الياف پليمري مصنوعي (5)

الياف آراميدي
 

روش دومي که براي توليد الياف پليمري سخت وبا استحکام بالا استفاده مي شود روش کريستال مايع است.اين روش مربوط مي شود.به توليد واکسترود کردن پليمرهاي با زنجيره ملکولي صلب وميله اي .ازلحاظ تاريخي مي توان گفت که تحقيقات در زمينه ي توليد پلي اميدهاي آروماتيک با زنجيره ي سخت از ميانه ي قرن بيستم ميلادي شروع شد. به هرحال يک مسئله به زودي کشف شدوآن اين بود که پلي آميدهاي آروماتيک خصايت حل شدن ضعيفي دارند که اين مسئله حل نشدن آنها در حلال ها يک تنگنا محسوب مي شد.درسال 1965 ،استفاني کولک ( Stephanie Kwolek) (يک دانشمند تحقيقاتي درکمپاني دوپون) کشف کردکه اسيد آمينو بنزوئيک پارا مي تواند در واکنش پليمريزاسيون شرکت کرد ودر شرايط معين به صورت محلول مايع وکريستالي درآيد که اين محلول کريستاي مايع وصلب را مي توان ريسندگي کرد.اين کشف را مي توان مقدمه اي درتوليد الياف آراميدي بيان کرد .بعدها اين مسئله فهميده شد که پليمري که از واکنش پارا - فنيلن دي آمين واسيد تترافتاليک توليد مي شود، بهتر است . در ادامه به توصيف فرآيند توليد، ساختاروخواص الياف آراميدي مي پردازيم.

توليد
 

واژه ي آراميد در الياف آراميدي فرم کوتاه شده ي پلي آميدهاي آروماتيک است.همانگونه که مي دانيم پلي آميدهاي سنتي ومرسوم مانند نايلون داراي واحدهاي آليفاتيک وسيکلو آليفاتيک در ساختار زنجيره ي ماکرو ملکولي شان هستند وآراميد نام عمومي گروه مهمي از الياف است. هيئت تجارت فدرال ايالات متحده ي امريکا، آراميد ها را اين گونه تعريف مي کند: آراميدها،اليافي مصنوعي هستند که مواد تشکيل دهنده ي اين الياف پلي آميدهاي مصنوعي با زنجيره ي طويل هستند. 85% از اتصالات آراميدي در اين پليمرها به طور مستقيم به دو حلقه ي آروماتيک متصل است. نام هاي تجاري مختلفي براي الياف آراميدي انتخاب شده است. کمپاني دوپون نام هاي کولار (kevlar) ونومکس (Nomex) را براي اين الياف انتخاب کرده است.همچنين کمپاني تيجين ( Teijin) نام هاي تجاري تي جين کنکس (Teijin conex) وتکنورا ( Tech nora) وکمپاني آکزو (Akzo) نام تجاري توارون ( Twaron) را انتخاب کرده است. تفاوت اصلي ميان کولارونومکس دراين است که کولار داراي حلقه هاي آروماتيک درحالت پاراست درحالي که نومکس داراي حلقه هاي آروماتيک درحالت متاست. درواقع کولار داراي يک ملکول متقارن است که پيوندهاي اتصالي به هر حلقه ي آروماتيک حالت موازي دارد ولي نومکس داراي زاويه ي پيوند 120 درجه است.
شايد تکرار توضيحاتي درمورد برخي از واژگان دراين زمينه بد نباشد.الياف آراميدي نام عمومي گروهي از الياف آلي هستند که به آنها الياف پلي آميد آروماتيک مي گويند.نايلون نام عمومي براي هر پلي آميد با زنجيره ي طويل است که کمتر از 85% گروه هاي آروماتيک دارد.الياف آراميدي مانند نومکس وکولار ترکيباتي حلقوي هستند که ساختارآنها بر پايه ي بنزن است ( درواقع برخلاف نايلون که براي توليد آن از ترکبيات خطي استفاده مي شود.) ساختار شيميايي اصلي الياف کولار داراي واحدهاي آروماتيک جانشين در حالت پاراست که استقلال حرکتي زنجيره را محدود مي کند .و باعث مي گردد که پليمر صلب وميله اي مانند گردد. اين ساختار صلب وميله اي مانند باعث مي گردد دماي انتقال به حالت شيشه اي بالا رود وحلاليت پليمر کاهش يابد.همچنين اين مسئله باعث مي گردد تا ريسندگي پليمر باروش هاي معمولي ومتداول مشکل باشد. به جاي آن مجبوريم اين پليمر را به روش ريسندگي از محلول پليمري درحالت کريستال مايع به فيبر تبديل کنيم.بسياري از پليمرهاي آروماتيک را مي توان با روش ريسندگي کريستال مايع به الياف با مدول بالا تبديل نمود.از لحاظ تئوري ،اين مسئله مورد انتظار است که پليمرهاي با چنين ساختار ملکولي صلب وميله اي مانند باعث پديد آمدن الياف با ساختار بسيار سخت وجهت دار مي گردد.وحتي بدون فرآيند کشش نيز ساختاري جهت دار پديد آيد.به هر حال دراين پروسه دومشکل عملي وجود دارد:
1) اين پلي آميدهاي آروماتيک داراي دماي ذوب نسبتاً بالايي هستند ويا آنها در دماهاي بالا ذوب نمي شوند. بلکه متلاشي مي شوند. بنابراين نمي توان آنها را ذوب وريسندگي کرد.
2) ويسکوزيتدي محلول ايزوتروپيک اين پليمرها بسيار بالاست.بنابراين محلول آنها براي ريسندگي مناسب نيست به هر حال، اين مسئله مشاهده شده است که يک چنين سيستم هايي تحت شرايط مناسب غلظت ، حلال ، وزن ملکولي، ودما و...ايجاد محلول کريستال مايع مي کنند. براي اينکه مفهوم کريستال مايع را بهتر بشناسيم بهتر است درمورد آنها توضيح دهيم. يک کريستال مايع داراي ساختاري بينابين يک کريستال منظم سه بعدي ويک مايع ايزوتروپيک نامنظم است.دونوع عمده از کريستال هاي مايع وجود دارد که عبارتند از :ليوتروپيک ( Motropic ) و ترموتروپيک (Thermotropic)
کريستال هاي مايع ليوتروپيک از محلول هاي پليمري با ويسکوزيتدي پايين بدست مي آيند که غلظت محلول درحدي بحراني است.درحالي که کريستال هاي مايع ترموتروپيک از مذاب پليمرها در لحظه اي از ويسکوزيتد پايين است، بدست مي آيد.لپي آميدهاي آروماتيک والياف آراميدي از نوع کريستال هاي مايع ليوتروپيک هستند .اين پليمرها داراي نقطه ذوب بالايي هستند ودر واقع دماي ذوب آنها به دماي تجزيه ي آنها نزديک است.بنابراين بايد اين پليمرها را بوسيله ي يک حلال مناسب مانند اسيد سولفوريک حل و ريسندگي نمود.به عبارت ديگر پلي استرآروماتيک يک پليمرکريستال مايع از نوع ترموتروپيک است.اين نوع پليمر را مي توان از طريق قالب گيري تزريقي، اکسترود ويا ذوب کردن ، ريسندگي کرد.

انواع بسياري از کريستال هاي مايع وجود دارند. درشکل 1 ساختار تعدادي از اين کريستال هاي مايع آورده شده است.همه ي اين مواد داراي قلمروهاي منظم هستند وتفاوت عمده ي آنها جهت قرارگيري اين قلمروهاي منظم در مايع است.جهت گيري هاي خاص اين کريستال ها مسئله ي مهمي است که مد نظر ماست.
نکته ي مهم درمورد الياف آراميد اين است که ويسکوزيتدي محلول ايزوتروپ با افزايش غلظت پليمرافزايش مي يابد تا جايي که فاز آن - ايزوتروپ شروع به تشکيل کند. درنقطه ي تشکيل فاز آن- ايزوتروپ ويسکوزتيه افت شديدي پيدا مي کند.محلول هاي توليدي از پليمرهاي ميله مانند در غلظت معين پليمر از خود خاصيت تبديل شدن از حالت ايزوتروپ به حالت فاز کريستال مايع از نشان مي دهند. همانگونه که مي دانيد پلي آميدهاي مرسوم مانند نايلون عمدتاً داراي واحدهاي سيکلو آليفاتيک ويا آليفاتيک درساختار زنجيره ي ماکرو ملکولشان هستند.اين مسئله باعث مي شود تا آنها به آساني ذوب وبه فيبر تبديل شوند. توليد الياف آراميدي با پليمريزاسيون تراکمي محلول دي آمين وهاليدهاي دي اسيد در دماي پايين شروع مي شود. پليمريزاسيون تراکمي پارا - فنيلن دي آمين (PPD) وتترا فتالويل کلرايد (Tcl) دريک حلال دي آلکيل آميد مثالي از اين پليمريزاسيون است. حلال هاي آميدي مورد استفاده عبارتند از N متيل يپروليدول ودي متيل استاميد به صورت تک تک يا مخلوط . اين محلول ها عموماً به همراه نمک هاي غير آلي مانند کلريد ليتيم يا کلريد کلسيم استفاده مي شوند.پليمرتوليدي بوسيله ي آب رسوب داده مي شود .سپس خنثي، شسته وخشک مي شود. پلي پارا- فنيلن تترافتالاميد ( PPTA) پليمري است که در حلال هاي معمولي غير محلول است اما در اسيدهاي قوي مانند اسيد سولفوريک غليظ حل مي گردد. مهمترين پيش نياز براي توليد الياف با مدول و استحکام بالا اين است که محلول تهيه شده براي فرآيند ريسندگي داراي نظم خاصي از کريستال مايع باشد. کريستال هاي مايع به خاطر وجود قلمروهاي منظم از لحاظ اپتيکي آن - ايزوتروپ هستند. اين مسئله را مي توان بوسيله ي نگاه کردن به يک کريستال مايع (مانند يک محلول اسيد سولفوريک و آراميد) مشاهده کرد. اين مسئله خاصيتي ذاتي براي محلول هاي کريستال مايع است که براي توليد الياف آراميداز آن استفاده مي شود. ساختار فيبرمانند يک فيبر آراميدي به خاطر موازي قرار گرفتن کريستال هاي پليمر درجهت موازي با محور فيبر بوجود مي آيد. پلي آميدهاي آروماتيک جهتداراز محلول کريستال مايع ودر شرايط غلظت ، دما وحلال معين توليد مي شوند.

براي توليد الياف آراميدي روش ريسندگي تر- خروج خشک استفاده مي شود .اين فرآيند درشکل 2 نشان داده شده است. پليمريزاسيون تراکمي محلول دي آمين وهاليددي اسيد در دماي پايين (درحدود صفر درجه سانتيگراد) باعث توليد پلي آميد مي گردد.استفاده از دماي پايين به خاطر اين است که از توليد محصولات فرعي جلوگيري مي شود.وهمچنين شرايط تشکيل پلي آميدخطي فراهم شود. پليمر توليدي سپس به صورت پودري شسته شده وخشک شده در مي آيد. بعد از آن اين پودر در داخل اسيد سولفوريک غليظ ( H2 SD4) حل مي گردد ومحلول از ميان رشته ساز عبور مي کند.اين پروسه در دماي 100 درجه سانتيگراد انجام مي شود. رشته هاي پليمري قبل از ورود به حمام آب سرد ( با دماي 4-0 درجه سانتيگراد)، از جرياني از هوا به ضخامت 1CM عبور مي کنند.فيبر درهنگام عبور از فاصله ي هوايي انعقاد پيدا مي کند.واسيد موجود در آن در هنگام عبور از حمام انعقاد جدا مي شود.باريک بودن رشته ها وفاصله ي هوايي باعث مي شود قلمروهاي بيشتري هم جهت شوند واين مسئله موجب نظم ،کريستالينيتي وجهتداري بيشترالياف در طي فرآيند ريسندگي مي شود. فاصله ي هوايي همچنين باعث مي شود تا عمليات ريسندگي در دماي بالاتري انجام شود. اين دماي بالاتر باعث مي شود تا از محلول هاي غليظ تري براي ريسندگي استفاده کنيم وبتوان از سرعت هاي بيشتري براي ريسندگي استفاده کنيم.
( اين سرعت ها حتي به چند صد متر بر دقيقه نيز مي رسد) درفرآيند ريسندگي تر - خروج خشک ساختار زنجيره ملکولي جهتدار است .وهمچنين زنجيره هاي ملکولي توليدي حالت کشيده دارند. فرآيندهاي متداول ريسندگي مانند ريسندگي تر ياخشک اين نياز را دارند که بعد از فرآيند توليد فيبر،فرآيندهايي مانند کشش درجهت ايجاد خواص ممتاز در فيبر ،انجام شود.
علاوه برشکل مداوم الياف ،الياف آراميدي کولار داراي چندين شکل غير مداوم مانداستيپل، فلوک (Floc) ، تفاله اي (pulp) و...مي باشد. شکل تفاله مانند (pulp) اين الياف را مي توان در پوشش ها ، چسب ها ودرزگيرها استفاده کرد.انواع شکل هاي غير مداوم کولار را مي توان به عنوان تقويت کننده درکامپوزيت هاي زريني مانند اپوکسي استفاده کرد.

خواص الياف آراميدي
 

برخي از خواص مهم الياف کولار در جدول 1 آورده شده است. همانگونه که درجدول 1 آورده شده است مي بينيد الياف کولار بسيار سبک هستند وداراي سفتي واستحکام کششي بالايي هستند دونوع معروف از الياف کولار،کولار 49 وکولار 29 هستند وکولار 29 داراي مدولي برابر يک دوم مدول کولار 49 است اما کرنش شکست آن دو برابرکولار 49 است.اين کرنش بالاي کولار 29 باعث شده است تا از آن براي توليد جليقه هاي ضد گلوله استفاده شود.اين مساله بايد تذکر داده شود که الياف آراميدي مانند سايرالياف با کارايي بالا داراي استحکام فشاري ضعيفي هستند.استحکام فشاري الياف آراميدي تقريباً يک هشتم استحکام کششي آنهاست. اين مسئله به خاطر ماهيت آن -ايزوتروپ اين الياف است. درهنگامي که نيروي کششي براين الياف اعمال شود. پيوندهاي کوالانسي قوي موثرند واين درحالي است که درهنگام اعمال نيروي فشاري پيوندهاي ضعيف هيدروژني و واندرو الس درگير هستند.بنابراين الياف آراميدي براي کاربردهايي که با نيروهاي فشاري دست وپنجه نرم مي کنند، مناسب نمي باشند.الياف آراميدي کولار داراي خاصيت ضربه گيري خوبي هستند.کامپوزيت هاي کولار - اپوکسي داراي فرسودگي يک پنجم نسبت به کامپوزيت هاي فايبر گلاس هستند.

مانند ساير پليمرها، الياف آراميدي نيز به تابش اشعه ي فرا بنفش حساس هستند. هنگامي که اين الياف به مدت طولاني تحت تابش فرا بنفش باشد،رنگ آنها تغيير مي کند. (از زرد به قهوه اي )و خواص مکانيکي آنها کاهش مي يابد. تابش طول موج خاص از امواج مي تواند باعث تخريب يک پليمر شود که علت آن جذب آن طول موج به وسيله ي پليمر و شکست پيوندهاي شيميايي مي باشد. براساس داده هاي منتشر شده بوسيله ي کمپاني دوپون ناحيه ي جذب نور بوسيله ي الياف کولار در محدوده ي 300-400 نانومتر است.اين محدوده ي جذب در ناحيه ي طول موج نورمرئي وفرا بنفش است.بنابراين کمپاني دوپون سفارش کرده است که الياف آراميدي کولار را نبايد درنزديکي لامپ هاي فلئورسنت ويادرکنار پنجره ها انبار کرد.
منبع انگلیسی مقاله : fibrous materials/k.k. chawla
/ن