اخبار و مطالب روز نساجی: نوآوری در منسوجات 

منسوجات فنی

انواع الیاف با کارایی بالا: خواص و کاربردهای آن‌ها

Types of High Performance Fiber and Their Properties and Applications

1-  معرفی

الیاف و خواص آن‌ها برای بررسی عملکرد محصولات نساجی بسیار مهم است. الیاف با کارایی بالا از ساختار مولکولی و فازی منحصربه‌فردی تشکیل شده‌اند. این الیاف علاوه بر استحکام کششی و مدول بالا، ممکن است دارای سطوح بسیار بالایی از خواص دیگر مانند مقاومت در برابر حرارت، تأخیر در شعله و مقاومت در برابر مواد شیمیایی باشند. مفهوم الیاف با کارایی بالا در طی سال‌های 1970-1950 وارد صنایع نساجی شد. الیاف با کارایی بالا برای ارائه استحکام بالا، مدول بالا، پایداری حرارتی در دمای بالا، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و حلال و تعدادی از خواص دیگر برای بهبود کاربرد نهایی خود توسعه داده شده‌اند.

2-  انواع الیاف با کارایی بالا

2-1 الیاف کربن

• الیاف کربن در سال 1963 در مؤسسه هواپیمایی سلطنتی انگلستان تولید شدند.
• الیاف کربن می‌توانند به‌عنوان الیافی حاوی 90% کربن تعریف شوند.
• الیاف کربن دارای انعطاف‌پذیری بالا، سفتی خمشی بالا و مقاومت چرخشی بالایی هستند.

الف) فرایند تولید الیاف کربن

الیاف کربن از مواد اولیه‌ای مانند پلی‌آکریلونیتریلPAN ، الیاف سلولزی و الیاف فنولیکPhenolic   تولید می‌شوند. مراحل تولید الیاف کربن به ترتیب عبارت‌اند از:
1)  تولید پیش‌ساز
2)  تثبیت حرارتی در محدوده دمایی 400-100 درجه سانتیگراد
3)  کربنیزاسیونCarbonization   بین 1500-700 درجه سانتیگراد
4) گرافیت سازی Graphitization  بین 3000-1500 درجه سانتیگراد

ب) انواع الیاف کربن

الیاف کربن بر اساس مقدار مدول و سختی خود به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند که عبارت‌اند از:
1) مدول بسیار بالا (500 گیگاپاسکال)
2) مدول بالا (500-300 گیگاپاسکال)
3) مدول متوسط (300 گیگاپاسکال)
4) مدول کم (کمتر از 100 گیگاپاسکال)
5) سختی بالا

پ) خواص الیاف کربن

برخی از خواص مهم و قابل‌توجه در مورد الیاف کربن عبارت‌اند از:
•  الیاف کربن دارای چگالی 96/1-8/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب (گرم بر سی‌سی) هستند.
•  دارای استحکام 22 گرم بر دنیر هستند.
•  میزان ازدیاد طول تا حد پارگی برای این الیاف 8/1-38/0% است.
•  مقدار مدول یانگ برای الیاف کربن برابر 3000-1500 گرم بر دنیر است.
•  مقاومت در برابر خستگی الیاف کربن بالا است.
•  الیاف کربن، گیرایی ارتعاش و هدایت الکتریکی خوبی دارند.
•  این الیاف دارای مقاومت بالایی در برابر مواد شیمیایی هستند.
•  ضریب تغییر حجم برای الیاف کربن بیش از 60% است.
•  الیاف کربن دارای شکنندگی بالا، مقاومت در برابر ضربه کم و مقاومت سایشی کمی دارند.

ت) کاربردهای الیاف کربن

از الیاف کربن در صنایع گوناگونی استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای مهم این الیاف عبارت‌اند از:
• هوافضا
• حمل‌ونقل جاده‌ای و دریایی
•  کاپوت خودرو
•  ترمز ایر کرافت Air craft brakes
•  میدان هسته‌ای
•  ماشین‌آلات نساجی
•  کاربرد پزشکی

2-2 الیاف آرامید

• الیاف آرامید جزو الیاف نایلون آروماتیک بوده که دارای حلقه بزن در ساختار مولکولی خود است.
• برای اولین‌بار شکل دوپونتDuPont  به‌عنوان تولیدکننده الیاف آرامید، به‌منظور توسعه الیاف مقاوم در برابر دمای بالا معرفی شد.
• اولین الیاف آرامید نومکس بود که در سال 1960 معرفی شد.

الف) الیاف آرامید تجاری موجود

الیاف آرامید تجاری که امروزه مورداستفاده قرار می‌گیرد، عبارتند از:
1) دوپونت آمریکا
از شرکت دوپونت آمریکا تنها دو نوع لیف کولارKevlar  و نومکس تجاری‌سازی شده‌اند.
2) تیجینTeijin  شرکت ژاپن
از شرکت تجین ژاپن نیز تنها سه نوع لیف تکنوراTechnora ، تیجین کونکس Teijin Conex  و تواران Twaran  تجاری‌سازی شده‌اند.
3) الیاف کولار

الیاف کولار جزو الیاف مصنوعی بوده که برای اولین‌بار در سال 1965 توسط شرکت دوپونت ساخته شد. این الیاف دارای هر دو نوع گروه مولکولی آروماتیک و آمید است. گروه‌های آمیدی پیوندهای هیدروژنی را بین زنجیره‌های پلیمری تشکیل می‌دهند که این مورد سبب ایجاد ساختار شیمیایی بسیار قوی می‌شود. ساختار آروماتیک، دارای جهت شعاعی بوده که میزان تقارن و استحکام بیشتری را برای ساختار داخلی الیاف کولار به وجود می‌آورد. در پایان الیاف تهیه شده دارای آرایش کریستالی با زنجیرهای پلیمری موازی با محور الیاف است.

الف) فرایند تولید الیاف کولار

فرایند تولید الیاف کولار به ترتیب عبارت‌اند از:
1)  پارا - فنیلن‌دی‌آمینP-phenylene diamineو ترفتالوئی کلرایدTerephthaloyl chloride  در ابتدا به‌عنوان مواد اولیه استفاده می‌شوند.
2)  این مواد یک واکنش پلی‌کاندانسPolycondensation  سرد را طی می‌کنند.
3)  سپس پلیمر جدا شده و پس از خنثی‌سازی و شستشو، خشک می‌شود.
4)  سپس به روش ریسندگی خشک و مرطوب، الیاف کولار تولید می‌شوند.
5)  پلیمر مایع کریستال سیالLCP  دارای 90% آرایش‌یافتگی است.

ب) خواص الیاف کولار

برخی از خواص مهم و قابل‌توجه در مورد الیاف کولار عبارت‌اند از:
•  استحکام الیاف کولار 23 گرم بر دنیر است.
•  دمای انتقال شیشه‌ای و نقطه ذوب این الیاف به ترتیب 300 و 540 درجه سانتیگراد است.
• مقدار خزش در این الیاف کم و استحکام ابعادی عالی است.
•  الیاف کولار دارای مقاومت بالا به نسبت وزن و همچنین دارای مدول بالایی هستند.
•  الیاف کولار دارای انرژی سینتیک بسیار بالایی هستند.
•  این الیاف دارای استحکام محیطی خوب در آب دریا، روغن و حلال‌ها و عایق حرارتی خوبی محسوب می‌شوند.
•  الیاف کولار در برابر سایش و اشعه ماورای‌بنفش، مقاومت کمی از خود نشان می‌دهند.

پ) کاربردهای الیاف کولار

از الیاف کولار در صنایع گوناگونی استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای مهم این الیاف عبارت‌اند از:
•  سیستم زرهی
• تقویت لاستیکی
•  طناب و کابل
•  کامپوزیت‌ها
•  کاربردهای زیست‌پزشکی و الکترونیکی

3 -  پلی اتیلن با کارایی بالا

الیاف پلی‌اتیلن جزو الیاف ترموپلاستیک بوده و دارای زنجیره بسیار طولانی با وزن مولکولی 1/3 تا 67/5 میلیون است. این الیاف اغلب توسط فرایند ژل ریسی تولید می‌شوند. پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا از چندین مونو‌مر اتیلن تشکیل شده است که پلی‌اتیلنی با وزن مولکولی بالا را تولید کرده است. مولکول‌های پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا تمایل دارند که هر کدام دارای 100000 تا 250000 مونومر داشته باشند. شرکت تویوبو Toyobo و هانیولHonywell موفق به تولید الیاف پلی‌اتیلن با کار آیی بالا و با نام‌های تجاری (به ترتیب) دینیماDyneema و اسپکتراSpectra شدند.

 
شکل 1 الیاف پلی‌اتیلن با کارایی بالا

الف) ساختار و خواص الیاف پلی‌اتیلن

برخی از ویژگی‌های ساختاری و خواص مهم و قابل‌توجه در مورد الیاف پلی‌اتیلن عبارت‌اند از:
• پیوندهای وان در والسVander Waals bonds  ضعیف بین مولکول‌ها در ساختار پلی‌اتیلن وجود دارد.
•  ظاهر این الیاف دایره‌ای و صاف است.
•  استحکام کششی این الیاف 35-25 گرم بر دنیر یعنی حدود 15-10 برابر فولاد است.
• چگالی الیاف پلی‌اتیلن 91/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب است؛ بنابراین استحکام ویژه این الیاف بالاست.
•  الیاف پلی‌اتیلن دارای ازدیاد طول تا حد پارگی بالایی دارند (400 کیلومتر).
•  این الیاف دارای انرژی سینتیک خوبی هستند.

4- استانداردهای بالستیک

الیافی که در بخش‌های قبلی بدان اشاره شد، سبک‌وزن بوده و دارای خواص محافظتی هستند. برخی از کاربردهای محافظتی این الیاف عبارت‌اند از:  
1) استفاده در بدنه اتومبیل‌های معمولی سرعت ۳۵۰ متر بر ثانیه
2) کاربرد در تهدیدات شدید تروریستی با سرعت ۸۵۰ متر بر ثانیه
3) تفنگ تخریب‌کننده با سرعت ۹۰۰ متر بر ثانیه

همچنین از خواص ویژه این الیاف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• مقاومت بسیار بالا در برابر خستگی
• مقاومت بالا در برابر سایش
• عدم وجود اثر بیولوژیکی (نسبت به عوامل زیستی بی‌تأثیر است)
•  مقاومت خوب در برابر بریدن و سوراخ‌کردن
•  مقاومت ضعیف در برابر نور
•  ضریب اکسیژن پایین
• عدم جذب رطوبت
•  افت شدید استحکام و مدول در دمای بالا 

5- کاربردهای الیاف با کارایی بالا

الیاف با کارایی بالا به دلیل استحکام بالا و پایداری در برابر دما می‌تواند برای کاربردهای خلاقانه و متنوع با تکنولوژی بالا استفاده شوند. کاربردهای الیاف با کارایی بالا شامل استفاده در منسوجات هوافضا، زیست‌پزشکی، مهندسی عمران، ساخت‌وساز، لباس‌های محافظ، ژئوتکستایل‌هاGeotextiles ومناطق الکترونیکی است. مقاومت در برابر حرارت و شعله نیز یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌های موردتوجه برای تعیین شرایط کار در مورد این الیاف است. شکل 2 برخی از کاربردهای الیاف با کارایی بالا را نشان می‌دهد.

الیاف با کارایی بالا به دلایلی مورداستفاده قرار می‌گیرند که عبارت‌اند از:

• دارای خواص مهمی از قبلی حفاظت بالستیک، مقاومت در برابر ضربه، سرعت صوتی بالا و مکانیسم جذب انرژی
• کاربرد در دستکش و طناب به دلیل داشتن خواص مقاومت برش توری و کاهش مقاومت در برابر کشش.
•  کاربرد در تولید و تهیه طناب‌های سنگین به دلیل ازدیاد طول تا حد پارگی کم

6- پیش‌بینی تقاضای الیاف کربن

شکل 2 میزان پیش‌بینی تقاضای الیاف کربن برای کاربردهای متنوع را نشان می‌دهد.

شکل 2 پیش‌بینی تقاضای الیاف کربن

7- نتیجه‌گیری

در مقایسه با الیاف معمولی، اکثر الیاف با کارایی بالا گران هستند؛ اما سبب ایجاد ارزش‌افزوده بالایی به محصولات نهایی می‌شوند. علی‌رغم هزینه‌های تولید بالا، این الیاف همچنان به طور عمده در اروپا، آمریکا و ژاپن تولید می‌شوند.

منابع

1- Recent Developments in High Performance Fibers
2- Application of High Performance Fibres for Special Purposes
3- Comparison of Normal Fibers and High Performance Fibres
4- High Performance Polyethylene Fibers – An Overview
5- Aramid Fibers: Types, Properties, Manufacturing Process and Applications
6- Kevlar Fiber: Types, Properties, Manufacturing Process and Applications

♦ منابع مرتبط :

►https://textilelearner.net/

 
♦ لینک اشتراک گذاری :

https://b2n.ir/nassajyar970►

♦ مطالب پیشنهادی :

-مهندسی مواد پیشرفته در صنعت نساجی

-کاربرد الیاف آرامیدی جهت تولید البسه محافظتی

-موارد استفاده و خواص الیاف نومکس چیست

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.