الياف تک کريستال پلي دي استيلن ( Polydiacetylene Single Crystal fiber) ما قبلا درمورد درجه ي کريستالينيتي در پليمرها صحبت کرديم. همچنين اين حقيقت را گفتيم که توليد يک پليمر 100% کريستالي بسيار مشکل است.مخصوصا درمورد الياف تک کريستالي پلي دي استيلن اين مسئله نمود دارد. درواقع اين الياف به روش پليمريزاسيون حالت جامد توليد مي شوند.دراين فرآيند مونومر تک کريستال به روش رسوب از فاز بخار (Dapor phase deposition) يا رسوب ازيک محلول آبکي بدست مي آيد.اين مونومر سپس بوسيله ي پليمريزاسيون حالت جامد ( به صورت هموژن يا هتدوژن) به پليمر تبديل مي شوند. دراين فرآيند پليمريزاسيون از تابش سينگروتروني ( Synchrotron radiation) ، اشعه ي گاما ويا گرما براي فعال سازي وشروع پليمرايزاسيون بهره گرفته مي شود. الياف توليدي بوسيله اين روش داراي نقايصي هستند مثلا اين الياف داراي طول بسيار کوتاهي هستند. اين طول از 5- 10 سانتيمتر تجاوز نمي کند.همچنين توليد آنها نسبتا آهسته است.همچنين اين مساله بايد اضافه گردد که تنها دي استيلين را مي توان به روش پليمريزاسيون حال جامد به صورت تک کريستال توليد کرد واين تکنيک براي ساير سيستم هاي مشابه قابل کاربرد نيست.

الياف الاستومري (elastomeric fibers)
 

الا ستومرها را مي توان به روش بسيار کلي تعريف کرد. برطبق اين تعريف کلي وعمومي الاستومرها پليمرهايي هستند که رفتار رابراي (rubbery behavior) دارند.يعني آنها رفتار الاستيک غير خطي دارند. انجمن آزمايش ومواد آمريکا (ASTM) تعريفي دقيقتر از الاستومرها ارائه کرده است. برطبق اين تعريف يک الاستومر ماده اي است که مي تواند در دماي اتاق به طور مکرر کشيد شود و حداقل به اندازه ي دو برابر طول اوليه اش کش آيد. وسريعاً پس از برداشتن نيروي وارده برآن به طور تقريبي به اندازه ي اوليه ي خود برگردد. بنابرتعريف ارائه شده بوسيله ي ASTM تعداد زيادي از کوپليمرها داراي اين ويژگي هستند. وبنابراين به آنها الاستومر گفته مي شود. به هر حال همه ي اين مواد توانايي تبديل شدن به فيبر را ندارند. به طور خلاصه بايد گفت که : الاستومرها موادي هستند که ميزان کرنش الاستيک غير خطي آنها بالاست. بيشتر الاستومرها داراي مدول يانگ (E) بسيار پاييني هستند. اگر چه مواد الاستومري داراي سختي به نسبت پاييني هستند اما خواص دمپينگ (ضربه گيري) خوبي دارند. خاصيت عمده ي اين مواد اين است که آنها داراي گسترده ي کرنش الاستيک وسيعي هستند. اين گستره کرنش الاستيک همچنين داراي دو ويژگي مهم است يکي آن که کرنشي برگشت پذير است و ديگري اينکه کرنش آن غير خطي است. براي مثال يک الاستومر مي تواند در تحت تنش تا 700 درصد از خود کرنش نشان دهد. واين درحالي است که کرنش يک قطعه ي فولاد تحت تنش قرار گرفته ، تقريباً O.1 درصد است. کرنش اتفاق افتاده در فلزات و سراميک ها بدليل تغييرات الاستيکي است که در اتم ها اتفاق مي افتد. از لحاظ ريزساختاري الاستومرها پليمرهايي با زنجيره ي ملکولي طويل هستند که دماي تبديل به حالت شيشه يا (Tg) آنها کمتر از دماي اتاق (298k) است. حالت کشدار بودن الاستومرها بدليل ساختار درهم پيچيده ي آنهاست. واين درحالي است که وقتي الاستومرها تحت کشش واقع شوند، اين ماکروملکولها به زنجيره هاي صاف تبديل مي شوند. بنابراين کشش باعث مي شود زنجيره ها جهت گيري کنند وهمچنين اين جهت گيري باعث مي گردد آنتروپي (s) کاهش يابد. آنتروپي ميزان بي نظمي درقرارگيري زنجيره هاست.ميزان تغيير انرژي آزاد گيبس به صورت زير است:
G= ?H-T?S?
در اين فرمول :
H? : تغيير آنتالپي
T : دما
S? : تغيير آنتروپي
هنگامي که يک الاستومر کشيده مي شود تغيير آنتالپي صفراست. درواقع آنتالپي ثابت مي ماند.بنابراين تغيير انرژي آزاد اتفاق افتاده و دراين فرآيند برابر مي شود با :
G= -T?S?
با درنظر گرفتن اين مسئله که زنجيره ي پليمري بين دونقطه کشيده مي شود زنجيره ي انعطاف پذير پليمري بين اين دونقطه مي تواند وضعيت هاي متنوعي داشته باشد. براي نشان دادن آنتروپي وضعيتي ما ميتوانيم عبارت زير را بنويسيم ( اين معادله از مکانيک آماري بدست آمده است): S_config=klnp
دراين فرمول:
K: ثابت بلتزمن
و P : تعداد وضعيتها است:
هنگامي که يک نوار رابري را مي کشيم ، دوبخش ثابت را از هر دو طرف مي کشيم و دراين حالت تعداد حالت هاي ممکن زنجيره ها به تعداد حالت هاي ممکن زنجيره ها درحالتي که رابر درحالت طبيعي است، کاهش مي يابد. اين مسئله بدين معناست که هنگام کشيده شدن، آنتروپي (S) کاهش مي يابد واز آنجايي که دما (T) همواره مثبت است و?S درهنگام کشيده شدن رابر منفي است، انرژي ازاد درهنگام کشيده شدن مثبت است. واز اين مسئله مي فهميم که حالت کشيده شده براي رابر حالتي مساعد از لحاظ ترمودينا ميکي نيست. واين امر موجب مي شود تا هنگامي که نيروي اعمالي بر رابر کشيده شده برداشته شود، رابر به حالت اوليه ي خود باز گردد.
ويژگي مورد نياز براي يک فيبر الاستومر اين است که اين مواد بايد بتواند تا 7 برابر طول ابتدايي شان کشيده شوند. هنگامي که نيرو از روي آنها برداشته شود اين مواد بايد به ابعاد اوليه باز گردند.اين خاصيت به دو روش مي تواند در يک پليمر اتفاق افتد.

1) زنجيره هاي لپيمري انعطاف پذير با پيوندهاي عرضي
 

اين پويندهاي عرضي را مي توان با ولکلانيزاسيون(Vul Canization) رابر بوسيله ي گوگرد انجام شود. در واقع با ولکلانيزاسيون يک رابر پيوندهاي عرضي در آن ايجاد مي شود.

2) توليد يک پليمر مالتي بلوک و دوفازي (two – phase , multiblock)
 

اين پليرمها معمولا با نام پليمرهاي حلقه دار (polymer Segmented ) معروفند مثالي از چنين پليمري عبارتست از پلي يوريتان هاي حلقه دار (Segmented polyurethanes) .الياف الاستومري را مي توان بوسيله ي رابر طبيعي ( natural rubber ) توليد کرد. لاتکس ( latex) که سوسپانسيوني از کره هاي رابري در داخل آب است را مي توان با يک عامل ولکلانيزاسيون مخلوط نمود و سپس مخلوط را به وسيله ي روش تر، ريسندگي کرد. الياف اکسترود شده وارد يک حمام انعقاد مي شوند و پس از آن زنجيره ها بوسيله ي فرآيند ولکلانيزاسيون پيوند عرضي مي دهند. اين چنين اليافي براي توليد پارچه هاي کش باف و بافتني استفاده مي شوند. البته در اغلب موارد اين الياف به صورت خالص و بدون مخلوط شدن با ساير الياف نساجي به صورت پوشاک در مي آيند.
به هر حال بيشتر الياف رابري طبيعي بوسيله ي الياف الاستومري مصنوعي جايگزين شده اند. مخصوصا اين جايگزيني در پوشاک ورزشي بوجود آمده است. علت اين جايگزيني خاصيت رنگ پذيري ضعيف، مقاومت سايشي پايين و پايداري شيميايي کم الياف رابري در مقايسه با الياف پلي يوريتان حقله دار است. واژه ي اسپاندکس (Spandex) يا ليکرا ( Lycra) نام عمومي گروهي از الياف مصنوعي است که حداقل داراي 85% پليمر پلي يوريتان حلقه دار هستند. در اروپا به اين الياف الاستان (elastane) مي گويند.

فرآيندهاي توليد الياف الاستومري
 

الياف الاستومري مانند اسپاندکس، اليافي پلي پوريتاني هستند و بوسيله ي ريسندگي پليمرشان توليد مي شوند و سپس بين گروه هاي يوريتان اتصال ايجاد مي گردد.
فرآيند توليد اين مواد شامل چندين فرايند شيميايي است که از توليد پليمر با وزن ملکولي پايين ( پيش پليمر) شروع مي شود سپس پيش پليمر (pre polymer) با دي ايزوسيانات( diisocyanate) واکنش مي دهد. در انتهاي کار با واکنش پيش پليمر و دي ايزوسيانات، پلي يوريتان حلقه دار بوجود مي آيد.
پلي يوريتان توليدي يک پليمر خطي است که در بسياري از حلال ها حل مي گردد .وسپس مي توان آن را به روش تر يا خشک ريسندگي کرد. همانگونه که مي دانيد در فرايند رسيندگي تر، الياف عبور کرده و از رشته ساز از يک حمام انعقاد عبور کرده در حالي که در ريسندگي خشک اين الياف از يک اتمسفر گازي عبور مي کنند. که اين عبور باعث خروج حلال از الياف مي شود. ريسندگي تر فرآيندي عمومي تر براي توليد الياف الاستومري است. در فرآيند ريسندگي از افزودني هاي فراواني استفاده مي شود. اين افزودني ها از جمله عوامل درخشنده کننده، پايدار کننده ، آنتي اکسيدان، روانساز وعوامل تقويت کننده ي رنگ پذيري هستند: مانند Tio2
پليمردوپ شده با افزودني ها از ميان رشته ساز عبور کرده و با وزش گاز داغ حلال موجود در آن بخارمي گردد .فيلامنت هاي تکي با هم ترکيب مي شوند. تا يک فيلامنت چند گانه پديد آيد. سرعت ريسندگي بين 200- 800 متر بر دقيقه است. عموما يک عمليات کشش پس از ايجاد فيلامنت ها ودر دماي c 150 درجه انجام مي شود که در طي اين پروسه جهت گيري زنجيره ها درجهت محور الياف بيشتر مي شود که اين مسئله باعث افزايش استحکام مي شود.
اگر ملکول پلي يوريتان به شکل ساختاري سه بعدي تشکيل شود ديگر درحلال حل نمي شود وهمين مسئله باعث مي گردد تا نتوان آن را بوسيله ي فرايند خشک وتر ريسندگي کرد. ترفند بکار رفته در ريسندگي اين نوع الياف بدين گونه است که ابتدا مخلوط پيش پليمر وعوامل ولکلانيزاسيون ايجاد مي شود. و سپس اين مخلوط ريسندگي مي شود و پس از آن واکنش شيميايي بين پيش پليمر وعامل ولکلانيزاسيون اتفاق مي افتد. عامل ولکلانيزاسيون باعث پديد آمدن پيوندهاي عرضي در ماده مي شود.

ساختار و خواص الياف الاستومر
 

پلي يوريتان ها که شکل اصلي الياف الاستومري هستند از واکنش ميان الکل ها و دي ايزوسيانات ها توليد مي شوند. اين الياف از نوع پليمرهاي بلوک هستند. ويژگي الياف الاستومر همانگونه که گفتيم اين است که اين الياف به طور مکرر مي توانند تحت کشش قرار گيرند. (کشسانند). از لحاظ ساختاري اين کوپليمرهاي بلوک شامل يک بخش انعطاف پذير و يک بخش سخت هستند. بخش انعطاف پذير اين نوع پليمر ها، پلي استرهاي آليفاتيک رندوم( کوپلي استرها) هستند. در حالي که بخش سخت اين نوع پليمرها، پلي يورتيان هاي آليفاتيک- آروماتيک هستند. اتصال هاي يوريتان باعث اتصال بخش هاي سخت و نرم زنجيره مي شوند.

شکل 1 شماتيک نحوه ي اتصال بخش هاي سخت و نرم زنجيره ي يک الاسترمر را نشان مي دهد. اين شکل نشان مي دهد که چگونه اين اتصالات موجب پديد آمدن خاصيت کشسان مي گردد. بخش نرم زنجيره که 65- 90% وزني زنجيره را تشکيل مي دهد، در حالتي که نيرو برالاستومر اعمال نشود، حالتي غير جهتدار دارد و زماني که فيبر کشيده شود اين بخش به صورت جهتدار و صاف در مي آيد.
بخش نرم زنجيره ي الاستومر اجازه مي دهد تا پلي يوريتان به آساني کشيده شود در حالي که بخش سخت زنجيره ي الاستومر مانند يک لنگر عمل کرده و هنگامي که نيروي وارده بر الاستومر برداشته شود اين لنگر باعث برگشتن الاستومر به حالت عادي مي گردد. با استفاده از تنظيم نسبت بخش سخت به نرم زنجيره ها مي توان ميزان کشيده شدن الياف را کنترل کرد .الياف اسپاندکس داراي دانسيته ي خطي 1-500tex وکرنش شکست 400- 800% هستند.

شکل 2- منحني هاي تنش – کرنش يک فيبر اسپاندکسي و يک فيبر رابري طبيعي را نشان مي دهد. الياف اسپاندکس از الياف رابري محکم ترند. اين الياف داراي مدول کنتري نسبت به نايلون هستند اما ميزان کرنش اين الياف بسيار بيشتر است.
الياف پلي يوريتان اسپاندکسي از لحاظ شيميايي کاملا پايدارند. اين پايداري در محيط شستشوي نرمال و شرايط حمام آب داراي کلر برقرار است براي اينکه اين الياف دربرابر اشعه ي مادون قرمر، مواد حاصل از تعريف بدن و سانتان لوشن (ماده ي شيميايي که پوست را در برابر اشعه هاي مضر محافظت مي کند) مقاوم باشد بايد از پايدار کننده هاي ويژه استفاده نمود.
منبع انگليسي مقاله : Fibrous Materials/k.k.chawla
/ن