آشنایی با قوی ترین الیاف مصنوعی دنیا

دکتر شاهین کاظمی؛ دکتری مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

مقدمه

بطور کلی نخهای فیلامنتی که از پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا و تحت فرآیند خاصی تولید می شوند را می توان قوی ترین الیاف مصنوعی دنیا نامید. این نخها در وزن یکسان استحکامی ۸ الی ۱۵ برابر نخهای فولادی دارند که به همین دلیل توانسته اند کاربردهای منحصر به فردی را به خود اختصاص دهند.

داینیما (Dyneema) نام تجاری یکی از این قوی ترین و مستحکم ترین الیاف مصنوعی دنیا می باشد که به صورت مشترک توسط شرکتهای دی-اس-ام (DSM) هلند و تویوبو (Toyobo) ژاپن تولید می شود و هر دو از این نام تجاری برای محصول خود استفاده می نماید.

اسپکترا (Spectra) نیز نام تجاری الیافی است که توسط شرکت هانی ول (Honeywell) آمریکا تولید می شود و از لحاظ خصوصیات بسیار مشابه داینیما می باشد.

احتمالاً کوهنوردان و ملوانان بسیار بیشتر از افراد شاغل در صنعت نساجی در فعالیتهای روزمره خود با این نام برخورد داشته اند و طنابهای تهیه شده از این نخهای فیلامنتی نقش بسیار مهمی در فعالیتهای کاری آنها دارد.

در این مقاله ابتدا تاریخچه شرکتهای سازنده این نخهای فیلامنتی معرفی می شود و سپس خصوصیات این نخها تشریح می گردد.

شرکت دی-اِس-اِم (DSM) هلند

دولت هلند در سال ۱۹۰۲ جهت استخراج معادن زغال سنگ در جنوب استان لیمبرگ شرکتی را به نام معادن ملی هلند (Dutch State Mines) تاسیس نمود که بعدها به صورت اختصاری به نام دی-اِس-اِم (DSM) معروف شد.

پس از اتمام جنگ جهانی دوم و با رونق صنایع وابسته به نفت، این شرکت فعالیت خود در زمینه صنایع شیمیایی و پتروشیمی را آغاز نمود و توانست اولین کارخانه تولید کاپرولاکتم (ماده اولیه تولید پلیمر پلی آمید – نایلون ۶) را در سال ۱۹۵۲ و سپس اولین کارخانه تولید پلی اتیلن را در سال ۱۹۵۹ در هلند افتتاح نماید.

به تدریج و با جایگزینی نفت و مشتقات آن به جای زغال سنگ، از حجم فعالیت های مرتبط با زغال سنگ در این شرکت کاسته و در نهایت در سال ۱۹۷۳ آخرین معدن این شرکت نیز بسته شد و بدین ترتیب این شرکت فعالیت خود را منحصر به صنایع شیمیایی، پلیمری، دارویی و بهداشتی نمود.

در سال ۱۹۸۴ شرکت دی-اِس-اِم تفاهمنامه ای با شرکت تویوبو امضا نمود تا از نتایج تحقیقات مشترک و همچنین تجربیات بسیار زیاد این شرکت در تولید نخهای فیلامنتی و طنابهای با استحکام بسیار زیاد استفاده نماید و بدین ترتیب اولین کارخانه تولید نخهای صنعتی داینیما (Dyneema) توسط این شرکت در سال ۱۹۹۰ در هلند تولید خود را آغاز نمود و همزمان کارخانه ای نیز در ژاپن برای تولید این نخ فیلامنتی توسط شریک ژاپنی تاسیس گردید.

در سال ۱۹۸۹ با عرضه ۷۰% از سهام این شرکت در بورس آمستردام و پس از آن در سال ۱۹۹۶ با عرضه مابقی سهام آن، این شرکت کاملاً خصوصی گردید. متعاقب آن در دهه ۹۰ میلادی مدیران جدید این شرکت تصمیم به فروش کلیه زیرشاخه های فعال در صنایع عمومی و تمرکز بر روی تولید مواد خاص با دانش پیشرفته را گرفتند و به همین دلیل در سال ۲۰۰۲ کلیه کارخانجات پتروشیمی عمومی این شرکت به شرکت سابیک عربستان فروخته شد و پس از آن نیز با خرید شرکتهای دانش بنیان کوچک، فعالیت در حوزه های جدید با فناوری بالا را آغاز نمود که هم اکنون نیز ادامه دارد.

در حال حاضر این شرکت به سرعت در حرکت به سمت جهانی شدن می باشد به نحویکه در سال ۲۰۰۱ نزدیک به نیمی از کارمندان این شرکت در کارخانجات مستقر در هلند مشغول به کار بودند که این میزان در سال ۲۰۱۵ به کمتر از ۲۵% رسیده است. لازم به ذکر است که در حال حاضر این شرکت بیش از ۲۰ هزار نفر کارمند در ۵۰ کشور دنیا دارد.

شرکت تویوبو (Toyobo) ژاپن

در ابتدا این شرکت به عنوان یک کارخانه ریسندگی و بافندگی در سال ۱۸۸۲ در ژاپن تاسیس شد و تا مدتها نیز به صورت انحصاری در این حوزه فعالیت می نمود. پس از پایان جنگ جهانی دوم و با افزایش تقاضا جهت الیاف مصنوعی، این شرکت در دهه ۱۹۵۰ میلادی فعالیت خود را در حوزه تولید الیاف مصنوعی نیز آغاز نمود.

به دنبال آن در دهه ۱۹۷۰ میلادی با افزایش ناگهانی قیمت نفت این شرکت فعالیتهای خود در سایر حوزه ها را نیز گسترش داد.

با توجه به حرکت سریع صنعتی در جامعه ژاپن پس از جنگ جهانی دوم و افزایش نیاز به نخها و طنابهای صنعتی، محققان این شرکت همزمان بر روی تولید نخهای صنعتی نیز تحقیقات گسترده ای انجام داده بودند که یکی از آنها در خصوص تولید نخهای فیلامنتی از پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا بود که در نهایت منجر به انعقاد تفاهمنامه تولید مشترک این نخها با شرکای هلندی در سال ۱۹۸۴ گردید.

هم اکنون فعالیت این شرکت در ۴ حوزه اساسی تقسیم بندی می شود:

1. صنایع الیاف مصنوعی و نساجی،

علاوه بر تولید انواع مختلف الیاف و فیلامنتهای پلی استر، پلی آمید و اسپاندکس و همچنین منسوجات و البسه متنوع کاربردی، این شرکت الیاف اکریلیک با نام تجاری اکسلان (Exlan) نیز تولید می نماید.

2. الیاف و منسوجات صنعتی،

در این بخش این شرکت محصولات خاصی نظیر نخ تایر، پارچه ایربگ، فلیترهای بافته شده و بی بافت ویژه، نخ های صنعتی نظیر داینیما (Dyneema) و زایلون (Zylon) تولید می نماید.

3. پلیمر و فیلم های کاربردی،

پلیمر و فیلم های کاربردی جهت موارد خاص نظیر صفحه نمایشگرهای ۳ بعدی، بسته بندی مواد غذایی، پلاستیکهای مهندسی و … از جمله محصولات این بخش می باشد.

4. حفاظت و بهداشت فردی،

آنزیمها، مواد شوینده، اعضای مصنوعی بدن، سیستم های ویژه تصفیه آب و … همگی از محصولات این حوزه می باشند.

هم اکنون این شرکت با بیش از ۱۰ هزار نفر کارمند، علاوه بر ژاپن دارای کارخانجات متعددی در سایر کشورها نظیر آمریکا، آلمان، استرالیا، کره جنوبی، چین، مالزی و سنگاپور است.

شرکت هانی ول (Honeywell) آمریکا

این شرکت در سال ۱۸۸۵ با تولید اولین تنظیم کننده دمای کوره های حرارتی (ترموستات و رگولاتور) توسط آقای آلبرت بوتز[۱] آغاز به کار نمود. در سال ۱۹۰۴ آقای مارک هانی ول[۲] به عنوان تکمیل کننده سیستم گرمایش آب خود از این تجهیزات استفاده نمود و شرکت را وارد عرصه جدید نمود که پس از آن این شرکت به نام هانی ول شناخته و مطرح شد.

در طی سالیان مختلف این شرکت در حوزه های بسیاری متنوعی از صنعت هوافضا تا تولید پلیمرهای مهندسی سرمایه گذاری نمود که یکی از این سرمایه گذاریها مربوط به خرید شرکت اِلایدسیگنال (AlliedSignal) بود. این شرکت در سال ۱۹۲۰ با مشارکت ۵ شرکت شیمیایی دیگر در آمریکا جهت تولید مواد رنگزا تاسیس شده بود که در سال ۱۹۲۸ با افتتاح اولین کارخانه تولید آمونیاک توانست نام خود را در دنیا مطرح سازد. بعدها این شرکت با خرید حق ثبتهای مختلف توانست نخهای فیلامنتی پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا به نام اسپکترا (Spectra) تولید نماید که بسیار مشابه نخهای تولیدی در هلند و ژاپن بود. شرکت اِلایدسیگنال و کلیه زیرمجموعه های آن در سال ۱۹۹۹ میلادی تحت مالکیت شرکت هانی ول قرار گرفتند و بدین ترتیب شرکت هانی ول نیز صاحب دانش فنی تولید نخهای صنعتی با استحکام بالا گردید.

تاریخچه تولید داینیما

از جمله موارد جالب توجه در بررسی تاریخچه تولید نخهای فیلامنتی داینیما زنده بودن کلیه افراد دخیل در پیدایش و تجاری سازی این الیاف می باشد که این موضوع حاکی از جوان بودن این تکنولوژی می باشد.

در سال ۱۹۶۸ آقای دکتر آلبرت پنینگز[۳] (متولد ۱۹۳۲) که در آزمایشگاه تحقیقات بنیادی پلیمری کارخانه تولید پلی اتیلن مشغول به فعالیت بود متوجه شد که با کشیدن یک میله از داخل بشر محتوی محلول پلیمر می تواند به سختی از بلورهای شکل گرفته در داخل ظرف رشته ای تولید نماید که با تبخیر حلال به الیاف بسیار ظریف و مستحکم تبدیل می گردد که شکل خود را در عین ظرافت حفظ می نمایند و این موضوع حاکی از استحکام بسیار زیاد این رشته دارد. در آن زمان هنوز فعالیت شرکت دی-اِس-اِم در صنایع زغال سنگ بسیار چشمگیر بود و به تازگی الیاف کولار به عنوان یک لیف مصنوعی بسیار مستحکم به بازار عرضه شده بود و به همین دلیل هیچ حمایتی از تولید الیاف پلی اتیلن توسط ایشان صورت نپذیرفت (شکل ۱).

در روش ایشان یک محلول نیمه غلیظ پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (وزن مولکولی در حد ۱ میلیون) در یک مخزن دولایه دوار ریخته شده و با چرخش استوانه داخلی بلورهای لیفی شکل گرفته بر روی استوانه به کمک یک لیف که دارای هسته تبلور در نوک آن می باشد ریسیده می شود. همانطور که مشخص است این روش صنعتی نبوده و سرعت تولید آن در حدود ۶۰-۳۰ سانتیمتر بر دقیقه می باشد (شکل ۲).

در سال ۱۹۷۸ شرکت دی-اِس-اِم به آقایان دکتر پائول اسمیت[۵] و پیت لمسترا[۶] (متولد ۱۹۴۶) که نفر اول از دانشجویان سابق دکتر پنینگز در دانشگاه گرونینگن بود ماموریت داد تا این یافته تحقیقاتی را به مرز تولید صنعتی برسانند.

علی رغم سرمایه گذاری بسیار زیاد جهت ساخت دستگاههای همزن بزرگ مطابق حق ثبت اولیه[۷]، متاسفانه نتایج قابل قبولی به دست نیامد تا اینکه این ۲ نفر به فکر استفاده از حالت ژل به جای محلول به عنوان پیش ماده تولید این الیاف افتادند و اولین حق ثبت خود در این خصوص را در سال ۱۹۷۹ منتشر نمودند که شهرت قابل توجهی برای آنها به ارمغان آورد.

انتشار این حق ثبت بدون اشاره ای به نام دکتر پنینگز منجر به ناراحتی و توقف همکاری ایشان با دی-اِس-اِم شد و متعاقب آن دکتر اسمیت نیز به شرکت دوپونت در آمریکا مهاجرت نمود و به این ترتیب در سال ۱۹۸۲ این پروژه مجدداً متوقف شد.

پس از مدتها آقای راب کیرش بام[۸] (متولد ۱۹۵۲) که در آن زمان مدیر بخش تولید نیمه صنعتی شرکت دی-اِس-اِم بود در یکی از حق ثبتهای مرتبط با شرکت اِلایدسیگنال آمریکا تولید نخهای فیلامنتی مشابهی را مشاهده کرد که تنها تفاوت آن با نخهای فیلامنتی دی-اِس-اِم در افزایش ۳۰-۲۰ درجه ای دمای ذوب پلیمر بود. پس از کشمکش فراوان گروه وکلای شرکت دی-اِس-اِم توانستند تشابهاتی بین این فرایند و حق ثبت قدیمی خود را اثبات نمایند و شرکت اِلایدسیگنال را مجبور به پرداخت وجه قابل توجهی به عنوان خرید حق ثبت نمایند (شکل ۳).

شرکت دی-اِس-اِم با دریافت این وجه مجدداً فعالیت بر روی پروژه تولید داینیما را از سر گرفت و شرکت اِلایدسیگنال نیز با تولید نخهای فیلامنتی اسپکترا (Spectra) توانست انحصار بازار تولید الیاف و نخهای صنعتی در حوزه بازار منسوجات و کامپوزیتهای مقاوم در برابر ضربه (بالستیک) را از دست شرکت دوپونت (DuPont) که رقیب مستقیم خود بود خارج سازد. البته شرکت دوپونت نیز بیکار ننشست و فعالیتهایی را جهت نشان دادن نقطه ضعف عملکرد نخهای فیلامنتی پلی اتیلنی در کاربردهای نیازمند به دمای بالا آغاز نمود (نقطه ذوب پلی اتیلن نسبتاً پایین است که البته در البسه نظامی با توجه دمای محیط این موضوع خیلی حائز اهمیت نیست).

در این مرحله پس از پیشرفت پروژه، بزرگترین مساله برای شرکت دی-اِس-اِم، عدم تجربه در فرآیند ریسندگی نخهای فیلامنتی بود که این موضوع نیز با جلب نظر مساعد شرکت ژاپنی تویوبو و ارائه راه حل بسیار ویژه آنها که به نام روش ژل ریسی شناخته شد حل گردید (شکل ۴).

این شرکت ژاپنی ۱۰۰ ساله، دارای سابقه و تجربه بسیار عالی در حوزه تولید نخهای صنعتی بود که در انتهای فرآیند بسیار حائز اهمیت بود. تا این زمان این نخها توسط شرکت هلندی به نام داینِما (Dynema با یک حرف e) که در زبان یونانی دارای ترکیبی از معانی الیاف و استحکام بود شناخته می شد، اما پس از انعقاد تفاهمنامه همکاری بین شرکتهای هلندی و ژاپنی به دلیل راحتی تلفظ و مناسب بودن معنی در هر دو زبان با اضافه نمودن یک حرف e به میان این اسم، کلمه Dyneema شکل گرفت. بر طبق این تفاهمنامه حق ثبت تولید این نخهای فیلامنتی در ژاپن به شرکت تویوبو واگذار گردید و در مابقی کشورهای جهان این حق ثبت در انحصار شرکت دی-اِس-اِم باقیماند.

در سال ۱۹۸۹ آقای جوس اشنایدرز[۹] (متولد ۱۹۵۱) به عنوان مدیر تجاری سازی این پروژه انتخاب گردید و متعاقب آن شریک ژاپنی تجهیزات ژل ریسی ویژه ای طراحی و آنها را به شهر هیرلن (Heerlen) هلند انتقال داد (شکل ۵).

در آغاز فرایند تولید صنعتی از ثبات خوبی برخوردار نبود و به همین دلیل حتی شرکت دی-اِس-اِم در برهه ای از زمان تصمیم به فروش این فرایند گرفت ولی پس از مدتی مشکلات اولیه مرتفع شد و خصوصیات فیزیکی نخهای تولیدی در هلند از خصوصیات نخهای رقیب تولید شده در ژاپن و آمریکا نیز پیشی گرفت به نحویکه با افزایش تقاضا برای این نخها قیمت آنها در مدتی کمتر از یکسال تا حد ۲ برابر افزایش یافت و ۱۰۰۱ کاربرد جدید برای آنها ایجاد گردید.

در آن زمان با توجه به کوچک بودن گروه فعال بر روی این پروژه، در ابتدا سه حوزه کاربردی برای این نخها تعریف گردید که عبارت بودند از: تولید البسه ضدگلوله، طنابهای مهار با استحکام بالا جهت صنایع دریانوردی مخصوصاً مهار کانتینرها بر روی کشتی ها و همچنین طنابهای مهار دکلهای عظیم حفاری نفتی در اقیانوس.

هرچند در دهه ۹۰ میلادی این نخهای فیلامنتی توانستند عنوان محکمترین نخهای تولیدی بشر را به خود اختصاص دهند، اما دوره رشد سریع استفاده از این محصول مربوط به دهه ۲۰۰۰ میلادی می باشد که به دلیل تقاضای بسیار رو به رشد بازار حجم تولید به نحو چشمگیری افزایش یافت.

تا این مرحله دانشمندان این حوزه پیشرو بوده و صنعت به دنبال آنها حرکت می نمود، اما در حال حاضر این صنعت است که هر روز با ارائه درخواستهای جدیدی دانشمندان را وادار به عرضه محصولی منطبق با نیاز آنها می نماید.

ماده اولیه و فرآیند تولید داینیما

پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از پلیمرهای گرمانرم می‌باشند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن (C_۲H_۴) بدست می‌آیند. از طریق انتخاب کاتالیست و روش پلیمری شدن مناسب این ماده می‌توان خواص مختلفی همچون چگالی، شاخص جریان مذاب ([۱۰]MFI)، بلورینگی، درجه شاخه‌ای و شبکه‌ای شدن، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی را در آنها کنترل کرد.

پلیمرهای با وزن مولکولی پائین را به عنوان روان‌کننده به کار می‌برند. پلیمرهای با وزن مولکولی متوسط واکس‌هایی امتزاج پذیر (مخلوط پذیر) با پارافین می‌باشند و نهایتاً پلیمرهایی با وزن مولکولی بالاتر از ۶۰۰۰ در صنعت پلاستیک بیشترین حجم مصرف را به خود اختصاص می‌دهند.

پلی اتیلن شامل ساختار بسیار ساده‌ای است، به طوری که ساده‌تر از تمام پلیمرهای تجاری می‌باشد. یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم‌های کربن است که به هر اتم کربن دو اتم هیدروژن چسبیده ‌است (شکل ۶).

به وسیله کوپلیمریزاسیون مونومراتیلن با یک مونومر آلکیل شاخه دار، کوپلیمری با شاخه‌های هیدروکربن کوتاه بدست می‌آید که آن را پلی اتیلن خطی با چگالی کم (LLDPE[۱۱]) می‌نامند و از آن اغلب برای ساخت کالاهایی شبیه فیلم‌های پلاستیکی (کسیه فریزر) استفاده می‌کنند.

گاهی اوقات به جای اتم‌های هیدروژن در مولکول پلی اتیلن، یک زنجیر بلند از اتیلن به اتم‌های کربن متصل می‌شود که به آنها پلی اتیلن شاخه‌ای یا پلی اتیلن سبک (LDPE) می‌گویند؛ چون چگالی آن به علت اشغال حجم بیشتر، کاهش یافته ‌است. در این نوع پلی اتیلن مولکولهای اتیلن به شکل تصادفی به یکدیگر متصل می‌شوند و ریخت و شکل بسیار نامنظمی را ایجاد می‌کنند. چگالی آن بین ۹۱۰/۰ تا ۹۲۵/۰ است و تحت فشار و دمای بالا و اغلب با استفاده از پلیمری شدن رادیکال‌های آزاد وینیلی تولید می‌شود.

وقتی هیچ شاخه‌ای در مولکول وجود نداشته باشد آن را پلی اتیلن خطی می‌نامند. پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخه‌ای است اما پلی اتیلن شاخه‌ای آسانتر و ارزانتر ساخته می‌شود. ریخت و شکل این پلیمر بسیار بلوری شکل است. پلی اتیلن خطی محصول نرمالی با وزن مولکولی ۲۰۰-۵۰۰ هزار است که آن را تحت فشار و دماهای نسبتاً پائین پلیمری می‌کنند. چگالی آن بین ۹۴۱/۰ تا ۹۶۵/۰ است و آن را بیشتر به وسیله فرایند پلیمری شدن زیگلر ناتا تهیه می‌کنند.

پلی اتیلنی نیز وجود دارد که چگالی آن مابین چگالی این دو پلیمر است یعنی در محدوده ۹۲۶/۰ تا ۹۴۰/۰ و آن را پلی اتیلن نیمه سنگین یا پلی اتیلن متوسط می‌نامند.

پلی اتیلن با وزن مولکولی بین ۳ تا ۶ میلیون را پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE[12]) می‌نامند و با پلیمری شدن کاتالیست متالوسن تولید می‌کنند. ماده مزبور از فرایند پذیری دشوارتری برخوردار بوده ولی خواص آن عالی است. هنگامی که از طریق تشعشع یا استفاده از مواد افزودنی شیمیایی، این پلیمر تماماً شبکه‌ای شود، پلی اتیلن یاد شده دیگر پلیمر گرمانرم نخواهد بود. این ماده با پخت حین قالب گیری یا بعد از آن، یک پلیمر گرماسخت واقعی با استحکام کششی، خواص الکتریکی و استحکام ضربه خوب در دامنه وسیعی از دماها خواهد بود. فرآیند تولید پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا برای اولین بار توسط شرکت روهر کمیه (Rohrchemie) آلمان در دهه ۱۹۵۰ میلادی ابداع شدو بعدها توسط شرکتهای دیگری تکمیل و گسترش یافت.

با توجه به اینکه پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا دارای یک ساختار زیگزاگی و مسطح است و هیچ گونه گروه جانبی حجیم نیز در ساختار آن حضور ندارد در صورتیکه بتوان زنجیرهای مولکولی را در فواصل بسیار نزدیکی به یکدیگر قرار داد می توان به ساختاری دست یافت که استحکام و مدول آن نسبت به مساحت حجمی در بین کلیه پلیمرهای گرمانرم بالاترین است و برای تولید الیاف و نخهای فیلامنتی داینیما از این حالت استفاده می شود (شکل ۷).

همانگونه که مشخص است جهت تولید نخهای فیلامنتی مستحکم بایستی هرگونه بی نظمی ناشی از گره خوردن زنجیرهای پلیمری که منجر به افت و کاهش خصوصیات مکانیکی می شود را برطرف نمود و نهایت آرایش یافتگی در زنجیرهای مولکولی در جهت محور الیاف را بدست آورد.

بر طبق حق ثبتهای منتشر شده اولیه، محلول پلیمری ابتدایی بایستی غلطت مناسبی جهت فرآیند ریسندگی داشته باشد تا بتواند در طی فرآیندهای بعدی به میزان مناسبی کشیده شود. بدین منظور از پلیمر با وزن مولکولی بالاتر از ۱ میلیون و حلال دکالین و یا پارافین استفاده می شود.

در فرآیند تولید صنعتی نکته حائز اهمیت در ژل تولیدی، غلظت و حفظ همگنی آن در فرآیند ریسندگی است که تضمین کننده فرآیند کشش یکنواخت بعدی می باشد. بدین منظور مقادیر بسیار کم و کنترل شده ای از کوپلیمرهای شاخه دار شده دارای توزیع وزن مولکولی معین به همراه پلیمر اصلی در سیستم تغذیه می شود تا به پلیمر اصلی قابلیت فرآیند ریسندگی حتی در غلظتهای بسیار بالا را بدهد.

پس از فرآیند ریسندگی که اصطلاحاً به نام ژل ریسی شناخته می شود، دسته فیلامنتهای تولیدی به سرعت به میزان زیادی تحت عملیات کشش قرار می گیرند تا به خصوصیات مورد نظر دست یابند. تعداد مراحل کشش و دمای هرکدام از این مراحل بسیار حائز اهمیت می باشد.

خصوصیات داینیما

چگالی پلیمر پلی اتیلین با وزن مولکولی بسیار بالا کمتر از ۱ بوده (سبکتر از آب) و استحکام و مدول آن نسبت به سطح الیاف بسیار زیاد می باشد. از آنجاییکه انرژی مورد نیاز برای پاره کردن این نخها بسیار زیاد می باشد در نتیجه مقاومت ضربه ای آنها نیز در حد بسیار بالایی قرار دارد. علاوه بر این مقاومت سایشی و خستگی خمشی آنها نیز نسبت به کلیه پلیمرهای گرمانرم بیشتر بوده و به همین دلیل در کاربردهای ویژه که نیازمند انعطاف پذیری است استفاده از آنها دارای مزایای زیادی می باشد.

از آنجا که پلی اتیلن اصولاً دارای گروههای جانبی فعال نمی باشد به همین دلیل مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر شرایط محیطی آن نیز در حد عالی قرار دارد. همچنین با توجه به اینکه جذب رطوبت آن نیز در حد صفر می باشد به همین دلیل مقاومت تخریب پذیری در شرایط کاربردی محیطی نیز در آن بسیار بالا خواهد بود.

البته در کنار این مجموعه از خواص بسیار عالی، استفاده از این نخهای فیلامنتی به دلیل دمای ذوب پایین، چسبندگی ضعیف و خزش راحت در پاره ای از کاربردها مناسب نیستند. با توجه به اینکه از این نخها نمی توان بطور مداوم در دمای بیشتر از ۸۰-۱۰۰ درجه سانتیگراد استفاده نمود به همین دلیل استفاده از آنها تنها در کاربردهایی که در شرایط محیطی استاندارد می باشد امکانپذیر است. همچنین این نخها در دمای کمتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد بسیار شکننده می شوند.

با توجه به آرایش مولکولی بسیار بالا در نخهای تولید شده از پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، ضریب هدایت حرارتی این نخها در جهت محور الیاف بسیار بالا بوده و همچنین ضریب انبساط طولی آنها منفی می باشد. به عبارت دیگر با افزایش دما این الیاف در جهت طولی دچار انقباض می شوند.

در جدول ۱ مشخصات نخهای صنعتی مختلف با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته است. همانگونه که از این جدول مشخص است تفاوت بسیار بارزی بین خصوصیات نخهای صنعتی تولید شده از پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا با سایر انواع نخها وجود دارد.

میزان استحکام در نقطه تسلیم نخهای تهیه شده از پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا در حد ۲.۴ گیگا پاسکال می باشد که این میزان در مورد سیمهای فولادی با استحکام بالا نیز در همین حد قرار دارد (میزان استحکام در نقطه تسلیم سیمهای فولادی معمولی در حد ۰.۵ گیگا پاسکال قرار دارد)، اما با توجه به اینکه وزن مخصوص فولاد درحدود ۷.۸ گرم در سانتیمتر مکعب می باشد به همین دلیل میزان استحکام نسبت به وزن مخصوص نخهای تهیه شده از این پلیمر بیش از ۱۰ برابر نخهای فولادی هم وزن خواهد بود.

کاربردهای داینیما

همانگونه که گفته شد، یکی از مهمترین کاربردهای این نخها در تولید البسه ضدگلوله بالستیک می باشد. به دلیل مقاومت ضربه ای بسیار عالی این نخها، می توانند به خوبی در برابر گلوله کلاشینکوف مقاومت نموده و بدن فرد را حفاظت نمایند. البته با توجه به وزن کم این نخها راحتی عملکرد سربازان و افرادی که از این البسه استفاده می نمایند نیز تضمین شده می باشد. در حال حاضر بیش از ۲۰ هزار نیروی پلیس فعال در شهر نیویورک در فعالیتهای روزمره خود از این البسه استفاده می نمایند که نمونه بسیار موفقی از روزمره سازی استفاده از این البسه می باشد (شکل ۸).

امروزه در بسیاری از کاربردها، افراد در معرض تماس با اجسام تیز و برنده قرار دارند و به همین دلیل تولید البسه محافظ، مخصوصاً دستکشهای محافظ در برابر برش بسیار حائز اهمیت است. با توجه به مقاومت بسیار عالی نخهای داینیما، این نخها یکی از بهترین مواد جهت تولید دستکشهای صنعتی محافظ در مقابل برش هستند که در هنگام استفاده از اره برقی، تیغ و ابزار مشابه استفاده از آنها الزامی است (شکل ۹).

در کنار این کاربرد، از البسه تهیه شده از نخ‌های داینیما در کاربردهای ورزشی خاص، نظیر لباس موتورسوران، شمشیربازان، هاکی بازان روی یخ، کوهنوردان و … نیز استفاده می شود تا بدن ورزشکار را از ضربات مهلک محافظت نماید (شکل ۱۰). حتی در لباسهای جدید دوچرخه سوران تور فرانسه از البسه بسیار نازکی از داینیما جهت محافظت بدن ورزشکار استفاده شده است که در عین سبک بودن، به دلیل نازکی اصطکاک کمی با هوا داشته و بر عملکرد ورزشکار تاثیر نامطلوبی ندارد (شکل ۱۱).

همچنین به تازگی شرکت لِوی اِستِراوس (Levi Strauss) آمریکا نوع جدید از شلوارهای لی خود با نام تجاری لی وایز ۵۰۱ (Levi’s 501) عرضه نموده است که در تولید آنها از الیاف داینیما استفاده شده است. آزمایشات نشان داده است که اضافه نمودن تنها ۱۰-۵ % الیاف داینیما به پارچه جین منجر به ۶۰۰-۲۵۰ % افزایش مقاومت سایشی، ۱۰۰-۵۰ % افزایش مقاومت پارگی و ۱۰۰-۲۵ % استحکام پارچه جین شده است (شکل ۱۲).

امروزه نه تنها صنایع پوشاک و البسه به سمت استفاده از مزایای ویژه نخهای داینیما کشیده شده اند، بلکه صنایع تولید کفشهای ورزشی و خاص نظیر شرکتهای آدیداس، ریبوک و … نیز علاقمند به استفاده از این الیاف در تولید کفشهای خود شده اند (شکل ۱۳).

در تولید بسیاری از ادوات ورزشی نیز از نخ های داینیما استفاده می شود که شاید مهمترین آنها طنابهای کوهنوردی باشد که این طنابها دارای استانداردهای بسیار ویژه ای برای این کاربرد می باشند.

با توجه به مقاومت بسیار زیاد این پلیمر، یک غشا به ضخامت ۱ سانتیمتر از این پلیمر می تواند در مقابل یک موج با ارتفاع ۲۰ متر مقاومت نماید. پس از هجوم موجهای بلند به سواحل هند در سال ۲۰۰۴ و سواحل ژاپن در سال ۲۰۱۱ این ایده مطرح شد تا از غشاهای انعطاف پذیر و سبک داینیما جهت محافظت نواحی خطرپذیر ساحلی استفاده شود که این موضوع هم اکنون توسط دانشمندان دانشگاه دلف هلند در حال تحقیق و بررسی است.

خصوصیات منحصر به فرد این نخها سبب شده است تا از آنها در تولید البسه ویژه خلبانان هواپیماهای شکاری که اصطلاحاً در مقابل خلا و تغییرات نیروی جاذبه زمین از بدن محافظت می نمایند نیز استفاده شود.

یکی از موارد بسیار مهم در صنایع هوایی سبک بودن در عین حفظ استحکام می باشد، به همین دلیل استفاده از طنابهای تولید شده از داینیما در بسته بندی محموله های هوایی بسیار حائز اهمیت است. طنابها و تورهای تهیه شده از داینیما برای پوشش یک پالت تنها ۹ کیلوگرم وزن خواهند داشت که این میزان برای طنابها و تورهای تهیه شده از پلی استر با استحکام بالا در حدود ۱۸ کیلوگرم می باشد. بدین ترتیب مصرف سوخت هواپیماها و همچنین میزان انتشار گاز دی اکسید کربن به میزان قابل توجهی کاسته می شود. علاوه بر این دوام تورهای داینیما بر طبق استانداردهای هواپیمایی در حدود ۵ سال می باشد که این میزان در مورد تورهای پلی استری کمتر از ۳ سال است (شکل ۱۴).

محرک اصلی آغاز تحقیقات در ژاپن جهت تولید نخهای داینیما مربوط به صنایع ماهیگیری و پرورش ماهی در دریای این کشور بود. هم اکنون استفاده از نخها و تورهای ماهیگیری ساخته شده از نخهای داینیما به دلیل سبکی، استحکام بسیار عالی، مقاومت در برابر شرایط محیطی دریا و … بسیار رو به افزایش است. به دلیل علاقه ژاپنی ها به گوشت نهنگ و وزن بسیار بالای این پستاندار دریایی شاید بتوان گفت به غیر از داینیما هیچ گزینه دیگری برای این صید وجود ندارد (شکل ۱۵).

یکی از مهمترین موضوعات درخصوص طنابهای دریانوردی سبکی آنها می باشد که به ملوانان قابلیت حمل راحت و سریع آنها در شرایط بحرانی و مواج دریا را می دهد و از طرف دیگر نیروی عکس العمل برگشتی طناب از جمله خطرات رایج در آسیب رساندن و یا پرت کردن ملوانان به دریا می باشد. طنابهای ساخته شده از نخهای داینیما در عین استحکام بسیار زیاد، بسیار سبک بوده و از همه مهمتر دارای نیروی عکس العمل برگشتی زیادی نمی باشد که به همین دلیل در کاربردهای دریانوردی دارای محبوبیت زیادی است (شکل ۱۶).

در حمل و نقل کالاهای بسیار سنگین نظیر رول فلزات، سنگهای بزرگ و … در کارخانجات یا بنادر نیازمند طنابها و تسمه های بسیار قطوری می باشیم که معمولاً دارای وزن زیادی نیز می باشند. در صورت استفاده از طنابها و تسمه های بافته شده از داینیما نه تنها می توان با کاهش قطر یا عرض تسمه قابلیت انعطاف پذیری آنرا افزایش داد، بلکه با کاهش وزن طناب یا تسمه میزان بار خالص قابل حمل نیز افزایش می یابد (شکل ۱۷).

استفاده از طناب در بسیاری از صنایع فراساحلی جهت حفاری اعماق آب اقیانوسها بسیار رایج است. این طنابها در مهار دستگاهها و ادوات و همچنین جابجایی آنها بسیار حائز اهمیت می باشد و مجموعه خواص ویژه داینیما در این کاربردها بسیار قابل توجه است (شکل ۱۸).

هرچند بیش از ۲۰۰۰ سال از اختراع زنجیر می گذرد، اما مدتهای مدیدی است که تنها از فلزات جهت ساخت این کالا استفاده می شود. به تازگی نوع جدیدی از زنجیرها با استفاده از نخهای فیلامنتی داینیما تولید شده است که نه تنها استحکامی معادل قوی ترین زنجیرهای استیل دارند بلکه تا ۸ برابر از آنها نیز سبکتر می باشند. این زنجیرها بسیار نرمتر بوده و به همین دلیل استفاده از آنها برای کاربران بسیار راحتتر و ایمن تر می باشد (شکل ۱۹).

جمع بندی

همانگونه که از متن فوق مشخص است، کاربردهای الیاف و نخهای فیلامنتی تهیه شده از پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا به سرعت در حال افزایش است و هر روز باید منتظر کاربردهای جدیدی برای این ماده منحصر به فرد باشیم (شکل ۲۰).

[۱] Albert Butz

[۲] Mark Honeywell

[۳] Albert Pennings

[۴] JJ Hermans

[۵] Paul Smith

[۶] Piet Lemstra

[۷] Patent

[۸] Rob Kirschbaum

[۹] Jos Schneiders

[۱۰] Melt Flow Index

[۱۱] Liner Low Density Poly Ethylene

[۱۲] Ultra High Molecular Weight Poly Ethylene

مراجع:

1. Basic Courses in Textiles, Chapter 4: Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber, Asian Textile Business (ATB), November 2015, pp.18-19.
2. http://thedyneemaproject.com/story-of-dyneema.html
3. http://www.dsm.com/