روش های تولید الیاف پلیمری

روش های تولید الیاف پلیمری

الیاف پلیمری – بخش چهارم و پایانی: روش های تولید الیاف پلیمری

در مقاله اول از سلسله مقالات الیاف پلیمری با این الیاف آشنا شدیم، سپس در مقاله دوم الیاف پلیمری معمولی و در مقاله سوم الیاف پلیمری با کارایی بالا را بررسی کردیم. در مقاله چهارم و پایانی روش های تولید این الیاف را معرفی می کنیم.

خواص لازم برای پلیمرهای تشکیل دهندۀ لیف

با وجود گستردگی پلیمرهای طبیعی و مصنوعی، تنها تعداد معدودی از آن ها می توانند به صورت الیاف مفید درآیند. این بدان دلیل است که یک پلیمر قبل از این که با موفقیت و کارآمدی به یک محصول فیبری تبدیل شود، باید الزامات خاصی را برآورده کند. برخی از این الزامات مهم عبارتند از:

  • پلیمر باید زنجیرهای طولانی، خطی و انعطاف پذیر داشته باشد.
  • گروه های جانبی زنجیره های پلیمری باید قطبی و با اندازه کوچک باشند.
  • پلیمرها باید قابل حل شدن در یک حلال آلی مشترک باشند و یا این که قابل ذوب شدن برای اکسترود کردن باشند.
  • زنجیره های پلیمری باید قادر به جهت گیری یا تبلور تحت شرایط جریان کششی و برشی در طی فرآیند اکستروژن باشند.
  • وزن مولکولی پلیمرها برای دستیابی به پایداری مکانیکی و حرارتی مناسب، باید به اندازه کافی بالا باشد و در عین حال برای حل یا ذوب شدن در فرایند اکسترودکردن، به اندازه کافی پایین باشد.

پلیمرهای مناسب برای تولید لیف می توانند به روش های مذاب ریسی، محلول ریسی، ژل ریسی، کریستال مایع و پخش ریسی به الیاف تبدیل شوند. [۱و۲]

در ادامه مطلب هر کدام از این روش ها را بررسی می کنیم.

۱) مذاب ریسی (Melt Spinning)

این روش به طور معمول برای ساختن الیاف از پلی الفین ها، نایلون و پلی استر استفاده می شود. فرایند ریسندگی مذاب شامل ذوب و اکسترود کردن پلیمر از طریق یک رشته ریس (یعنی یک حدیده با سوراخ های مویرگی) و به دنبال آن سرد کردن و جامد سازی آن برای تشکیل رشته ها است. معمولاً پلیمر مورد استفاده به صورت گرانول یا ساچمه های خشک است. نخست مواد از طریق یک قیف وارد اکسترودر می شود. اکسترودر، پلیمر را ذوب کرده و به درون یک پمپ اندازه گیری انتقال می دهد. پمپ اندازه گیری، پلیمر مذاب را با سرعت کنترل شده ی بسیار دقیقی به داخل محفظۀ ریسندگی می آورد، سپس پلیمر به سمت سوراخ های رشته ریس، هل داده شده و با عبور از آن ها به صورت رشته در می آید. این رشته ها از یک محفظۀ خنک کننده عبور می کنند تا جامد شوند. میزان سرد کردن و جامد سازی در محفظۀ خنک کننده به طور معمول به وسیلۀ عبور هوا کنترل می شود. هم چنین در برخی موارد ممکن است از سل های گرم شده و حمام های مایع نیز استفاده شود. در طی فرایند جامد سازی، برای پایین کشیدن رشته ها و تبدیل آن ها به قطرهای کوچک، از یک دستگاه جمع کننده استفاده می شود. به منظور بهبود یافتن ساختار فیزیکی و خواص مکانیکی رشته های حاصل، اغلب، آن ها را به طور مستقیم به فرایند کشش منتقل می کنند.

پارامترهای مهم و تاثیرگذار در این فرایند عبارتند از:

  • شکل سوراخ، ابعاد و شمارۀ رشته ریس
  • درجه حرارت اکستروژن
  • نرخ جریان توده درون هر سوراخ  رشته ریس
  • سرعت جمع کردن رشته ها
  • طول مسیر ریسندگی
  • شرایط خنک سازی

در حین مذاب ریسی، این پارامترها باید با دقت کنترل شوند تا ساختار و خصوصیات مورد نظر برای الیاف حاصل شود. برای درک چگونگی کنترل این پارامترها، به تجزیه و تحلیل مهندسی فرایند ریسندگی مذاب نیاز داریم که شامل جریان مذاب پلیمر، تعادل نیروها و انرژی ها و رشد جهت گیری مولکولی و ساختار بلوری است.

مزیت بزرگ مذاب ریسی این است که نیازی به مرحله تصفیه ندارد، زیرا از هیچ حلالی استفاده نمی شود. مزیت دیگر، سرعت تولید بسیار بالای آن است که از چند صد متر در دقیقه تا چند هزار متر در دقیقه متغیر است. [۱]

شماتیک فرایند مذاب ریسی
شکل ۱- شماتیک فرایند مذاب ریسی

۲) محلول ریسی (Solution Spinning)

از این روش برای تولید لیف از پلیمرهایی استفاده می شود که مذاب پایداری را تشکیل نمی دهند، اما می توانند در حلال ها حل شوند. دو روش مهم محلول ریسی، خشک ریسی و تر ریسی هستند. خشک ریسی معمولاً برای پلیمرهایی که در حلال های فرار محلول هستند و تر ریسی اغلب برای پلیمرهایی که در حلال های غیر فرار یا گرما ناپایدار حل می شوند، استفاده می شود.

۲-الف) خشک ریسی (Dry Spinning)

نخست محلول به وسیله ی یک پمپ اندازه گیری با سرعت دقیق و کنترل شده به رشته ریس منتقل می شود. اغلب برای بازیابی حلال، رشته ریس در یک برج خشک کن محصور قرار می گیرد. محلول پلیمر پس از خروج از رشته ریس، با جریانی از گاز بی اثر گرم (معمولاً هوا) تماس پیدا کرده و حلال تبخیر می شود. گاز گرم، همه یا بیش تر حلال های تبخیر شده از محلول پلیمر را حمل کرده و از برج خشک کن خارج می شود. در طی این فرایند، غلظت پلیمر در رشته ها افزایش می یابد و رشته ها جامد می شوند. خشک ریسی (۸۰۰-۱۰۰  متر بر دقیقه) سریع تر از تر ریسی و کندتر از مذاب ریسی است.

نمونه هایی از محصولات تولید شده با خشک ریسی، الیاف پلی آکریلو نیتریل، پلی وینیل کلراید و استات سلولز هستند. حلال های مورد استفاده در این روش معمولاً نقطه جوش و گرمای تبخیر کم دارند. حلال ها هم چنین باید از نظر حرارتی پایدار، به راحتی قابل بازیابی، غیر سمی و غیر منفجره باشند. نمونه هایی از این حلال ها شامل الکل ها، استون، اتر و تترا هیدرو فوران هستند. برای تبخیر و بازیابی مؤثر حلال، گاز خشک کن اغلب گرم می شود (دمای گاز ورودی بسته به ماهیت پلیمر و حلال از ۱۰۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی گراد تغییر می کند). در صورت امکان برای کاهش مقدار حلال مورد استفاده، محلول های پلیمری غلیظ ارجح هستند. معمولاً محدوده غلظت پلیمر در خشک ریسی، بین ۱۵ تا ۴۰ درصد است. شکل ۲، شماتیکی از این فرایند را نشان می دهد. [۱]

شماتیک فرایند محلول ریسی خشک
شکل ۲- شماتیک فرایند محلول ریسی خشک

۲-ب) تر ریسی (Wet Spinning)

شکل ۳، فرایند محلول ریسی تر یا تر ریسی را نشان می دهد. نخست، رشته ریس در حمام ریسندگی که حاوی ضد حلال است (مایعی که با حلالِ محلول پلیمری امتزاج پذیر است، اما نمی تواند پلیمر را حل کند)، قرار می گیرد. در حین ریسندگی، محلول پلیمر از رشته ریس به داخل حمام اکسترود شده و پلیمر رسوب می کند تا رشته های جامد تشکیل شود. در ادامه، حلال موجود در محلول پلیمر به وسیلۀ مکانیسم ضد انتشار حذف می شود. طراحی های بسیار مختلفی از سیستم های تر ریسی وجود دارد؛ حمام ریسندگی را می توان به صورت افقی یا عمودی قرار داد. در حمام ریسندگی عمودی، رشته ها می توانند به سمت بالا یا رو به پایین حرکت کنند. علاوه بر حمام ریسندگی نشان داده شده در شکل ۳، ممکن است برای از بین بردن حلال، حمام های انعقاد بیش تری مورد نیاز باشد و گاهی اوقات مراحل بعدی تولید (به عنوان مثال، کشش، شستشو، خشک کردن، تنظیم گرما) با فرایند تر ریسی ترکیب می شود. ریسندگی مرطوب اغلب برای فرایند کردن الیاف پلی آکریلونیتریل، پلی وینیل کلراید، پلی وینیل الکل و سلولز استفاده می شود. غلظت پلیمر مورد استفاده در تر ریسی از ۵ تا ۳۰ درصد متغیر است که به طور معمول از خشک ریسی پایین تر است. در مقایسه با مذاب ریسی و خشک ریسی، فرایند تر ریسی، سرعت ریسندگی  بسیار کم تری (از ۵۰ تا ۳۰۰ متر در دقیقه) دارد. این امر عمدتاً به این دلیل است که رشته ها در حمام های مایع، نیروهای کششی بسیار بزرگ تری را تحمل می کنند. [۱]

شماتیک فرایند محلول ریسی تر
شکل ۳- شماتیک فرایند محلول ریسی تر

۳) ژل ریسی (Gel Spinning)

ژل ریسی که به عنوان خشک-تر ریسی نیز شناخته می شود، می تواند برای تولید الیاف پلیمری با کارایی بالا استفاده شود. اشکال مختلفی از این فرایند وجود دارد. نخست محلول پلیمر به داخل رشته ریس، که در بالای حمام ریسندگی قرار گرفته است، پمپ می شود تا یک شکاف هوای کوتاه ایجاد شود. رشته های اکسترود شده از شکاف هوا عبور می کنند، که شبیه به فرایند خشک ریسی است و بعد مانند تر ریسی به داخل حمام ریسندگی می روند. این فرایند امکان تشکیل رشته های ژل به وسیله انعقاد گرمایی برگشت پذیر را فراهم می کند. این رشته های ژل از پایداری مکانیکی کافی برخوردار بوده و به داخل اجاق منتقل می شوند تا  با کشیده شدن به الیاف با کارایی بالا تبدیل شوند.

در فرایندهای مذاب و محلول ریسی، مرحله کشش برای دستیابی به جهت گیری مولکولی بالا و خواص مکانیکی خوب ضروری است. با این حال، کشیدگی در فرایند ژل ریسی بی نظیر و برجسته است. به طور کلی، رشته های ژل هنوز حاوی مقدار زیادی حلال هستند و شبکه های متورم را تشکیل می دهند که به مناطق بلوری کوچک متصل هستند (شکل ۴). کشیدن چنین رشته های ژلی به طور معمول با درجه حرارت بالا در اجاق انجام می شود. اگرچه پس از حذف کامل حلال نیز کشیدن امکان پذیر است، وجود حلال در هنگام کشیده شدن می تواند به تسهیل حرکت زنجیرهای پلیمری کمک کند و منجر به جهت گیری مولکولی بسیار بالا در الیاف ژل ریسی شده گردد. (شکل۵)
ژل ریسی امکان تولید الیاف با کارایی بالا از پلیمرهای با زنجیرهای پلیمری قابل انعطاف مانند پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMW-PE) را فراهم می کند. معمولاً برای تشکیل رشته های ژل، غلظت محلول پلیمر کم است، به عنوان مثال، ۱-۲ درصد برای UHMW-PE.

شماتیک فرایند ژل ریسی
شکل ۴- شماتیک فرایند ژل ریسی
شماتیک ساختار شبکه متورم در یک رشته ژل
شکل ۵- شماتیک ساختار شبکه متورم در یک رشته ژل

۴) ریسندگی به روش کریستال مایع (Liquid Crystal Spinning)

الیاف با کارایی بالا با ریسیدن پلیمرهای بلوری مایع نیز می توانند  به دست آیند. بلورهای مایع، مایعات بسیار ساختارمند با نظم مولکولی آرایش یافته (نماتیک و کلستریک) یا موضعی (اسمزیک) هستند (شکل۷). تبلور مایع در پلیمرها ممکن است با حل کردن  پلیمر در یک حلال، مانند پلیمرهای بلوری مایع لیوتروپیک (مایع گرا)، یا با گرم کردن پلیمر تا بالای دمای انتقال شیشه ای یا ذوب آن، مانند پلیمرهای بلوری مایع ترموتروپیک (دما گرا)، تحقق یابد. زنجیرهای پلیمری بلوری مایع به شکل میله می توانند الیاف با کارایی بالا ایجاد کنند، زیرا جهت گیری این زنجیرهای پلیمری بدون تا شدن و در جهت طولی لیف، آسان است.

شکل ۸، وابستگی غیرمعمول غلظت ویسکوزیته محلول پلیمرهای بلوری مایع لیوتروپیک را نشان می دهد. با افزایش غلظت پلیمر، ابتدا ویسکوزیته افزایش می یابد. با این حال، پس از رسیدن غلظت به یک مقدار بحرانی، ویسکوزیته به سرعت کاهش پیدا می کند. این بدان دلیل است که بدون توزیع منظم زنجیرهای پلیمری، در غلظت های پایین، فاز کریستالی مایع تشکیل نشده و محلول پلیمر ایزوتروپیک است. ویسکوزیته محلول ایزوتروپیک با افزایش غلظت پلیمر افزایش می یابد. هنگامی که غلظت به مقدار بحرانی برسد، فاز کریستالی مایع تشکیل می شود و ترتیب جهت یابی زنجیرهای پلیمری مقاومت در برابر جریان را کاهش می دهد، در نتیجه منجر به ویسکوزیته پایین تر می شود. برای پلیمرهای کریستالی مایع ترموتروپیک، ویسکوزیته مذاب پلیمر نیز در دمایی که فاز کریستالی مایع ظاهر می شود، به سرعت کاهش می یابد. پلیمرهای کریستالی مایع لیوتروپیک می توانند با استفاده از فرآیند ژل ریسی یا تر ریسی به لیف تبدیل شوند، در حالی که پلیمرهای کریستالی مایع ترموتروپیک می توانند با مذاب ریسی، به لیف تبدیل شوند. اگرچه هر دوی پلیمرهای کریستالی مایع لیوتروپیک و ترموتروپیک قابل تبدیل به الیاف هستند، اما موفق ترین الیاف کریستالی مایع در این زمینه بر اساس پلیمرهای لیوتروپیک ساخته شده اند. نمونه بارز آن پلی فنیل ترفتالاتاماید (PPTA) یا کولار (Kevlar®) است که برای اولین بار در سال ۱۹۷۲ توسط شرکت دوپونت تولید شد. الیاف کولار را می توان با روشی شبیه به فرآیند ژل ریسی تولید کرد (شکل۹). اگرچه، بر خلاف ژل ریسی الیاف UHMW-PE، که در آن از محلول های با غلظت کم استفاده می شود، الیاف کولار از محلول های غلیظ، به عنوان مثال، ۲۰ درصد PPTA در ۸۰ درصد اسید سولفوریک، ریسیده می شوند. علاوه بر این جهت گیری مولکولی بالای الیاف کولار به طور مستقیم از فاز کریستالی مایع به دست می آید. [۱]

شماتیکی از آرایش یافتگی بالای مولکولی در یک لیف ژل ریسی شده
شکل ۶- شماتیکی از آرایش یافتگی بالای مولکولی در یک لیف ژل ریسی شده
فازهای نماتیک، کلستریک و اسمتیک بلورهای مایع
شکل ۷- فازهای نماتیک، کلستریک و اسمتیک بلورهای مایع
رابطه ویسکوزیته-غلظت پلیمرهای کریستال مایع لیوتروپیک
شکل ۸- رابطه ویسکوزیته-غلظت پلیمرهای کریستال مایع لیوتروپیک

۵) پخش ریسی (Dispersion Spinning)

پخش ریسی برای تولید الیاف از پلیمرهایی استفاده می شود که محلول نیستند و فقط در دماهای بسیار بالا ذوب می شوند. به عنوان مثال، پلی تترا فلورو اتیلن (Tm=327°C) ، نمی تواند با فرآیند معمول مذاب یا محلول ریسی به لیف تبدیل شود. به منظور تشکیل الیاف، ذرات ریز پلی تترا فلورو اتیلن برای ایجاد پراکندگی همگن، در یک محلول آبی پلیمر (به عنوان مثال، پلی وینیل الکل) پخش شده و سپس الیاف با استفاده از خشک یا تر ریسی، ساخته می شوند. پس از فرایند ریسندگی، برای تجزیه پلیمر، مرحلۀ آماده سازی حرارتی و رسوب  ذرات پلی تترا فلورو اتیلن به الیاف اجرا می شود. [۱]

۶) ریسندگی واکنشی (Reaction Spinning)

ریسندگی واکنشی مونومرها یا پیش پلیمرها را می توان برای تشکیل الیاف از مواد شروع واکنشی استفاده کرد. یک نمونه خوب برای ریسندگی واکنشی، تشکیل الیاف اسپندکس است. بعضی از الیاف اسپندکس با استفاده از دو نوع  پیش پلیمر تولید می شوند: یکی ماکروگلیکول انعطاف پذیر و دیگری دی ایزوسیانات سفت است. ماکروگلیکول، یک پلیمر زنجیره ای طولانی است که در دو انتهایش گروه های هیدروکسیل دارد. این قسمت ماکروگلیکول فیبر اسپندکس، انعطاف پذیر و مسئول ویژگی کششی آن است. دی ایزوسیانات یک پلیمر با زنجیر کوتاه تر و گروه های ایزوسیانات در دو انتها است. قسمت دی ایزوسیانات اسپندکس سفت و سخت است و باعث استحکام می شود. در طی فرآیند تشکیل لیف، این دو پیش پلیمر، در محلول، با برخی مواد افزودنی مخلوط شده و به رشته ریس منتقل می شوند. پس از خروج از رشته ریس، رشته ها با حضور نیتروژن و حلال، گرم شده و دو پیش پلیمر واکنش نشان داده و الیاف اسپندکس جامد شده را تشکیل می دهند. [۱]

شماتیکی از ریسندگی واکنشی الیاف کولار
شکل ۹- شماتیکی از ریسندگی واکنشی الیاف کولار

۷) ریسندگی الکتریکی (Electrospinning)

ایده ریسندگی الکتریکی بر اساس یک میدان الکتریکی خارجی است که برای سیالات یا مذاب های پلیمری باردار به کار شود. این میدان الکتریکی خارجی منجر به ایجاد بار الکتریکی در سطح پلیمر و غلبه بر تنش سطحی شده و در نتیجه یک جریان سریع یا جت تولید می شود. این روش فقط برای محلول های پلیمری باردار یا مذاب های با درگیری های مولکولی کافی معتبر است. در ریسندگی الکتریکی، قطره ای کوچک از محلول بار دار شده در انتهای یک مویرگ، به یک مخروط تغییر شکل پیدا می کند. در یک ولتاژ بحرانی، با افزایش بار، یک جت پایدار از نوک مخروط تخلیه می شود. جت مایعات با وزن مولکولی کم به قطرات کوچک شکسته می شود، پدیده ای به نام اسپری شدن الکتریکی، در حالی که یک محلول پلیمری با هم پوشانی و درهم آمیختگی زنجیره ای کافی، شکسته نمی شود اما به اصطلاح دچار بی ثباتی خمشی می شود که همین قضیه باعث حرکتی شلاق مانند بین نوک مویرگ و زمین می شود. شکل ۱۰ شماتیکی از روند ریسندگی الکتریکی را نشان می دهد.
حصیرهای بافته نشده که به این روش تولید می شوند، یک سطح خاص دارای تخلخل بالا و اندازه منافذ کوچک دارند. این فرآیند به طور معمول الیافی با قطر نانومتر تا زیر میکرومتر تولید می کند. به دست آوردن الیاف با دامنه قطر کم تر از ۱۰۰۰ نانومتر از روش های معمول دیگر تولید الیاف بسیار دشوار است. از نانوالیاف به دست آمده توسط فرآیند ریسندگی الکتریکی می توان برای بسیاری از کاربردها مانند دستگاه های تصفیه، غشاها، اپتیک، پیوندهای عروقی، لباس محافظ، قالب های مولکولی و چهارچوب های بافته استفاده کرد.
در این روش، خواص لیف به یکنواختی میدان الکتریکی، ویسکوزیته پلیمر، قدرت میدان الکتریکی و فاصله بین نازل و جمع کننده بستگی دارد. [۲]

شماتیک فرایند ریسندگی الکتریکی
شکل ۱۰- شماتیک فرایند ریسندگی الکتریکی

منابع:

۱٫ Xiangwu Zhang, Fundamentals of fiber science, DEStech Publications, Inc., 2014
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

گرد آورنده:

حمیدرضا طیاری

دیدگاهتان را بنویسید

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