الیاف (2)

طبقه بندي الياف

الياف رابه روش هاي متنوعي مي توان طبقه بندي كرد. براي مثال در يك تقسيم بندي ممكن است الياف را به دو نوع الياف پوشاك و الياف غير پوشاك تقسيم بندي كرد.
اين تقسيم بندي براساس استفاده ي نهايي ازماده ي فيبري انجام شده است. الياف پوشاكي شامل الياف مصنوعي مانند نايلون، پلي استر، اسپاندكس ( spandex ) و الياف طبيعي مانند پنبه، كنف ( jute )، سيسال ( sisal : نوعي الياف كه از گياه آگاواي مكزيكي بدست مي آيد). رامي ( ramie )، ابريشم و... مي باشند. الياف غير پوشاكي شامل الياف توليدي از آراميدها، پلي اتيلن، فولاد، مس، كربن، شيشه، سيليكون كاربيد و آلومينا مي باشد.اين الياف غير پوشاكي براي توليد سيم وسيمان، ژئوتكستايل ( geotextiles ) وكاربردهاي ساختماني مانند كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف استفاده مي شود. اين الياف داراي سفتي و استحكام بالاتري هستند وتنش هاي كمتري در ساختار آنها وجود دارد. خواص اين الياف همچنين بستگي زيادي به نوع فرآيند توليد وميزان وجود عوامل تخريب كننده ( مانند مايعات خورنده ) دارد.
مثلا عموما اين الياف داراي تافنس كم هستند. تقسيم بندي هاي ديگر براي الياف را مي توان باتوجه به طول فيبر، مداوم يا استيپل ( staple ) بودن الياف در نظر گرفت. مي توان گفت الياف مداوم داراي طولي بينهايت است در حالي كه الياف استيپل داراي طولي كوتاه و معين ( 10-400 ميلي متر ) هستند. مانند الياف مداوم، الياف استيپل رانيز مي توان ريسندگي كرد وبه نخ تبديل كرد. اين نوع نخ، نخ استيپل فيبري ( staple fiber yarn ) ناميده مي شود. اگر الياف استيپل مورد استفاده خود حالت پيچش و در هم فرو رفتنرا داشته باشند، قابليت رسيدن نخ توليدي از آنها بهبود مي يابد. الياف استيپل براي توليد بدنه هاي بزرگ استفاده مي شوند در واقع اين الياف حالت پركنندگي و فيلتراسيون ايجاد مي كنند.خيلي اوقات الياف استيپل طبيعي مانند پنبه وپشم را با الياف استيپل مصنوعي مانند نايلون وپلي استر مخلوط مي كنند تا خواص مطلوبي ازهر دوي آنها بدست آورند.

طبقه بندي براساس اندازه ي فيبر وحالت محصول توليدي كه به طور معمول موجود است را نشان داده است. براي مثال برخي محصولات به شكل بافته شده وبرخي بافته نشده وجود دارند. كه در شكل 1 آورده شده است. هنوز هم يكي از طبقه بندي هاي راحت ومناسب از الياف براساس طبيعي يا مصنوعي بودن استوار است. همانگونه كه در شكل 2 نشان داده شده است. گروهي از الياف طبيعي ( natural fibers ) در گستره ي مواد پليمري هستند كه از گياهان وحيوانات بدست مي آيد. در حالي كه گروه ديگر الياف طبيعي از منيزال ها بدست مي آيند. اين منيزال ها از سراميك هاي كريستالين ساخته شده اند.

يك خصوصيت ممتاز الياف طبيعي اين است كه آنها عموما از مخلوطي از تركيبات مختلف ( شيميايي وفيزيكي ) ساخته شده اند. الياف مصنوعي را نيز مي توان به الياف پليمري، فلزي وسراميكي يا شيشه اي تقسيم بندي كرد. در اينجا بايد به اين مسئله اشاره كرد كه يكي از زير گروه هاي خاص وممتاز، ويسكرها ( whiskers ) هستند. ويسكرها الياف تك كريستال، كوتاه هستند كه استحكام بسيار بالايي دارند. استحكام ويسكرها درحد استحكام تئوري است كه علت اين امر نبود عيوب كريستالي ( مانند نابجايي ها ) در ساختار ويسكرهاست. در واقع به خاطر تك كريستال بودن آنها، مرزدانه نيز وجود ندارد.
ويسكرها به طور معمول به روش رشد از فاز بخار ( vapor phase growth ) توليد مي شوند. به طور نمونه، اين ويسكرها مي توانند قطري درحد چند ميكرون وطولي برابر چند ميلي متر داشته باشند. بنابراين نسبت طول به قطراين الياف مي تواند بين 50 تا10000 باشد. شايد مهمترين اشكال ويسكرها اين الياف خواص و ابعاد يكسان ندارند. اين مسئله باعث مي شودكه خواص اين الياف درگستره ي وسيعي قرار داشته باشد. هم تراز كردن وتنظيم كردن ويسكرها در ماتريكس كامپوزيت نيز يكي ديگر از مشكلات استفاده از ويسكرها هست.

