اخبار و مطالب روز نساجی: نوآوری در منسوجات

الیاف با عملکرد بالا و ویژه

MODULE 1 HIGH - PERFORMANCE AND SPECIALITY FIBRES

در این ماژول، به مطالب مرتبط با الیاف با کارایی بالا و الیاف ویژه پرداخته می‌شود. این الیاف و مواد مرتبط با آن‌ها، ویژگی‌ها و کاربردهای گوناگونی دارند که در این گزارش به آن‌ها پرداخته خواهد شد.

1- مقدمه، طبقه‌بندی و پیشرفت‌ها

در این قسمت از گزارش، به معرفی، طبقه‌بندی و پیشرفت‌های الیاف با کارایی بالا اختصاص داده می‌شود. این قسمت به موضوعات مختلفی مرتبط با انواع الیاف، ویژگی‌ها و نحوه توسعه آن‌ها پرداخته می‌شود و مطالب جدید و به‌روز بررسی خواهد کرد.

الیاف با کارایی بالا و الیاف ویژه چگونه از الیاف معمولیCommodity fibresمتمایز می‌شوند؟

الیاف معمولی یا الیاف تجاری معمولاً از نظر قیمتی بسیار رقابتی بوده که این امر منجر به برنامه‌های بزرگ با حجم بالا می‌شود. متقابلاً، الیاف با کارایی بالا و الیاف ویژه تحت‌تأثیر عملکرد‌های فنی خاصی قرار می‌گیرند که ویژگی‌های عملکردی خاصی که تنها در این الیاف یافت می‌شوند، موردنیاز است. جدول 1 برخی از تفاوت‌های میان الیاف با کارایی بالا و الیاف معمولی را نشان می‌دهد.

جدول 1 تفاوت‌های میان الیاف با کارایی بالا و الیاف معمولی

 الیاف با کارایی بالا به‌طورکلی دارای خواصی هستند که عبارت‌اند از:
•  استحکام کششی و مدول کششی بسیار بالا
•  مقاومت در برابر حرارت و آتش
•  مقاومت در برابر عوامل شیمیایی که به طور عمومی باعث تجزیه الیاف معمولی می‌شوند

بیشتر الیاف با کارایی بالا دارای مدول و استحکام کششی بالا هستند. این الیاف همچنین به دلیل داشتن مقاومت حرارتی بالا، آتش نمی‌گیرند و محافظت بالایی در برابر حرارت فراهم می‌کنند؛ بنابراین، پارچه‌های ساخته‌شده از این الیاف می‌توانند برای کاربردهایی که نیاز به محافظت در برابر آتش دارند، استفاده شوند. همچنین این الیاف برای برخی از کاربردها که نیاز به مقاومت در برابر مواد شیمیایی دارند، موردنظر است.

1-1 الیاف مخصوص

الف) الیاف مخصوص دارای کارایی بالایی بوده که عبارت‌اند از:
•  قابلیت رنگ‌پذیری
•  چسبندگی
•  جذب
•  رسانا بودن
•  مقاومت در برابر آتش
•  پاسخ به تحریک‌های خارجی (به‌وسیله پلیمرهای تخصصی تولید می‌شوند)
•  ویژگی‌های خاص سطح (به‌وسیله تکنیک‌های ویژه تولید می‌شوند) و غیره

ب) الیاف مخصوص می‌توانند با استفاده از روش‌های مختلفی تولید شوند که عبارت‌اند از:

1) استفاده از مواد افزودنی، مانند رنگ‌دهنده‌ها، مواد مهار آتش، پرکننده‌های هادی، ترکیبات ضد استاتیک و غیره در طول فرایند ریسندگی.
2)  اصلاح سطح با استفاده از پوشش‌های شیمیایی برای ویژگی‌های خاص، مانند ایجاد خاصیت آب‌گریز، جذب بالا، اصطکاک کم و غیره و یا با استفاده از فناوری اصلاح پلاسما.
3) فرایندهای اختصاصی ریسندگی برای تولید الیاف با تعداد تاب مختلف، دوجزئی، میکرو و یا نانو

الیاف دوجزئی به‌وسیله ریسندگی هم محور با دو نوع پلیمر مختلف تولید می‌شوند. این روش تولید، این امکان را به الیاف می‌دهد تا از ویژگی‌های هر دو ماده پلیمری استفاده شود و به طرز چشمگیری دامنه‌ای از ویژگی‌های عملکرد الیاف را گسترش دهد.

تولید الیاف با سطح مقطع غیر دایره‌ای، می‌تواند خواص اضافی مانند براقی‌ات منحصربه‌فرد یا انتقال رطوبت را به وجود آورد. نانوالیاف نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند و کاربردهای بالقوه‌ای در مهندسی بافت، کاربردهای اپتوالکترونیکOptoelectronic  ، پارچه‌های محافظ و فیلترهای نسل بعدی دارند.

مواد پلیمری پیشرفته یا خاص برای ساختن الیاف هوشمند یا واکنش‌پذیر استفاده می‌شوند. این مواد می‌توانند شامل الیاف قابل‌تغییر شکل در اثر واکنش به  pH، دما یا میدان الکتریکی، الیاف با ویژگی ذخیره‌سازی حرارت یا مواد شیمیایی و الیاف خودتنظیمی مانند کفش‌های خودتنظیمی و وسایل پزشکی باشند.

پ) بررسی نیاز‌ها

الیاف با کارایی بالا برای برآورده‌کردن نیازهای مداوم در کاربردهای لیفی در بخش‌های غیرمعمول استفاده می‌شوند که عبارت‌اند از:
•  لباس‌های محافظتی
•  وسایل پزشکی
• محصولات مراقبت بهداشتی
•  قطعات خودرو
•  مواد ساختمانی
•  ژئوتکستایل‌هاGeotextile
•  وسایل کشاورزی
•  لباس ورزشی
•  لباس تفریحی
•  فیلتر
•  محافظت محیط‌ زیستی

نیازهای قوی به استفاده از منسوجات با کارایی بالا شامل برخی از خواص مانند استحکام بالا، مدول بالا، مقاومت در برابر سایش، پایداری ابعادی و همچنین نیاز به ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر آتش، آب‌گریزی، آب‌دوستی، سازگاری زیستی، پارچه‌های هوشمند و واکنش‌پذیر، حس‌گرها و غیره است. شکل 1 نشان‌دهنده کاربردهای الیاف با کارایی بالا برای مصارف مختلف است.

پهلوگیری و یدک‌کشی
  

دستکش‌ها
 

الیاف سه‌لوبالTrilobal fibre : برای ایجاد خاصیت براقی‌ات بالا  

نانوالیاف: با نسبت سطح به حجم بالا

    
شکل 1 کاربردهای الیاف با کارایی بالا

2 - طبقه‌بندی الیاف با کارایی بالا

الیاف با کارایی بالا بر اساس ویژگی‌ها و خواص گوناگون طبقه‌بندی می‌شوند که در ادامه به هر کدام از آن‌ها به طور جداگانه اشاره می‌شود.

2-1 بر اساس ویژگی‌های عملکردی الیاف

به‌طورکلی الیاف با کارایی بالا توسط خواص متفاوتشان دسته‌بندی می‌شوند که عبارت‌اند از:
•  استحکام کششی و مدول کششی بالا
•  وجود مقاومت در برابر حرارت و آتش
• مقاومت در برابر عوامل شیمیایی که به طور عمومی باعث تجزیه الیاف معمولی می‌شوند.

 
شکل 2 شماتیکی از تغییر قابل‌ملاحظه‌ای در استحکام و سختی از نسل اول به نسل دوم الیاف تولیدشده(نشان‌دهنده‌ نسل‌های مختلف الیاف با کارایی بالا)

