الیاف مصنوعی به گروهی از الیاف نساجی گفته می‌شود که توسط روش‌های خاص تولیدی و به صورت مصنوعی تولید می‌شوند و به‌طور معمول در طبیعت وجود ندارند ولی ممکن است ریشه طبیعی داشته باشند. اولین الیاف مصنوعی الیاف زیر شناخته می‌شوند:(ماشین‌آلات و فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی)
الیاف سلولز
الیاف استات سلولز
الیاف ویسکوز
الیاف اکریلیک
الیاف پلی پروپیلن
الیاف پلی‌آمید (نایلون)
الیاف پلی استر
پلی‌وینیل الکل
پلی اتیلن

الیاف مصنوعی

الیاف مصنوعی را بر اساس ماده‌اولیه آن‌ها به دو دستهٔ کلی تقسیم می‌کنند:

الف) الیاف مصنوعی بازیافته

جهت تهیه آن‌ها از پلیمرهای طبیعی مانند سلولز و پروتئین به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. ویسکوز ریون (Viscose Rayon)، کوپر آمونیوم ریون (Cuprinonium Rayon)، استات سلولز (Cellulose Acetate) را می‌توان به عنوان الیاف مصنوعی بازیافتی نام برد.

ب) الیاف مصنوعی س‍نتتیک

از مونومرهای مناسب برای تهیه پلیمر استفاده شده و پلیمرهای حاصل با ویژگی‌های معین برای تهیه الیاف سنتتیک به کار گرفته می‌شود.

الیاف مصنوعی سنتتیک

ماده اولیه الیاف مصنوعی سنتتیک از پلیمریزاسیون مونومرهای مناسب بدست می‌آید و پلیمرها از لحاظ فعل و انفعالات شیمیایی به دو گروه تقسیم می‌گردد.
پلیمرهای افزایشی
پلیمرهای تراکمی یا کندانسه‌ای

پلیمرهای افزایشی (Addition Polymers)

پلیمرهای افزایشی در اثر ترکیب مونومرهای ساده با یکدیگر و بدون از دست دادن هیچ مولکولی از خود به دست می‌آیند. مونومرهای به کار رفته حاوی گروه‌های متیلن و باند دوگانه هستند. رادیکال‌های فعال شیمیایی حاصل از کاتالیزورها یا فتوشیمیایی حاصل از اشعه‌های مختلف (مانند اشعه گاما) در محیط مناسب به ترکیبات اتیلنی اثر کرده و با تبدیل اتصال دوگانه آن‌ها به اتصال ساده، یعنی فعال کردن منومرها، سبب ترکیب آن‌ها با یکدیگر شده و زنجیره بلند پلیمر بدست می‌آید.
مهمترین مونومرهایی که دارای پیوند دوگانه بوده و توانایی تشکیل چنین ترکیبی را دارند، عبارتند از: اتیلن Ethylene، اکریلونیتریل Acrylonitrile یا وینیل سیانید Vinyl Cyanide، وینیل استات Vinyl Acetate، متیل متاکریلات Methyl Methacrylate
در هر پلیمریزاسیون افزایشی به منظور تشکیل زنجیر بلند پلیمر، پس از تشکیل رادیکال فعال شیمیایی یا فتوشیمیایی، سه مرحله اساسی زیر روی منومرها انجام می‌گیرد.
۱ _ آغاز فعل و انفعالات در اثر فعال شدن مونومر Initation
۲ _ پیشروی فعل و انفعالات Propagation
۳ _ پایان فعل و انفعالات Termination
پلیمر افزایشی را می‌توان با یکی از روش‌های پلیمریزاسیون زیر تهیه کرد:

الف)Bulk Polymerization

این روش آسانترین روش پلیمریزاسیون افزایشی می‌باشد. در این روش کاتالیزور مناسب را به محلول خالص از منومر اضافه می‌کنند و آن را در یک راکتور که درجه حرارت عملیات، قابل کنترل می‌باشد، بهم می‌زنند و به تدریج که فعل و انفعالات ادامه پیدا می‌کند، غلظت محلول در اثر پلیمریزاسیون، منومرها افزایش پیدا می‌کند، در صورتی‌که تمام منومرها تبدیل به پلیمر شوند یک جسم جامد حاصل خواهد شد.

ب)Solution Polymerization

در این روش منومر و کاتالیزور را در یک حلال بی‌اثر حل کرده و عمل پلیمریزاسیون در همان حلال انجام می‌گیرد و پلیمر حاصل به صورت محلول در حلال تهیه می‌شود. در صورتی‌که محلول پلیمر حاصل را بتوان مستقیماً جهت عملیات ریسیدن الیاف بکار برد، یک روش مناسب و مقرون به صرفه خواهد بود، ولی در صورتی‌که لازم باشد می‌توان پلیمر تشکیل شده را از حلال آن جدا کرده و آن را بعداً به صورت‌های مناسب دیگر جهت ریسیدن الیاف استفاده کرد. در این صورت آثاری از حلال اول در پلیمر باقی خواهد ماند و همچنین بازیابی این حلال احتیاج به سرمایه‌گذاری دوباره خواهد داشت.(ماشین‌آلات و فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی)

پ) Emulsion Polymerization

در این روش آب به عنوان ماده واسطه مصرف شده و مونومر را به وسیلهٔ ماده امولسیون‌کننده به صورت امولسیون در آب درمی‌آورند، و سپس با اضافه کردن کاتالیزور مناسب به این امولسیون عمل پلیمریزاسیون را آغاز می‌کنند.
پلیمر تشکیل شده از محیط عمل رسوب می‌کند.

ت) Suspansion Polymerization

در این روش منومر و کاتالیزور را به یک ماده واسطه که معمولاً آب می‌باشد اضافه می‍کنند و آن‌ها را در اثر بهم زدن همراه با مواد تثبیت‌کننده مانند نشاسته به صورت معلق نگه می‌دارند. وقتی عمل پلیمریزاسیون انجام می‌گیرد، ذرات پلیمر تشکیل شده به صورت روش پلیمریزاسیون بالک عمل می‌کند و عمل پلیمریزاسیون تکمیل شده و رسوب می‌شود.

پلیمرهای تراکمی Conensation Polymers

پلیمرهای تراکمی به سه روش قابل تهیه‌اند:
۱ _ از ترکیب یک یا چند مولکول مختلف با یکدیگر و حذف یک مولکول ساده به شکل آب، آمونیاک یا اسیدکلریدریک. مهم‌ترین آن‌ها شامل پلی‌آمید، پلی‌استر و فنل آلدئید
۲ _ از ترکیب یک مولکول بسته با خودش، در اثر باز شدن اتصال حلقوی آن، بدون حذف مولکول اضافی
۳_ از ترکیب یک یا چند مولکول مختلف با یکدیگر بدون حذف مولکول اضافی
بنابراین پلیمریزاسیون تراکمی عبارتست از پلیمریزاسیونی که در آن فعل و انفعالی مداوم بین دو گروه فعال از مونومرها انجام گرفته و گروه جدیدی به صورت اتصال بین مولکولی ایجاد می‌گردد که دیگر خاصیت گروه‌های اولیه را ندارد.

اختلاف پلیمرهای تراکمی با پلیمرهای افزایشی

پلیمرهای افزایشی در اثر تبدیل باند دوگانه مونومر و پیوند ساده و اضافه کردن مونومر به زنجیر فعال (بدون تولید هیچگونه ترکیب اضافی) حاصل می‌شود و زنجیر اصلی پلیمر فقط دارای پیوندهای کربنی می‌باشد و گروه‌های فعال و پلار همواره در زنجیر جانبی قرار دارند و همواره از نوع پلیمرهای ترموپلاستیک می‌باشند و زمانیکه عمل پلیمریزاسیون شروع می‌شود باد تا تشکیل پلیمر نهایی عملیات ادامه پیدا کند و نمی‌توان فعل و انفعالات پلیمریزاسیون را متوقف ساخت و دوباره شروع کرد.
در پلیمرهای تراکمی فعل و انفعالات بین گروه‌های فعال موجود در انتهای منومرها و به صورت قدم به قدم، یعنی تشکیل دی‌مر-تری‌مر و بالاخره پلیمر انجام گرفته و در بعضی مواقع ترکیبات اضافی نیز تولید می‌شود و در ضمن گروه‍های فعال و پلار در داخل زنجیر خطی قرار دارند. در این روش امکان متوقف کردن عملیات پلیمریزاسیون، قبل از تکمیل و شروع مجدد آن وجود دارد؛ مثلاً می‌توان یک مرحله فقط دی‌مر یا تری‌مر تولید کرد و سپس این دی‌مر و با تری‌مرها را دوباره باهم ترکیب کرد، و عمل پلیمریزاسیون را تا درجه مورد لزوم ادامه داد.

کوپلیمریزاسیون (همبسپارش)

هرگاه به محیط پلیمریزاسیون مونومرهای اصلی یک پلیمر، مونومرهای دیگری اضافه شود، به‌طوری‌که این مونومر یا مونومرهای اضافی بتوانند در عمل پلیمریزاسیون شرکت کنند و وارد زنجیر پلیمر گردند، در این صورت به جای یک پلیمر اصلی (Homopolymer) یک کوپلیمر بدست می‌آید. هرچند منومر اضافه شده ممکن است توانایی پلیمریزاسیون مستقل را نیز داشته باشد.
با کوپلیمریزاسیون مونومرهای مناسب می‌توان پلیمرهایی که خواص مطلوب را دارند، بدست آورد.

معرفی برخی الیاف مصنوعی بازیافتی

ویسکوز ریون

از سلولز طبیعی مانند چوب، یا لینتر پنبه که حاوی ۸۷–۹۸ درصد آلفا-سلولز می‌باشد، به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. پس از شستشو ماده اولیه با قلیایی جوشان و سفیدگری آن توسط سدیم هیپوکلریت محلول قابل ریسیدن آماده می‌شود.

استات سلولز

تری‌استات و استات سلولز ثانوی، واحد گلوکز در سلولز حاوی ۳ گروه آزاد هیدروکسیل می‌باشد. می‌توان هر سه گروه را استیله کرده و سلولز را تبدیل به سلولز تری‌استات کرد. به علت عدم وجود حلال مناسب در سطح تجاری در ابتدا تهیه تری‌استات سلولز و تولید آن جهت صنعت نساجی به صرفه نبود. تا اینکه با تهیه حلال دی‌کلرید متیلن در سطح تجاری، این محدودیت برطرف گردید.

فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی

اصطلاح الیاف مصنوعی به طور دقیق به الیافی اشاره دارد که از پلیمرهای ساخته شده از زنجیره های رشد یافته در خلال یک فرآیند شیمیایی کنترل شده تشکیل می شوند. گروه الیاف مصنوعی شامل نایلون، کولار، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی اتیلن است؛ این در حالی است که الیاف تشکیل شده از پلیمرهای به اصطلاح طبیعی جزء الیاف مصنوعی واقعی به حساب نمی آیند و به آنها الیاف بازیافتی گفته می شود. گروه الیاف بازیافتی از ریون ویسکوز و استات سلولز تشکیل شده است که به مدد برخی از پیشرفت های اخیر مانند کیتوسان، از مواد کتینی فراوانی که در بدن سخت پوستان دریایی وجود دارند، تشکیل می شوند. علی رغم تسلط کنونی الیاف واقعاً مصنوعی بر بازار الیاف، این روند توسعه اولیه سلولزهای بازیافتی است که زمینه توسعه بسیاری از فرآیندها و تکنیک هایی که اکنون برای ساخت الیاف از مواد اولیه طبیعی و مصنوعی لازم است را فراهم کرده است.
یکی از نقاط عطف روند تولید الیاف مصنوعی، تولید و تجاری سازی نایلون (پلی آمید ۶.۶) در سال ۱۹۳۸ بود که توسط شرکت دوپونت (DuPont) و گروهی به رهبری کارودرز (Carothers) انجام گرفت. همین روند با توسعه شکل دیگری از نایلون (پلی آمید ۶) در شرکت آلمانی I G Farben ادامه پیدا کرد. در این دوره نایلون به دلیل سهولت نسبی تولید و مناسب بودن برای کاربردهایی مانند جوراب بافی به الیاف اولیه غالب بازار تبدیل شد. توسعه داکرون یا به اصطلاح دقیق تر PET که عموماً به نام پلی استر شناخته می شود، دیگر نقطه عطف مهم بود؛ داکرون در سال ۱۹۵۸ به بازار عرضه شد. پلی استر از ویژگی های مکانیکی و زیبایی شناختی خاصی برخوردار است که آن را برای کاربردهای نساجی بسیار مناسب می کند. این الیاف آنقدر رشد کردند که توانستند بیشترین سهم بازار الیاف مصنوعی را در سال ۱۹۷۲ به خود اختصاص دهند. از آن زمان تا کنون گام هایی در زمینه استفاده از سلولزهای بازیافتی به عنوان یک ماده منبع (لیوسل، استات سلولز) و استفاده از مواد زیستی برای استخراج بلوک های ساختاری مونومرها مثل پلی اسید لاکتیک که به طور کامل از منابع محصولی تجدید پذیر ساخته می شوند، برداشته شده است. در بخش فنی توسعه کولار پارا آمید توسط استفانی کولک (Stephanie Kwolek) و دوپونت در دهه ۱۹۶۰، باب جدیدی از تحقیقات در مورد پلیمرهای کریستال مایع را باز کرد. این کار پیشگامانه خود مسبب پایه گذاری بنیادی برای این محیط دائماً در حال تحول شد که در آن فناوری های مستقر دائماً در معرض چالش های ناشی از مواد و فرآیندهای جدید قرار دارند.(ماشین‌آلات و فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی)

الیاف مصنوعی همان الیافی هستند که از انواع مختلف پلیمرها ساخته می شوند. این الیاف تحت عنوان الیاف طبیعی کشت نمی شوند. الیاف بازیافتی با حل شدن بخش سلولزی الیاف گیاهی در مواد شیمیایی و تبدیل مجدد آنها به الیاف تولید می گردند. الیاف مصنوعی که برای استفاده در تولید منسوجات ساخته می شوند، با استفاده از همان روش های اصلی فرآوری تولید می گردند.
در اصل یک مایع پلیمری از طریق یک سری سوراخ های ریز که شکل اصلی الیاف را می سازند، عبور داده می شود. سپس مایع پلیمری از طریق فرآیندهای شیمیایی یا ترمودینامیکی سرد شده و سخت می گردد؛ این امر منجر به تولید یک سری فیلامنت های (رشته های) جامد می شود. چهار روش برای ریسیدن فیلامنت های الیاف تولید شده وجود دارد: ریسندگی مرطوب، ریسندگی خشک، ریسندگی مذاب و ژل ریسی.

ریسندگی مذاب

در ریسندگی مذاب، تراشه های پلیمری در یک قیف بزرگ ذوب می شوند و قبل از رسیدن به اسپینرت، از یک پمپ اندازه گیری(metered pump) عبور می کنند. سپس رشته‌ها از هوای سرد عبور کرده، که فیلامنت ها را قبل از کشیده شدن و پیچیدن روی بوبین جامد می‌کند. الیاف ترموپلاستیک عمدتاً با ریسندگی مذاب تولید می شوند. نایلون، پلی استر و پلی استر معطر کریستالی مایع همگی با ریسندگی مذاب تولید می شوند. آنها ابتدا در دمای بالاتر از دمای ذوب خود حرارت داده می شوند، سپس از طریق اسپینرت اکسترود می شوند تا فیلامنت پیوسته را تشکیل دهند و به دنبال آن کشش، خنک شدن و بوبین پیچی انجام می گیرد. این فرآیند به صورت شماتیک در شکل ۱ نشان داده شده است.(ماشین‌آلات و فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی)

ریسندگی مذاب این مزیت را دارد که به حلال نیاز ندارد و از پلیمر همان گونه که هست استفاده می شود. مذاب های پلیمری معمولاً بسیار چسبناک هستند و ویسکوزیته بالایی دارند به همین دلیل در هنگام خروج از اسپینرت پدیده ای به نام تورم اگزودا (Exudate swell) ایجاد می کنند. تورم اکسودا توسط یک ماده الاستیک ایجاد می شود که پس از فشرده سازی موقت هنگام خروج از روزنه احیا می شود. پیامدهای عملی تورم اگزودا این است که رشته ها ی با شکل مقطع پیچیده منحرف می شوند. به عبارت دیگر هندسه الیاف پیچیده ممکن است با ریسندگی مذاب امکان پذیر نباشد.

ریسندگی مرطوب

از روش ریسندگی مرطوب زمانی استفاده می شود که نتوان از روش ریسندگی مذاب برای پلیمرهای غیر ترموپلاستیک و حساس به دما استفاده کرد. ترتیب این فرآیند بدین گونه است که ابتدا زنجیره های پلیمری در یک حلال مناسب حل می شوند و یک مایع چسبناک را تشکیل می دهند. غلظت محلول بسته به طول زنجیره پلیمر، سیستم حلال و طرح بسته ریسندگی می تواند از ۱% تا ۲۵% متغیر باشد. هنگامیکه زنجیره های پلیمری در محلول حل می شوند، زنجیره ها از هم باز شده و جدا می گردند و نسبت به یکدیگر شروع به حرکت می کنند. معمولاً سه نوع روش ریسندگی مرطوب وجود دارد که طرح کلی هر کدام از آنها در شکل زیر آورده شده است.
در همه آنها یک محلول نخ ریسی توسط رشته سازها پمپ می شود و فیلامنت ها از طریق تبخیر یا ته نشینی تشکیل می گردند. در روش های ریسندگی خشک- مرطوب، حلال به اندازه ای فرار است که به سرعت تبخیر می شود و تنها چیزی که باقی می ماند فیلامنت هایی است که به تدریج در حال سفت شدن بوده و تنها حاوی مقدار کمی از حلال هستند.
در روش های ریسندگی شکاف هوایی و انعقاد، رشته ساز درست در بالای حمام ریسندگی معلق شده یا غوطه ور می شود، و حلال با استفاده از سیستم های منعقد کننده یا غیر حلال رسوب کرده و از فیلامنت ها خارج می گردد. سپس فیلامنت ها سفت شده و قبل از پیچیده شدن آنها روی بوبین ها چندین مرحله شستشو و خشک شدن را پشت سر می گذارند. از آنجاییکه سرعت انتشار ماده منعقد کننده و محلول بسیار مهم است، بنابراین روند کار این نوع از ریسندگی مرطوب معمولاً کندتر از روش ریسندگی مذاب است.

ریسیدن فیلامنت های به هم پیوسته باعث می شود تا بتوان مواد افزودنی را در زمان تشکیل الیاف به آنها اضافه کرد. به عنوان مثال الیاف ریسیده رنگ شده را می توان از طریق اضافه کردن دسته ای از مواد رنگی به فیلامنت ها تولید کرد. این امر باعث می گردد تا بتوان در رنگ مورد نیاز برای رنگرزی الیاف صرفه جویی نمود؛ ضمناً این روشی است که برای رنگرزی الیافی مانند پلی پروپیلن لازم است.
اما طیف رنگ و حداقل مقدار اجرایی اغلب محدودیت دارد.یک نکته مهم در مورد الیاف مصنوعی این است که فرآیند تولید معمولاً در کشش و تنش الیاف در سطح مولکولی قفل می شود. بعدها زمانیکه این الیاف در معرض فرآیندهای حرارت، رنگرزی، پیوستگی یا پرداخت قرار می گیرند، الیاف با کم شدن کرنش منقبض می گردند و همین امر باعث جمع شدن پارچه و نخ در یک جهت می شود.
چروک باقیمانده معمولاً از طریق یک فرآیند پرداخت کاری که به تنظیم گرما معروف است، حذف می گردد. در خلال این فرآیند پارچه ها شسته می شوند و به آنها اجازه داده می شود تا به صورت کنترل شده توسط گرم کن های بسیار گرم کاملاً جمع گردند، بدین وسیله می توان ۲۰% از چروک پارچه را کم کرد. این یک فرآیند پر هزینه است و پارچه حاصل باید در مراحل بعدی از نظر حرارتی به سطح پایداری برسد.

ریسندگی خشک

در این فرآیند محلول پلیمری از یک پمپ اندازه گیری عبور می کند. پس از عبور از اسپینرت، رشته ها از هوای گرم عبور داده می شوند که حلال را تبخیر کرده و رشته را خشک می کند. سپس فیلامنت ها کشیده شده و روی بوبین ها پیچیده می شوند. در ریسندگی خشک برای تشکیل الیاف پلیمری از محلول استفاده می شود. این یک فرآیند مستقیم است. در این نوع ریسندگی یک حلال و یک دستگاه بازیافت حلال مورد نیاز می باشد. در این فرآیند شستشو انجام نمی شود. این فرآیند ممکن است برای تولید استات، تری استات، اکریلیک، مداکریلیک، PBI، اسپنداکس و وینیان استفاده شود.(ماشین‌آلات و فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی)

ژل ریسی

ریسندگی ژل به عنوان ریسندگی خشک و مرطوب(dry-wet spinning) نیز شناخته می شود زیرا ابتدا فیلامنت ها با عبور از هوای سرد و سپس در حمام مایع خنک کننده خنک می شوند. این یک فرآیند ویژه به منظور دستیابی به استحکام بالا یا برای الیاف خاص استفاده می شود. پلیمریزاسیون در حالت نیمه مایع یا ژل شروع می شود، برخلاف سه فرآیند دیگر در این نوع ریسندگی زنجیره های پلیمری در فواصل زمانی به شکل کریستال مایع به یکدیگر متصل می شوند که منجر به نیروهای بسیار قوی بین زنجیره ای می شود. زنجیره های پلیمری در الیاف دارای درجه بالایی از جهت گیری هستند که به شدت استحکام کششی آنها را افزایش می دهد. این فرآیند جهت تولید الیاف آرامید و پلی اتیلن استفاده می شود.
روش ژل ریسی به روش ریسندگی مرطوب- خشک نیز معروف است؛ از این روش برای دستیابی به مقاومت بالا و سایر ویژگی های خاص در الیاف استفاده می گردد. پلیمر در حالت ژله ای از اسپینرت (وسیله ای چند منفذه که شبیه سر دوش حمام است) عبور داده می شود. سپس الیاف در هوا خشک شده و در یک وان پر از مایع سرد می گردند.(ماشین‌آلات و فرآیند تولید الیاف مصنوعی و بازیافتی)

درصورت تمایل به این مطلب امتیاز دهید: