الیاف پلیمری با کارایی بالا

الیاف پلیمری با کارایی بالا

الیاف پلیمری – بخش سوم: انواع الیاف پلیمری (الیاف با کارایی بالا)

تاکنون در بخش های اول و دوم سلسله مقالات الیاف با الیاف پلیمری آشنا شده و انواع آن ها را شناختیم. در بخش سوم، الیاف پلیمری با کارایی بالا یا High Performance Fibers را بررسی می کنیم.

در مقاله دوم، مهم ترین و پرکاربردترین الیاف پلیمری، یعنی الیاف پلی الفین، پلی آمید، وینیل، آکریلیک و پلی استر را بررسی کردیم. علاوه بر این ها، الیاف دیگری نیز وجود دارند که کاربردهای کم تر ولی با اهمیتی دارند که با عنوان الیاف با کارایی بالا شناخته می شوند، یعنی الیافی که در یک یا چند خاصیت مانند کشسان بودن، مقاومت در برابر حرارت، استحکام و … بسیار خوب و استثنایی عمل کرده و کارایی فوق العاده دارند. این الیاف معمولاً با نام های تجاری خود شناخته می شوند. مهم ترین این الیاف شامل موارد زیر می باشند:

  • الیاف آرامید
  • الیاف الاستومری ترمو پلاستیک
  • الیاف پلی وینیلیدن کلراید (PVCD)
  • الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMPE)
  • الیاف PBO یا زیلون (Zylon®)
  • الیاف پلی یاریلات با دانسیته بالا یا وکتران (Vectran11)
  • الیاف PBI

۱) الیاف آرامید

الیاف آرامید که بیش تر با نام های تجاری نومکس و کولار شناخته می شوند از رایج ترین الیاف با کارایی بالا هستند. این الیاف به دو دسته ی متا-آرامید و پارا-آرامید تقسیم بندی می شوند.

کاربردهای گوناگون الیاف آرامید
شکل ۱- کاربردهای گوناگون الیاف آرامید

۱-الف) الیاف متا-آرامید

این الیاف با نام تجاری نومکس (Nomex®) شناخته می شوند. بسیاری از کاربردهای این الیاف به دلیل ترکیب بی نظیر مقاومت آن ها در برابر شعله با خواص گرمایی و نساجی آن هاست. الیافی که از این پارچه ها ساخته شده اند ذاتاً مقاوم در برابر شعله هستند و ذوب نمی شوند به همین دلیل است که از پارچه های متا-آرامید به طور گسترده در پوشاک محافظ در برابر حرارت در کاربردهای صنعتی، نظامی (لباس خلبانی، پوشش محافظ برای خودروهای جنگی)، آتش نشانی و اتومبیل رانی و در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، که خطرات آتش سوزی ناگهانی یا قوس الکتریکی برای کارگران وجود دارد استفاده می شود. در پوشاک آتش نشانی، از متا-آرامیدها و مخلوط های آن با پارا-آرامیدها در لباس عملیات و لوازم محافظ، لباس فرم ایستگاه، هود، دستکش و چکمه استفاده می کنند. لباس آتش نشانی یک سیستم سه جزئی (پوسته بیرونی، لایه مانع رطوبت و لایه مانع حرارتی) است که به منظور محافظت حرارتی بنیادی در شرایط آتش گرفتگی ناگهانی و محیط های داغ علاوه بر به حداکثر رساندن راحتی و به حداقل رساندن پتانسیل تنش حرارتی طراحی شده است.

کاربرد الیاف نومکس در لباس های مقاوم در برابر حرارت و نظامی
شکل ۲- کاربرد الیاف نومکس در لباس های مقاوم در برابر حرارت و نظامی

این الیاف هم چنین در فیلترهای کنترل کننده آلودگی هوا در صنعت آسفالت داغ (Hot Mix Asphalt) استفاده می شوند. این فیلترهای تصفیه هوا، به خاطر انطباق با آلاینده ها و به صرفه بودن، سیستم ارجح تمیز کردن هوا هستند. فیلترها در این حوزه از مواد مختلفی مانند تفلون، الیاف شیشه، پلی استر و پلی فنیلن سولفید قابل ساخت هستند اما برای کارخانه های آسفالت، متا-آرامیدها به دلیل عوامل تعیین کننده ای چون عملکرد تصفیه، مقاومت شیمیایی، استحکام تنش-کرنش، دوام، هزینه و مقاومت در برابر دما و احتراق مناسب ترین هستند.