همان‌طور که در شکل 2 نشان‌داده‌شده است، الیاف موجود طبیعی مانند پنبه، پشم و ابریشم دارای استحکامی در محدوده 4/0-1/0 نیوتن بر تکس و مدول اولیه 5-2 نیوتن بر تکس هستند. در ابتدای تولید الیاف، نخ ابریشم اغلب برای کاربردهای پرسنل مانند پاراچوت Parachute fabric   استفاده می‌شد و با ارائه الیاف تولیدشده، استحکام و مدول برتری به دست آمد. تقویت‌کننده در لاستیک‌های خودرو در ابتدا از الیاف پنبه در سال 1900، و سپس استفاده از الیاف ریون در سال‌های 1935 تا 1955 بهبود یافت. توسعه در الیاف ادامه پیدا کرد و سپس به الیاف نایلون، پلی‌استر و فولاد منتقل شد که اکنون به طور عمده در بازار مورداستفاده هستند. با توسعه الیاف و خواص آن‌ها الیاف مصنوعی امروزه جایگزین الیاف طبیعی در اکثر منسوجات فنی شده است. 

حداکثر استحکام و مدول الیاف نایلون و پلی‌استر نزدیک به 10 گرم بر دنیر (حدود 1 نیوتن بر تکس) یا 1 گیگاپاسکال و 10-3 گیگاپاسکال به ترتیب با نقاط شکست بیش از 10% هستند. استحکام متوسط همراه با کشش متوسط در این الیاف منجر به پارگی زیاد می‌شود، درحالی‌که خواص بازیابی خوب به مقاومت در برابر ضربه‌های مکرر پر انرژی در این الیاف کمک می‌کند. این الیاف به‌عنوان مواد نساجی نسل اول شناخته می‌شوند.

در سال 1961، پژوهشگران شرکت دوپونت DuPont   الیاف پارا - آرامید را از محلول‌های کریستالی ریسندگی کردند. تولید این‌گونه از الیاف منجر به تولید الیافی با استحکام‌ 2 نیوتن بر تکس و مدول 80 نیوتن بر تکس شد. امروزه الیاف پلیمری دیگری نیز تولید شده‌اند که دارای استحکام‌ بیشتری در حدود 5/3 نیوتن بر تکس و مدول بیش از 150 نیوتن بر تکس دارند. در مؤسسه هوافضای انگلستانRoyal Aircraft Establishment (RAE) ، واتWatt و همکارانش با پردازش الیاف اکریلیک در دمای بالا و تحت تنش، اولین الیاف کربنی با استحکام بالا را تولید کردند. این توسعه و پیشرفت باعث شد تا الیافی تولید شود که دارای استحکام بیش از 5 گیگاپاسکال (3 نیوتن بر تکس) و مدول بیش از 800 گیگاپاسکال (400 نیوتن بر تکس) باشند. گروه دیگری از الیاف با کارایی بالا، الیاف معدنی مانند الیاف شیشه هستند. استحکام الیاف شیشه به 4 گیگاپاسکال (6/1 نیوتن بر تکس) و مدول به 90 گیگاپاسکال (35 نیوتن بر تکس) می‌رسد. این الیاف از نظر وزنی دارای وزنی کمتر از الیاف آرامیدها هستند. این دسته از الیاف به‌عنوان مواد نسل دوم نساجی دسته‌بندی می‌شوند. این‌ها شامل الیاف معروفی مانند کولارKevlar ، نومکسNomex ، کربن و HPPE می‌شوند. الیاف نسل دوم نساجی تغییرات قابل‌توجهی در استحکام و سختی نشان داده‌اند؛ بنابراین می‌توان گفت که چندین مادة تشکیل‌دهنده جهت تولید الیافی با مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا وجود دارد. باید توجه داشت که قبل از کشف الیاف نسل دوم، برخی از الیاف طبیعی و الیاف تولیدی برای کاربردهای فنی نساجی استفاده می‌شدند.
در حال حاضر نسل سوم از الیاف به نام الیاف هوشمند وجود دارند که دارای برخی از خواص فیزیکی یا شیمیایی ویژه هستند که سبب شده تا این دسته از الیاف در کاربردهای جدید قابل‌استفاده باشند. مثالی معمول از این الیاف، الیاف سافتسویچ Softswitch–fibers   هستند که تحت‌فشار، خواص رسانایی الکتریکی از خود نشان می‌دهند و یا الیافی که با تحریک‌های خارجی‌شکل خود را تغییر می‌دهند. این دسته از الیاف می‌توانند برای ماهیچه‌های مصنوعی، حس‌گرها و اکتواتورها  Actuators    و غیره استفاده شوند. شکل 3 برخی از الیاف هوشمند را نشان می‌دهد.

