الیاف پلیمری (بخش دوم/الیاف با کارایی معمولی)

    در مقاله اول الیاف پلیمری با اهمیت آنها آشنا شدیم. همان‌طور که دیدیم، لیف ماده‌ای است که نسبت طول به قطر آن بیش‌تر از 100 باشد. همچنین با برخی مفاهیم و اصطلاحات این صنعت آشنا شدیم. در ادامه انواع الیاف پلیمری را بررسی می‌کنیم.

    گستره وسیعی از پلیمرها می‌توانند به‌ لیف تبدیل شوند (در مقاله‌های بعدی به این مهم خواهیم پرداخت). این الیاف کاربردهای بسیار مهم و متنوعی دارند که باعث شده در مصارف ساده خانگی و روزانه تا صنایع مختلف و مصارف پیچیده و با فناوری بالا استفاده شوند. مهم‌ترین این الیاف عبارت از پلی‌استر، پلی‌آمید یا نایلون، پلی‌اولفین، آکریلیک، آرامید و وینیل هستند. الیاف پلیمری براساس کارایی، به الیاف با کارایی معمولی و الیاف با کارایی بالا دسته‌بندی می‌شوند. در این مقاله، الیاف با کارایی معمولی و در مقاله بعد، الیاف با کارایی بالا را بررسی می‌ کنیم.

الیاف با کارایی معمولی

1) الیاف پلی‌استر

    الیاف پلی‌استر که عمدتاً پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) را شامل می‌شود، حجم بسیار بزرگی از تولیدات صنعت الیاف مصنوعی جهان را تشکیل می‌دهند و به‌نوعی بر این صنعت تسلط دارند. این الیاف ارزان هستند و به‌راحتی از منابع پتروشیمی تهیه می‌شوند و دامنه مطلوبی از خواص فیزیکی را دارند. آنها مستحکم، سبک، به‌راحتی قابل رنگ شدن و مقاوم در برابر چین و چروک بوده و قابلیت شست‌وشوی بسیار خوبی دارند. این الیاف به‌ هر دو صورت پیوسته و گسسته، در پارچه‌های نساجی و مبلمان، فرش، نخ تایر، کمربند ایمنی خودرو، فیلتر، چادر، بادبان و … استفاده می‌شوند.

    اگرچه پلیمر غالب در این الیاف، PET است، پلی‌استرهای دیگر نیز جایگاه خود را دارند. پلی‌بوتیلن ترفتالات (PBT) و اخیراً پلی‌تری متیل ترفتالات (PTT)، به‌دلیل جهندگی برتر لیف آنها، در الیاف فرش استفاده می‌شوند. همچنین پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر حاصل از اسید لاکتیک، اسید گلیکولیک و سایر هیدروکسی اسیدها، در وسایل پزشکی کاربرد دارند؛ به‌عنوان مثال، بخیه‌های جذب‌شونده و حامل‌های پلیمری انتقال دارو. [1]

شکل 1. الیاف پلی‌استر

شکل 2- کاربردهای متنوع الیاف پلی‌استر

شکل 4.کاربرد الیاف پلی‌استر در پارچه‌های ژئوتکستایل، به‌منظور تقویت بستر جاده

شکل 5. کاربرد الیاف پلی‌استر در سازه‌های پارچه‌ای

2) الیاف پلی‌آمید یا نایلون

    این الیاف به‌سبب ویژگی‌هایشان، در بسیاری از حوزه‌ها و صنایع، به‌ویژه صنعت نساجی کاربرد گسترده دارند. به‌طور مجزا به هر یک از این حوزه‌ها می‌پردازیم.

الف) منسوجات

    الیاف نایلون ویژگی‌هایی دارند که آنها را یکی از محبوب‌ترین الیاف مصنوعی کرده است. این ویژگی‌ها عبارتند از مقاومت بالا به‌عنوان یک لیف نساجی؛ مقاومت در برابر سایش، براقیت، مواد شیمیایی و روغنی، قابلیت شست‌وشو با آب، قابلیت رنگ‌پذیری در طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها، الاستیسیته و جهندگی خوب، سطح صاف، نرم و ماندگاری طولانی نخ‌ها و پارچه‌ها. به‌دلیل این خواص، از الیاف نایلون به‌طور گسترده در پوشاک، مانند لباس‌های کش‌باف (جوراب و …)، بلوز، لباس زیر، بارانی، پوشاک اسکی، بادگیر، لباس شنا و لباس دوچرخه‌سواری، همچنین برای اثاث خانه مانند مبلمان، روتختی، فرش و پرده استفاده می‌شود. ترکیبی از مقاومت عالی در برابر سایش، ظاهر و عوامل اقتصادی، الیاف پلی‌آمید را در موقعیت عالی در بازار الیاف فرش قرار می‌دهد و می‌توان انتظار داشت که این نایلون‌ها هم‌چنان بیش‌ترین الیاف مورد استفاده برای فرش‌ها خواهند بود.

ب) کاربردهای صنعتی

    خواص مکانیکی عالی، مقاومت در برابر خستگی و استحکام کششی خوب، از دلایل برتری الیاف پلی‌آمید برای کاربردهای صنعتی و برای استفاده در لاستیک کامیون و هواپیما است. سایر کاربردهای این الیاف، پارچه‌های اثاث خانه، کمربند ایمنی، چتر نجات، طناب، طناب قلاب ماهیگیری، تور، کیسه خواب، برزنت، چادر، ریسمان و نخ دندان هستند. به‌علاوه، استحکام بالا، چقرمگی و مقاوت در برابر سایش، عوامل اصلی انتخاب الیاف پلی‌آمید برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای‌های نظامی است.

ج) الیاف نایلون بافته‌نشده

    نایلون هم‌چون الیاف پلی‌استر (PET)، نقطه ذوب بالایی دارد که باعث کارایی خوب آن در دماهای بالا می‌شود. فیبر نایلون نسبت به آب، حساس‌تر از PET است. همچنین در بعضی موارد، به‌عنوان یک فیبر مخلوط استفاده می‌شود، زیرا استحکام پارگی بسیار خوبی دارد. روی‌هم‌رفته، جهندگی و بازیابی چین و چروک محصول نایلون بافته‌نشده، به‌اندازه فیبر PET خوب نیست. به‌دلیل چقرمگی، الیاف نایلون برای کف‌پوش مناسب است. همچنین در باتری‌های Ni-H و Ni-Cd، به‌عنوان جداکننده، جیر مصنوعی، عایق‌های حرارتی، کاغذهای مخصوص، محصولات مربوط به خودرو، پوشاک ورزشی و نوار نقاله استفاده می‌شود. [2]

شکل 7. الیاف نایلون

3) الیاف پلی‌اولفین (پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن)

    به‌استثنای الیاف کربن، شیشه، فلز و سرامیک، بیش‌تر الیاف طبیعی یا مصنوعی در استفاده تجاری عمومی، ساختارهای آلی با یک ستون فقرات زنجیر کربن-کربن هستند. اساساً پلیمرهای پلی‌اولفینی، جرم مولکولی بالا، هیدروکربن‌های آلیفاتیک و اشباع‌شده دارند که برخی از آن ها را می‌توان به‌راحتی به‌شکل لیف درآورد.

• محدوده دانستیه پلی‌اولفین‌ها gr/cm³ 90/0-94/0 است و بازیابی رطوبت بسیار کمی نشان می‌دهند. بدین ترتیب گزینه مناسبی برای کاربردهایی که نیازمند شناور بودن در آب و بازیابی ناچیز رطوبت هستند، مانند طناب‌های لنگراندازی، مهارهای آلودگی نفتی، تورهای ماهیگیری و … هستند.
• استحکام کششی خوب، مقاومت در برابر سایش و مقاومت عالی در برابر مواد شیمیایی، کپک، میکرو ارگانیسم و حشرات.
• ساختارهای پارچه‌ای پلی‌اولفین‌ها، مویینگی خوب و عایق‌بندی بالا نشان داده و برای پوست راحت است که اینها عوامل مهمی برای لباس ورزشی و پوشاک محافظ هستند.

    بااین‌حال، پلی‌اولفین‌ها خواص مشکل‌سازی برای کاربردهای خاص دارند. به‌عنوان مثال، به‌خاطر نقطه ذوب کم، پلی‌اتیلن 125-120 C° و پلی‌پروپیلن 160-165 C° نمی‌توانند در دماهای بالا استفاده شوند. این الیاف در سطوح خارجی قابل استفاده نیستند. از آنجا که پلی‌اولفین‌ها مستعد تخریب فتوسنتز هستند، مقاومت پایینی در برابر آب رفتن در دمای بالاتر از 100 C° دارند و رنگ کردن آنها سخت است و سایه رنگ محدود دارند. اولفین‌ها همچنین اشتعال‌پذیری بالا، جهندگی پایین و خزش ناشی از تنش دارند.

    پلی‌اولفین‌ها، به‌ویژه پلی‌پروپیلن، مقاومت و بی‌اثری بسیار خوبی در برابر مواد شیمیایی دارند که این خواص، پیش‌نیاز کاربردهای پزشکی و جراحی هستند. ساختارهای فیبری برای کاربردهای پزشکی نیاز به ترکیبی از استحکام، انعطاف‌پذیری، رطوبت و نفوذپذیری هوای  کنترل‌شده دارند. کاربرد مواد برای این کاربردها را می‌توان به چهار ناحیه تقسیم کرد.

