الياف پليمري طبيعي (3)

الياف گياهي ( vegetable fibers ) :

در حقيقت گياهان يكي از منابع بزرگ تامين كننده ي الياف هستند. مزيت بزرگ اين الياف، ارزان بودن آنهاست. الياف سلولز در شكل هاي مختلف: پنبه، كتان ( flax )، كنف هندي ( jute )، كنف شاهدانه ( hemp )، سيسال ( sisal )، رامي ( ramie ) و... وجود دارد. اين گونه الياف در صنعت پوشاك استفاده مي شوند در حالي كه چوب وپوشال در صنعت كاغذ مصرف دارند. در ادامه به طور خلاصه به معرفي برخي از الياف گياهي مهم مي پردازيم.
الياف گياهي را مي توان از بخش هاي مختلف گياه پايه بدست آورد.
مثلا الياف پنبه و كاپوك ( kapok ) از بخش پنبه دانه ( بخش دانه دار) گياه بدست مي آيد وكتان وكنف از ساقه وپوست درخت بدست مي آيند همچنين سيسال وپينا ( pina ) جزء الياف بدست آمده از بخش برگ گياه هستند. اين الياف داراي وظايف متنوعي در گياه مادر هستند. در اغلب موارد اين الياف وظيفه ي تقويت كردن ساقه وبرگ هاي گياه را برعهده دارند. در هنگام اعمال طوفان وبادهاي شديد اين الياف بارها از گياه مواظبت مي كنند. در برخي گياهان الياف با ايجاد يك لفاف از بذر گياه محافظت مي كنند مانند پنبه دانه.
جزء اصلي هر فيبر گياهي سلولز ( cellulose ) در اغلب موارد سلولز به صورت اجزاي رشته اي و محكم تشكيل مي شود اين فيبرهاي سلولزي در اكثر موارد به صورت كامپوزيتي طبيعي تشكيل مي شوند. مثلا چوب كامپوزيتي از الياف سلولزي با ماده اي به نام ليگنين ( lignin ) هست. همچنين الياف پنبه داراي 80-85 درصد سلولز هستند.
الياف ديگر مانند رامي، كنف شاهدانه، كنف هندي، كتان وسيسال بين 65-70 درصد سلولز دارند. سلولز از سه عنصر كربن، هيدروژن واكسيژن تشكيل شده است. فرمول عمومي سلولز C6H 10O 5 است ويك ماده ي كريستالين است. براي بدست آوردن واطمينان از اين مسئله مي توان از تكنيك تفرق اشعه ي ايكس بهره برد.
يك پليمر آمورف هالداي پراكنده تشكيل مي دهد. اين هالدي پراكنده نشان دهنده ي عدم وجود نظم در آرايش اتم هاست. همچنين ممكن است در ناحيه ي آمورف تعدادي خطوط همتراز مربوط به زنجيره ها وجود داشته باشد. الگوي تفرق اشعه ي ايكس يك پليمر با كريستالينيتي بالا نقاط منظم يا حلقه هاي منظمي را نشان مي دهد. اين نقاط ويا حلقه هاي منظم نشان دهنده ي قرارگيري منظم در يك تك كريستال است.

بعضي اوقات نقاط گسسته حالت رگه مانند ياقوس پيدا مي كنند؛ كه علت آن انطباق ترجيحي زنجيره هاي پليمري است. حلقه هاي منظم با فاصله ي مناسب نشاندهنده ي يك ناحيه ي كريستالين و رندوم است. شكل 1الگوي تفرق اشعه ايكس الياف سيسال را نشان مي دهد. اين الگو بوسيله ي روش دبي شرر تهيه شده است. قوس هاي موجود در اين الگوي تفرق نشاندهنده ي سلولز طبيعي و كريستالين است كه بخش عمده ي سيسال را تشكيل داده است. علاوه بر سلولز، الياف گياهي داراي مقادير زيادي از ساير مواد شيميايي مانند ليگنين ( lignin )، همي سلولز ( hemicelluloses )، پكتين ( pectin )، رزين، مواد معدني، چربي وواكس ( wax ) هستند. پس از جداسازي الياف از گياه، آنها را در برخي محلولها قرار مي دهند تا همي سلولز، ليگنين و... از آنها جدا گردد. ليگنين وديگر مواد غير سلولزي مربوط به ديواره ي سلولي هستند.
وحضورشان در فيبر موجب كاهش كيفيت فيبر مي گردد. مواد غير سلولزي را نمي توان به آساني از الياف جدا كرد. عموما جداسازي آنها گران است واز اين رو به طور كامل از الياف جدا مي شوند. ويژگي مهم الياف گياهي توانايي آنها در جذب رطوبت از اتمسفر است. اين الياف درصد بالايي رطوبت جذب مي كنند. اين مسئله به خاطر اين است كه سلولز ماده اي نم گير است. سلولز رطوبت را در هنگام زياد بودن آن در اتمسفر جذب مي كند ودر هنگامي كه اتمسفر خشك باشد رطوبت خود را پس مي دهد. اين مسئله باعث دگرگوني در وزن وابعاد الياف مي شود. همچنين برروي استحكام و سفتي الياف نيز تاثير مي گذارد. درصد رطوبت موجود در فيبر را مي توان با محاسبه ي وزن از دست داده ي فيبر پس از قرارگيري آن در آون محاسبه كرد. براي محاسبه ي اين درصد رطوبت، درصد رطوبت را براساس حالت خشك محاسبه مي كنيم. ديگر ويژگي مهم الياف گياهي اين است كه آنها زيست تخريب پذيرند. اكثر الياف گياهي پس از مدتي تيره وضعيف مي شوند وهمچنين آنها نور را جذب مي كنند. دوام الياف گياهي از الياف پليمري مصنوعي كمتر است. همه ي الياف گياهي به آساني توسط ميكروارگانيزم هاي مختلفي مورد هجوم قرار مي گيرد. و در دما و رطوبت بالا مي پوسند وكپك مي زنند.
در ادامه به توصيف مختصري از برخي الياف گياهي مي پردازيم:

پنبه ( cotton ) :

پنبه سلطان الياف ناميده مي شود. پنبه هنگامي كه در حال رشد است يك فيبر توخالي است. اما هنگامي كه چيده مي شود، منقبض مي گردد. بنابراين مقطع عرضي آن پهن است ومي توان ميكرو فيبرهاي تشكيل دهنده ي الياف پنبه را بوسيله ي يك ميكروسكوپ نوري با بزرگنمايي كم مشاهده كرد. تركيب پنبه را بطور عمده از سلولز كريستالين با مقادير متنوع از پركتين، چربي وواكس. مولكول سلولز داراي شكلي مارپيچ است. كه زاويه ي پيچش آن بين 20 تا30 درجه است. شكل 2نشان دهنده ي ساختار الياف پنبه است. دانسيته ي الياف پنبه در حدود 1.5 گرم برسانتيمتر مكعب است.

پنبه يك فيبر بسيارمناسب است. الياف پنبه به آساني رنگ مي گيرند، به سهولت رطوبت را به خود جذب مي كنند ودر محيط هاي كاري مختلف دوام خود را حفظ مي كند. نخ پنبه براي توليد انواع بسياري از لباس ها كاربرد دارد. ( اين فيبر با الياف مصنوعي نيز قابليت تركيب دارد.) در حقيقت تقريبا نيمي از تمام پارچه هاي مصرفي در دنيا از پنبه بافته مي شود. به غير پوشاك، پنبه در فيلتر قهوه ( coffee filters )، تور ماهيگيري ( fishnet )، بند پوتين ( lace )، اثاثيه ولوازم منزل ( upholostery ) و... كاربرد دارد. پنبه زيست تخريب پذير است ومي توان از آن به عنوان جاذب در جاهايي كه نشت روغن وجود دارد، استفاده كرد.

كنف هندي ( jute ) :

الياف كنف هندي از بخش داخلي پوست گياهي از گروه كورچوروس ( corchorus ) بدست مي آيد. اين فيبر عمدتا در بنگلادش، برزيل وهند توليد مي شود. اين فيبر به طور فراوان در توليد ريسمان ( cords )، لباسهاي زبر وكيسه ( sack ) استفاده مي شود. گاها نيز مي توان كت هاي مخصوص مراسم كه از اين الياف توليد شده اند را نيز مشاهده كرد.
الياف كنف هندي از فرآيندي به نام رتينگ ( retting ) از بخش چوبي ساقه جدا مي گردد. فرآيند بدين گونه است كه ابتدا ساقه هاي گياه در آب غوطه ور مي شوند. سپس با پوشاندن با علف وخورده ي چوب كاري مي كنيم كه ساقه ها كاملا در آب فرو روند. مدت فرآيند رتينگ بستگي به دما وخصوصيات آب دارد. پس از پايان مرحله رشته هاي فيبر جداسازي مي شوند. اين الياف با پاشيدن آب بر روي آنها تميز مي شوند سپس فشرده مي شوند تا آب اضافي داخلشان خارج شود وسپسدر نور آفتاب آويزان مي شوند تا خشك شوند. سپس براي بارگيري در كشتي آماده مي شوند.
فيبر كنف هندي داراي رنگي زرد تا قهوه اي است. نوع تجاري اين الياف از رشته هاي فيبري كنف تشكيل شده اند كه بوسيله ي چسب هاي طبيعي بهم چسبيده اند.

هنگامي كه بوسيله ي يك ميكروسكوپ نوري به مقطع عرضي اين فيبر نگاه كنيم سلولهاي پلي گونال ( poly gonal cells ) قابل مشاهده هستند. اين سلولها طولي معادل 2.5 ميلي متر دارند. اين سلولها ديواره اي ضخيم دارند وحفره ي سلولي درون جداره ي آنها ( lumen ) را مي توان ديد. (شكل 3 )
مانند اكثر الياف بدست آمده از گياهان، استحكام الياف كنف هندي نيز در جاهاي مختلف متفاوت است. كرنش شكست اين الياف در حدود 107% است. دانسيته ي كنف هندي 105 گرم بر سانتيمتر مكعب است. الياف كنف هندي مقدار قابل ملاحظه اي آب جذب مي كند. مثلا هنگامي كه رطوبت جو در حدود 65% باشد اين الياف 15% وزني آب جذب مي كنند.

سيسال ( sisal ) :

سيسال يك فيبر برگ مانند است كه از گياه آگاسيسالانا ( agave sisalana ) بدست مي آيد. اين گياه بومي آمريكاي مركزي است. براي رشد گياه سيسال آب وهواي گرم سيري با ميزان رطوبت متعادل نياز است. كه اين نوع آب وهوا عمدتا در آفريقاي شرقي وبرزيل وجود دارد.
گياه سيسال داراي ساقه ي كوتاه وضخيمي است كه برگ هاي آن به صورت چتر بر روي آن رشد مي كنند. اين برگ ها داراي الياف سيسال هستند. برگ هاي گياه از جايي كه به ساقه ي اصلي متصل شده اند، قطع مي شوند. اين كار بايد سرعت پس از برداشت محصول انجام شود زيرا برگ هاي كنده شده از گياه به سرعت فاسدمي شوند. الياف بوسيله ي فرآيند خرد كردن وفشار دادن جدا سازي مي شوند تا ماده ي سبز رنگ اطراف الياف جدا گردد. سپس الياف جداشده در آفتاب خشك مي شوند. رشته هاي بدست آمده از الياف سيسال مي توانند طولي از 0.5 تا 1.25 متر داشته باشند. مانند الياف كنف هندي، تعداد زيادي از الياف سيسال بوسيله ي چسب طبيعي به هم متصل شده اند. رنگ الياف سيسال از سفيدتا زرد كم رنگ تغيير مي كند. الياف سيسال استفاده هايي در كاربرد هاي متنوع دارد. مثلا پوشش هاي حصيري ( mattings )، قاليچه، طناب هاي دريانوردي، لايي هاي اتومبيل ( padding materials )، لوازم و اثاثيه ي منزل و...

