اثر حرارت بر ساختار و خواص الیاف

مواد پلیمری مختلف از نظر رفتار در مقابل حرارت  به دو دسته ترموپلاستیک ها و ترموست ها تقسیم بندی می شوند. ترموپلاستیک ها یا گرمانرم ها پلیمرهایی هستند که به راحتی در اثر حرارت نرم و شکل پذیر شده و سپس در اثر سرد شدن مجدد در دمای اتاق قابل استفاده خواهند بود. اغلب الیاف مصنوعی از جمله PP، نایلون و پلی استر از این دسته اند. در مقابل پلیمرهای ترموست یا گرماسخت ها پلیمرهای سخت و غیر قابل ذوب در برابر حرارت هستند که در اثر حرارت نرم نمی شوند و امکان تغییر شکل مجدد آن ها وجود ندارد.

ترموست ها پلیمرهایی دارای پیوند های عرضی  و یا شبکه ای هستند که قابلیت تغییر ساختاری مجددا در آن ها وجود ندارد. ویژگی های حرارتی پلیمرها را میتوان شامل گرمای جذب، دمای انتقال شیشه، هدایت حرارتی، دمای ذوب، انبساط حرارتی، و تنظیم گرما بیان نمود. در مقاله حاضر به ویژگی های حرارتی و اثر حرارت بر ساختار و خواص الیاف مصنوعی گرمانرم، از جمله اثرات حرارت بر الیاف پلی استر پرداخته شده است.

این الیاف دارای زنجیره های بلندی هستند که هریک نیز ممکن است گروه ها یا زنجیره های جانبی داشته و پس از تولید و در طول فرآیند و شکل دهی آن ها بر اثر حرارت دچار هیچ نوع واکنش شیمیایی نمی شوند. ساختار زنجیر های مولکولی در این الیاف زمانیکه در معرض حرارت قرار می گیرند، قابلیت جریان یافتن داشته و به راحتی جابجا و تغییر شکل و مکان میدهند. تهیه و تنظیم: الهام محمدی

اثر حرارت بر ساختار زنجیر های مولکولی الیاف گرمانرم

الیاف گرمانرم، پلیمرهایی رشته ای بلند و باریک ، با نسبت طول به قطر بیش از 100 برابر میباشند که خواص مکانیکی بالایی دارند. این الیاف، در اثر گرم شدن امکان لغزش زنجیره های پلیمری روی یکدیگر وجود دارد، به نحوی که می توان چندین بار با کمک گرما در آنها تغییرات ساختاری ایجاد کرد. پلیمر ها از لحاظ آرایش یافتگی زنجیره ها و بلورینگی به سه دسته کریستالی (بلورین)، آمورف (بی شکل) و نیمه بلورین تقسیم بندی می گردند. الیاف معمولا ساختاری نیمه بلوری، یعنی دارای مناطق کریستالی و آمورف به صورت همزمان هستند.

نواحی آمورف و بلورین، رفتار متفاوتی در برابر گرما از خود بروز میدهند. مواد بلوری به دلیل نظم موجود در زنجیره ها از استحکام بالاتری برخوردار می باشند. در مقابل مواد آمورف فرآیند پذیری بهتری دارند. مواد بلوری شکننده هستند و در حالیکه مواد آمورف چقرمگی و انعطاف پذیری بیشتری دارند. از نظر حرارتی، پایداری حرارتی مواد بلوری و نیمه بلوری از مواد آمورف بالاتر می باشد. از نظر خواص نوری پلیمرهای آمورف شفاف هستند، در حالیکه پلیمرهای نیمه بلوری نیمه شفاف و پلیمرهای بلوری کدر یا مات هستند. در شکل زیر نمایی از ساختار کریستالی ( سمت راست ) و آمورف ( سمت چپ)  نشان داده شده است.

ساختار کریستالی و آمورف

اگر نواحی آمورف یک پلیمر بلورین گرم شود، به محدوده ای از دما میرسد که در آن محدوده تحرک بخش هایی از زنجیر پلیمر ممکن شده و پلیمر نرم می شود. به این دما Tg یا دمای انتقال شیشه ای می گویند. معمولا بالای دمای انتقال شیشه ای زنجیره های پلیمرها تحرک زیادی دارند و دقیقا مانند مسافرانی هستند که می خواهد از صندلی هواپیما خلاص شود، و هیچوقت هم موفق نمی شود زیرا فقط می توانند اطراف خودشان حرکت کنند. اگر به گرما دادن الیاف ادامه داده ­شود، نواحی منظم بلورین در اثر گرما شروع به حرکت کرده و کل زنجیر امکان حرکت پیدا می کند. به این محدوده از دما که در آن زنجیرها میتوانند روی هم بلغزند دمای T_m یا دمای ذوب میگویند. به عنوان مثال Tg در پلی استر حدود 220 تا 240 درجه و دمای ذوب یا Tm آن حدود 280 تا 300 درجه سانتیگراد است.

در بین Tg و T_m یعنی درجه حرارت انتقال شیشه ای و درجه حرارت ذوب، دمای خاصی وجود دارد که سرعت واکنش بلوری شدن در آن حد اکثر مقدار ممکن است. یعنی درجه حرارتی که در آن مولکول ها نه آنقدر سریع حرکت می کنند که نتوانند وارد ساختمان بلوری شوند و نه آنقدر کند که سرعت واکنش بسیار آهسته شود. اگر درجه حرارت از این مقدار بهینه کمتر یا بیشتر شود، سرعت تشکیل بلور ها کم خواهد شد. در شکل زیر اثر انتقال حرارت بر ساختار پلی استر نشان داده شده است.

همانگونه که مشخص است، Tg و T_m گرماگیر بوده و منحنی به صورت افزایش و Tc یا محدوده کریستالی شدن گرمازا است. وقتی پلیمر به دمای بلوری شدن می رسد شروع به منظم شدن زنجیرهای پلیمری می کند. در این حالت گرما از دست می دهد و دمای پلیمر افت می کند به همین دلیل این کاهش دما نشان دهنده مطالب بسیار جالبی می باشد از جمله این که بسیاری از پلیمرها نظیر پلی استایرن اتاکتیک اصلا این دما را ندارند زیرا آنها کریستال نمیگردند .

 برای بررسی تاثیر زمان دهی و متغیرهای دستگاه تکسچرایزینگ بر خواص فیزیکی PBT کلیک کنید

بنابراین برای آنکه یک پلیمر شروع به بلوری شدن کند، باید درجه حرارت نمونه زیر دمای ذوب باشد. در بالای دمای ذوب حرکت و جنبش مولکول های پلیمر آنقدر زیاد است که نمی توانند هیچ شکل خاصی به خود بگیرند، از طرف دیگر که وقتی درجه حرارت به زیر Tg برسد، تحرک مولکول ها آنقدر کم می شود که دیگر نمیتوانند از جای خود حرکت کرده و شکل خاصی بگیرند. نمونه گرم شده وقتی به درجه حرارت Tg می رسد، مولکول ها تحرک بیشتری پیدا کرده و جا به جا می شوند و تشکیل بلور میدهند.

از این ویژگی مهم برای بهبود خواص و یا ایجاد خواص ویژه، از جمله افزایش بلورینگی الیاف و بهبود خاص مکانیکی آن استفاده میگردد، زیرا در نزدیکی دمای ذوب به دلیل تحرک زیاد مولکولی، امکان ارایش یافتگی و منظم کردن زنجیر های مولکولی کمتر است. در نزدیکی نقطه شیشه ای شدن نیز تحرک کم بوده و حالت سخت و یا بی تحرکی مانع امکان نظم دهی میگردد. در محدوده ای بین این دو که حالتی بینابین است، امکان ایجاد ارایش مولکولی و تشکیل و رشد بلورها وجود داشته و از این خاصیت همراه با کشش دادن به الیاف برای افزایش بلورینگی الیاف بهره گرفته میشود.

اثر حرارت بر ساختار و خواص الیاف

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

بررسی تاثیر دمای عملیات حرارتی به همراه اعمال کشش بر استحکام الیاف پلی‌استر نشان می‌دهد 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. به این ترتیب و با تنظیم دما و مقدار کشش در الیاف پلی استر، انواع الیاف LOY  یا الیاف با ارایش یافتگی کم، الیاف POY یا با رایش یافتگی متوسط، الیاف FOY یا الیاف ارایش یافته، و نیز الیاف FDY یا الیاف بسیار ارایش یافته تولید میگردد.

مقدار کشش در فرایند تولید این الیاف مختلف با تنظیم سرعت تولید قابل کنترل است. به عنوان مثال در LOY  میزان سرعت ریسندگی کمتر از ۲۰۰۰ متر بر دقیقه، در POY و یا نخ های دارای آرایش یافتگی جزئی، سرعت ذوب ریسی در حدود ۵۰۰۰ متر بر دقیقه و یا کمتر از آن و در FOY و یا نخ های دارای آرایش یافتگی زیاد سرعت ذوب ریسی بیشتر از ۷۰۰۰ متر بر دقیقه است.

برای اطلاع از کلیاتی پیرامون تاثیر حرارت بر الیاف پلی استر کلیک کنید

همچنین در  FDY یا نخ دارای آرایش یافتگی خیلی یا کامل کشیده شده، سزعت ریسندگی بالاتر از ۷۰۰۰  متر بر دقیقه بوده و در حین ذوب ریسی نخ تحت کشش می باشد. این نوع نخ عموما دارای براقیت بیشتری در قیاس با نخ های فیلامنت POY،LOY  و FOY می باشد. پس از تولید نخ و پارچه نیز امکان انجام برخی تغییرات ساختاری در الیاف با اعمال حرارت وجود دارد. یکی از فرایند های متداول در تکمیل منسوجات تثبیت حرارتی است.

منابع و مراجع

Lemmi, Tsegaye Sh, et al. “Effect of thermal aging on the mechanical properties of high tenacity polyester yarn.” Materials 14.7 (2021): 1666.

Machnowski, Waldemar, and Jolanta Wąs-Gubała. “Evaluation of selected thermal changes in textile materials arising in the wake of the impact of heat radiation.” Applied Sciences 11.15 (2021): 6989.

Chen, Shichang, et al. “Crystallization and thermal behaviors of poly (ethylene terephthalate)/bisphenols complexes through melt post-polycondensation.” Polymers 12.12 (2020): 3053.

Poltimäe, Triinu. Thermal Analysis of Crystalization Behaviour of Polyethylene Copolymers and Their Blends. Tallinn: TTU Press, 2011.

McKeen, Laurence W. The effect of temperature and other factors on plastics and elastomers. William Andrew, 2014.

Neda Dehghan , Pedram Payvandy. Review of Heat Transfer in Textiles, Part 1: Experimental Studies. The Journal of Textile Science and Technology. Volume 8, Issue 3 – Serial Number 31. September 2019

Laning, Anne. “Synthetic fibers.” Concrete Construction (1992): 87-90.

Sardag, Sibel, Ozcan Ozdemir, and Ismail Kara. “The effects of heat-setting on the properties of polyester/viscose blended yarns.” Fibres and Textiles in Eastern Europe 15.4 (2007): 50.