الیاف کولار (Kevlar Fibers)
کولار (پلی پارافنیلن ترفتال آمید) (PPD-T)
در ابتدا به معرفی ، تاریخچه ، نحوه اکتشاف ، فرایند پلیمریزاسیون ، نحوه تهیه الیاف و کاربردهای این پلیمر پرداخته خواهد شد. چون در دنیا با نام تجاری کولار شناخته شده است.
کولار چیست؟
کولار نام تجاری الیاف آرامید بر پایه (پلی پارافنیلن ترفتال آمید) (PPD-T) از اولین الیاف با مقاومت بالا و مدول بالاست که به صورت صنعتی و تجاری تولید شده است. داستان کولار شالی است از یک تلاش گسترده تحقیقاتی و یک فرایند نوآوری و نموداری است از چگونگی یک کشف آزمایشگاهی و انتقال این کشف به تولید صنعتی پس از ۲۲ سال تلاش مداوم و پیگیر ، اولین قدم برای کشف کولار در اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی و بر اساس یک نیاز توسط شرکت دوپان برداشته شد. پیگیری مطلب منجر به یک کشف مهم علمی در سال ۱۹۶۵ گردید. قبل از هرچیز خلاصه ای از زندگینامه خانم کولک را مرور خواهیم کرد.
زندگی نامه خانم استفان ال کولک
با اتکا به تجربه و هوش استفان کولک ، یکی از مواد پر کاربرد دنیای جدید بنام کولار را اختراع کرد او در سال ۱۹۲۳ در یکی از شهرهای ایالت پنسیلوانیا متولد شد. در کودکی به علوم و پزشکی علاقه مند بود. در کالج زنان که هم اکنون به نام دانشگاه کارنگی ملون شناخته می شود و در نزدیکی پیتبورگ قرار دارد درس خواند و در سال ۱۹۴۶ کارشناسی خود را در رشته شیمی از آن کالج دریافت کرد. سپس به دلیل نداشتن پول کافی برای ادامه تحصیل در دانشکده پزشکی ، در آزمایشگاه الیاف پارچه شرکت دوپان در بوفالو ایالت نیویورک به عنوان محقق شروع به کار کرد.
کولک با جدیت بسیار بالایی کار میکرد چون به کار کردن عشق می ورزید و از طرفی نمی خواست موقعیت شغلیاش را در آزمایشگاه از دست بدهد. پس از پایان جنگ جهانی دوم او به آزمایشگاه تحقیقاتی پیشرفته شرکت دوپان در ویلمینگتون ایالت دولاور منتقل شد. این آزمایشگاه در سال ۱۹۵۰ تاسیس شده بود. در اینجا با حمایت دوبیلیو هال چارچ اولین رئیس آزمایشگاه کولک به موفقیت هایی در زمینه پلیمرهای جدید دست یافت. تخصص کولک در فرایندهای دمای پایین برای پلیمرهای تراکمی بود . یعنی تولید زنجیرهای بلند مولکولی در دمای پایین که موج تهیه و تولید الیاف سنتزی پایه نفتی میگردد و سختی و مقاومت قابل توجهی دارد. در دهه ۱۹۶۰ او شاخه جدیدی از پلیمرهای بلور مایع سنتزی را کشف کرد و اولین مونومر خالص مورد نیاز در سنتز پلی بنزآمید را تهیه نمود.
کولک همچنین در مواد واسط مورد نیاز در فرایند سنتز که منجر به تهیه مواد فوق العاده حساس به رطوبت و حرارت که به آسانی هیدرولیز و خود پلیمریزه می شود علاقمند بود. بنابراین او حلال قابل قبول برای انجام واکنش های دمای پایین را برای مواد واسط کشف کرد. نتیجه پلیمرهای آرامید بود که بیشتر محققین آن را به دلیل مایع بودن و تیره بودن پذیرا نشدند و کولک محلول حاصل را ریسندگی کرد که نتیجه ی آن الیاف سنتزی شد که بسیار محکم تر از الیاف تولید شده قبلی بود.
شرکت دوپان آزمایشگاه پیشتاز خود را در جهت صنعتی کردن کشف کولک و تبدیل پلیمر بلوری به محصول صنعتی تجهیز نمود. نتیجه کار تولید محصولی به نام کولار شد که اولین بار در سال ۱۹۷۱ وارد بازار گردید. الیاف کولار ۵ برابر محکم تر از فولاد بوده و دانسیته آن ها نصف دانسیته الیاف شیشه می باشد. هم اکنون کولار برای عموم مردم الیاف شناخته شده ای است چون جلیقه های ضد گلوله را از آن تهیه می کنند و تنها در این کاربرد خاص ، کشف کولک جان هزاران نفر را نجات داده است.
کاربردهای الیاف کولار
در واقع کولار کاربردهای گسترده و متنوعی دارد مانند جلیقه های ضد گلوله ، تایرهای رادیال ، لنت های ترمز که در آن ها جایگزین آلیاف آزبست شده است ، قایق های مسابقه ، کابل های نوری ، پوسته های سفینه های هوایی و دریایی ، کابل های نگهدارنده پل های معلق هم ، در تهیه تخته های اسکی و کلاه های ایمنی نیز استفاده میشود. در اقتصاد، کولار بازاری به وسعت صدها میلیون دلار در سال در جهان ایجاد کرده است.
کولک کارش را در آزمایشگاه شرکت دوپان تا سن بازنشستگی به عنوان محقق ارشد تا سال ۱۹۸۶ ادامه داد. او به تنهایی و یا همراه با دیگر محققین اختراعاتش را در اداره ثبت اختراع امریکا ثبت کرده است از جمله روش ریسندگی که موجب تولید صنعتی الیاف آرامیده گردیده است. و ۵ ثبت اختراع در مورد نمونه سازی الیاف کولار از زمان ایجاد آن نیز از فعالیت های خانم کولاک بوده است. کولاک همکاریش را با دوپان بصورت نیمه وقت و به عنوان مشاور ادامه داد.
با توجه به این که نامبرده همواره مورد احترام و توجه محققین جوان و بالاخص خانم ها بوده است کولاک جوایز متعددی را دریاف کرده است از جمله جایزه کیل بای و مدال ملی تکنولوژی اخیرا بخاطر فعالیت نامبرده و پیشتازیش در اختراعات ، افتخار دریافت جایزه مادامالعمر Lemleson-MIT را بدست آورده است. که آن را در جشن کشف سانفرانسیسکو در ۲۲ آوریل ۱۹۹۹ دریافت کرد.
مراحل توسعه:
۱۹۶۰ نیاز
۱۹۶۵ کشف
۱۹۷۲-۱۹۶۵ تحقیق و توسعه
۱۹۷۲ تولید و توسعه صنعتی
۱۹۸۲ صنعتی شدن کامل
نیاز: اختراع نایلون و الیاف مشابه دیگر ، منجربه توجه و تلاش بیشتر تحقیقاتی با هدف تهیه الیاف برتر لبر الیاف ، گردید. در دهه ۱۹۶۰ شرکت دوپان این هدف را داشت: تهیه الیافی با مقاومت حرارتی آزبست و صلابت و سختی شیشه.
کارهای تجربی نشان دادند که را رسیدن به چنین الیافی از میان پلی آمیدهای آروماتیک چقرمه میگذرد چرا که این مورد به علت عدم حلالیت فوق العاده و دوام ، دانشمندان را وسوسه می کردند.
کشف: کشف کولار در سال ۱۹۶۵ عملی شد. خانم Stephunie Kwolek محقق مرکز تحقیقاتی دوپان در ویلینگتون این کشف بزرگ را انجام داد.
او دریافت که پارا بنزوئیک اسید می تواند پلیمریزه شده و تحت شرایط ویژه ای حل و منتج به پلیمر سخت قابل رشته شده می گردد.
وقتی اولین محلول پلیمری ساخته شد ، چنین تصور می شد که نمی توان آن را به صورت الیاف در آورد. علت آن این بود که محلول بدست آمده شفاف نبود و نمی شود بوسیله حرارت یا صاف کردن آن را بی رنگ نمود. انتظار می رفت که این مواد بی اثر پخش شده در محلول باعث گرفتگی روزنه های رشته ساز شوند. خانم Kwolek با تردید مواد را اکسترود کرد و با کمال تعجب دریافت که مواد به خوبی از روزنه های رشته ساز عبور کردند و هیچ نوع گرفتگی رخ نداد. هم اکنون می دانیم که این عدم شفافیت به علت تشکیل بلور مایع پلیمری است که تا آن زمان شناخته شده نبود. منحنی تنش - کرنش اولین لیف آرامیدی تهیه شده ، شگفت انگیز و غیر قابل باور بود بطوری که برای اطمینان بیشتر ، این تست چندین مرتبه تکرار شد و نتایج مشابهی حاصل شد.
رفتار مولکول های سخت در حلال کاملا با رفتار مولکول های نرم تفاوت دارد. مولکول های نرم مانند نایلون در محلول های رقیق به مقدار کمی درگیری و درهم رفتگی خواهند داشت. اما پلیمرهای بسیار سخت مانند آرامیدهای پارا ، درگذر از محلول رقیق به غلیظ نمی توانند تشکیل مارپیچ های راندوم بدهند چون تحرکات آن ها محدود شده است.
در یک غلظت بحرانی آن ها دیگر نمی توانند بصورت راندوم در محلول قرار بگیرند در این مرحله در صورت قرار گرفتن مقادیر زیادتری از مولکول ها در حلال اجبارا به صورت موازی نسبت به یکدیگر قرار می گیرند که در گویچه های بلور مایع و به صورت راندوم نظم یافته اند.
تحت نیروی برشی در عمل روزن رانی گویچه های بلور مایع در جهت تغییر شکل منظم می شوند در این امر منجر به تشکیل زنجیرهای کاملا کشیده شده در الیاف حاصل و ایجاد مدول و مقاومت بالا می گردد.
تحقیق و توسعه: در این مرحله تحقیق و توسعه اصلی شروع گردید. هدف توسعه درک عمیق تری از تشکیل محلول های بلور مایع و مشخص کردن سیستم های پلیمری سخت و میله مانند کم هزینه تر بود. این تلاش منجر به انواع زیادی از پلیمرهای سخت گردید که پتانسیل تشکیل محلول های قابل ریسندگی بلور مایع و الیاف محکم و چقرمه را دارا بودند.
بهترین گزینه انتخابی پلیمر حاصل از پارا- فنیلن دی آمین و ترفتالیک اسید با کد مشخصه PPD-T بود. لذا این پلیمر به عنوان پایه کولار قرار گرفت. این پلیمر دارای ویژگی هایی نظیر: ۱- ارزانی مواد ۲- بالاترین تقارن ۳- بالاترین چقرمگی را دارا بود.
برای بدست آوردن بهترین خواص ، محلول رشته سازی می بایست اسید سولفوریک ۱۰۰% میباشد که در این صورت ویسکوزیته محلول آماده شده برای رشته سازی پلیمر زیاد خواهد بود لذا سرعت رشته سازی باید کم باشد تا خواص خوبی به دست آید و در این حالت فرایند تولید اقتصادی نخواهد بود.
این دومین قدم بود ولی مشکلاتی وجود داشت مثل فرایند تولید علی رغم ارزانی مواد عملا قابل انجام نبود. چرا که محلول ریسندگی غیر معمولی و بسیار خورنده بود. راندمان محصول بسیار کم و هزینه بسیار بالا بود. پروژه عملا روبه شکست بود اما این هم مثالی بود از حل یک مشکل در یک سیستم پیچیده شیمیایی با استفاده از مهارت های مهندسی ، برنامه برای پیدا کردن حلال جایگزین حدود ۴۰ سال تلاش تکنیکی مصرف نمود.
تولید و توسعه کامل صنعتی کولار: تا اینجا مراحل نیاز ، فاز اکتشاف و فرایند توسعه در مقیاس صنعتی توضیح داده شدند. چالش بزرگ بعدی معرفی پتانسیل بازار کولار بود. در واقع در بین این معرفی لازم بود که مرحله نهایی فرایند نوآوری و تولید تمام عیار صنعتی که نیاز به سرمایه گذاری کلان داشت توجیه پذیر شود. در این مرحله نیاز به توجیه و تضمین کافی بود که الیاف کولار در مقایسه با دیگر انواع الیاف نظیر نایلون؛ الیاف شیشه و کربن می تواند دارای برتری هایی باشد.
روش های دستیابی به کاربرد کولار
در ابتدای این تلاش روشن شد که الیاف کولار الیافی بی رقیب و ممتاز است که به صورت اتوماتیک در سیستم های کاربرد عادی و معمولی قرار نمی گیرد ما در مهندسی یک سیستم مثلثی برای پیدا کردن موارد مصرف یک محصول داریم به این شکل که یک راس مثلث ساختار شیمیایی به عنوان مثال ترکیب یک پلیمر ، یک راس دیگر ساختار فیزیکی به عنوان مثال کریستالیتی و نهایتا راس سوم نماینده خواص الیاف است مثل مقاومت کششی و غیره. برخورد بین این سه گوش فرایند مهندسی را تشکیل می دهند.
برای درک بهتر این سیستم یک مثال می زنیم:
مصرف کولار در طناب ها و کابل ها
عامل اصلی استفاده از کولار در تهیه طناب ها و کابل ها مقاومت زیاد آن ها در واحد وزن ، کشسانی کم و خزش کم آن ها می باشد. مثلا در هوا و خشکی مقاومت آنها ۷ برابر فولاد و در دریا مقاومت مخصوص آنها ۲۰ برابر فولاد می باشد. در طول های زیاد که وزن سیم های فولادی مشکل آفرین می شوند. کولار نقش موثرتری ایفا می کند.
مثال بعدی استفاده از کولار در هواپیماهای کامپوزیتی است. مواد اولیه مورد استفاده ، کولار ، الیاف کربن و رزین اپوکسی است. انگیزه بکارگیری مقاومت زیاد کششی و چقرمگی آن ها است. تکنولوژی مورد استفاده شامل ترکیبی از کولار و الیاف کربن و رزین اپوکسی است تا بهترین حالت تعادل خواص
مکانیکی و تولرانس صدماتی (Damage tolerance) بدست آید. ساختار قطعات هواپیما نه تنها به خواص خوب و کامل مکانیکی نیاز دارد بلکه به تولرانس صدماتی نیز نیازمند است. یعنی توان تحمل تولرانس کاربردی و فشارهای خمشی Catastrophic را داشته باشد. الیاف کربن اما دارای چقرمگی زیاد و مقاومت فشاری زیاد هستند. به هر حال به خاطر ساختار حلقه ای زنجیری صفحه مانند آن الیاف کربن شکننده خواهند بود. در این صورت قادر نخواهند بود که Catastrophic impact را تحمل کنند.
کولار از طرف دیگر ساختاری دارد که به علت Ductile compressive failure باعث تولرانس تخریبی خوب آن می شود.
این موضوع به علت buckling فشاری زنجیره ای PPD-T اتفاق می افتد. در واقع این bucking انتقالی خواهد بود از شکل ترانس به شکل سیس. نتیجه این تغییر فرم تحمل استرس وارده بدون شکست پیوندی خواهد بود. این تغییر فرم و بهم ریختگی فرمولی بسیار شبیه آکاردئون در اثر خمش می باشد.
کامپوزیت های هیبریدی از کولار و الیاف کربن در هواپیماهای تجاری بوئینگ ۷۶۷-۷۷۷ یا ایرباس ۳۴۰A-380A و نیز در ساختار هلیکوپترها و سایر وسایل پرنده مورد استفاده قرار میگیرد.
از دیگر زمینه های کاربرد این مواد که در حال توسعه میباشد و بصورت رشته پیچی مورد استفاده قرار میگیرد به عنوان مثال میتوان به استفاده از آن ها در ظروف تحت فشار اشاره کرد.
جالب است بدانید که در نیمه دهه هفتاد ، کولار در ۵۰ کاربرد استفاده می شد ولی امروزه متجاوز از ۲۰۰ کاربرد برای آن پیدا شده است.
ابتدا در ریچموند یک پلنت mmlb45 ساخته شد. سپس در سال ۱۹۸۸ دومین پلنت در ایرلند شمالی شروع بکارکرد سومی در ژاپن و … رشد کولار کماکان ادامه دارد.
این داستان تلاشی خستگی ناپذیر از زنان و مردانی بود که ثابت کردند در تحقیق و پژوهش صبر و استقامت حرف اول را می زند و شروع کننده این تلاش نیز در زمره زنان بزرگ دنیای علم قرار گرفت.
منبع : polymer87