرار دهيم كه جهت دهي در سمت زنجيره ي اصلي پليمر باشد مي توانيم الياف آلي با مدول بالا توليد كنيم. پس تلاش ها در اين زمينه آغاز شد و در ابتدا تنها بوسيله ي افزايش سرعت كشش وتنيدن الياف آلي اين مسئله تحقق يافت. و نتيجه ي اين كار بهبود سفتي الياف بود. اما بازهم اين سفتي به حد سفتي الياف شيشه نمي رسيد. براي مثال مدول يانگ ( مدول كششي ) در اين الياف ودر جهت فيبر مي توانست به 70 گيگا پاسگال برسد. به هرحال پس از زمان محققين فهميدند كه علاوه بر جهت گيري، گسترش زنجيره ي ملكولي نيز نياز است. اين جهت گيري وگسترش زنجيره ي ملكولي باعث مي گردد تا از پتانسيل پيوند كربن-كربن به حد كمال استفاده شود. آراميدها والياف پلي اتيلن با وزن ملكولي بسيار بالا ( polyetelen ultru-high weight ) كه داراي مدول يانكي برابر 100 گيگا پاسكال هستند، داراي جهت گيري ومناسب وساختار زنجيره ي گسترش يافته اند. در ربع آخر قرن بيستم همچنين كارهاي بسيار زيادي در زمينه ي الياف سراميكي داراي دانسيته پايين، سفتي بالا واستحكام بالا انجام شد. مسئله ي مهم تر در مورد اين الياف اين است كه اين الياف خواص خود را در دماي بالا حفظ مي كنند ( در دماي 1000درجه و بالاتر ). مثال هايي از اين الياف سراميكي عبارتند از: الياف بور ( boron fiber )، الياف كربن ( carbon fiber ) الياف آلومينا ( alumina fiber )، الياف سيليكون كاربيد ( silicon carbide fiber ) و...
برخي از اين الياف بسيار گران بها هستند وبوسيله ي تكنيك هاي پيشرفته ابداعي برپايه ي سل ژل و استفاده از پيش ماده هاي پليمري توليد مي شود.( براي مثال الياف آلومينا ، سيليكون كاربيد و... از جمله ي اين الياف گران بها هستند).
اين پيشرفت هاي بسيار خاص باعث باز شدن مبحث بسيار جديدي در زمينه ي مواد اليافي شدند. اين الياف داراي خواص خاصي از جمله ي:
1) سفتي الاستيك بالا
2) استحكام بالا
3) دانسيته پايين
4) قابليت تحمل در دماهاي بسيار بالا
و...
مسئله ي كه باعث توسعه ي اين الياف شد، نياز به استفاده از اين الياف جهت استحكام دهي به سراميك ها و فلزات بود. مثلا در جاهايي كه محيط با دماي بسيار بالا وجود داشت.
/ن