الياف محكم و سفت :

همانگونه كه قبلا گفتيم مواد فيبري به وفور در طبيعت يافت مي شوند. تا ميانه ي قرن بيستم، اكثر استفاده از الياف به مقوله ي پوشاك ووسايل خانه محدود مي شد. تقريبا در ميانه ي قرن بيستم الياف با كارايي بالا ( high per formance fiber ) براي استفاده در قطعات بافتگي و تقويت كننده هاي مورد استفاده در كامپوزيت ها، بوجود آمد. در اين بخش سعي داريم در مورد فرآيند، ريز ساختار، خواص وكاربرد مواد در حالت فيبري صحبت كنيم. تمركز ما برروي الياف مصنوعي است كه براي كاربردهاي غير پارچه اي استفاده مي شوند. اين الياف معمولا بسيار سفت ومحكم هستند . در زمينه ي اين الياف تحولات وپيشرفت هاي زيادي در نيمه ي دوم قرن بيستم رخ داده است. استفاده ازاين الياف به عنوان مواد با كاربرد بالا در كاربردهاي ساختاري مهندسي بر پايه ي سه مشخصه ي مهم اين الياف است:
1) قطر كوچك نسبت به اندازه ي دانه وساير واحدهاي ريزساختاري. اين مسئله باعث مي گردد تا بيشترين كسر استحكام تئوري در حالت بالك در فيبر حاصل گردد.
اين مسئله نتيجه اي مستقيم از اثر اندازه ( size effect ) است.
اين اثر مي گويد: اندازه ي كوچكتر، احتمال داشتن عيوب را كاهش مي دهد. كاهش احتمال داشتن عيوب باعث مي گردد عيوب بحراني كه منجر به شكست ماده مي شوند كاهش يابند. بنابراين حتي براي مواد در حالت فيبر هرچه قطرشان افزايش يابد، استحكامشان كاهش مي يابد.
2) درجه ي انعطاف پذيري بسيار بالا يكي از خصوصيات مواد با مدول بالا وقطر كوچك است. اين انعطاف پذيري اجازه مي دهد تا بتوان از تكنيك هاي متنوعي براي توليد كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف استفاده كرد.
3)نسبت طول به قطر ( L/d ) بالا كه موجب مي شود نسبت بيشتري از نيروي اعمالي به ماتريكس كامپوزيت تقويت شده با الياف بوسيله ي الياف منتقل شود.
ممتازترين خاصيت مواد فيبري اين است كه اين الياف در جهت طولشان داراي بهترين عملكرد هستند. از اين جهت الياف به طور عمومي والياف مداوم به طور خاص بسيار جذاب هستند.
يك ماده ي فيبري نسبت طول به قطر بزرگ تري نسبت به حالت بالكش دارد. واز اين روبسيار انعطاف پذيرتر است. اين الياف انعطاف پذير را مي توان به نخ تبديل كرد. وسپس نخ ها را به شكل هاي مختلف وپيچيده اي بافت. اين مسئله را تصور كنيد كه موادي مانند شيشه، آلومينا يا سيليكون كاربيد كه در حالت بالك ترد هستند را به صورت الياف در آورده و از آنها شكل هاي بافته شده تهيه كرد. در حالتي كه الياف تهيه شده داراي قطر بسيار ريزي باشند خاصيت انعطاف پذيري آنها بسيار بهبود يافته ومانند الياف آلي مورد استفاده براي پوشاك مانند نايلون مي شوند. ( يكي از كاربرد هاي نايلون توليد جوراب هاي ساقه بلند زنانه است.)
همانگونه كه به طور مكرر بيان كرديم مواد در حالت فيبري داراي استحكام بيشتري هستند ودر برخي اوقات در صورتي كه به طور مناسب جهت گيري كنند ( يعني الياف در جهات مناسب قرار گيرند)
حتي مدول الاستيك آنها از حالت بالك نيز بيشتر است. اين خواص منجر به توسعه ي كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف متنوعي مي گردد كه در زمينه ي آنها مي تواند پليمري، فلزي، شيشه اي وسراميكي باشد.
... پایان.
/ن