فیلتر نومکس مورد استفاده در صنعت آسفالت
شکل ۳- فیلتر نومکس مورد استفاده در صنعت آسفالت (HMA)

پارچه های متا-آرامید برای کاورهای اتو بخار نیز استفاده می شود. این مواد می توانند تا دمای °C2008 در برابر حرارت پایدار باشند. در دماهای پایین تر (۱۶۰-۱۶۰۸ درجه سانتیگراد) ، پارچه های متا-آرامید قابلیت اطمینان بیش تری نسبت به پوشش های ارزان قیمت پلی استر مجاز در این محدوده دارند. متا-آرامیدها هم چنین مزایای مقاومت در برابر سایش، پایداری ابعادی و مقاومت خیلی خوب در برابر هیدرولیز دارند.
متا-آرامیدها به صورت ورق و صفحات پرس شده، تعادل بهینه ای از خواص را برای استفاده به عنوان عایق الکتریکی در ترانسفورماتورها، موتورها، ژنراتورها و سایر تجهیزات الکتریکی فراهم می کنند. این مواد می توانند عمر تجهیزات الکتریکی را افزایش دهند و خرابی های نابهنگام متناوب را کاهش داده و در قبال تنش های الکتریکی تصادفی محافظت کنند.

۱-ب) الیاف پارا-آرامید

این الیاف با نام تجاری کولار (Kevlar®)  شناخته می شوند. هم چنان که الیاف متا-آرامید به دلیل مقاومت در برابر شعله خود مشهور هستند، الیاف پارا-آرامید عموماً به عنوان ماده انتخابی برای جلیقه ضد گلوله شناخته شده اند. در حالی که پارا-آرامیدها نقش مهمی در این کاربرد بازی می کنند، تلاش خواهیم کرد خواص غیر معمول آن ها را نیز که برای طیف گسترده ای کاربردهای دیگر مناسب است نشان دهیم.

زره

سیستم های زره ​​پوش بر پایه آرامید به منظور محافظت از افراد و تجهیزات در برابر انواع تهدیدات در محیط های غیرنظامی و نظامی طراحی شده اند. گلولۀ سلاح کمری و چاقو تهدیدات اساسی است که در کارهای غیرنظامی با آن روبرو می شوید. تهدیدات نظامی گسترده تر است و عموماً با پرتابه هایی با سرعت بالاتر از جمله گلوله اسلحه، ترکش های خمپاره، نارنجک و مین سر و کار دارد. طراحی سیستم حفاظتی بهینه باید ماهیت تهدید را در نظر بگیرد و بنابراین سیستم های غیرنظامی و نظامی لزوماً متفاوت خواهند بود. سیستم های زره ​​پوش به دسته های نرم و سخت تقسیم می شوند. سیستم های زره ​​پوش نرم مجموعه هایی از پارچه های بافته شده است که برای ساخت جلیقه های مقاوم در برابر گلوله و سازه های نرم مانند آستر استفاده می شود. سیستم های زره ​​پوش سخت یا کامپوزیت در کلاه ایمنی و سازه هایی استفاده می شود که برای محافظت از وسایل نقلیه، کشتی ها یا پناهگاه ها طراحی شده اند. این سیستم ها از چند لایه پارچه اشباع شده از یک وینیل استر یا یک اتصال دهنده رزین فنولی-پلی وینیل بوتیرال ساخته شده است. آسترهای اسپال که در داخل وسایل نقلیه نظامی زره ​​پوش جای گرفته و در برابر قطعاتی که در اثر اصابت گلوله های با سرعت زیاد به وجود می آید محافظت می کنند، نمونه ای کلاسیک از زره های سخت است.

پوشاک محافظ

نخ های پارا-آرامید در لباس های محافظتی استفاده می شود که در آن ها مقاومت در برابر بریده شدن، حرارت یا سایش بسیار مهم است و شامل دستکش و آستین مخصوص کارگران صنایع شیشه، فولاد، فلز، وسایل نقلیه و سایر پوشاک مانند پیش بند و جلیقه است. نخ پارا-آرامید تحت تأثیر سوختن قرار نمی گیرد و بر خلاف محصولات رقابتی ساخته شده از نایلون، پلی استر و پلی اتیلن ذوب نمی شود. دستکش های پارا-آرامید مقاومت برشی فوق العاده ای دارند و می توانند خطر جراحات دست و انگشت را در عملیات جا به جایی شیشه و فلز به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

تایر

پارا-آرامیدها به عنوان عامل تقویت کننده برای نوارهای تایر رادیال به دلیل استحکام و مدول بالا، تاب آوری در دمای بالا و نسبت مقاومت به وزن مطلوب بسیار مناسب است. برخلاف این ویژگی ها، سیم فولادی با هزینه کم تر هم چنان تقویت کنندۀ منتخب لاستیک خودروهای سواری است. با این وجود، تارهای آرامید از زمان معرفی در اواسط دهه ۱۹۷۰ به آرامی وارد کاربردهای تایر شده اند، به ویژه در عرصه کارایی بالا که نسبت کارایی به وزن بسیار مهم است. معیارهای اصلی کارایی عبارتند از: انطباق با سرعت، هدایت پذیری و راحتی. عوامل دیگری که باعث افزایش مصرف آرامید در لاستیک های خودرو و کامیون می شود، تلاش های مداوم در جهت کاهش وزن خودرو و کاهش مقاومت در برابر غلت خوردن برای کاهش مصرف انرژی است. آرامیدها هم چنین در لاستیک های هواپیما، موتور سیکلت و دوچرخه استفاده می شوند که در آن ویژگی های کارایی اغلب از هزینه بالاتری برخوردار هستند. دنیر نخ معمولی برای کاربردهای تایر ۱۰۰۰-۳۰۰۰ است.

کامپوزیت

پارا-آرامیدها به طور گسترده ای در مواد کامپوزیتی به عنوان عامل تقویت کننده ماتریس یا به عنوان هیبرید در ترکیب با کربن یا شیشه مورد استفاده قرار می گیرد. تعادل خواص کامپوزیت از کاربردی به کاربرد دیگر متفاوت است اما نیاز اصلی کارایی مقرون به صرفه در کاهش وزن است. شیشه از استحکام و مدول کم تر و دانسیته بالاتری نسبت به سرامیک یا کربن برخوردار است اما به دلیل کم هزینه بودن بیش ترین کاربرد را به عنوان الیاف تقویت کننده دارد. الیاف کربن دارای بیش ترین استحکام و مدول اما کم ترین ازدیاد طول هستند. الیاف آرامید ترکیبی از استحکام بالا و مدول (اگرچه کم تر از کربن) با دانسیته کم و ازدیاد طول زیاد را دارند که منجر به بهبود مقاومت به ضربه می شود. سازه های کامپوزیتی در بسیاری از کاربردها شامل قطعات صنایع هوافضا و خودرو، قایق، کالاهای ورزشی و مخازن تحت فشار یافت می شوند. هم چنین در چوب های هاکی و گلف، میله های ماهیگیری،  چوب اسکی و راکت های تنیس ترکیب های آرامید را خود جای داده اند.

طناب و کابل

پارا-آرامیدها استحکام و مدول بالایی دارند و امکان طراحی طناب کشتی با قابلیت حمل بار زیاد با سیستم های سبک تر و کوچک تر را فراهم می کنند. کاربردهای این حوزه شامل کابل های بستن برای کشتی، بکسل، کابل های آسانسور و کابل های در اعماق دریا هستند. در مقایسه با کابل های سنگین سیم فولادی ، پارا-آرامید استحکام معادل یک پنجم وزن را فراهم می کند و سرعت خزش آن نزدیک به فولاد است. برخلاف فولاد، طناب های آرامید در یک محیط آبی دچار خوردگی نمی شوند. طناب های آرامید باید به گونه ای طراحی و استفاده شوند که پتانسیل آن ها در سایش شدید داخلی یا خارجی به حداقل برسد. [۱]

شکل ۴- کاربردهای الیاف پارا-آرامید

۲) الیاف الاستومری ترموپلاستیک

الیاف الاستومری ترموپلاستیک معمولاً الیاف مصنوعی هستند که حداقل ۸۵ درصد وزنی سگمنت های آن ها از پلی یورتان تشکیل شده است. به طور کلی این الیاف با بازیابی الاستیک بسیار بالا (تا ۹۹ درصد) و قابلیت انعطاف پذیری زیاد (تا ۵۰۰ درصد) مشخص می شوند، که خود این مسأله نیز به ترکیب شیمیایی دقیق و روش ساخت آن ها بستگی دارد. برخلاف الیاف لاستیکی که مانند رشته های منفرد تولید می شوند، الیاف الاستومری نسبتاً نازک هستند و در تولید لباس های مدرن و با راحتی بالا استفاده می شوند. الیاف الاستومری برای اولین بار در سال ۱۹۳۰ توسط شرکت “DuPont” تجاری سازی و با برند Spandex®  و elastane® روانه ی بازار شدند.
از خصوصیات ویژه الیاف الاستومری می توان به مقاومت عالی در برابر اکسید شدن و حلال های خشک شویی، رنگ پذیری مناسب، حفظ عالی خواص پس از قرار گرفتن در معرض پرتو فرابنفش، مقاومت عالی در برابر روغن های بدن و چقرمگی بسیار خوبی که از لزوم محافظت از فیبر در هنگام بافندگی جلوگیری می کند. در تعدادی از کاربردهای نساجی الاستیک، این ویژگی های الیاف الاستومری، آن ها را به عنوان مواد انتخابی در کاربردهای نساجی الاستیک، جایگزین الیاف لاستیکی و ایجاد بازارهای جدید مانند لباس های ورزشی، نساجی پزشکی و پوشاک راحتی کشسان می سازد.

چهار نوع مرسوم الاستومر گرما نرم وجود دارد که می توان از آن ها برای تولید الیاف الاستومری استفاده کرد؛ یعنی پلی اورتان ها، کوپلیمرهای پلی استر، کوپلیمرهای استایرن و اولفینی ها استفاده کرد. به طور کلی خواص مکانیکی الیاف تولید شده از دو نوع اول از دو نوع آخر بهتر است و می توان آن ها را به دو دسته از مواد با کارایی بالا تقسیم کرد؛ الاستومرهای ترموپلاستیک پلی آمید (نایلون) و آلیاژهای الاستومری که از یک رزین الفینی و لاستیک تشکیل شده است. الاستومرهای ترموپلاستیک پلی آمیدی دانسیته کم، کرنش بالا و مقاومت خوب در برابر سایش و حلال دارند.

