الیاف ریسی

پیشگفتار توليد الياف پليمري مصنوعي به گفته بسياري پيشرفت عظيمي در نيمه دوم قرن بيستم به شمار مي آيد. در حقيقت از لحاظ منطقي عمر الياف با ظهور الياف مصنوعي مانند نايلون، پلي استر و ... شروع شده است. اين پيشرفت شگرف در اواخر دهه ي 1930 اتفاق افتاد. در اين زمان بسياري از شرکت ها مانند دوپون (Dupont)، مانساتو(Monsato)، بي اي اس اف ((BASF، هوي چست (Hoechst)، آي سي آي (ICI) و ... در بخش الياف فعاليت کرد. بسياري از الياف پليمري مصنوعي مانند پلي استر، نايلون و... داراي خواص يکنواخت هستند و مي تواند آنها را چندين بار بازيافت کرد.

پیشگفتار به هر حال، اين الياف داراي مدول الاستيک پايين هستند، از اين رو کاربرد اين الياف بيشتر به پوشاک و منسوجات محدود مي شود. کارهاي تحقيقاتي انجام شده باعث شد تا الياف پليمري مصنوعي با استحکام و سفتي مناسب جهت تقويت کننده ي کامپوزيت ها توليد گردد. اين کارهاي تحقيقاتي در اواخر دهه ي 1950و ابتداي دهه ي 1960 شروع شد. که باعث ورود الياف پليمري محکم مانند آراميدها ( (aramid و پلي اتيلن با زنجيره هاي طويل به عرصه تجاري شد. در ادامه به توصيف توليد، ساختار و خواص تعدادي از الياف پليمري مصنوعي ميپردازيم.

تاريخ مختصري از الياف آلي مرور مختصري بر کارهاي انجام شده در زمينه الياف آلي مي تواند ما را در آگاهي يافتن از جايگاه اين مواد در زندگي کمک کند. براي اين کار ما از کشف نايلون شروع مي کنيم. نايلون بوسيله شرکت دوپون در سال 1938 کشف و تجاري سازي شد. والاس کارتررز (Wallas Carothers) از شرکت دوپون عموماً به عنوان پدر نايلون در نظر گرفته مي شود. نايلون براي اولين بار و پيش از جنگ جهاني دوم به مراکز فروش جوراب وارد شد. در حقيقت سال 1988، پنجاهمين سالگرد ورود نايلون به عنوان ماده ي اوليه در توليد جوراب زنانه ساق بلند بود. نايلون بوسيله روش ريسندگي مذاب (melt spinning) توليد مي شود اين فيبر بسيار انعطاف پذير و با دوام است و حالت کشباف دارد. همه ي اين ويژگي ها منجر شد تا نايلون به عنوان يکي از مهمترين الياف در صنعت منسوجات درآيد. همچنين استحکام بالاي نايلون و خواص ضربه اي و مقاومت به خستگي مناسب اين فيبر باعث شد تا نايلون در صنعت الاستيک سازي نيز مصرف شود.

تاريخ مختصري از الياف آلي پس از نايلون، پلي اتيلن ترفتالات (PET)و پلي اکريلونيتريل (PAN)دو کشف در زمينه ي الياف آلي بودند. پلي اتيلن ترفتالات از روش ذوبي ريسندگي مي شود و اين در حالي است که پلي اکريلو نيتريل از روش Spinable Polymer solution dope به الياف تبديل مي شود. پلي اتيلن ترفتالات يک پلي استر ترموپلاست است. اين ماده به سرعت به عنوان جايگزين براي پنبه، پشم و رايون در فرش، پتو و ... درآمد. پلي اکريلونيتريل نيز به عنوان پيش ماده در توليد الياف کربن (Carbon fiber) استفاده مي شود. از ميان تمام ويژگي هاي منحصر به فردي که الياف مصنوعي مانند نايلون، PET، PAN و ... دارند، برخي از ويژگي ها مانند خواص سايشي، مقاومت در برابر چروک خوردن، دوام و قابليت شستشوي آنها باعث شده اند تا الياف مصنوعي موفق باشند.

تاريخ مختصري از الياف آلي يکي از نتايج اصلي که از کارهاي انجامي بر روي رابطه خواص و ساختار بدست آمد اين مسئله بود که «آرايش زنجيره هاي پليمري به صورت جهت دار و در طول فيبر باعث بهبود خواص مکانيکي مي گردد.» توليد الياف آلي با استحکام کششي و مدول بالا مانند آراميدها و پلي اتيلن، نتيجه ي مستقيم اين تلاش هاست. در واقع در توليد الياف با استحکام و مدول بالا از دو مسئله ساختاري متفاوت استفاده شده است. در پليمرهاي با استحکام بالا و صلب مانند آراميدها ما از صلبيت ذاتي و بسيار بالاي گروه هاي آراميدي در زنجيره ي اصلي به همراه آرايش فيزيکي زنجيره ها بهره گرفته ايم. در حالي که پليمرهاي داراي زنجيره ي انعطاف پذير مانند پلي اتيلن ما از آرايش زنجيره هاي پليمري براي بدست آوردن مدول بالا بهره برده ايم.

توليد عموماً، پليمرهاي مصنوعي بوسيله فرآيند ريسندگي به فيبر تبديل مي شود. ريسندگي فيبر(Fiber spinning) فرآيندي است که در طي آن مايعي از ميان سوراخ هاي کوچک عبور مي کند و به صورت فيلامنت هاي جامد در مي آيد. spinnert

در شکل 1 شماتيک کلي اين فرآيند نشان داده شده است در شکل 1 شماتيک کلي اين فرآيند نشان داده شده است. در ابتداي فرآيند ما نيازمند محلول يا مذاب پليمر هستيم. فيلامنت ها از سوراخ هاي رشته ساز (spinnert) بيرون مي آيند و پس از آن ممکن است از داخل حمام و آون عبور کند. و سپس به صورت تک نخ بر روي يک بوبين (bobbin))پيچيده مي شود.

واژه ي ريسندگي (spinning)همچنين به معني ريسندگي نخ (spinning yarn) نيز استفاده مي شود و اين يک وضعيت نامناسب ايجاد مي کند. در طبيعت کرم ابريشم و عنکبوت ها بوسيله ي همين روش فيلامنت هايي مداوم توليد مي کنند.

فرآيند ريسندگي الياف جامد بدين گونه است که يک مايع از ميان روزنه هاي بسيار ريز عبور مي کند و در حقيقت اين موقعيت از آنجايي بدست که مواد خاصي مانند پليمرهاي آلي و شيشه هاي غيرآلي بر پايه ي سيليس داراي ويسکوزيته ي متعادلي براي ايجاد فيلامنت پايدار از روزنه ها هستند.

خروج فيلامنت ها از رشته ساز ممکن است بوسيله ي جريان هوا يا حمام انعقاد (coagulating bath) پايدار گردد. اگر ويسکوزيته پايين باشد، جريان خروج فيلامنت ها به خاطر کشش سطحي، ناپايدار مي شود. فلزات مذاب معمولاً داراي ويسکوزيته بسيار پاييني هستند (نزديک به ويسکوزيته ي آب) و بنابراين به طور عادي نمي توان از ريسندگي مذاب براي تهيه ي فيلامنت هاي فلزي استفاده کرد.

نقطه ي کليدي که بوسيله آن مي توان تشخيص داد که چگونه جريان مذاب با ويسکوزيته ي پايين را به صورت جريان پايدار درآورديم، امواج رايليت (Rayleigh Waves) است. بر طبق اين امواج کشش سطحي مناسب تعيين مي گردد و با تنظيم کشش سطحي جريان فلامينت ها پايدار مي شود.

يک راه جهت ايجاد فيلامنت هاي مداوم و پايدار اين است که جريان فيلامنت هاي خروجي از روزنه ها را از يک محيط فعال شيميايي عبور دهيم.

در واقع عدم پايداري فيلامنت ها گاها به خاطر چسبيدن آنها به همديگر رخ مي دهد که در مورد جريان هاي مذاب با ويسکوزيته پايين مي توان از پايدار کننده هاي شيميايي استفاده کرد.

روش های تولید الیاف مصنوعی 1- ريسندگي مذاب (melt spinning) 2- ريسندگي خشک (Dry spinning) 3- ريسندگي تر (wet spinning) 4- ريسندگي تر- خروج خشک (Dry jet-wet spinning) 5- ريسندگي ژله اي (gel spinning) 6- توليد الياف از غشاء fibres from films)) 7- روش دوغابی (sol – gel) 8- روش رسوب دهی بخارات شیمیایی ( chemical vapor deposition )

ريسندگي مذاب (melt spinning) مايع عبوري از رشته ساز بوسيله ي هوا سرد و جامد مي گردد. اين روش عموما براي توليد الياف آلي مانند نايلون، پلي استر و پلي پروپيلن استفاده مي شود. در اين روش موادي که مي خواهيم آنها را به شکل الياف درآوريم را ذوب مي کنيم و مذاب حاصله از ميان يک رشته ساز عبور مي دهيم. (شکل 2)

ريسندگي خشک (Dry spinning) در اين روش محلولي از مواد پليمري در حلال فرار آلي از ميان رشته ساز عبور مي کنند و بداخل يک محيط گرم وارد مي شوند. باريکه اي از هواي گرم در همان لحظه اي که جريان فيلامنت از رشته ساز بيرون مي آيد، بدان برخورد مي کند. اين مسئله باعث بخار شدن حلال مي گردد. و با خشک شدن حلال، فيلامنت هاي جامد پديد مي آيند. (شکل 3) اليافي مانند استات، اکريليک و الاستومرهاي پلي يوريتاني از اين روش توليد مي شوند.

ريسندگي تر (wet spinning) يک محلول پليمري در يک مايع آلي يا معدني از ميان سوراخ هاي رشته ساز اکسترود مي شوند. پس از عبور فيلامنت ها از داخل رشته ساز، آنها از حمام انعقاد عبور مي کنند. در اين حمام واکنش هاي فيزيکي و شيميايي بر روي فيلامنت ها رخ مي دهد. پس از خروج فيلامنت از حمام، الياف تشکيل مي شوند. (شکل 4 )اين فرآيند را نشان مي دهد. مثال هايي از الياف آلي توليدي با اين روش عبارتند از رايون و الياف اکرليک.

ريسندگي تر (wet spinning)

ريسندگي تر- خروج خشک (Dry jet-wet spinning) الياف آراميد به اين روش توليد مي شوند. در اين فرآيند، محلول آن- ايزوتروپيک از ميان سوراخ هاي رشته ساز اکسترود مي شود و وارد يک فاصله ي هوايي (تقريباً 1cm) مي شود و سپس از آنجا وارد يک حمام انعقاد مي شود. الياف انعقاد يافته سپس شسته مي شوند و پس از شسته شدن، عمليات خنثي سازي و خشک کردن اتفاق مي افتد.

توليد الياف از غشاء (fibres from films) در همه ي روش هاي توضيح داده شده در بالا محلول يا مذابي از پليمر در داخل رشته ساز اکسترود مي شود. در اينجا مي خواهيم روشي را توضيح دهيم که با روش هاي بالا کاملا متفاوت است. در اين روش از غشاء نازک جهت توليد الياف استفاده مي شود. اين تکنيک براي پليمرهاي به کار مي رود که به آساني به غشاء تبديل مي شوند. همچنين براي پليمرهايي مناسب است که بسيار جهت دارند و توليد غشاء از آنها گران نباشد. اين غشاء ها آن- ايزوتروپ هستند و خواص کششي آنها در جهات اصلي متفاوت است. (در واقع استحکام آنها در جهت طولي بسيار بيشتر از حالت عمود بر آن است). در اصل اين مسئله جهت گيري زنجيره هاي پليمري در جهت کشش غشاء است.

اين تفاوت در خواص در جهات مختلف اجازه مي دهد که غشاء به آساني به الياف توليد شود. اين کار بوسيله فرآيندهاي مکانيکي مانند برس زني (brushing)، سائيدن (rubbing) يا پيچاندن (twisting) انجام مي شود. در واقع غشاء به آساني برش مي خورد. مقطع عرضي اين نوع الياف به جاي دايره اي، مستطيلي يا مربعي است که علت آن نوع مواد مورد استفاده است.

ريسندگي ژله اي (gel spinning) در اين فرآيند، فيلامنت ها از سوراخ هاي رشته به صورت يک ماده ي رابر مانند يا ژله اي خارج مي شوند و سپس سرد مي شوند. اين فرآيند براي ريسندگي پليمرهاي خطي با زنجيره ي انعطاف پذير مانند پلي اتيلن مناسب است. يک فيبر ژله اي هنگامي که محلولي مناسب از رشته ساز خارج گردد و سپس در هوا سرد گردد، پديد مي آيد. اين الياف ژله اي داراي ساختاري شبکه اي از زنجيره هاي متورم هستند که با سرعت بالا و در دماي زير نقطه ذوب تشکيل مي شوند. الياف پلي اتيلن با وزن ملکولي بسيار بالا که داراي سفتي و استحکام بالاست، بوسيله ي اين فرآيند توليد مي شوند.

روش دوغابی (sol – gel) در این روش به عنوان مثال در تهیه الیاف آلومینا مورد استفاده قرار می گیرد. بدین صورت که در ابتدا یک محلول آبی غلیظ از آن تهیه می شود و سپس از اسپینریت عبور داده می شود. الیاف در خروج نخ ساز به حالت ژل مانند می باشد که پس از اعمال عملیات حرارتی در دماهای بالا، در حدود 400 تا 600 درجه سانتیگراد خشک شده و آب آن جدا می شود.

روش رسوب دهی بخارات شیمیایی ( chemical vapor deposition ) در این روش یک هسته مانند تنگستن یا کربن انتخاب می شود. فرایند در یک راکتور عمودی صورت می گیرد که مخلوطی از گاز ها از نقاط مختلف راکتور به آن تزریق می شود. دمای راکتور بسیار بالاست. به عنوان مثال در فرایند تولید سیلیسیم کاربید (SiC) دما در حدود 1500 -1400 می باشد. زمان اقامت الیاف درون راکتور نیز حدود 1 تا 2 دقیقه می باشد که در این حالت قطر الیاف حاصل به بیش از 100 میکرون می رسد، با توجه به اینکه قطر هسته از نوع تنگستن در حدود 12 میکرون می باشد.

• حمام انعقاد • حمام کشش اولیه • حمام شستشو • حمام کشش ثانویه به طور مثال تولید الیاف اکریلیک با روش هاي مختلفی انجام می گیرد در کارخانه اکریلیک پلی اکریل فرایند تولید در ناحیه شیمیائی پلیمریزاسیون محلولی با حلال دي متیل فرمامید با کومونومرهاي اصلی اکریلو نیتریل و وینیل استات و روش تولید ریسندگی تر ریسی است که یکی از روش هاي پیچیده در تولید الیاف اکریلیک می باشد . در فرایند تولید صنعتی وابستگی فراوانی به عوامل مختلف و پارامترهاي کنترلی آن دارد.فرایند تولید الیاف اکریلیک به روش تر ریسی شامل بخشهاي زیر است: • حمام انعقاد • حمام کشش اولیه • حمام شستشو • حمام کشش ثانویه • حمام پرداخت اولیه • خشک کن • حمام پرداخت ثانویه • چین زن • فلاپر • محصول نهائی(استیپل ونوار)

فرایند ترریسی به طور خلاصه شامل عبور پلیمر از رشته سازها ، حمام انعقاد حمام کشش اولیه حمام شستشو ، حمام کشش ثانویه و سپس عملیات خشک کردن و چین زدن الیاف صورت می گیرد محصول نهائی بصورت نوار یا استیپل بسته بندي می شود. پلیمر پلیمر تهیه شده و مورد استفاده در ناحیه ریسندگی پلی اکریلو نیتریل که شامل کوپلیمرهاي اصلی اکریلونیتریل و وینیل استات بوده که به روش پلیمریزاسیون محلولی با حلال دي متیل فرمامید تهیه شده است.

ترکیب درصد DMF در محلول حمام انعقاد ترکیب بچ انعقاد اثر بسیار مهمی بر روي تولید حفره ها دارد،دیاگرام مربوط در شکل آمده است. با غلظت DMF پائین تر از پنجاه درصد انعقاد خیلی سریع اتفاق می افتد و افزایش قابل توجه نفوذآب به داخل الیاف در هنگام پدیده انعقاد رخ می دهد در این هنگام پوسته به سرعت منعقد شده ودر مراحل بعدي منجر به شکسته شدن پوسته و شکست نهائی الیاف می شود. غلظت بالاتر از هشتاد درصد منجر به کاهش سرعت انعقاد شده و انعقاد بصورت مناسب انجام نمیشود.

دماي حمام کشش و میزان نسبت کشش نهائی دماي محلول حمام انعقاد با داشتن ترکیب درصد یکسان DMF حدود 55 درصد تراکم الیاف افزایش یافته و تعداد حفره ها کاهش می یابد این در شرایطی انجام میشود که عامل دیگر انتقال جرم یعنی دماي حمام انعقاد کاهش یابد. انعقاد پائین منجر به تشکیل آهسته پوسته شده و در نتیجه تعداد حفرها مناسبتر می گردد. دماي حمام کشش و میزان نسبت کشش نهائی یکی از اهداف مهم کشش آرایش یافتگی مناسب الیاف بوده که لازمست این کشش در دمائی بالاتر از Tg صورت گیرد روند نمایش داده شده است لازم به ذکر کشش بیش از حد الیاف منجر به پارگی و شکستگی فیلامنت ها خواهد شد.

شرایط چین زن از لحاظ فرایندي چین خوردن الیاف در دستگاه چین زن منجر به کاهش قوام الیاف خواهد شد اگر شرایط چین زن شامل میزان فشار وارده و بخار لازم به الیاف مناسب نباشد منجر به شکستگی الیاف خواهد شد . این تنظیمات بر اساس ظرافت و کیلوتکس الیاف مدنظر قرار می گیرد. در جدول تغییرات اعمال شده بر روي متغییر هاي عملیاتی محصول 11 دسیتکس به همراه نتایج ومیانگین پارامترها می باشد.