• مواد غیر قابل کاشت؛ پانسمان زخم، باند، گچ و …
• وسایل خارج از بدن؛ کلیه، کبد و ریه مصنوعی
• مواد قابل کاشت؛ بخیه، مش جراحی، پیوندهای عروقی، اتصالات و رباط های مصنوعی
• محصولات بهداشتی؛ ملافه، پوشک، روپوش جراحی، دستمال و …

    در کاربرد مواد غیرقابل کاشت مانند مناطق تماس با زخم و محصولات مراقبت از زخم، از پارچه‌های پلی‌اتیلن و در بعضی از باندهای ارتوپدی و به‌عنوان تقویت‌کننده گچ، از الیاف پلی‌پروپیلن، به‌صورت بافته‌شده و بافته‌نشده استفاده می‌شود. در در کاربردهای قابل کاشت مانند بخیه‌های غیرقابل جذب و یا مش‌های جراحی، مانند مش‌های فتق که تک‌رشته‌های پلی‌پروپیلن هستند، معمولاً الیاف پلی‌پروپیلن قابل استفاده هستند.

    محصولات بهداشتی عمدتاً براساس پارچه‌های بافته‌نشده PP است. بزرگ‌ترین کاربرد PP، فیبر تک‌رشته برای پارچه‌های بافته‌نشده است. بزرگ‌ترین بازار پارچه‌های بافته‌نشده تک‌رشته PP، پوشک یک‌بارمصرف و محصولات کنترل بی‌اختیاری ادرار است. روپوش‌های بیمارستانی و جراحی به‌دلیل هزینه‌های بالای شست‌وشو و استریل کردن، عمدتاً یک‌بارمصرف هستند. برای این کاربرد، پارچه‌های بافته‌نشده ایده‌آل هستند. بسیاری از پوشاک بیمارستانی از کامپوزیت‌های بافته‌نشده SMS PP ساخته شده‌اند که در لایه میانی آنها برای جلوگیری از پاتوژن‌های منتقل‌شده از خون یا میکروب‌های ایجادکننده بیماری، یک غشاء حائل اضافه شده است. به‌علاوه، پارچه‌های بافته‌نشده PP یکی از اجزاء اصلی دستمال، ملافه و لوازم تخت خواب مورد استفاده در مراکز درمانی هستند. الیاف PP توخالی برای از بین بردن دی اکسید کربن خون بیماران و تأمین خون تازه، در ریه‌های مصنوعی استفاده می‌شود.

    طیف گسترده‌ای از فرآیندهای صنعتی، مستلزم جداسازی مواد جامد از مایعات (سیستم تعلیقی) یا گاز (آیروسل) برای تصفیه محصولات، صرفه‌جویی در مصرف انرژی، افزایش بهره‌وری فرآیند، بازیابی مواد گران‌بها و بهبود سیستم کنترل آلودگی و … هستند. به‌عنوان مثال، از فیلترهای هوا برای جداسازی ذرات جامد معلق (دوده) یا قطرات مایع (آیروسل) در هوا استفاده می‌شود. یکی از اولین کاربردهای نخ‌های پلی‌اتیلن، در تولید پارچه‌های تصفیه صنعتی بود. دامنه خواص ارائه‌شده توسط پلی‌اتیلن، به‌ویژه برای این کاربرد مناسب است و برای این منظور، به‌طور فزاینده از فیبر پلی‌اتیلن استفاده می‌شود. نخ‌های پلی‌اتیلن به‌دلیل ویژگی‌های زیر، برای پارچه‌های تصفیه صنعتی استفاده می‌شوند:

• مقاومت به رطوبت زیاد الیاف و پارچه‌های پلی‌اتیلن، طی تصفیه محلول‌های آبی ضعیف نمی‌شوند.
• مقاومت عالی پلی‌اتیلن در برابر طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی و حلال‌های مورد استفاده در تصفیه مایعات صنعتی.
• مقاومت بالای پلی‌اتیلن در برابر سایش، پارچه‌های فیلتر را قادر به تاب‌آوری قابل توجه در برابر سایش در حین تصفیه کردن می‌سازد. [3]

شکل 11. الیاف پلی‌اتیلن

شکل 12. الیاف پلی‌پروپیلن

4) الیاف آکریلیک

    بیش‌ترین رشد در استفاده از الیاف آکریلیک، به‌خاطر جایگزینی آن با پشم است. آکریلیک‌ها بسیاری از خواص مطلوب پشم را دارا بوده و در عین حال در بسیاری از حوزه‌ها که پشم در آنها کمبود دارد، برتر هستند. الیاف آکریلیک مانند پشم،  به‌دلیل گرمی، نرمی، توده زیاد، کیفیت کرک و توانایی بازیابی کشش ارزشمند هستند. ضمناً آکریلیک‌ها کم‌هزینه‌تر، مقاوم‌تر در برابر سایش و حمله شیمیایی و نسبت به تخریب ناشی از نور و گرما پایدارتر هستند. به‌علاوه آکریلیک‌ها، به‌وسیله بید و عوامل زیستی مورد حمله قرار نمی‌گیرند.

    آکریلیک‌ها در رقابت سختی با نایلون، پلی‌استر و پلی‌اولفین هستند و فقط در بازارهایی نفوذ کرده‌اند که در آنجا یک مزیت واضح در خواص بحرانی دارند. برای مثال آکریلیک‌ها از نظر مقاومت در برابر نور خورشید، برتری دارند که باعث می‌شود در کاربردهای فضای باز مانند سقف خودروهای با سقف برزنتی، چادرها و سایه‌بان‌ها باارزش باشند. آکریلیک‌های رنگ‌شده با رنگ‌دانه می‌توانند در کاربردهایی که در آنها حداکثر مقاومت در برابر محو شدن و از بین رفتن نیاز است، به‌کار روند.

    در کاربردهایی مانند سایه‌بان که به مقاومت در برابر شعله زیاد نیاز دارند، از الیاف مودآکریلیک استفاده می‌شود. آکریلیک‌هایی که کومونومر کمی دارند، در برابر حمله شیمیایی و حرارتی بسیار مقاوم هستند. این خصوصیات باعث می‌شود آکریلیک‌ها برای فیلترهای صنعتی و جداکننده باتری مناسب باشند.

    در بازار پوشاک عمومی، الیاف آکریلیک و مد آکریلیک به‌عنوان خز مصنوعی یا پارچه با ظاهر خزمانند استفاده می‌شوند. در این بازار، این الیاف یک محصول ممتاز هستند که در پارچه‌های لباس، ساتن و پاپیلن بسیار شیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پارچه‌ها برای عایق‌بندی مواد، مانند کاپشن و بخش‌های خارجی لباس اسکی مفید هستند. [2]

شکل 16. کاربرد الیاف آکریلیک در انواع پارچه

شکل 17- کاربرد الیاف آکریلیک در خز مصنوعی

5) الیاف وینیل

الف) الیاف پلی‌وینیل الکل (PVA) یا وینیلون (Vinylon)

• یكی از خواص الیاف PVA، وابستگی یا نزدیکی آن به آب است. استحکام، مدول و چقرمگی آن تفاوت چندانی با الیاف مصنوعی متداول دیگر ندارد. بااین‌حال، ضعف اصلی وینیلون این است که ترموپلاستیک نیست و بازیابی الاستیک کمی نشان می‌دهد، اگرچه در این بخش از پنبه و ریون برتر است.
• وینیلون برای طناب، لوازم ماهیگیری، نخ‌های خیاطی صنعتی، نخ‌های تایر دوچرخه، شیلنگ، ورق، پارچه‌های سنگین صنعتی، لوازم کشاورزی و… استفاده می‌گردد.
• مصارف صنعتی الیاف وینیلون شامل تورهای حوضچه کشت، نوار نقاله، نخ‌های تایر رادیال، نخ‌های دوخت تشک‌های تاتامی و برزنت، الیاف تقویت‌کننده، شیلنگ‌ها و بسیاری دیگر است.
• کاربردهای جدید این الیاف در صنعت مهندسی عمران است، مانند مواد تقویت‌کننده ژئو تکستایل.

ب) الیاف پلی‌وینیل کلراید (PVC) یا وینیون (Vinyon)

    ویژه‌ترین خاصیت الیاف PVC، عدم اشتعال آن است که بسیاری از کاربردهای آن به این خاصیت برمی‌گردد. وینیون، ترموپلاستیک و در برابر آب بسیار مقاوم و عایق برق و گرما است. معایب آن دمای نرم شدن و استحکام کششی پایین است. [2]

شکل 18. الیاف وینیلون

شکل 20. پارچه برزنتی وینیلون

خواص فیزیکی و مکانیکی انواع الیاف پلیمری

جدول1- خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف پلیمری

شکل 21. نمودار تنش-کرنش الیاف پلیمری

منابع

[1]. J. E. McIntyre, Synthetic fibres: Nylon, polyester, acrylic, polyolefin, Woodhead Publishing Limited, 2005
[2]. Menachem Levin, Handbook of Fiber Chemistry, Taylor & Francis Group, LLC, 2007
[3]. Samuel C. O. Ugbolue, Polyolefin Fibres, Industrial and medical applications, Woodhead Publishing Limited, 2009

گردآورنده: حمیدرضا طیاری