۲-الف) الیاف پلی یورتان

همان طور که اشاره شد الیاف پلی اورتان (با برندهای تجاری Spandex®  و Elstane®)، با خاصیت ارتجاعی یا کشش پذیری استثنایی خود شناخته می شود. الیاف اسپندکس، قوی تر، سبک تر، همه کاره تر و بادوام تر از لاستیک هستند. اسپندکس، نام تجاری رایج این الیاف در آمریکای شمالی است، در حالی که در جاهای دیگر بیش تر از نام الاستان استفاده می شود. دو برند مشهور دیگر برای الیاف اسپندکس یا الاستان، لیکرا (Lycra®) و الاسپان (Elaspan®) متعلق به شرکت “Invista” هستند.
این الیاف سطح مقطع گرد دارند که قابلیت ارتجاعی و کشش خوبی را ارائه می دهد. این الیاف مقاومت بالایی در برابر تخریب ناشی از نور خورشید، تعریق و کلر دارند که این امر آن ها را برای انواع مختلف لباس های ورزشی و شنا مناسب می کند. خاصیت الاستیک ویژه و کاربرد گسترده صنعتی الیاف اسپندکس، نتیجه مستقیمی از ساختار شیمیایی پلی اورتان است که یک کوپلیمر چند بلوکه متشکل از سگمنت های متناوب پلی استر یا پلی اتر نرم و پلی یورتان و اوره سخت است.

خاصیت کشسانی فوق العاده الیاف اسپندکس
شکل ۵- خاصیت کشسانی فوق العاده الیاف اسپندکس

۲-ب) الیاف کوپلیمر پلی استایرن

استایرنی ها ارزان قیمت ترین الاستومرهای ترموپلاستیک هستند؛ یعنی کوپلیمرهای بلوک با سگمنت های سخت پلی استایرن که با بخش های نرم یک ماتریس مانند پلی بوتادین، پلی ایزوپرن، اتیلن پروپیلن یا اتیلن بوتیلن به هم پیوسته اند. این الاستومرها با برند تجاری Kraton® در گریدهای مختلف قالب گیری و اکستروژن موجود هستند. استحکام کششی این مواد از لاستیک استایرن بوتادین (SBR) یا لاستیک طبیعی کم تر و کرنش آن ها بیش تر است ولی مقاومت در برابر آب و هوا تقریباً یکسانی دارند. الاستوپلاستیک استایرنی در برابر آب، الکل ها و اسیدها و بازهای رقیق مقاومت می کند و در اسیدهای قوی، حلال های کلر دار، استرها و کتون ها محلول است. هم چنین در دماهای پایین تا  85- درجه سانتی گراد انعطاف پذیری عالی دارد. از این الیاف در ساخت فیبرهای نوری استفاده می شود. [۲]

کاربرد الیاف پلی استایرن در فیبرهای نوری
شکل ۶- کاربرد الیاف پلی استایرن در فیبرهای نوری

۳) الیاف پلی وینیلیدن کلراید (PVCD)

در این الیاف، ماده تشکیل دهنده لیف، پلیمر زنجیر بلندی است که حداقل ۸۰ درصد وزن آن از وینیلیدن کلرید تشکیل شده است. اولین بار شرکت “Dow Chemical” این لیف را با برند تجاری Saran® به فروش رساند. امروزه، ساران یک نام معمول برای فیلم ها و الیاف ساخته شده از PVDC است. این ماده با مذاب ریسی کوپلیمر وینیلیدن کلراید به صورت یک لیف شفاف و بسیار صاف تولید می شود.
این الیاف مقاومت شیمیایی بسیار خوبی در برابر بسیاری از مواد شیمیایی از جمله اسیدها، بازها، سفیدکننده ها، روغن ها و اکثر حلال های آلی دارند. (PVDC در بعضی از حلال ها مانند تتراهیدروفوران (THF) و سیکلوهگزانون حل می شود). ساران، هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید و رطوبت، استحکام خود را از دست نمی دهد و در برابر محو شدن، لکه گیری و کپک زدن مقاومت می کند. پارچه های ساخته شده از این لیف به راحتی تمیز می شوند. از آن جایی که این لیف به طور ذاتی خود خاموش کن است، نیازی به افزودنی برای مقاومت در برابر شعله ندارد.
الیاف ساران بازیابی رطوبت بسیار کمی،کم تر از ۱/۰ درصد و مقاومت فوق العاده در برابر پرتو فرا بنفش و آب و هوا دارند که آن ها را به عنوان یک انتخاب عالی برای استفاده در زیر آب و قرار گرفتن در معرض فضای باز قرار می دهد. به دلیل داشتن مقاومت در برابر لکه و سایش عالی، از آن ها برای لوازم داخلی منزل و خودرو، سایه بان پنجره و کاربردهای با خواهان بیش تر مانند کیف و کفش ورزشی استفاده می شود. با این حال، به خاطر این که ساران نسبتاً گران و سنگین است، در بیش تر این کاربردها با اولفین، آکریلیک و سایر الیاف با کارایی بالا جایگزین شده است. [۳]

۴) الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMPE)

الیاف UHMPE در سال ۱۹۶۰ توسعه پیدا کردند و با نام های تجاری Dyneema® متعلق به شرکت DSM آلمان و Spectra® متعلق به شرکت هانیول ایالات متحده شناخته می شوند.

