مقدمه ای بر الیاف پلی بوتیلن ترفتالات (PBT)

قبل از توضیح مقدمه ای بر الیاف پلی بوتیلن ترفتالات (PBT)، وقتی می‌‌گوييم پلی‌استر در ذهن همه ما پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) يادآور ميشود. تعریف واقعی پلی‌استر در دنياي الياف ليفي است، شامل ماكرومولكول‌هاي خطي كه حداقل 85% وزن هر زنجير آن داراي استري با تركيب ترفتاليك اسيد با يك ديول باشد. لذا PBT،PTT، PLA و PEN را مي‌توان جزو الياف پلي‌استر دانست. PET، PBT و PTT پلی‌استر‌های آروماتیک با ساختار‌های زنجیره‌ای ماکرومولکولی مشابه هستند. در این سری از مقالات نفیس نخ همراه ما باشید تا بیشتر با الیاف پلی بوتیلن ترفتالات (PBT) آشنا شویم. تهیه و تنظیم: الهام محمدی

پلی استر

وقتي می‌‌گوييم پلی‌استر در ذهن همه ما پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) يادآور ميشود. تعریف واقعی پلی‌استر در دنياي الياف ليفی است، شامل ماكرومولكول‌های خطی كه حداقل 85% وزن هر زنجير آن داراي استري با تركيب ترفتاليك اسيد با يك ديول باشد. لذا PBT،PTT، PLA و PEN را مي‌توان جزو الياف پلي‌استر دانست. PET، PBT و PTT پلی‌استر‌های آروماتیک با ساختار‌های زنجیره‌ای ماکرومولکولی مشابه هستند. اختلاف بین آن‌ها در تفاوت بین تعداد گروه‌های متیلن در واحد‌های تکرار زنجیر ماکرومولکولی است. تفاوت در تعداد گروه متیلن منجر به تفاوت در خواص فیزیکی فیلامنت‌های این سه پلی‌استر آروماتیک شده است. در میان پلی‌استرها، پلیمري که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد PET است.

برای اطلاع بیشتر از الیاف پلی استر کلیک کنید

الیاف پلی بوتیلن ترفتالات و بعد از آن PTT در فرش استفاده می‌شود چرا که الیاف یاد شده از خواص جهندگی بسیار مطلوبی برخوردارند. الیاف الیاف پلی بوتیلن ترفتالات و PTT به ‌سرعت به ‌خصوص در صنعت فرش پذیرفته شدند، ولی دراین کاربرد نیز رقیبی به نام نایلون دارد. پلی‌استر، مستحکم، سبک و داراي خاصیت ضد چروك بوده و علاوه بر سهولت رنگ‌پذیري، داراي خواص بشور-بپوش خیلی خوبی هستند. پلی‌استر داراي قدرت جذب آب ناچیز (2/0 تا 4/0 درصد) هستند بنابراین استحکام و ازدیاد طول این الیاف زیاد تحت تاثیر رطوبت قرار نمی‌گیرد. در شكل اجزای تشکیل‌دهنده پلی‌استرهای مورد مصرف نساجي نشان داده ‌شده است.

اجزای تشکیل‌دهنده پلی‌استرهای مورد مصرف نساجي

پلی بوتیلن ترفتالات چیست؟

PBT به‌عنوان پلی تترا متیلن ترفتالات یا 4GT شناخته ‌شده است. نام دقیق‌تر برای این پلیمر پلی تری متیلن ترفتالات است، اما PBT یک مخفف مناسب در عملیات قالب‌ریزی رزین‌های مهندسی است. این نوع پلی‌استر از قابلیت تبدیل به لیف برخوردار است و به دلیل جهندگی و قابلیت رنگرزی بالا استفاده ‌شده است. این موضوع سبب بررسی پایه‌ای فرآیند شکل‌گیری لیف و ساختار و خواص مهم لیف PBT شد. PBT به دلیل قیمت بالای آن در کاربردهای نساجی به ‌طور معمول استفاده ‌نشده است. دلیل اینکه چرا PBT هرگز موفقیت PET در منسوجات را به دست نیاورده است به این دلیل است که 1،4بوتان دی ال به‌طور قابل‌توجهی از اتیلن گلایکول گران‌تر است.

مطلب خلاصه اصول پلی استر مطالعه نمایید

پلیمریزاسیون PBT

این پلیمر به‌وسیله پلیمریزاسیون تراکمی 1 و 4 بوتان دی ال (BDO) با ترفتالیک اسید (PTA) یا دی متیل ترفتالات (DMT) به‌دست‌آمده است. واکنش آن در شکل زیر آورده شده است. وزن مولکولی واحد تکراری 220 است.

PBT با دو فرم بلوری (فرم آلفا و بتا) وجود دارد که با تنش‌های مکانیکی قابل‌ تبدیل به یکدیگر هستند و خواص مکانیکی جالب ‌توجه به دلیل انتقال بلور β↔αدارد. هر دو فرم سلول‌های واحد تری کلینیک دارند. 

ساختار دو فرم بلوری پلی بوتیلن ترفتالات

خواص فیزیکی

نبودن گروه‌های جانبی بزرگ، انعطاف‌پذیری بخش‌های بین حلقه بنزن و نظم ساختار شیمیایی در زنجیر اصلی، تبلور خوب مولکول‌ها را فراهم می‌کند؛ بنابراینPBT یک ماده با تبلور بالا در نظر گرفته می‌شود، که به ‌طور قابل ‌توجهی خواص آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد. سرعت بلوری ‌شدن PBT بیشتر از PET و PTT است. این موضوع نشان‌ دهنده این است که چیپس‌های خنک شده PBT از بلورینگی بالایی برخوردار است.

خواص کششی

شکل منحنی تنش-کرنش الیافPET، PTT و PBT را نشان می‌دهد. الیاف PTT و PBT یک ناحیه افقی به ترتیب در کرنش‌های 5 و 7% دارند. در حالی ‌که تنش PET به ‌آرامی با کرنش افزایش می‌یابد و ناحیه افقی وجود ندارد.

منحنی تنش-کرنش الیافPET، PTT و PBT

بازگشت الاستیک

رفتار تغییر شکل الیاف PET، PTT وPBT مورد مطالعه قرار گرفت و بازگشت الاستیک کششی به‌صورت نزولی به ‌صورت زیر مرتب شد PTT > PBT > PET.  ساختار زنجیر در PBT همانند PET به‌ طور کامل توسعه ‌یافته نیست و این مسئله منجر به تفاوت‌های عمده بین PBT و PET می‌شود.

خاصیت جهندگی

یکی از سه نوع اصلی الیاف پلی‌استر (PET، PTT وPBT)، یعنی پلی ‌تری متیلن ترفتالات تاکنون از بهترین خاصیت جهندگی برخوردار بوده است بدین معنا که بازگشت کشسانی آن از تغییر شکل‌ نیز عالی است. الیاف پلی‌تری متیلن ترفتالات با نام تجاري سرنا تحت ازدیاد طول بالا (120 درصد) 100 درصد برگشت‌پذیر است. این خاصیت بسیار بهتر از PET و دو یا سه برابر نایلون 66 است. الیاف PBT تحت ازدیاد طول حدود 112 درصد، بازگشت‌پذیری 100 درصد دارد. بازگشت‌پذیری کشسانی بی‌نظیر الیاف پلی‌تری متیلن ترفتالات به ساختار بلوري آن مربوط می‌شود. این لیف مدول بلوری بسیار پایینی دارد (59/2 گیگاپاسکال، psi 550) و ساختارهای زیگزاکی و مارپیچی فشرده‌ای در زنجیر پلیمری به وجود می‌آورد به ‌طوری ‌که این ساختار در اثر ازدیاد طول می‌تواند مانند فنرهای مارپیچی عمل کند.

دو پیوند کربن-کربن در زنجیر تري متیلن از صورت ‌بندی‌های گاش-گاش برخوردارند و امکان دستیابی به چنین ساختاري را فراهم می‌نمایند. در مقابل، PET زنجیر کاملا کشیده‌اي دارد و مدول بلوري آن بسیار بالاتر است. PBT یک حالت میانه دارد، خاصیت کشسانی آن از PET بیشتر است که این موضوع به علت وجود زنجیرهاي چهار کربنی است که کاملا کشیده نیستند و مانند پلی‌تری متیلن ترفتالات داراي صورت‌بندی گاش می‌باشند. در شکل زیر تاثیر کنفرماسیون متیلن بر زنجیرهای PTT, PET و PBT آورده شده است. زنجیرهای PTT به‌صورت زیگراک می‌باشد، درحالی‌که زنجیرهای PET کاملا توسعه‌یافته هستند و زنجیرهای PBT به‌صورت خمیده مشاهده می‌شود.

تاثیر صورت‌بندی متیلن بر زنجیرهای PET, PTT و PBT

ویژگی‌ها نخ PBT

• PBT به‌ صورت فیلامنت مداوم با نمره‌ها و تعداد فیلامنت‌های مختلف در دسترس است
• PBT به دلیل داشتن خاصیت ترموپلاستیکی می‌تواند تکسچره شود
• الیاف PBT از خاصیت کشسانی بالا و جهندگی خوبی برخوردارند و بازگشت آن‌ها از کرنش عالی است
• مقاومت در برابر کلر، مواد شیمیایی و نور UVدارد
• لیف PBT نرم، انعطاف‌پذیر و درخشنده است و زیردست مطبوع دارد
• به دلیل جذب رطوبت کم (4/0%)، به سرعت خشک می‌شود
• به‌راحتی در دمای 100 درجه سانتی‌گراد قابل رنگرزی است
• خاصیت ارتجاعی بالای این الیاف بدون نیاز به مخلوط کردن با الیاف دیگر نظیر الاستان
• الیافPBT در برابر زرد شوندگی ناشی از اکسیداسیون نوري مقاوم هستند
• تجعد پایدار از ویژگی بسیار خوب برای تولید نخ‌های BCF است
• PBT ذاتا در برابر پاک‌کننده‌ها (دترجنت‌ها)، اسید‌های ضعیف، بازها ، تترا کلریدکربن، روغن‌ها و چربی در دمای محیط مقاوم است. جذب آب کمتر از 1/0 درصد پس از 24 ساعت است. با این ‌حال،PBT برای استفاده طولانی در آب / محلول آبی بالای 52 درجه سانتی‌گراد توصیه نمی‌شود

برای اطلاع بیشتر مطالعه نمایید: کلیاتی پیرامون تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر

مقایسه خصوصیات الیاف PBT با برخی الیاف

الیاف PBT از استحکام پایین‌تر و ازدیاد طول بیشتری در مقايسه با الياف مصنوعي متداول PET و 66 و PA6 برخوردار است؛ به‌علاوه نخ PBT تكسچره شده داراي قدرت كشش، برگشت‌پذيري و همچنين خواص موجي خوب در مقايسه با اليافPET و  66 و PA6 می‌باشد. جذب رطوبت PBT با PET برابر می‌با شد (%4/0)، اما جذب رطوبت کمتری نسبت به نایلون (%5/4) دارد.

مقایسه خصوصیات الیاف PBT با برخی الیاف

ذوب ریسی و کشش الیاف PBT

ابتدا چیپس های پلی‌استر خشک ‌شده و به اکسترودر رفته و ذوب می‌شوند. سپس پلیمر مذاب فیلتر و پمپ می‌شود و پس از عبور از رشته ساز و خنک شدن، الیاف تولیدی بر روی غلتک پیچیده شده و در مرحله بعد کشیده می‌شوند. شاخص‌های ریسندگی برای الیاف PBT مشابه الیاف PTT است. هر دو پلیمر حدودا در دمای250 درجه ذوب ریسی می‌شوند؛ همچنین الیاف PBT و PTT همچون PET به تخریب هیدرولیتیک حساس هستند؛ این به این معنی است که فرآیند خشک‌کردن قبل از اکستروژن لازم است. دما باید زیر 150 درجه سانتی‌گراد باشد در غیر این صورت تخریب اکسایشی رخ می‌دهد. دمای مذاب پایین‌تر به این معنی است که در زمان کوتاه‌تری فیلامنت ریسیده شده و خنک شده و تنظیم طول ناحیه خنک‌کننده متفاوت از فرآیند ریسندگی PET را به وجود می‌آورد.

تفاوت مهم دیگر با PET، دمای انتقال شیشه‌ای کمتر است، که باعث می‌شود تبلور سرد سریع‌تر باشد. این موضوع تأثیر قابل‌توجهی در توسعه ساختاری لیف در طول انجماد و خنک‌سازی به وجود می‌آورد. شرایط ریسندگی این پلیمر با نایلون6 بیشتر قابل‌مقایسه است. در جدول نقطه ذوب، دمای انتقال شیشه‌ای و دمای ریسندگی برخی الیاف مصنوعی آورده شده است .

جدول نقطه ذوب، دمای انتقال شیشه‌ای و دمای ریسندگی برخی الیاف مصنوعی

بررسی نشان داد که که ساختار و خواص فیلامنت‌هایPBT در طول ذوب ریسی در محدوده‌ی وسیعی، به‌وسیله وزن مولکولی و متغیرهای ریسندگی، مثل، سرعت اکستروژن (توان جرمی)، سرعت برداشت و شرایط خنک‌سازی تحت تاثیر قرار گرفت. فیلامنت‌های غیر بلور در اثر نرخ خنک‌‌سازی نسبتا سریع و سرعت ریسندگی پایین حاصل شدند. برای یک پلیمر با وزن مولکولی معین، تبلور، آرایش یافتگی مولکول و اندازه بلور با افزایش سرعت برداشت یا کاهش توان جرمی افزایش یافت.

تکسچرایزینگ

بررسی‌ در مورد خواص نخ PBT تکسچره شده به روش تاب مجازی نشان داد که خواص موجی PBT  بهتر از نخ PET و PA6/66 است. دماي بهینه براي تكسچرايزينگ به روش تاب مجازي 160 درجه سانتی‌گراد بود و بالاتر از 200 درجه سانتی‌گراد امکان‌پذیر نبود زيرا نرخ پارگي به ‌شدت افزايش پیدا می‌کرد. همچنین بررسی ها نشان میدهد که قابليت تكسچرايزينگ نخ PBT در روش تاب مجازي بالا است و نخ ‌هاي تكسچره شده از برگشت‌پذیری خوبي برخوردارند، ضمن آنكه نرخ پارگي نخ حين تكسچرايزينگ خيلي كم است. فرآیند کشش تکسچرایزینگ روی استحکام تاثیر چندانی نداشت.

از محصول ATY – نخ ایرتکسچره دیدن کنید

کاربرد در صنعت نساجی

PBT در صنعت نساجی به دلیل قابلیت کشش و بهبود قابلیت رنگرزی استفاده‌ شده است. الیاف PBT به‌عنوان نخ فرش، لباس‌های ورزشی مثل لباس دو و میدانی و لباس اسکی، لباس ژیمناستیک، لباس ‌زیر و جوراب‌بافی استفاده ‌شده است؛ همچنین برای لباس شنا به دلیل استحکام بالا، پایداری و مقاومت در برابر کلر استفاده شد. ترکیب با PET در نخ‌های دوجزئی برای رسیدن به تجعد یا تاثیرات رنگ استفاده می‌شود و به‌ طور فزاینده در لباس‌های استرچ معمولی راحت استفاده می‌شود.

PBT همچنین برای پارچه‌های الاستیک کش‌باف و بافندگی، شلوار جین الاستیک و ژاکت‌های پشمی می‌تواند استفاده ‌شود. PBT اغلب با سایر نخ‌های فیلامنتی یا نخ‌های استیپل مثل PET، استات، اکریلیک، پنبه، پشم یا نایلون ترکیب می‌شوند. برای افزایش قابلیت کشش پارچه‌های بافته‌ شده برای روکش صندلی خودرو، یک گزینه استفاده از الیافی با قابلیت کشش بالا مثل الیاف PBT تکسچره شده جت هوا نسبت به الیاف پلی‌استر معمول است. این الیاف به‌طور قابل ‌توجهی گران‌تر از پلی‌استرهای معمول هستند. در پزشکی برای تهیه باند مورد استفاده است .

منابع و مراجع

1/ Francalannci, F., D’Andolfo, F. (2003), “New PBT Fiber Developments, Chemical Fibers International”, Vol. 53, PP 99-101.

2/ Sinclair, R. (2014), Textiles and fashion: materials, design and technology, UK: The Textile Institute.[3] Chen, K., Tang, X. (2004), “Instantaneous elastic recovery of poly (trim ethylene terephthalate) filament”, Journal of applied polymer science, Vol. 91, No. 3, pp 1967-1975.

3/ McIntyre, J. E. (2005), Synthetic fibres: Nylon, polyester, acrylic, polyolefin, UK: The Textile Institute.

4/ Bunsell, A. R. (2009), Handbook of tensile properties of textile and technical fibres, UK: The Textile Institute.

5/ Fukuhara, M. (1993), “innovation in polyester fiber”, Textile Research Journal, Vol. 63, No. 7, pp 387-391.

6/  http://www.swicofil.com/ptt.html.

7/ Chen, S., Yu, W., Spruiell, J. E. (1987), “On‐line studies of structure development during melt spinning of poly (butylene terephthalate)”,  Journal of Applied Polymer Science, Vol. 34, No. 4, pp 1477-1492.

8/ Lewin, M. (2007), Handbook of fiber chemistry, London :Taylor & Francis.‏

9/ Deopura, B. L., Alagirusamy, R., Joshi, M., Gupta, B. (2008), Polyesters and polyamides, UK: The Textile Institute.

10/ Rijavec, T., Bukošek, V. (2004), “Novel fibres for the 21st Century”, Tekstilec, Vol. 47, PP 312-327.‏

11/ Scheirs, J., Long, T. E. (2005), Modern polyesters: chemistry and technology of polyesters and copolyesters, USA: John

12/ سیداصفهانی، میرهادی، ابراهیمی زنجانی اصل، حمید، خسروشاهی، علی، (۱۳۸۶)، «ریسندگی مذاب پلی­ بوتیلن ­ترفتالات (PBT)  و تولید نخ یکسره از آن و بررسی برخی از ویژگی‌های آن از نظر نساجی»، ششمین کنفرانس ملی مهندسی نساجی ایران، اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان.