الیاف پلیمری (بخش سوم/الیاف با کارایی بالا)

    تاکنون در بخش‌های اول و دوم سلسله مقالات الیاف، با الیاف پلیمری آشنا شده و انواع آنها را شناختیم. در بخش سوم، الیاف پلیمری با کارایی بالا یا High Performance Fibers را بررسی می‌کنیم.

    در مقاله دوم، مهم‌ترین و پرکاربردترین الیاف پلیمری، یعنی الیاف پلی‌الفین، پلی‌آمید، وینیل، آکریلیک و پلی‌استر را بررسی کردیم. علاوه‌بر اینها، الیاف دیگری نیز وجود دارند که کاربردهای کمتر ولی بااهمیتی دارند که با عنوان الیاف با کارایی بالا شناخته می‌‎شوند. 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 فوق‌العاده‌ای دارند. این الیاف معمولاً با نام‌های تجاری خود شناخته می‌شوند. مهم‌ترین این الیاف شامل موارد زیر هستند:

• الیاف آرامید
• الیاف الاستومری ترمو پلاستیک
• الیاف پلی‌وینیلیدن کلراید (PVCD)
• الیاف پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMPE)
• الیاف PBO یا زیلون (Zylon®)
• الیاف پلی‌یاریلات با دانسیته بالا یا وکتران (Vectran11)
• الیاف PBI

الیاف با کارایی بالا

1) الیاف آرامید

    الیاف آرامید که بیشتر با نام‌های تجاری نومکس و کولار شناخته می‌شوند، از رایج‌ترین الیاف با کارایی بالا هستند. این الیاف به دو دسته متا-آرامید و پارا-آرامید تقسیم‌بندی می‌شوند.

شکل 1. کاربردهای گوناگون الیاف آرامید

1-الف) الیاف متا-آرامید

    این الیاف با نام تجاری نومکس (Nomex®) شناخته می‌شوند. بسیاری از کاربردهای این الیاف، به‌دلیل ترکیب بی‌نظیر مقاومت آنها در برابر شعله با خواص گرمایی و نساجی آنهاست. الیافی که از این پارچه‌ها ساخته شده‌اند، ذاتاً مقاوم در برابر شعله هستند و ذوب نمی‌شوند. به همین دلیل است که از پارچه‌های متا-آرامید به‌طور گسترده در پوشاک محافظ در برابر حرارت در کاربردهای صنعتی، نظامی (لباس خلبانی، پوشش محافظ برای خودروهای جنگی)، آتش‌نشانی و اتوموبیل‌رانی و در صنایع شیمیایی و پتروشیمی که خطرات آتش‌سوزی ناگهانی یا قوس الکتریکی برای کارگران وجود دارد، استفاده می‌شود. در پوشاک آتش‌نشانی، از متا-آرامیدها و مخلوط‌های آن با پارا-آرامیدها در لباس عملیات و لوازم محافظ، لباس فرم ایستگاه، هود، دستکش و چکمه استفاده می‌کنند. لباس آتش‌نشانی یک سیستم سه‌جزئی (پوسته بیرونی، لایه مانع رطوبت و لایه مانع حرارتی) است که علاوه‌بر محافظت حرارتی بنیادی در شرایط آتش گرفتگی ناگهانی و محیط‌های داغ، به‌منظور به حداکثر رساندن راحتی و به حداقل رساندن پتانسیل تنش حرارتی طراحی شده است.

شکل 2. کاربرد الیاف نومکس در لباس‌های مقاوم در برابر حرارت و نظامی

    این الیاف همچنین در فیلترهای کنترل‌کننده آلودگی هوا در صنعت آسفالت داغ (Hot Mix Asphalt) استفاده می‌شوند. این فیلترهای تصفیه هوا، به‌خاطر انطباق با آلاینده‌ها و به‌صرفه بودن، سیستم ارجح تمیز کردن هوا هستند. فیلترها در این حوزه از مواد مختلفی مانند تفلون، الیاف شیشه، پلی‌استر و پلی‌فنیلن سولفید، قابل ساخت هستند، اما برای کارخانه‌های آسفالت، متا-آرامیدها به‌دلیل عوامل تعیین‌کننده‌ای چون عملکرد تصفیه، مقاومت شیمیایی، استحکام تنش-کرنش، دوام، هزینه و مقاومت در برابر دما و احتراق، مناسب‌ترین هستند.

شکل 3. فیلتر نومکس مورد استفاده در صنعت آسفالت (HMA)

    پارچه‌های متا-آرامید برای کاورهای اتو بخار نیز استفاده می‌شود. این مواد می‌توانند تا دمای 2800 C° در برابر حرارت پایدار باشند. در دماهای پایین‌تر (1608-160 درجه سانتی‌گراد)، پارچه‌های متا-آرامید قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به پوشش‌های ارزان‌قیمت پلی‌استر مجاز در این محدوده دارند. متا-آرامیدها همچنین مزایای مقاومت در برابر سایش، پایداری ابعادی و مقاومت خیلی خوب در برابر هیدرولیز دارند.

    متا-آرامیدها به‌صورت ورق و صفحات پرس‌شده، تعادل بهینه‌ای از خواص را برای استفاده به‌عنوان عایق الکتریکی در ترانسفورماتورها، موتورها، ژنراتورها و سایر تجهیزات الکتریکی فراهم می‌کنند. این مواد می‌توانند عمر تجهیزات الکتریکی را افزایش دهند و خرابی‌های نابهنگام متناوب را کاهش داده و در قبال تنش‌های الکتریکی تصادفی محافظت کنند.

1-ب) الیاف پارا-آرامید

    این الیاف با نام تجاری کولار (Kevlar®)  شناخته می‌شوند. همان‌طوری که الیاف متا-آرامید به‌دلیل مقاومت در برابر شعله خود مشهور هستند، الیاف پارا-آرامید عموماً به‌عنوان ماده انتخابی برای جلیقه ضد گلوله شناخته شده‌اند. درحالی‌که پارا-آرامیدها نقش مهمی در این کاربرد بازی می‌کنند، تلاش خواهیم کرد خواص غیر معمول آنها را نیز که برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای دیگر مناسب است، نشان دهیم.

زره

    سیستم‌های زره ​‌پوش بر پایه آرامید، به‌منظور محافظت از افراد و تجهیزات در برابر انواع تهدیدات در محیط‌های غیرنظامی و نظامی طراحی شده‌اند. گلوله سلاح کمری و چاقو تهدیدات اساسی‌ای است كه در كارهای غیرنظامی با آن روبرو می‌شوید. تهدیدات نظامی گسترده‌تر است و عموماً با پرتابه‌هایی با سرعت بالاتر، از جمله گلوله اسلحه، ترکش‌های خمپاره، نارنجک و مین سر و کار دارد. طراحی سیستم حفاظتی بهینه باید ماهیت تهدید را در نظر بگیرد و بنابراین، سیستم‌های غیرنظامی و نظامی لزوماً متفاوت خواهند بود. سیستم‌های زره‌پوش به دسته‌های نرم و سخت تقسیم می‌شوند. سیستم‌های زره‌​​پوش نرم مجموعه‌هایی از پارچه‌های بافته‌شده است که برای ساخت جلیقه‌های مقاوم در برابر گلوله و سازه‌های نرم مانند آستر استفاده می‌شود. سیستم‌های زره‌پوش سخت یا کامپوزیت، در کلاه ایمنی و سازه‌هایی استفاده می‌شود که برای محافظت از وسایل نقلیه، کشتی‌ها یا پناهگاه‌ها طراحی شده‌اند. این سیستم‌ها از چند لایه پارچه اشباع‌شده از یک وینیل استر یا یک اتصال‌دهنده رزین فنولی-پلی‌وینیل بوتیرال ساخته شده است. آسترهای اسپال که در داخل وسایل نقلیه نظامی زره‌​​پوش جای گرفته و در برابر قطعاتی که در اثر اصابت گلوله‌های با سرعت زیاد به وجود می‌آید، محافظت می‌کنند، نمونه‌ای کلاسیک از زره‌های سخت است.

پوشاک محافظ

    نخ‌های پارا-آرامید در لباس‌های محافظتی‌ای استفاده می‌شود که در آنها 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 پیش‌بند و جلیقه است. نخ پارا-آرامید تحت تأثیر سوختن قرار نمی‌گیرد و برخلاف محصولات رقابتی ساخته‌شده از نایلون، پلی‌استر و پلی‌اتیلن، ذوب نمی‌شود. دستکش‌های پارا-آرامید مقاومت برشی فوق‌العاده‌ای دارند و می‌توانند خطر جراحات دست و انگشت را در عملیات جابه‌جایی شیشه و فلز، به‌میزان قابل توجهی کاهش دهند.

تایر

    پارا-آرامیدها به‌عنوان عامل تقویت‌کننده برای نوارهای تایر رادیال، به‌دلیل استحکام و مدول بالا، تاب‌آوری در دمای بالا و نسبت مقاومت به وزن مطلوب، بسیار مناسب است. برخلاف این ویژگی‌ها، سیم فولادی با هزینه کمتر، همچنان تقویت‌کننده منتخب لاستیک خودروهای سواری است. بااین‌وجود، تارهای آرامید از زمان معرفی در اواسط دهه 1970، به‌آرامی وارد کاربردهای تایر شده‌اند؛ به‌ویژه در عرصه کارایی بالا که نسبت کارایی به وزن بسیار مهم است. معیارهای اصلی کارایی عبارتند از انطباق با سرعت، هدایت‌پذیری و راحتی. عوامل دیگری که باعث افزایش مصرف آرامید در لاستیک‌های خودرو و کامیون می‌شود، تلاش‌های مداوم در جهت کاهش وزن خودرو و کاهش مقاومت در برابر غلت خوردن برای کاهش مصرف انرژی است. آرامیدها همچنین در لاستیک‌های هواپیما، موتور سیکلت و دوچرخه استفاده می‌شوند که در آن، ویژگی‌های کارایی اغلب از هزینه بالاتری برخوردار هستند. دنیر نخ معمولی برای کاربردهای تایر 3000-1000 است.

کامپوزیت

    پارا-آرامیدها به‌عنوان عامل تقویت‌کننده ماتریس یا به‌عنوان هیبرید در ترکیب با کربن یا شیشه، به‌طور گسترده‌ای در مواد کامپوزیتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تعادل خواص کامپوزیت از کاربردی به کاربرد دیگر متفاوت است اما نیاز اصلی، کارایی مقرون‌به‌صرفه در کاهش وزن است. شیشه از استحکام و مدول کمتر و دانسیته بالاتری نسبت به سرامیک یا کربن برخوردار است اما به‌دلیل کم‌هزینه بودن، بیشترین کاربرد را به‌عنوان الیاف تقویت‌کننده دارد. الیاف کربن دارای بیشترین استحکام و مدول اما کمترین ازدیاد طول هستند. الیاف آرامید ترکیبی از استحکام بالا و مدول (اگرچه کمتر از کربن) با دانسیته کم و ازدیاد طول زیاد را دارند که منجر به بهبود مقاومت به ضربه می‌شود. سازه‌های کامپوزیتی در بسیاری از کاربردها شامل قطعات صنایع هوافضا و خودرو، قایق، کالاهای ورزشی و مخازن تحت فشار یافت می‌شوند. همچنین ترکیب‌های آرامید در چوب‌های هاکی و گلف، میله‌های ماهیگیری، چوب اسکی و راکت‌های تنیس، خود را جای داده‌اند.

طناب و کابل

    پارا-آرامیدها استحکام و مدول بالایی دارند و امکان طراحی طناب کشتی با قابلیت حمل بار زیاد با سیستم‌های سبک‌تر و کوچک‌تر را فراهم می‌کنند. کاربردهای این حوزه شامل کابل‌های بستن برای کشتی، بکسل، کابل‌های آسانسور و کابل‌های در اعماق دریا هستند. در مقایسه با کابل‌های سنگین سیم فولادی، پارا-آرامید استحکام معادل یک پنجم وزن را فراهم می‌کند و سرعت خزش آن نزدیک به فولاد است. برخلاف فولاد، طناب‌های آرامید در یک محیط آبی دچار خوردگی نمی‌شوند. طناب‌های آرامید باید به‌گونه‌ای طراحی و استفاده شوند که پتانسیل آنها در سایش شدید داخلی یا خارجی به حداقل برسد. [1]

شکل 4. کاربردهای الیاف پارا-آرامید

2) الیاف الاستومری ترموپلاستیک

    الیاف الاستومری ترموپلاستیک، معمولاً الیاف مصنوعی‌ای هستند که حداقل 85 درصد وزنی سگمنت‌های آنها از پلی‌یورتان تشکیل شده است. به‌طور کلی این الیاف با بازیابی الاستیک بسیار بالا (تا 99 درصد) و قابلیت انعطاف‌پذیری زیاد (تا 500 درصد) مشخص می‌شوند که خود این مسأله نیز به ترکیب شیمیایی دقیق و روش ساخت آنها بستگی دارد. برخلاف الیاف لاستیکی که مانند رشته‌های منفرد تولید می‌شوند، الیاف الاستومری نسبتاً نازک هستند و در تولید لباس‌های مدرن و با راحتی بالا استفاده می‌شوند. الیاف الاستومری برای اولین بار در سال 1930 توسط شرکت “DuPont” تجاری‌سازی و با برند Spandex® و elastane® روانه بازار شدند.

    از خصوصیات ویژه الیاف الاستومری می‌توان به مقاومت عالی در برابر اکسید شدن و حلال‌های خشک‌شویی، رنگ‌پذیری مناسب، حفظ عالی خواص پس از قرار گرفتن در معرض پرتو فرابنفش، مقاومت عالی در برابر روغن‌های بدن و چقرمگی بسیار خوبی که از لزوم محافظت از فیبر در هنگام بافندگی جلوگیری می‌کند، اشاره کرد. در تعدادی از کاربردهای نساجی الاستیک، این ویژگی‌های الیاف الاستومری، آنها را به‌عنوان مواد انتخابی در کاربردهای نساجی الاستیک، جایگزین الیاف لاستیکی و ایجاد بازارهای جدید مانند لباس‌های ورزشی، نساجی پزشکی و پوشاک راحتی کشسان می‌سازد.

    چهار نوع مرسوم الاستومر گرما نرم وجود دارد که می‌توان از آنها برای تولید الیاف الاستومری استفاده کرد؛ یعنی پلی‌یورتان‌ها، کوپلیمرهای پلی‌استر، کوپلیمرهای استایرن و اولفین‌ها. به‌طور کلی خواص مکانیکی الیاف تولیدشده از دو نوع اول از دو نوع آخر بهتر است و می‌توان آنها را به دو دسته از مواد با کارایی بالا تقسیم کرد؛ الاستومرهای ترموپلاستیک پلی‌آمید (نایلون) و آلیاژهای الاستومری که از یک رزین الفینی و لاستیک تشکیل شده است. الاستومرهای ترموپلاستیک پلی‌آمیدی، دانسیته کم، کرنش بالا و مقاومت خوب در برابر سایش و حلال دارند.

2-الف) الیاف پلی‌یورتان

    همان‌طور که اشاره شد، الیاف پلی‌یورتان (با برندهای تجاری Spandex® و Elstane®)، با خاصیت ارتجاعی یا کشش‌پذیری استثنایی خود شناخته می‌شوند. الیاف اسپندکس، قوی‌تر، سبک‌تر، همه‌کاره‌تر و بادوام‌تر از لاستیک هستند. اسپندکس نام تجاری رایج این الیاف در آمریکای شمالی است، درحالی‌که در جاهای دیگر بیش‌تر از نام الاستان استفاده می‌شود. 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 می‌دهد. این الیاف مقاومت بالایی در برابر تخریب ناشی از نور خورشید، تعریق و کلر دارند که این امر آنها را برای انواع مختلف لباس‌های ورزشی و شنا مناسب می‌کند. خاصیت الاستیک ویژه و کاربرد گسترده صنعتی الیاف اسپندکس، نتیجه مستقیمی از ساختار شیمیایی پلی‌یورتان است که یک کوپلیمر چند بلوکه متشکل از سگمنت‌های متناوب پلی‌استر یا پلی‌اتر نرم و پلی‌یورتان و اوره سخت است.

شکل 5. خاصیت کشسانی فوق‌العاده الیاف اسپندکس

2-ب) الیاف کوپلیمر پلی‌استایرن

    استایرن‌ها ارزان‌قیمت‌ترین الاستومرهای ترموپلاستیک هستند؛ یعنی کوپلیمرهای بلوک با سگمنت‌های سخت پلی‌استایرن که با بخش‌های نرم یک ماتریس مانند پلی‌بوتادین، پلی‌ایزوپرن، اتیلن پروپیلن یا اتیلن بوتیلن به هم پیوسته‌اند. این الاستومرها با برند تجاری Kraton® در گریدهای مختلف قالب‌گیری و اکستروژن موجود هستند. استحکام کششی این مواد از لاستیک استایرن بوتادین (SBR) یا لاستیک طبیعی، کمتر و کرنش آنها بیشتر است ولی مقاومت در برابر آب و هوای تقریباً یکسانی دارند. الاستوپلاستیک استایرنی در برابر آب، الکل‌ها، اسیدها و بازهای رقیق مقاومت می‌کند و در اسیدهای قوی، حلال‌های کلردار، استرها و کتون‌ها محلول است. همچنین در دماهای پایین تا 85- درجه سانتی‌گراد، انعطاف‌پذیری عالی‌ای دارد. از این الیاف در ساخت فیبرهای نوری استفاده می‌شود. [2]

شکل 6. کاربرد الیاف پلی‌استایرن در فیبرهای نوری

3) الیاف پلی‌وینیلیدن کلراید (PVCD)

    در این الیاف، ماده تشکیل‌دهنده لیف، پلیمر زنجیربلندی است که حداقل 80 درصد وزن آن از وینیلیدن کلراید تشکیل شده است. اولین بار شرکت “Dow Chemical” این لیف را با برند تجاری Saran® به فروش رساند. امروزه ساران یک نام معمول برای فیلم‌ها و الیاف ساخته‌شده از PVDC است. این ماده با مذاب‌ریسی کوپلیمر وینیلیدن کلراید، به‌صورت یک لیف شفاف و بسیار صاف تولید می‌شود.

    این الیاف مقاومت شیمیایی بسیار خوبی در برابر بسیاری از مواد شیمیایی از جمله اسیدها، بازها، سفیدکننده‌ها، روغن‌ها و اکثر حلال‌های آلی دارند. (PVDC در بعضی از حلال‌ها مانند تتراهیدروفوران (THF) و سیکلوهگزانون حل می‌شود). ساران  هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید و رطوبت، استحکام خود را از دست نمی‌دهد و در برابر محو شدن، لکه‌گیری و کپک زدن مقاومت می‌کند. پارچه‌های ساخته‌شده از این لیف به‌راحتی تمیز می‌شوند. از آنجایی که این لیف به‌طور ذاتی خودخاموش‌کن است، نیازی به افزودنی‌ای برای مقاومت در برابر شعله ندارد.

    الیاف ساران بازیابی رطوبت بسیار کمی، کمتر از 1/0 درصد و مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر پرتو فرابنفش و آب و هوا دارند که آنها را به‌عنوان یک انتخاب عالی برای استفاده در زیر آب و قرار گرفتن در معرض فضای باز قرار می‌دهد. به‌دلیل داشتن مقاومت در برابر لکه و سایش عالی، از آنها برای لوازم داخلی منزل و خودرو، سایه‌بان پنجره و کاربردهای با خواهان بیشتر مانند کیف و کفش ورزشی استفاده می‌شود. بااین‌حال، به‌خاطر این که ساران نسبتاً گران و سنگین است، در بیشتر این کاربردها با اولفین، آکریلیک و سایر الیاف با کارایی بالا جایگزین شده است. [3]

4) الیاف پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMPE)

    الیاف UHMPE در سال 1960 توسعه پیدا کردند و با نام‌های تجاری Dyneema®، متعلق به شرکت DSM آلمان و Spectra®، متعلق به شرکت هانیول ایالات متحده شناخته می‌شوند. داینیما یک لیف فوق‌العاده قوی است که حداکثر استحکام را با حداقل وزن دارد که باعث می‌شود تعداد کاربردهای آن تقریباً نامحدود باشد. داینیما در یک فرآیند ژل‌ریسی انحصاری تولید می‌شود که در آن، الیاف، گرم، کشیده و سرد می‌شوند. ریسندگی به‌همراه کشش، منجر به تراز مولکولی، تبلور زیاد و تراکم کم می‌شود. داینیما زنجیره‌های مولکولی بسیار طولانی دارد که بار را به‌طور مؤثرتر به ستون فقرات پلیمر منتقل می‌کند. بنابراین نسبت به گزینه‌های دیگر، در وزن برابر، قوی‌تر یا در استحکام برابر، سبک‌تر است.

    ویژگی‌هایی که این الیاف را به‌عنوان الیاف با کارایی بالا معرفی می‌کند، عبارتند از:

• تا 15 برابر قوی‌تر از فولاد (بر اساس وزن)
• تا 40 درصد قوی‌تر از آرامیدها (بر اساس وزن)
• روی آب شناور می‌شود و در برابر رطوبت، پرتو فرا بنفش و مواد شیمیایی مقاوم است. [4]

    به‌سبب خواص فوق‌العاده، الیاف داینیما و اسپکترا یکی از گزینه‌های اصلی در ساخت طناب‌های ورزشی هستند. در ادامه این موضوع را بررسی می‌کنیم.

• خزش کم؛ خزش مشخص می‌کند که طناب در حین ورزش چقدر کشیده می‌شود. هرچه طناب بیشتر کشیده شود، ضعیف‌تر می‌شود. در بین الیاف پلی‌اتیلن با مدول بالا، داینما کمترین 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 محیط‌های مختلف داشته باشد. الیاف داینیما و اسپکترا در محدوده دمایی از 150- تا 70 درجه سانتی‌گراد، یعنی دامنه دمایی بسیار قوی که بیشتر کارها را پوشش می‌دهد، استحکام خود را حفظ می‌کنند.

• استحکام تنش-کرنش؛ بارزترین علامت طناب چند منظوره خوب است که تعیین می‌کند چقدر در برابر بارهای تحمیل‌شده دوام می‌آورد. الیاف داینیما 15 برابر از فولاد (نسبت به وزن) قوی‌تر هستند و می‌توانند بارهای سنگین را تحمل کنند.

• وزن؛ این الیاف برای بسیاری از طناب‌های کوهنوردی، دریانوردی، ماهیگیری و بسیاری موارد دیگر، استحکام بالایی نسبت به وزن دارند. طناب‌های این الیاف در وزن مساوی، 15 برابر قوی‌تر از فولاد هستند. (این الیاف بالاترین نسبت مقاومت به وزن را دارند.)

• عدم نفوذپذیری؛ ضد آب بودن به چند دلیل مهم است. الیافی که آب را جذب نمی‌کنند، دوام بیشتری دارند. علاوه‌بر این، الیافی که آب را جذب نمی‌کنند، هنگام استفاده در شرایط مرطوب، سنگین‌تر نمی‌شوند. الیاف دینیما آب را جذب نمی‌کنند.

• امنیت؛ ایمنی طناب هنگام بلند کردن یا پایین آوردن وزنه‌ها بسیار مهم است. کاربر باید اطمینان داشته باشد که شکاف طناب آسیب‌دیده باعث ایجاد آسیب نمی‌شود. کابل فولادی بهترین نمونه از مواردی است که می‌تواند باعث آسیب دیدگی به شخصی شود که در طول سقوط در مجاورت کابل باشد. برخلاف کابل فولادی، طناب دینیما هنگام شکستن کاملاً بی‌خطر است که با شکسته شدن، می‌تواند به فردآسیب جدی برساند.

    علاوه‌بر مزایای ذکرشده در بالا، الیاف داینیما در برابر اسیدها، آب نمک، بازها و مواد شیمیایی بسیار مقاوم هستند. همچنین آنها بعد از خم شدن و ضربه خوردن، بی‌عیبی خود را حفظ می‌کنند. طناب‌های داینیما به‌طور گسترده در کاربردهای دریایی و ماهیگیری استفاده می‌شوند. علاوه‌بر این، مقاومت الیاف داینیما در برابر روغن‌ها و گازها و بریده شدن، این طناب‌ها را در بین کوهنوردان و بندبازها، برای جنگل‌داران و چوب‌برها به گزینه ایده‌آل تبدیل می‌کند. [5]

5) الیاف PBO یا زیلون (Zylon®)

    زیلون نام تجاری الیاف پلی‌(پارا-فنیل 2 و 6-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 و گرما (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 (تیره‌تر از کولار)، به‌راحتی قابل شناسایی هستند.

    زیلون یک نشان تجاری برای طیفی از پلی‌اکسازول بلور مایع ترموست است. این ماده پلیمری مصنوعی در دهه 1980 توسط SRI International اختراع و توسعه یافت و توسط شرکت Toyobo تولید می‌شود.

    خصوصیات ویژه این لیف که آن را در بین الیاف با کارایی بالا متمایز می‌کند، 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 به‌دلیل خواص عالی‌ای که قبلاً ذکر شد، بسیار گسترده است. پارچه‌های PBO سبک و انعطاف‌پذیر هستند، باعث بهبود راحتی و تحرک می‌شوند و برای لباس‌های مقاوم در برابر حرارت و شعله، مانند آتش‌نشانان ایده‌آل هستند. لباس‌های موتورسیکلت‌سواران دارای نواحی خاصی مانند مناطق زانو و آرنج است که با پارچه PBO تقویت شده و از مقاومت عالی در برابر گرما، شعله و سایش برخوردار است. PBO همانند آرامید، به‌دلیل جذب بالای انرژی و از بین بردن سریع تأثیر آن توسط مورفولوژی فیبری، برای پارچه‌ها و پنل‌های محافظ در برابر گلوله ایده‌آل است. کاربردهای عمومی آن برای تقویت‌کنندگی شامل مواردی برای لاستیک، تسمه، کابل و … و همچنین برای فیبرهای نوری است. [6]

شکل 10. استحکام فوق‌العاده الیاف زیلون

6) الیاف پلی‌یاریلات با استحکام بالا یا وکتران (Vectran™)

    الیاف پلی‌یاریلات خانواده‌ای از پلی‌استرهای آروماتیک هستند که از پلیمریزایسیون تراکمی 4-هیدروکسی بنزوئیک اسید و 6-هیدروکسی نفتالن-2-کربوکسیلیک اسید تهیه می‌شوند. این الیاف با برند تجاری Vectran™ توسط شرکت “Kuraray” ژاپن تولید و تنها الیاف تجاری در جهان هستند که از ریسندگی به‌روش کریستال مایع ساخته می‌شوند. این الیاف استحکام و سفتی فوق‌العاده‌ای دارند و پنج برابر از فولاد و ده برابر از آلومینیوم قوی‌تر هستند. خواص منحصربه‌فرد این الیاف عبارتند از:

• استحکام و مدول بالا
• مقاومت عالی در برابر خزش
• مقاومت بالا در برابر سایش
• ویژگی‌های 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
• ویژگی‌های عالی میرایی ارتعاش
• مقاومت بالا در برابر ضربه

    ترکیبی منحصربه‌فرد از خواص، الیاف وکتران را از سایر الیاف با کارایی بالا متمایز می‌کند و آنها را به‌عنوان ماده انتخابی برای کاربردهایی که الیاف دیگر نتوانند نیازهای مورد نظر را برآورده سازند، تبدیل می‌کند. عمل‌کرد مکانیکی قابل توجه وکتران در ترکیب با سایر خواص منحصربه‌فردش، این امکان را برای استفاده از آن در اهداف مختلف فراهم می‌کند. الیاف وکتران در هوا فضا، اکتشاف اقیانوس‌ها، 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 می‌شوند.

طناب و کابل

    Vectarn™ HT مشکلات بسیاری را در کاربردهای بحرانی دریایی، نظامی، صنعتی، طناب و کابل برطرف کرده است. استحکام بالا و مقاومت عالی در برابر خزش این الیاف، باعث شده است که از آنها طناب‌های با کارایی بالا که در برابر بارهای طولانی پایدار هستند، تولید کنند. مقاومت در برابر سایش فوق‌العاده، مقاومت در برابر رطوبت عالی و حفظ فوق‌العاده خواص در طیف وسیعی از دماها و محیط های شیمیایی، راه‌حل‌هایی برای مشکلات فرسودگی صنعتی و تخریب با محصولات فیبر موجود را ارائه می‌دهد. این الیاف نامزد برجسته‌ای برای جایگزینی سازه‌های 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 کامپوزیت‌ها یا کابل‌های الکترومکانیکی است.

سرگرمی و اوقات فراغت

    الیاف وکتران گزینه‌ای عالی برای سرگرمی‌ها و اوقات فراغت در مواردی مانند پارچه بادبان، بدنه تقویت‌شده کشتی‌ها، باشگاه‌های گلف، دوشاخه‌های 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 آنها در ویژگی‌های منحصربه‌فرد 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 بی‌نظیر این لیف با کارایی بالا، بسیاری از نیازهای امروزی در حوزه نظامی و هوافضا را برآورده می‌کند. کیسه‌های هوای مریخ‌نوردهایی که به کمک آنها بر سطح سیاره مریخ فرود آمدند، با الیاف وکتران ساخته شده بودند.

کاربردهای صنعتی

    این الیاف راه‌حل‌های بی‌نظیری برای کاربردهای صنعتی به ارمغان می‌آورد. پایداری در برابر بیشتر مواد شیمیایی، امکان تولید بسته‌بندی‌ها و واشرهای مقاوم به مواد شیمیایی را می‌دهد. کاربران پوشاک محافظ مانند دستکش و لباس کار از مقاومت عالی در برابر بریده و سوراخ شدن، درجه حرارت بالا، خم و تا شدن و همچنین ماندگاری در برابر چرخه‌های مختلف شست‌وشو و خشک شدن (حتی در صورت وجود سفیدکننده) این الیاف بهره‌مند می‌شوند. به‌عنوان مثال، صنعت فرآوری گوشت از بالاترین حوادث بریده شدن دست و سوراخ شدن شکم رنج می‌برد. لباس‌های از این جنس با افزایش مقاومت در برابر برش یا سوراخ شدن، ایمنی کارگران را بهبود می‌دهد. به‌دلیل هزینه بالای پوشاک و جراحات نسبت به هزینه، شرکت‌های فرآوری گوشت برای کارایی لباس‌های 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 می‌یابد که لباس بتواند در معرض سفیدکننده مقاومت کرده و به‌اندازه کافی بادوام باشد که بدون از بین رفتن مقاومت یا شکل ناشی از آب‌رفتگی، در برابر چرخه‌های مختلف شست‌وشو و خشک شدن پایداری کند.

کاربردهای تخصصی الکترونیکی

    لیف Vectarn™ HT یک نامزد عالی برای بردهای مدارچاپی، اجزاء با استحکام فیبر نوری و تقویت‌کننده‌های رسانا است. استحکام دی‌ الکتریک بالا همراه با مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و مقاومت عالی در برابر رطوبت، سطح جدیدی از کارآمدی الکتریکی را در جلوگیری از نشت جریان فراهم می‌کند. این ترکیب به‌همراه پایداری ابعادی عالی و ضریب انبساط حرارتی کم، الیافی بی‌نظیر را برای مصارف تخصصی الکترونیکی فراهم می کند. [7]

7) الیاف PBI

    الیاف پلی‌بنزیمیدازول (PBI) طبقه‌ای از الیاف مصنوعی بسیار مقاوم در برابر حرارت هستند که از پلی‌آمیدهای کاملاً معطر تشکیل شده‌اند. ماده سازنده آن یک پلیمر معطر با زنجیره بلند است که دارای گروه‌های ایمیدازول، به‌عنوان 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 می‌شود. سپس رزین از طریق یک فرآیند خشک‌ریسی با استفاده از دی متیل استامید، به‌عنوان یک حلال، به لیف تبدیل می‌شود. الیاف PBI نسبتاً گران هستند و تولید آنها دشوار است اما برخی از بهترین خواص الیاف را دارند.

    با توجه به ساختار کاملاً معطر، PBI دمای انتقال شیشه‌‎ای بسیار بالا (425 درجه سانتی‌گراد/800 درجه فارنهایت) دارد و بدون نقطه ذوب است. دمای شکست گرمای آن در فشار MPa 1/8 حدود 435 درجه سانتی‌گراد (815 درجه فارنهایت) است. این فیبر همچنین پایداری عالی گرمایی و مقاومت شیمیایی از جمله در برابر الکل‌ها، هیدروکربن‌ها، حلال‌های کلردار، سولفید هیدروژن، اسیدها و بازهای ضعیف و بسیاری از مواد شیمیایی دیگر دارد. دمای تجزیه آن بیش از 1300 درجه فارنهایت (> 700 درجه سانتی‌گراد) است که براین‌اساس، الیاف PBI برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای درجه‌حرارت‌بالا مناسب هستند. این لیف انعطاف‌پذیر بوده، استحکام کم و بازیابی رطوبت کم و نسبت مقاومت به وزن برجسته‌ای دارد، نمی سوزد و ذوب نمی شود.

     تنها فیبر PBI تجاری، پلی‌(2 و 2-متا-پلی‌فنیلن-5 و 5-بنزیمیدازول) است. امروزه تنها تولیدکننده این الیاف، شرکت “PBI Performance Product” است. [8] در ادامه چند مطلب در مورد تاریخچه به‌کارگیری الیاف PBI آمده است:

• در سال 1969، نیروی هوایی ایالات متحده پس از آتش‌سوزی سال 1967 در فضاپیمای آپولو 1 که منجر به کشته شدن سه فضانورد شد، پلی‌بنزییمیدازول را به‌دلیل کارایی عالی محافظ حرارتی انتخاب کرد.
• در دهه 1970، ناسا به استفاده از PBI به‌عنوان بخشی از لباس فضانوردان در آپولو، اسکای لب و پروازهای متعدد شاتل فضایی ادامه داد.
• در دهه 1980، PBI به سازمان آتش‌نشانی معرفی شد. پارچه طلایی PBI متشکل از 40 درصد PBI و 60 درصد پارا-آرامید، متولد شد. پیش از این، ترکیبی از مواد نومکس، چرم و مواد کولار در ایالات متحده استفاده می‌شد.
• در سال 2001، پس از حملات تروریستی 11 سپتامبر، بسیاری از 343 آتش‌نشان کشته‌شده، تنها به‌وسیله لباس‌ها و تجهیزات ایمنی خود که از الیاف PBI ساخته شده بودند، قابل شناسایی بودند. [9]

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

جدول 1- خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف پلیمری با کارایی بالا

منابع

1. 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