شکل 3 شماتیکی از الیاف هوشمند

2-2 بر اساس شیوه اتصال

الیاف با کارایی بالا از اتصال محوری قوی و پیوسته برخوردار هستند. این الیاف بر اساس شیوه اتصال، به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:

الف) پلیمرهای خطی: این گروه از پلیمرها یک‌بعدی هستند و دارای نسبت ابعاد بسیار بالایی هستند. این گروه شامل آرامیدها، الیاف پلی‌اتیلن تولید شده به روش ژل ریسی، پلی‌استرهای ترموتروپیکThermotropic polyesters ، PBO و غیره است. پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، دارای زنجیره خطی از اتصالات کووالانسیCovalently کربن و پیوندهای هیدروژن در جهت عرضی هستند. همچنین پلیمرهای دیگری مانند کولار و پلیمرهای میله‌ای سفت که دارای ساختار عرضی پیچیده‌تری بوده و شامل حلقه‌های آروماتیک و گروه‌های جانبی هستند، وجود دارد. هدف از این دسته‌بندی این است که تلاش شود تا در ساختار پلیمرهای خطی، از تولید ساختاری با عیوب کم یا بدون عیب کاسته شود. در این دسته از الیاف، مدول‌های نظر حدود 100 گیگاپاسکال به‌ازای جهت پیوندهای اصلی به دست آمد، اما تنها حدود 5/0 گیگاپاسکال توسط پیوندهای وان در والسVander Waals bondsقابل‌کنترل است.

شکل 4 ساختار زنجیره پلیمری کشیده شده

بررسی‌ها نشان داد که برای رسیدن به چنین ساختارهای کاملاً کشیده نیاز به فناوری و نوآوری‌های جدید است. دو انتخاب متناقض از ویژگی‌های مولکولی برای رسیدن به چنین ساختاری موردنیاز بود که عبارت‌اند از:
1)  استفاده از زنجیره‌های پلیمری سفت و تعاملی
2)  استفاده از زنجیره‌های پلیمری انعطاف‌پذیر و بی‌اثر

در هنگام فرایند، زنجیره‌های سفت به‌صورت بلوک‌های زنجیره‌های موازی یا بلورهای مایع با هم ارتباط برقرار می‌کنند. مولکول‌های پلیمری به‌صورت کاملاً کشیده شده هستند، زیرا به علت سفتی زنجیره‌ها، تأخیر زیادی برای شکل‌دهی به فرم پیچیده را خواهند داشت. تغییر شکل چنین سیستمی در هنگام جامدسازی الیاف منجر به ایجاد ساختاری جهت‌گیری شده و کشیده شده در راستای کشش می‌شود. ساختار شیمیایی برخی از پلیمرهای سفت مناسب برای تولید الیاف با کارایی بالا در شکل 5 نشان‌داده‌شده است.

شکل 5 ساختارهای شیمیایی برخی از پلیمرهای سخت

روش دیگر تولید الیاف HM-HT بر اساس کشیده‌شدن زنجیره‌های مولکولی انعطاف‌پذیر به وضعیت کاملاً کشیده شده و جهت‌گیری شده است. در سطح مولکولی، این فرایند با انجام فرایند ژل‌ریسی پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا و کشیده‌شدن فیلامنت تولیدشده در حالت ژل‌ریسی به‌عنوان یک ساختار بسیار کشیده به‌دست‌آمده است. همان‌طور که در شکل 6 نشان‌داده‌شده است، این الیاف دارای پیوندهای کووالانسی قوی در جهت محوری الیاف و پیوندهای بین‌مولکولی ضعیف در جهت عرضی هستند.

شکل 6 پیوندهای کووالانسی قوی محوری و پیوندهای بین‌مولکولی ضعیف عرضی

ورقه‌های مولکولی دوبعدی: ورقه‌های مولکولی دوبعدی یا ساختارهایی با هندسه معین، از ایجاد اتصالات در جهت‌های حاصل می‌شوند. به‌عنوان‌مثال، شبکه هگزاگونی کربن می‌تواند به ساختار گرافیت منجر شود. اکسیداسیون و کربن‌سازی الیاف آلی به‌صورت کنترل شده در دمای بالا و تحت تنش، می‌تواند برای به‌دست‌آوردن الیاف کربنی با استحکام و سختی بالا و جهت‌گیری محوری ورقه‌های گرافیتی (شکل 7) استفاده شود.

شکل 7 ورقه‌های گرافیتی دوبعدی الیاف کربن

شبکه‌های سه‌بعدی: شبکه‌های سه‌بعدی با استفاده از پیش‌ماده‌ها و یا مونومرهای سه تابعه یا چند تابعه، می‌توانند شبکه‌های سه‌بعدی را ایجاد کنند (شکل 8). این نوع از شبکه‌ها در فرم لیفی اساس الیف ترموستThermoset ، شیشه‌ای و سرامیکی هستند.

شکل 8 مواد شبکه‌های سه‌بعدی: (a) شبکه بلورین در یک لیف سرامیکی؛ (b) شبکه نامنظم همانند شیشه

به‌طورکلی، این دسته از الیاف پلیمری دارای استحکام، سختی و زنجیره پلیمری بلندی در مقایسه با الیاف معمولی هستند. پیوند بین‌مولکولی قوی در این دسته از الیاف، مقاومت حرارتی را در این الیاف ایجاد می‌کند و به ساختار مولکولی مقاومت شیمیایی بالایی می‌بخشد. شبکه‌های سه‌بعدی غیرآلی، مانند آن‌هایی که از الیاف سرامیکی و شیشه تشکیل شده‌اند نیز دارای مقاومت حرارتی بالا هستند.
الیاف با کارایی بالا می‌توانند برای تقویت کامپوزیت‌ها به‌منظور افزایش ویژگی‌های عملکردی استفاده شوند. مثال زیر می‌تواند نشان‌دهنده چگونگی افزایش مدول به‌اندازه تقریباً ۱۰ برابر بیشتر، توسط الیاف شیشه با جهت‌گیری یک محوره در رزین پلی‌استر باشد.

کامپوزیت شیشه – پلی‌استر:

مثال: الیاف شیشه‌ با جهت‌گیری یک محوره در رزین پلی‌استر قرار گرفته‌اند (همان‌طور که در شکل 9 نشان‌داده‌شده است)

این کامپوزیت با درصد مشخصی از الیاف شیشه درون ماتریس پلی‌استر تقویت شده است:
40% الیاف شیشه‌ای (Vg)
60% رزین پلی‌استر (Vr)
مدول الیاف شیشه‌ و رزین پلی‌استر به ترتیب برابر با 69 و 4/3 گیگاپاسکال است.

 
شکل 9 شماتیکی از کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای تک‌جهته

حل: E نشان‌دهنده مدول طولی و V نشان‌دهنده کسر حجمی برای لیف شیشه f و ماتریس پلی‌استر m می‌باشد:

E = Ef×Vf Em×Vm

(مدول طولی کامپوزیت زمانی که الیاف شیشه در راستای طولی در ماتریس پلی‌استر قرار گرفته شده‌اند)

30 = 69 × 4/0 4/3× 6/0 =E

در ادامه برای محاسب نسبت بار تحمل شده توسط لیف به بار تحمل شده توسط ماتریس باید مقدار Fr/Fm محاسبه شود که عبارت است از:

Fr/Fm=  σg ×Ag / σr ×Ar
 6/13= Fr/Fm

♦ منابع مرتبط :

►https://archive.nptel.ac.in/courses/116/102/116102006/

 ♦ لینک اشتراک گذاری :

https://b2n.ir/nassajyar974►

♦ مطالب پیشنهادی :

-منسوجات کاربردی در صنعت نساجی

-انواع الیاف با کارایی بالا: خواص و کاربردهای آن‌ها

-طبقه‌بندی، خواص و کاربرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری

-مهندسی مواد پیشرفته در صنعت نساجی

-الیاف شیشه و کاربردهای آن

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.