کلیاتی پیرامون تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر

در ابتدا برای درک کلیاتی پیرامون تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر باید بدانیم که حرارت اعمال شده به مواد پلیمری بر تحرک زنجیره‌ها اثر گذاشته و رفتار پلیمر را تحت تاثیر قرار می‌دهد. حرارت توام با کشش دو عامل موثر در بسیاری از فرآیندهای تولید الیاف و انواع نخ می‌باشد. بنابراین رفتار حرارتی الیاف و تاثیر حرارت بر خواص الیاف مباحثی بسیار مهم و اساسی هستند. تاثیر حرارت بر الیاف به سه بخش قابل تفکیک است: تاثیر حرارت بر ساختمان داخلی، تاثیر حرارت بر تقلیل طول حرارتی و تاثیر حرارت بر خواص جذب رنگ و مکانیکی که در ذیل به اختصار کلیاتی پیرامون هر یک از مواردکلیاتی ارائه می‌گردد. در این سری از مقالات نفیس نخ سعی قصد داریم به توضیح کلیاتی پیرامون تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر بپردازیم همراه ما باشید. تهیه و تنظیم: دکتر نادیا رحیمی تنها

تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر

کلیاتی پیرامون تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر شامل:

1/ دماهای تبدیل

در کلیه مواد اعمال حرارت موجب ایجاد تغییر فاز (تغییر حالت فیزیکی) می شود. تبدیلات فازی به دو دسته قابل تقسیم‌بندی هستند: تبدیلات نوع اول شامل انجماد، ذوب و … و تبدیلات نوع دوم که شامل تبلور، انتقال شیشه ای و … می‌باشد.

دمای تبدیل فازی اعم از نوع اول یا دوم مشخصه مواد پلیمری است و حوزه کاربرد آن‌ها را مشخص می‌کند. اطلاعات کافی در مورد دماهای تبدیل مواد پلیمری، در تنظیمات فرآیندهای کشش‌دهی و تکسچرایزینگ بسیار موثر است. در مورد مواد پلیمری (مواد اولیه تهیه الیاف) این دماها یک نقطه ثابت نیستند و برحسب مشخصات پلیمر نظیر وزن مولکولی، مورفولوژی زنجیره‌ها و افزودنی‌ ها ، محدوده دمایی را می توان برای آن‌ها در نظر گرفت. مهم ترین دماهای تبدیل برای پلیمرهای ترموپلاستیک عبارت هستند از: دمای انتقال شیشه ای (T_g)، دمای تبلور (T_c)، دمای نرم شوندگی (T_s) و دمای ذوب (T_m).

با الیاف پلی استر بیشتر آشنا شوید

در دماهای پایین، زنجیره‌های پلیمری قابلیت تحرک و انعطاف پذیری کمی دارند. چنانچه در این شرایط نیرو به زنجیره‌ها اعمال شود، پلیمر دچار شکست می‌شود. افزایش دما منجر به افزایش تحرک زنجیره‌ها شده و آغاز تغییر حالت در پلیمر می‌گردد. چنانچه آزادی تحرک در زنجیره‌های پلیمری ایجاد شود، اعمال نیرو و کشش در ساختار آن‌ها اثرذار بوده و می‌تواند ساختمان و خواص فیزیکی الیاف تولید شده را تحت تاثیر قرار دهد. دماهای انتقال شیشه‌ای و ذوب، فرآیندهای گرماگیر بوده در حالی‌که تشکیل بلورها فرآیندی گرمازا می‌باشد.

2/ تاثیر حرارت بر الیاف

1-2 – تاثیر حرارت بر ساختمان داخلی الیاف

از آنجا که حرارت، حرکت زنجیره‌های پلیمری را تسهیل می‌کند، مستقیما بر روند شکل‌گیری واحدهای بلوری در ساختار اثر‌گذار است. به دنبال تغییر در میزان و شکل واحدهای بلوری، تغییر در خواص مکانیکی و رنگپذیری اتفاق می‌افتد. از این‌رو نوسانات دمایی حین پروسه تولید الیاف و نخ اثر خود را به وضوح نشان می‌دهد، این موضوع اهمیت کنترل دما حین پروسه تولید را مشخص می‌کند.