داینیما یک لیف فوق العاده قوی است که حداکثر استحکام با حداقل وزن دارد که باعث می شود تعداد کاربردهای آن تقریباً نامحدود باشد. داینیما در یک فرایند ژل ریسی انحصاری تولید می شود که در آن الیاف، گرم، کشیده و سرد می شوند. ریسندگی به همراه کشش، منجر به تراز مولکولی، تبلور زیاد و تراکم کم می شود. داینیما زنجیره های مولکولی بسیار طولانی دارد که بار را به طور مؤثرتر به ستون فقرات پلیمر منتقل می کند، بنابراین نسبت به گزینه های دیگر، در وزن برابر، قوی تر یا در استحکام برابر، سبک تر است.

ویژگی هایی که این الیاف را به عنوان الیاف با کارایی بالا معرفی می کند عبارتند از:

  • تا ۱۵ برابر قوی تر از فولاد (بر اساس وزن)
  • تا ۴۰ درصد قوی تر از آرامیدها (بر اساس وزن)
  • روی آب شناور می شود و در برابر رطوبت، پرتو فرا بنفش و مواد شیمیایی مقاوم است. [۴]

به سبب خواص فوق العاده، الیاف داینیما و اسپکترا یکی گزینه های اصلی در ساخت طناب های ورزشی هستند. در ادامه این موضوع را بررسی می کنیم.

  • خزش کم؛ خزش مشخص می کند که طناب در حین ورزش چقدر کشیده می شود. هر چه طناب بیشتر کشیده شود، ضعیف تر می شود.
    در بین الیاف پلی اتیلن با مدول بالا، داینما کم ترین خزش با حفظ طولانی مدت این خاصیت را دارد.
  • مقاومت در برابر دما؛ برای استفاده در شرایط آب و هوایی و درجه حرارت شدید، لازم است طنابی داشته باشیم که حداقل تغییر در مقاومت در محیط های مختلف داشته باشد.
    الیاف داینیما و اسپکترا در محدوده دمایی از ۱۵۰- تا ۷۰ درجه ی سانتی گراد یعنی دامنه دمایی بسیار قوی که بیش تر کارها را پوشش می دهد استحکام خود را حفظ می کنند.
  • استحکام تنش-کرنش؛ بارزترین علامت طناب چند منظورۀ خوب است که تعیین می کند چه قدر در برابر بارهای تحمیل شده دوام می آورد.
    الیاف داینیما، ۱۵ برابر از فولاد (نسبت به وزن) قوی تر هستند و می توانند بارهای سنگین را تحمل کنند.
  • وزن؛ این الیاف برای بسیاری از طناب های کوهنوردی، دریانوردی،  ماهیگیری و بسیاری موارد دیگر و استحکام بالایی نسبت به وزن دارند.
    طناب های این الیاف در وزن مساوی، ۱۵ برابر قوی تر از فولاد هستند. (این الیاف بالاترین نسبت مقاومت به وزن را دارند.)
  • عدم نفوذ پذیری؛ ضد آب بودن به چند دلیل مهم است. الیافی که آب را جذب نمی کنند دوام بیش تری دارند. علاوه بر این، الیافی که آب را جذب نمی کنند، هنگام استفاده در شرایط مرطوب سنگین تر نمی شوند.
    الیاف دینیما آب را جذب نمی کنند.
  • امنیت؛ ایمنی طناب هنگام بلند کردن یا پایین آوردن وزنه ها بسیار مهم است. کاربر باید اطمینان داشته باشد که شکاف طناب آسیب دیده باعث ایجاد آسیب نمی شود. کابل فولادی بهترین نمونه از مواردی است که می تواند باعث آسیب دیدگی به شخصی شود که در طول سقوط در مجاورت کابل باشد.
    برخلاف کابل فولادی، طناب دینیما هنگام شکستن کاملاً بی خطر است که با شکسته شدن، می تواند به فردآسیب جدی برساند.

علاوه بر مزایای ذکر شده در بالا، الیاف داینیما در برابر اسیدها، آب نمک، بازها و مواد شیمیایی بسیار مقاوم هستند. هم چنین آن ها بعد از خم شدن و ضربه خوردن، بی عیبی خود را حفظ می کنند.

طناب های داینیما به طور گسترده در کاربردهای دریایی و ماهیگیری استفاده می شوند. علاوه بر این، در بین کوهنوردان و بندبازها، برای جنگل داران و چوب برها، به دلیل مقاومت الیاف داینیما در برابر روغن ها و گازها و بریده شدن، این طناب ها را به گزینه ایده آل تبدیل می کند. [۵]

مقایسه استحکام الیاف اسپکترا با سایر الیاف
شکل ۷- مقایسه استحکام الیاف اسپکترا با سایر الیاف
مقایسه دانسیته الیاف اسپکترا با سایر الیاف
شکل ۸- مقایسه دانسیته الیاف اسپکترا با سایر الیاف

۶) الیاف PBO یا زیلون (Zylon®)

زیلون، نام تجاری الیاف پلی (پارا-فنیل-۲و۶-بنزو بیس اکسازول)  (PBO) است. این الیاف یکی از بالاترین سطوح استحکام و مدول الاستیسیته در جهان را دارند؛ با مقاومت بسیار عالی در برابر سایش وگرما (دماهای بسیار بالاتر نسبت به الیاف آرامید) و استحکام و مدول تقریباً دو برابر الیاف پارا-آرامید. دو نوع از این الیاف وجود دارد؛ (AS (as spun و (HM (high modulus. این الیاف با رنگ طلایی مشخص (تیره تر از کولار) به راحتی قابل شناسایی هستند.

الیاف زیلون
شکل ۹- الیاف زیلون

زیلون، یک نشان تجاری برای طیفی از پلی اکسازول بلور مایع ترموست است. این ماده پلیمری مصنوعی در دهه ۱۹۸۰ توسط SRI International اختراع و توسعه یافت و توسط شرکت Toyobo تولید می شود.

خصوصیات ویژه این لیف که آن را در بین الیاف با کارایی بالا متمایز می کند عبارتند از:

  • استحکام و مدول عالی
  • مقاومت خوب در برابر شعله
  • پایداری حرارتی عالی
  • مقاومت عالی در برابر خزش
  • مقاومت شیمیایی خوب

کاربرد الیاف PBO به دلیل خواص عالی که قبلاً ذکر شد بسیار گسترده است. پارچه های PBO سبک و انعطاف پذیر هستند، باعث بهبود راحتی و تحرک می شوند و برای لباس های مقاوم در برابر حرارت و شعله مانند آتش نشانان ایده آل هستند. لباس های موتور سیکلت سواران دارای نواحی خاصی مانند مناطق زانو و آرنج است که با پارچه PBO تقویت شده و از مقاومت عالی در برابرگرما، شعله و سایش برخوردار است. PBO همانند آرامید، به دلیل جذب بالای انرژی و از بین بردن سریع تأثیر آن توسط مورفولوژی فیبری، برای پارچه ها و پنل های محافظ در برابر گلوله ایده آل است. کاربردهای عمومی آن برای تقویت کنندگی شامل مواردی برای لاستیک، تسمه، کابل و … و هم چنین برای فیبرهای نوری است. [۶]

استحکام فوق العاده الیاف زیلون
شکل ۱۰- استحکام فوق العاده الیاف زیلون
شکل ۱۱- مقایسه مدول و استحکام الیاف زیلون یا PBO با سایر الیاف با کارایی بالا

۵) الیاف پلی یاریلات با استحکام بالا یا وکتران (Vectran™)

الیاف پلی یاریلات خانواده ای از پلی استرهای آروماتیک هستند که از پلیمرازیسیون تراکمی ۴-هیدروکسی بنزوئیک اسید و ۶-هیدروکسی نفتالن-۲-کربوکسیلیک اسید تهیه می شوند. این الیاف با برند تجاری Vectran™ توسط شرکت “Kuraray” ژاپن تولید و تنها الیاف تجاری در جهان هستند که از ریسندگی به روش کریستال مایع ساخته می شوند. این الیاف، استحکام و سفتی فوق العاده ای دارند و پنج برابر از فولاد و ده برابر از آلومینیوم قوی تر هستند. خواص منحصر به فرد این الیاف عبارتند از:

  • استحکام و مدول بالا
  • مقاومت عالی در برابر خزش
  • مقاومت بالا در برابر سایش
  • ویژگی های عالی خم و تا شدن
  • حداقل جذب رطوبت
  • مقاومت شیمیایی عالی
  • ضریب انبساط حرارتی کم (CTE)
  • استحکام دی الکتریک بالا
  • مقاومت عالی در برابر برش
  • حفظ عالی خواص در دماهای بالا و پایین
  • ویژگی های عالی میرایی ارتعاش
  • مقاومت بالا در برابر ضربه
شکل ۱۲- الیاف وکتران

ترکیبی منحصر به فرد از خواص، الیاف وکتران را از سایر الیاف با کارایی بالا متمایز می کند و آن ها را به عنوان ماده ی انتخابی برای کاربردهایی که الیاف دیگر نتوانند نیازهای مورد نظر را برآورده سازند تبدیل می کند. عملکرد مکانیکی قابل توجه وکتران در ترکیب با سایر خواص منحصر به فردش، این امکان را برای استفاده از آن در اهداف مختلف فراهم می کند. الیاف وکتران در هوا فضا، اکتشاف اقیانوس ها، ساختارهای الکترونیکی، صنعت سرگرمی و اوقات فراغت، مواد ایمنی، کاربردهای صنعتی، طناب و کابل، کامپوزیت، پوشاک محافظ و قابل باد شدن با فشار بالا استفاده می شوند.

طناب و کابل

Vectarn™ HT مشکلات بسیاری را در کاربردهای بحرانی دریایی، نظامی، صنعتی و طناب و کابل برطرف کرده است. استحکام بالا و مقاومت عالی  در برابر خزش این الیاف باعث شده است که از آن ها طناب های با کارایی بالا که در برابر بارهای طولانی پایدار هستند، تولید کنند. مقاومت در برابر سایش فوق العاده، مقاومت در برابر رطوبت عالی و حفظ فوف العاده خواص در طیف وسیعی از دماها و محیط های شیمیایی، راه حل هایی برای مشکلات فرسودگی صنعتی و تخریب با محصولات فیبر موجود را ارائه می دهد. این الیاف نامزد برجسته ای برای جایگزینی سازه های فلزی و فولاد ضد زنگ است.

Vectarn™ UM یک جایگزین با مدول بالا و کرنش کم برای کاربردهایی که نیاز به سفتی بالا دارند، مانند تقویت کامپوزیت ها یا کابل های الکترومکانیکی است.

سرگرمی و اوقات فراغت

الیاف وکتران گزینه ای عالی برای سرگرمی ها و اوقات فراغت مانند پارچه بادبان، بدنه تقویت شده کشتی ها، باشگاه های گلف، دوشاخه های دوچرخه، اسکی، زه کمان، راکت تنیس، اسنوبرد و پاراگلایدر هستند. کارایی این الیاف در بسیاری از کاربردهای کالاهای ورزشی ویژه بسیار مهم است. اهمیت خاص آن ها در ویژگی های منحصر به فرد میرایی ارتعاش در ترکیب با استحکام بالا، جذب رطوبت و مقاومت عالی در برابر خم شدن، تا شدن، سایش و ضربه است.

هوافضا و نظامی

اولین استفاده از الیاف وکتران برای کاربرد و تقاضاهای تخصصی در بخش نظامی بود. خواص بی نظیر این لیف با کارایی بالا، بسیاری از نیازهای امروزی در حوزه نظامی و هوافضا را برآورده می کند. کیسه های هوای مریخ نوردهای روح و فرصت که به کمک آن ها بر سطح سیاره مریخ فرود آمدند، با الیاف وکتران ساخته شده بودند.

کاربردهای صنعتی

این الیاف راه حل های بی نظیری برای کاربردهای صنعتی به ارمغان می آورد. پایداری در برابر بیش تر مواد شیمیایی امکان تولید بسته بندی ها و واشرهای مقاوم به مواد شیمیایی را می دهد. کاربران پوشاک محافظ مانند دستکش و لباس کار از مقاومت عالی در برابر بریده و سوراخ شدن، درجه حرارت بالا، خم وتا شدن و هم چنین ماندگاری در برابر چرخه های مختلف شستشو و خشک شدن (حتی در صورت وجود سفید کننده) این الیاف بهره مند می شوند. به عنوان مثال، صنعت فرآوری گوشت از بالاترین حوادث بریده شدن دست و سوراخ شدن شکم رنج می برد. لباس های از این جنس با افزایش مقاومت در برابر برش یا سوراخ شدن، ایمنی کارگران را بهبود می دهد. به دلیل هزینه بالای پوشاک و جراحات نسبت به هزینه، شرکت های فرآوری گوشت برای کارایی لباس های ایمنی حساس هستند. الیاف آرامید مقاومت کمی در برابر سفیدکننده دارند و الیاف HMPE نسبت به درجه حرارت زیاد همراه با خشک کردن حساس هستند. بنابراین، نسبت هزینه به کارایی لباس ایمنی هنگامی بهبود می یابد که لباس بتواند در معرض سفیدکننده مقاومت کرده و به اندازه کافی بادوام باشد که بدون از بین رفتن مقاومت یا شکل ناشی از آب رفتگی، در برابر چرخه های مختلف شستشو و خشک شدن پایداری کند.

کاربردهای تخصصی الکترونیکی

لیف Vectarn™ HT یک نامزد عالی برای بردهای مدار چاپی، اجزاء با استحکام فیبر نوری و تقویت کننده های رسانا است. استحکام دی الکتریک بالا همراه با مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و مقاومت عالی در برابر رطوبت، سطح جدیدی از کارامدی الکتریکی را در جلوگیری از نشت جریان فراهم می کند. این ترکیب به همراه پایداری ابعادی عالی و ضریب انبساط حرارتی کم، الیافی بی نظیر را برای مصارف تخصصی الکترونیکی فراهم می کند. [۷]

مقایسه حفظ استحکام الیاف وکتران در دماهای بالا با الیاف آرامید
شکل ۱۳- مقایسه حفظ استحکام الیاف وکتران در دماهای بالا با الیاف آرامید
مقایسه حفظ استحکام الیاف وکتران در دماهای پایین با الیاف آرامید
شکل ۱۴- مقایسه حفظ استحکام الیاف وکتران در دماهای پایین با الیاف آرامید

۷) الیاف PBI

الیاف پلی بنزیمیدازول (PBI) طبقه ای از الیاف مصنوعی بسیار مقاوم در برابر حرارت هستند که از پلی آمیدهای کاملاً معطر تشکیل شده اند؛ ماده سازنده آن یک پلیمر معطر با زنجیره بلند است که دارای گروه های ایمیدازول به عنوان یکی از واحدهای اصلی تکراری در ستون فقرات پلیمر است. PBI از یک تترامین معطر و یک دی کربوکسیلیک معطر یا یک مشتق از آن تهیه می شود. سپس رزین از طریق یک فرآیند خشک ریسی با استفاده از دی متیل استامید به عنوان یک حلال، به لیف تبدیل می شود. الیاف PBI نسبتاً گران هستند و تولید آن ها دشوار است، اما برخی از بهترین خواص الیاف را دارند. با توجه به ساختار کاملاً معطر، PBI دمای انتقال شیشه بسیار بالا (۴۲۵ درجه سانتیگراد/۸۰۰ درجه فارنهایت) دارد و بدون نقطه ذوب است. دمای شکست گرمای آن در فشار MPa 1/8 حدود ۴۳۵ درجه سانتیگراد (۸۱۵ درجه فارنهایت) است. این فیبر هم چنین پایداری عالی گرمایی و مقاومت شیمیایی از جمله در برابر الکل ها، هیدروکربن ها، حلال های کلردار، سولفید هیدروژن، اسیدها و باز های ضعیف و بسیاری از مواد شیمیایی دیگر دارد. دمای تجزیه آن بیش از ۱۳۰۰ درجه فارنهایت (> 700 درجه سانتیگراد) است که بر این اساس الیاف PBI برای طیف گسترده ای از کاربردهای درجه حرارت بالا مناسب هستند. این لیف انعطاف پذیر بوده، استحکام کم و بازیابی رطوبت کم و نسبت مقاومت به وزن برجسته ای دارد، نمی سوزد و ذوب نمی شود.
تنها فیبر PBI تجاری پلی (۲و۲-متا-پلی فنیلن-۵و۵-بیبنزیمیدازول) است. امروزه تنها تولید کننده این الیاف، شرکت “PBI Performance Products” است. [8]

در ادامه چند مطلب در مورد تاریخچه به کارگیری الیاف PBI آمده است:

  • در سال ۱۹۶۹، نیروی هوایی ایالات متحده پس از آتش سوزی سال ۱۹۶۷ در فضاپیمای آپولو ۱، که منجر به کشته شدن سه فضانورد شد، پلی بنزییمیدازول را به دلیل کارایی عالی محافظ حرارتی انتخاب کرد.
  • در دهه ۱۹۷۰، ناسا به استفاده از PBI به عنوان بخشی از لباس فضانوردان در آپولو، اسکای لب و پروازهای متعدد شاتل فضایی ادامه داد.
  • در دهه ۱۹۸۰، PBI به سازمان آتش نشانی معرفی شد. پارچه طلایی PBI، متشکل از ۴۰ درصد PBI و ۶۰ درصد پارا-آرامید، متولد شد. پیش از این، ترکیبی از مواد نومکس، چرم و مواد کولار در ایالات متحده استفاده می شد.
  • در سال ۲۰۰۱، پس از حملات تروریستی ۱۱ سپتامبر، بسیاری از ۳۴۳ آتش نشان کشته شده تنها به وسیلۀ لباس ها و تجهیزات ایمنی خود، که از الیاف PBI ساخته شده بودند، قابل شناسایی بودند. [۹]
الیاف PBI در لباس فضانوردان
شکل ۱۵- الیاف PBI در لباس فضانوردان
طناب های از جنس الیاف با کارایی بالا
شکل ۱۶- طناب های از جنس الیاف با کارایی بالا

در انتها خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف پلیمری با کارایی بالا در جدول زیر آورده شده است.

جدول ۱- خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف پلیمری با کارایی بالا

منابع:

۱٫ Menachem Levin, Handbook of Fiber Chemistry, Taylor & Francis Group, LLC, 2007
2. S. Eichhorn, J.W. S. Hearle, M. Jaffe, T. Kikutani, Handbook of Textile Fibre Structure, Volume 1: Fundamentals and Manufactured Polymer Fibres, Woodhead Publishing Limited, 2009
3. https://polymerdatabase.com/Fibers/PVDC.html
4. https://www.dsm.com/products/dyneema/en_GB/technologies/dyneema-form-factors/fiber.html
5. https://tracers.ru/en/2016/12/why-use-dyneema_spectra
6. https://eurofibers.com/fibers/zylon
7. https://www.scribd.com/document/63004829/Vectran-Technical-Data
8. https://polymerdatabase.com/Fibers/PBI.html
9. https://en.wikipedia.org/wiki/Polybenzimidazole_fiber

گرد آورنده:

حمیدرضا طیاری

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *