الیاف

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteDat...05/0009899.jpg

الیاف (1)

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون





مقدمه الیاف در همه جا وجود دارند.آنها در اشكال
طبیعی ومصنوعی هستند. این الیاف دارای جنس پلیمر،فلز ویا سرامیك است. در
این بخش در مورد خواص میكرو ساختار وروشهای تولید مواد در حالت لیف صحبت می
كنیم.
گستره ی جنس الیاف متنوع است مثلا ابریشم یك لیف طبیعی است
وآرامیدها ( aramid ) وپلی اتیلن الیافی مصنوعی و ساخته ی بشر هستند.
همچنین از مواد فلزی وسرامیكی نیز الیاف تهیه می شود مثلا الیافی از فولاد و
تنگستن (مواد فلزی) و آلومینا و سیلیكون كاربید ( مواد سرامیكی ) تولید
شده اند.
واژه ی لیف ( fiber ) كه با نام فیبر نیز معروف است، این
تصوررادرذهن ایجاد می كند كه لیف(فیبر)الیافی هستند كه در صنعت پوشاك از
آنها استفاده می شود در واقع شما با شنیدن نام فیبر به یاد نخ های لباس و
دامن های زیبا و جوراب و... می افتید.
طبیعت برای مافهرستی گسترده از
مواد در حالت الیاف آورده است.این الیاف طبیعی برای ساختن بخش های با
عملكرد چند گانه ( multifunctional ) و پیچیده استفاده می شود. پروتئین كه
از لحاظ شیمیایی تركیبی متنوع از آمینواسید هاست ،به طور فراوان در طبیعت
وبه شكل فیبر وجود دارد.برای مثال كلاژن( collagen ) یك پروتئین در حالت
فیبری است كه به شكل بافت های اتصال دهنده ی بخش های سخت ونرم وجود دارد.
فیبر طبیعی شناخته شده تر كه در طبیعت یافت می شود ودر اصل از پروتئین خالص
ساخته شده است، ابریشم است. ابریشم یك فیبر بیولوژیك، طبیعی ومهم است كه
بوسیله ی عنكبوت وكرم ابریشم تولید می شود.
ابریشم به دست آمده از كرم
ابریشم برای زمان زیادی است كه به صورت تجاری در آمده است در حالی كه اكنون
دانشمندان و مهندسان در حال پی بردن به پتانسیل مناسب ابریشم به دست آمده
از عنكبوت است.
حقیقتا الیاف از مدتهای طولانی توسط بشر مورد استفاده قرار گرفته است.
الیاف
از زمان ماقبل تاریخ ( prehistoric ) بوسیله ی انسان برای بافت پارچه ،
طناب،سیم و بسیاری محصولات دیگر استفاده می شده است. كه استفاده از این
الیاف بسیار پیش از این بوده است كه دانشمندان در مورد ساختار داخلی آنها
نظری داشته باشند.
مقوله ی بافت لباس، بخش مهمی از اكثرجوامع قدیم را به
خود اختصاص می داده است. مسئله ی لباس به سرعت به عنوان استعاره ای از
جامع مطرح شد و همواره مقوله ی لباس مبحثی سیاسی واخلاقی بوده است. این
جالب است كه بدانید درحفاری های انجام شده در محلی در تركیه قدمتی 9000
ساله داشت،یك تكه پارچه از جنس كتان كشف شده است. این تكه ی پارچه ی كتان
از الیاف درخت كتان بافته شده است. عموما، باستان شناسان تعیین كرده اند كه
عصر تولید پارچه، عصر سفال بوده است.
از كاوش انجام شده در این مكان
این مسئله به نظر می رسد كه حتی پیش از دوره ی سفال نیز در این مكان پارچه
بافته می شده است.همچنین استفاده از بخیه جهت ترمیم جراحت ها در دوره ی
ماقبل تاریخ ثبت شده است. یك رساله ی پزشكی كه در سال 800 پیش ازمیلاد
نوشته شده است، توضیحاتی در مورد نحوه ی بخیه زدن با الیاف به هم تنیده ی
مانند موی اسب ( hourse hair )، الیاف پنبه ( cotten fibers )، رباط
حیوانات وپوست فیبر مانند درختان را توضیح می داده است. این رساله بوسیله ی
یك جراح هندی به نام سوشروتا سامهیتا ( sushruta samhita ) نوشته شده است.
مواد
درحالت فیبر تاثیر زیادی بر روی اقتصاد دارند. در واقع این مسئله اغراق
نیست مثلا صنعت مرتبط با الیاف بخش بزرگی از اقتصاد آمریكا را تشكیل داده
است. براساس اطلاعات بدست آمده از منابع آمریكایی، آمریكایی ها 8 میلیارد(

مرتبط با الیاف صنعتی 200 میلیارد دلاری است. كه تقریبا 12% نیروی كار
صنعتی را به خود اختصاص می دهد و مصرف انرژی آن 6% است. صنعت مرتبط با
الیاف در اروپا ،آسیا،آمریكای جنوبی ودیگر بخش های جهان همان اهمیت را دارد
كه در آمریكا دارد. بنابراین هرگونه كه بسنجیم مرتبط با الیاف بخش بسیار
مهم از اقتصاد جهان را تشكیل می دهد.
در ذیل برخی از كاربردهای مواد الیافی بیان می گردد.
1) پوشاك
2)انواع فرش ها وچمن مصنوعی
3) لاینرهای باربری كه در زیربزرگراه ها وخطوط ریلی قرار می گیرند
4) كامپوزیت های تقویت شده با الیاف كه در محصولات ورزشی مانند راكت ها، چوب گلف و... كاربرد دارند.
5) قایق ها
6) قطعات پیش ساخته ی ساختمانی
7) صنعت هوا- فضا
8) استحكام دهی در هواپیما بوسیله ی الیاف
9) نازل های راكت
10) دماغه ی موشك وشاتل های فضایی
این كاربردها به این مسئله اشاره دارند كه الیاف در زندگی ما دخیل هستند و كاربرد فراوانی دارند. 8ضربدر 10 به توان 9) كیلو گرم فیبر مصرف صنعت می كنند. در آمریكا، صنعت

تاریخچه :
الیاف طبیعی از زمان ماقبل تاریخ در اطراف انسان ها بوده اند. الیاف ابریشم طبیعی برای زمان طولانی به عنوان یك كالای گران بها بود.
به
هر حال، این مسئله ادامه داشت تا در سال 1880 مردی فرانسوی به نام كنت
هیلر دِ چاردونت (count hilaire de chrdonnet ) موفق شد با تقلید از كرم
ابریشم ، ابریشم مصنوعی را از مغز ساقه ی درخت توت تولید كند.این الیاف
رایون ( rayon ) نامیده شدند. البته رایون ابریشم واقعی نبود اما حالت
ابریشم طبیعی راداشت. این مسئله باعث شددوره ی تولیدالیاف سلولزی طبیعی
مانندرایون واستات ( acetate ) شروع شود. بعد از آن در وسط دهه ی 1920
الیاف مصنوعی ظهور كردند. پیشرفت بزرگ زمانی حاصل شد كه كاروترز (

پلیمریزاسیون تراكمی منجر به تولید پلیمر های متنوعی از جمله پلی آمید ها (

شد. این مسئله بنظر می رسد كه عصر مدرن الیاف تولید شده بوسیله ی بشر از
كشف نایلون ( nylon ) در دهه ی 1930 شروع شد.
نام دو شیمیدان، یكی
آمریكایی بانام والاس كاروتر ( wallace carothers ) ودیگری آلمانی بانام
پائول اسچلاك ( paul schlack ) در كنار كارهای مقدماتی كه منجر به كشف فیبر
نایلون شده است، آمده است. كارخانه ی دوپون ( Dupont co ) تولید فیبر
نایلون را در سال 1939 شروع كرد كه این مسئله را می توان به عنوان دوره ی
آغازین تولید الیاف مصنوعی در نظر گرفت. به هر حال جنگ جهانی دوم باعث
گسیخته شدن پیشرفت در زمینه تولید الیاف مصنوعی شد. به زودی پس از جنگ
جهانی دوم تعدادی دیگری از الیاف مصنوعی مانند اكریلیك، پلی استر و... كشف
شد. و پیشرفت ها در جهت توسعه ی الیاف مصنوعی از سر گرفته شد. این مسئله در
طی ربع دوم قرن بیستم رخ داد كه در این دوره دانشمندان شروع به شناخت
ساختار داخلی برخی ازالیاف طبیعی كردند و به زودی پس از آن الیاف مصنوعی
بهبود یافته با الیاف طبیعی را تولید كردند. بیشتر این كارها برای
كاربردهای پوشاك واستفاده های شبیه به آن به مصرف می رسید بنابراین به وضوح
مشخص است كه اكثر اطلاعات بدست آمده در طی دهه ی 1940 و 1950 در مورد مواد
الیافی از اشخاصی بدست آمده كه در زمینه پوشاك مشغول بودند. به عبارت دیگر
اطلاعات از اشخاصی بدست می آمده كه در زمینه ی پارچه فعالیت می كردند به
موازات توسعه در زمینه الیاف آلی ( organic fibers ) در اواخر دهه ی 1930
ودر ابتدای دهه ی 1940، این مسئله كشف شد كه شیشه ها بر پایه ی سیلیكا (

( stiffness ) الیاف شیشه با سفتی شیشه ی بالك فرقی نمی كند. این مسئله به
خاطر این است كه شیشه یك ماده ی آمورف است. وبنابراین، پس از فرآیند كشش
در آن هیچگونه جهت گیری ترجیحی رخ نمی دهد. به هر حال سفتی شیشه در مقایسه
با اكثر پلیمر ها بسیار بالاتر است. وبنابراین فیبر شیشه ماده ی بسیار
مناسبیجهت تقویت مواد پلیمری است. ظهور فیبر شیشه را می توان به عنوان
مقدمه ای بر استفاده و ساخت قطعات غیر بافتنی به شمار آورد. البته سیم های
فلزی ( metal wires ) برای اهداف خاص ومتنوعی استفاده می شود مثلا سیم مسی
برای انتقال الكتریسیته و سیم تنگستن برای رشته های روشنایی استفاده می
شود. همچنین سیم ترموكوپل از آلیاژهای متنوعی ساخته می شود ( ترموكوپل
وسیله ای برای اندازه گیری دما می باشد ) سیم های تولیدی از فولاد و دیگر
آلیاژهای فلزی برای ساخت وسایل موسیقیائی مختلف مانند پیانو، ویولون و...
استفاده می شود. در ربع آخر قرن بیستم كارهای زیادی در زمینه ی تولید الیاف
با مدول بالا ( high modulus fibers ) انجام شد. تولید الیاف با مدول بالا
هم از مواد آلی وهم معدنی صورت گرفت. در دهه ی 1950 این مسئله كشف شد كه
پیوند كربن-كربن در زنجیره ی اصلی پلیمرها، پیوندی قوی است. واگر بتوانیم
پلیمر را به گونه ای قرار دهیم كه جهت دهی در سمت زنجیره ی اصلی پلیمر باشد
می توانیم الیاف آلی با مدول بالا تولید كنیم. پس تلاش ها در این زمینه
آغاز شد و در ابتدا تنها بوسیله ی افزایش سرعت كشش وتنیدن الیاف آلی این
مسئله تحقق یافت. و نتیجه ی این كار بهبود سفتی الیاف بود. اما بازهم این
سفتی به حد سفتی الیاف شیشه نمی رسید. برای مثال مدول یانگ ( مدول كششی )
در این الیاف ودر جهت فیبر می توانست به 70 گیگا پاسگال برسد. به هرحال پس
از زمان محققین فهمیدند كه علاوه بر جهت گیری، گسترش زنجیره ی ملكولی نیز
نیاز است. این جهت گیری وگسترش زنجیره ی ملكولی باعث می گردد تا از پتانسیل
پیوند كربن-كربن به حد كمال استفاده شود. آرامیدها والیاف پلی اتیلن با
وزن ملكولی بسیار بالا ( polyetelen ultru-high weight ) كه دارای مدول
یانكی برابر 100 گیگا پاسكال هستند، دارای جهت گیری ومناسب وساختار زنجیره ی
گسترش یافته اند. در ربع آخر قرن بیستم همچنین كارهای بسیار زیادی در
زمینه ی الیاف سرامیكی دارای دانسیته پایین، سفتی بالا واستحكام بالا انجام
شد. مسئله ی مهم تر در مورد این الیاف این است كه این الیاف خواص خود را
در دمای بالا حفظ می كنند ( در دمای 1000درجه و بالاتر ). مثال هایی از این
الیاف سرامیكی عبارتند از: الیاف بور ( boron fiber )، الیاف كربن (


برخی از این الیاف بسیار گران بها هستند
وبوسیله ی تكنیك های پیشرفته ابداعی برپایه ی سل ژل و استفاده از پیش ماده
های پلیمری تولید می شود.( برای مثال الیاف آلومینا ، سیلیكون كاربید و...
از جمله ی این الیاف گران بها هستند).
این پیشرفت های بسیار خاص باعث باز شدن مبحث بسیار جدیدی در زمینه ی مواد الیافی شدند. این الیاف دارای خواص خاصی از جمله ی:
1) سفتی الاستیك بالا
2) استحكام بالا
3) دانسیته پایین
4) قابلیت تحمل در دماهای بسیار بالا carothers ) فرآیند پلیمریزاسیون تراكمی را كشف كرد. كشف فرآیند polyamids )، پلی استرها ( polyesters ) وپلی یوریتان ها ( polyurethanes ) silica-based glass ) را می توان به الیاف با استحكام بالا تبدیل كرد. سفتی carbon fiber ) الیاف آلومینا ( alumina fiber )، الیاف سیلیكون كاربید ( silicon carbide fiber ) و...