2-2 – تاثیر حرارت بر تقلیل طول حرارتی

تمامی الیاف نساجی بر اثر حرارت دچار تقلیل طول حرارتی می‌شوند. تقلیل طول حرارتی می‌تواند برگشت‌پذیر (Reversible) یا برگشت‌ناپذیر (Irreversible) باشد. تقلیل طول برگشت‌پذیر را تحت عنوان انقباض (Contraction) و تقلیل طول برگشت‌ناپذیر را تحت عنوان جمع‌شدگی (Shrinkage) نام‌گذاری می‌کنند.

تقلیل طول برگشت‌پذیر از رابطه زیر قابل محاسبه است:

در این رابطه تغییرات طول،  طول اولیه، α ضریب تغییرات طولی و  تغییرات دما می‌باشد. بر‌حسب اینکه نمونه مورد بررسی، دارای α  با مقادیر مثبت یا منفی باشد، نمونه بر اثر حرارت دچار انبساط یا انقباض خطی می‌شود. عمده پلیمرها و الیاف نساجی دارای ضریب α منفی هستند که منجر به تقلیل طول یا انقباض بر اثر حرارت می‌شود.

تقلیل طول برگشت‌ناپذیر در ارتباط با تغییر در ساختار در اثر افزایش مناطق بلوری و ایجاد تاخوردگی در زنجیره‌های پلیمری می‌باشد که این تغییر طول از نوع دائمی است.

3-2 – تاثیر حرارت بر خواص مکانیکی و جذب رنگ الیاف

چنانچه ذکر شد، به طور کلی عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی و جذب رنگ اثرگذار است. تاثیر حرارت بر استحکام و ازدیاد طول تاحد‌پارگی الیاف پلی‌استر در نمودارهای1 و2 ارائه شده است. چنانچه در نمودار مشخص است در دماهای بالاتر از نقطه نرم‌شدگی پلی‌استر (حدود 220 درجه) به دلیل تخریب بلورها و حرکت راحت‌تر زنجیره‌های پلیمری، کاهش شدید استحکام و افزایش ازدیاد طول اتفاق می‌افتد.

تغییرات استحکام بر حسب دمای عملیات

تغییرات ازدیاد طول تاحدپارگی بر حسب دما

تاثیر دمای عملیات حرارتی به همراه اعمال کشش بر استحکام الیاف پلی‌استر در نمودار 3 نشان داده شده است. اعمال کشش توام با عملیات حرارتی استحکام الیاف را افزایش می‌دهد. این افزایش استحکام دارای حد بهینه است و پس از آن به سبب اثر منفی بر مناطق بلوری، روند کاهشی در استحکام الیاف مشاهده می‌شود (نمودار 4). تایید این مطلب را می‌توان با توجه به نمودارهای رنگ‌پذیری الیاف نیز بررسی نمود (نمودار 5). از آنجا که جذب رنگ در نواحی آمورف اتفاق می‌افتد، افزایش جذب رنگ به معنای کاهش نواحی بلوری است (ارتباط معکوس بین میزان نواحی بلوری و جذب رنگ).

نمودار اثر حرارت بر جمع‌شوندگی الیاف تائیدی بر این نکته است که تشکیل نواحی بلوری باعث تقلیل طول حرارتی شده که در نهایت منجر به ایجاد روند افزایشی در نمودار جمع‌شوندگی بر حسب درجه حرارت می‌گردد.

تاثیر دمای عملیات حرارتی به همراه اعمال کشش بر استحکام الیاف پلی‌استر

تاثیر کشش و دمای عملیات بر رنگ‌پذیری الیاف پلی‌استر

نقش عملیات حرارتی بر جمع‌شدگی الیاف پلی‌استر

3/ روش متداول برای بررسی رفتار حرارتی الیاف پلی‌استر

برسی رفتار حرارتی الیاف پلی‌استر توسط تعداد زیادی از دانشمندان وگروه های صنعتی، به روش‌های نوین بررسی و مطالعه شده است. خواص فیزیکی پلی‌اتیلن‌ترفتالات (پلی‌استر PET)، زمان استراحت و نرخ کریستالیزه شدن پارامترهایی هستند که کنترل مورفولوژی و ساختار الیاف را حین پروسه فراهم کرده و امکان تولید محصولات با کاربردهای متنوعی را ایجاد می‌سازد. در روش‌های نوین ریسندگی الیاف پلی‌استر عموما در سرعت‌های بالا (>= 5000 m/min) انجام می‌شود. بنابراین نتایج آنالیز حرارتی می‌تواند بر سرعت عملیات ریسندگی اثرگذار باشد.

گراف DSC الیاف نو‌ریسیده پلی‌استر

یکی از متداول‌ترین آزمون‌ها برای بررسی رفتار حرارتی نمونه‌های پلیمری و الیاف، آزمون DSC  (Differential scanning calorimetry)  است. نتیجه این آزمون شامل پیک‌هایی است که نشان دهنده وضعیت نمونه در دمای مشخص و نیز گرماگیر یا گرماده بودن تغییرات رخ داده در نمونه است. رفتار متداول و نرمال نمونه پلی‌استر توسط آزمون DSC در شکل 6 ارائه شده است که شامل دمای انتقال شیشه‌ای (T_g)، دمای کریستالیزه شدن، دمای ذوب، کریستالیزه شدن هنگام خنک‌سازی و نیز تخریب در دمای بالاتر از 325^OC  می‌باشد.

از خلاصه اصول پلی استر بدانید

وقوع تمام پدیده‌های مرتبط با تغییرات فیزیکی، که در مورد پلیمرهای نیمه کریستالی شناخته شده است، در مطالعات DSC اشاره شده است. تغییرات در تاریخچه فرآیند ریسندگی، اثراتی را در محل، اندازه و شکل پیک‌های گراف DSC آشکار می‌سازد. به عنوان مثال تغییرات در نقطه ذوب الیاف نوریسیده پلی‌استر، به عنوان تابعی از میزان تنش ریسندگی (سرعت ریسندگی، وزن مولکولی و …)، در نمودار 7 نشان داده شده است. در این شکل به وضوح قابل مشاهده است که چنانچه سرعت ریسندگی الیاف پلی‌استر افزایش یابد، دمای کریستالیزه شدن به سمت T_g کاهش می‌یابد و اندازه کریستال‌ها کوچکتر می‌شود. این درحالی است که میزان کریستالینیتی نخ ریسیده شده افزایش می‌یابد. علاوه بر اطلاعات DSC، نظارت و کنترل بر ثبات ابعادی و خواص مکانیکی الیاف پلی‌استر بینشی جامع در جهت کاربرد نهایی محصول ارائه می‌دهد.

تغییرات گراف DSC مربوط به رفتار حرارتی الیاف پلی‌استر به عنوان تابعی از سرعت ریسندگی

بیشتر بدانید: مقدمه ای بر الیاف پلی بوتیلن ترفتالات (PBT)

جمع‌بندی

خواص حرارتی برای مواد پلیمری یک ویژگی مهم در تعریف کاربرد آن‌ها و نیز تنظیم فرآیندهای مورد نظر می‌باشد. مهم‌ترین دماهای انتقال در پلیمرها عبارتند از دمای انتقال شیشه‌ای، دمای بلوری شدن دمای نرم‌شوندگی و دمای ذوب.

حرارت و کشش دو پارامتر بسیار تاثیرگذار بر ساختار نهایی لیف و نخ، حین پروسه تولید می‌باشد. تنظیم این دو پارامتر و رفتار پلیمرهای تشکیل دهنده الیاف در مواجه با این دو پارامتر گستره‌ی محصولات را تعیین می‌کند. بنابراین شناخت این رفتار و توام شدن با سایر پارامترهای خط تولید نظیر سرعت ریسندگی و تعداد نواحی کشش و… می‌توان به الیاف با خواص فیزیکی متفاوت دست یافت. از طریق آزمون DSC می‌توان رفتار حرارتی نمونه‌ها در دماهای مختلف بررسی و مقایسه نمود.

منابع و مراجع

C Goswami, J.C Martidale and F.L Scardino, “textile Yarns Technology, Structure and Application”, John willey, Newyork.

E Mark, “Physical Properties of Polymers Handbook”, Springer New York.

A Askadskii, “Physical Properties of Polymers”, Russian Academy of Science, Moscow.

L Deopura, R. Alagirusamy, M. Joshi and B. Gupta, “Polyesters and Polyamides”, Woodhead publishing in textiles, Cambridge England.

Chidambaram, R. Venkatraj, P. Manisankar, “Solvent-Induced Modifications in Polyester Yarns. II.Structural and Thermal Behavior”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 89, 1555–1566.

Ramesh, V.B Gupta, J. Radhakrishnan, “Changes in the morphology of drawn poly (ethylene terephthalate) yarn on taut and free annealing”, Journal of Macromolecular Science Part B, Vol. 36; 2, 281-299.