رامي ( ramie ) :

رامي يكي ديگر از الياف گياهي مهم است. اين فيبر داراي رنگي سفيد ودرخشان است. كرنش شكست اين فيبر 3-4% است.
اين فيبر در مقايسه باديگر الياف گياهي، مقاومت بالاتري در برابر باكتري ها، قارچ ها و كپك ها دارد. كه اين ويژگي يك ويژگي استثنايي محسوب مي شود. در اغلب موارد اين فيبر با ساير الياف تركيب مي شود واز اين فيبر تركيبي براي توليد پوشاك استفاده مي شود.

رايون ( Rayon ) :

الياف رايون كه بوسيله ي ايجاد تغييراتي در سلولز بدست مي آيد، معمولا سلولز احيا شده ( regenerated cellulose ) ناميده مي شود. در اين فيبر جزء اصلي سلولز است. اين سلولز در اصل از منابع گياهي بدست آمده است از اين رو رايون را جزء الياف طبيعي طبقه بندي مي كنيم. سلولز بدست آمده از منابع مختلف را مي توان براي توليد الياف رايون استفاده كرد. براي مثال خمير سلولزي بدست آمده از پنبه ( از الياف كوتاه متصل به پنبه ) يا الوارهايي كه حاوي بيش از 90% سلولز هستند براي توليد الياف رايون مناسبند. سلولز ذوب نمي شود و در حلالهاي معمولي نيز حل نمي شود بنابراين اين ماده بايد به فرم هاي مختلفي تبديل گردد مثلا براي توليد رايون ابتدا بايد خمير چوب در محلول سديم هيدروكسيد حل گردد. سپس كربن دي سولفيد به اين محلول اضافه گردد تا سديم سلولز اكسانتات ( sodium cellulose xanthate ) تشكيل گردد. اين تركيب شيميايي ازسلولز در محلول رقيق سديم هيدروكسيد حل مي گردد. با حل شدن اين تركيب در محلول رقيق سديم هيدروكسيد يك محلول غليظ ملاس مانند بدست مي آيد كه ويسكوز ( viscose ) ناميده مي شود.
ماده ي ويسكوز از داخل يك نخ ريس عبور كرده وسپس به داخل يك حمام اسيد سولفوريك وارد مي شود در اين حمام الياف اكسترود شده دوباره به فرم سلولزي تبديل مي شود و به صورت فيلامنت در مي آيد. فيلامنت هاي حاصله به شكل نخ ريسيده مي شوند وبر روي قرقره پيچيده مي شوند يا به صورت بريده بريده در آمده وبراي توليد پارچه هاي رايوني استپنل در مي آيد. سپس نخ توليدي شسته مي شود تا مواد شيميايي مانده برروي الياف كه از پروسه ي توليد ايجاد شده اند از بين بروند. در طي پروسه ي ريسندگي، قطر الياف تعيين مي گردد ودر صورت لزوم الياف رنگ مي شوند.
خلاصه اي از خواص مهم تعدادي از الياف گياهي در جدول 1آورده شده است.

اثرات محيطي بر روي الياف پليمري :

فاكتورهاي محيطي مانند رطوبت، دما، PH، تابش فرابنفش و ميكرو ارگانيزم ها مي توانند بر روي الياف پليمري تاثير بگذارند. الياف پليمري طبيعي نسبت به الياف پليمري مصنوعي حساس ترند وزودتر بوسيله ي عوامل محيطي تخريب مي شوند. لاور ( Larvae ) برخي حشرات ممكن است از مواد خشك متنوعي كه داراي درصد بالايي سلولز وپروتيئن هستند تغذيه شوند. مثال هايي از اين مواد خشك وداراي درصد بالايي سلولز وپروتيئن عبارتند از الياف گياهي وحيواني. بنابراين اليافي مانند ابريشم، پشم،پنبه، كنف هندي و... ومحصولات تهيه شده از آنها مانند پوشاك ( كت، پلوورو...) وفرش مستعد تخريب شدن بوسيله ي ميكروارگانيزم ها هستند مخصوصا سلولز كه بوسيله ي گروه متنوعي از باكتريها، قارچها وجلبكها مورد هجوم قرار قرار مي گيرد. ميكروارگانيزم ها سلولز را به عنوان يك ماده ي غذايي مصرف مي كنند. بوسيله ي برخي از فرآيندها وافزودنيها مي توان از حملات ميكروارگانيزم ها جلوگيري نمود. مثال خوبي از اين فرآيندهاي جلوگيري از حمله ي ميكروارگانيزم ها، عمل آوري الياف پشم است.
احتمالا عامل جلوگيري كننده اي كه در فرآيند عمل آوري اين الياف استفاده مي شود، پرمترين ( permethrin ) باشد. پرمترين يك نوع ماده ي شيميايي سنتزي است. اين ماده از لحاظ ساختاري شبيه گاو چشم ( pyrethrum )، يك ماده ي طبيعي است. گاوچشم يك حشره كش طبيعي است كه در گونه هاي گل داوودي ( chrysanthemum ) وجود دارد. پرمترين به طور گسترده در كشاورزي وبراي كنترل حشرات خانگي وهمچنين به عنوان محافظ چوب از فاسد شدن استفاده مي شود. الياف طبيعي بر پايه ي سلولز وپروتيئن نسبت به الياف آلي سنتزي تمايل بيشتري به تخريب شدن دارندكه علت آن رطوبت ودما مي باشد. هنگامي كه اين الياف در معرض نور باشند( نور مرئي وفرابنفش ) در آنها تخريب نوري اتفاق مي افتد. اين تخريب باعث ايجاد رنگ پريدگي وكاهش خواص مكانيكي الياف مي گردد. اكثر الياف پليمر ( طبيعي ومصنوعي ) به خاطر جذب رطوبت متورم ميشوند. اين تورم در مورد الياف طبيعي بيشتر است.

كاربرد الياف پليمري طبيعي :

الياف پليمري طبيعي كاربرد گسترده اي در همه ي زمينه هاي زندگي بشر دارند. در زيرمثال هايي از كاربردها آمده است:
الياف پليمري طبيعي براي توليد انواع مختلفي از منسوجات از لباس گرفته تا وسايل واثاثيه ي منزل،كيسه وطناب استفاده مي شود. اين الياف به طور مكرر با الياف مصنوعي تركيب مي شوند تا بتوان اليافي باخواص اپيتمم بدست آوريم. بسياري از الياف طبيعي مورد فرآيند عمل آوري قرار مي گيرند وسپس از آنها براي ساخت كامپوزيت ها بهره گرفته مي شود. (البته در كاربرد هايي كه تنش هاي بسيار بالا اعمال نمي شود.)
بسياري از الياف طبيعي كاربردهايي در اتومبيل ها ووسايل نقليه ي ريلي وجاده اي پيدا كرده اند. يكي از دلايل استفاده از آنها اين است كه مسئله ي تخريب آنها در طبيعت مهم مي باشد. به عبارت ديگر ما دنبال موادي هستيم كه در طبيعت تخريب شوند. اين تخريب باعث كاهش مسائل زيست محيطي مي گردد. الياف طبيعي منابعي تجديدپذيرند ومشكل انتشار گازCO2را تشديد نمي كنند.
اين الياف نه تنها طبيعي هستند بلكه دوست دار طبيعت هستند. اين الياف همچنين داراي خواص مكانيكي به نسبت خوبي هستند. مثلا مقاومت به ضربه ي آنها حتي در وزنهاي پايين نيز مناسب است. مثال هايي از كاربردهاي الياف طبيعي، اتومبيل مرسدس بنز كلاس E است. به طور خاص در اين اتومبيل تكه هاي پنبه، حصيرهاي عايق، و لايي هايي از جنس الياف نارگيل، موي حيوانات ولاتكس طبيعي وجود دارد. همچنين در ساختار آن از پليمرهاي تقويت شده با الياف سيسال وكتان نيز استفاده شده است . همچنين بايد به اين مسئله اشاره شود كه الياف كتان ( flax ) بومي كشور آلمان است در حالي كه سيسال بومي برزيل وبسياري كشورهاي ديگر است. الياف طبيعي همچنين براي توليد ژئوتكستيل ( gcotextiles) استفاده مي شود. ئوتكستيل بافته هايي است كه براي تثبيت خاك از آنها استفاده مي شود.
... پایان. /ن