ویژگی های اصلی الیاف نساجی

الیاف به معنای واقعی کلمه برای ساخت انواع مختلف مواد، چه طبیعی و چه دست ساز مورد استفاده قرار می گیرند، و جزء اصلی پارچه های منسوج و سایر ساختارهای نساجی محسوب می شوند. الیاف صرفنظر از کاربرد و نحوه تولید آنها، عنصر اصلی ساختار کلیه محصولاتی هستند که به منسوجات معروفند. الیاف مختلف دارای شکل و ظاهر متفاوتی هستند؛ همین امر باعث می شود تا الیاف بر عملکرد، زیبایی و ظاهر منسوجات تاثیر بگذارند. هزاران سال است که از الیاف برای ساخت لباس و ابزارهایی که به گسترش و توسعه بشریت کمک کرده اند، استفاده می شود. اخیراً علم و صنعت با استفاده از فرآیندهای شیمیایی و اکستروژنی، مجموعه ای از الیاف و فیلامنت های مشتق شده از پلیمرهای مصنوعی را تولید کرده اند که از جمله آنها می توان به نایلون و پلی استر اشاره نمود.
در این مقاله، رایج ترین الیاف نساجی طبیعی و مصنوعی به همراه ویژگی های این الیاف و فیلامنت ها معرفی می شوند. ارائه یک لیست جامع از روابط ظریف و دقیقی که بین فرم و عملکرد هر کدام از این الیاف وجود دارد از حوصله این متن خارج است، از این رو هدف ما صرفاً ارائه نمایی کلی از اصول است. این امر باعث می شود که خواننده تا حدی بتواند تاثیر نوع الیاف بر پارچه نهایی را ارزیابی کند. در واقع خواننده باید متوجه شود که انتخاب مناسب الیاف در هنگام در نظر گرفتن یک طرح، کاربرد یا جلوه بصری اهمیت بسیار زیادی دارد. بنابراین تأثیر نوع، شکل، فرم، قطر و نحوه پرداخت الیاف بر خصوصیات و طرح پارچه ها با در نظر گرفتن انواع الیاف عمده، مسیرهای رایج تولید و نحوه تولید بر روی انواع نخ ها و پارچه های موجود ارزیابی می گردد. پیامدهای اجتماعی و اقتصادی با توجه به حجم، هزینه و تاثیرات زیست محیطی هر دسته از این الیاف نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار هستند.
کارشناسان اینگونه اصطلاح الیاف نساجی یا الیاف منسوج را تعریف کرده اند: الیاف منسوج به نوعی الیاف گفته می شود که می توان آنها را به شکل نخ ریسید، و یا با در هم آمیختن و به هم بافتن به کمک انواع ماشین آلات مختلف مثل ماشین آلات بافندگی، کشبافی، قیطان دوزی، نمدمالی و پیوندی آنها را به پارچه تبدیل کرد.

خصوصیات رایج الیاف نساجی

یک لیف در واقع یک رشته خطی انعطاف پذیر است که طول آن چندین برابر عرض آن می باشد. این خصوصیت الیاف را از مجموعه های دیگری مانند نوارها، لایه های نازک و میله ها متمایز می کند. از نظر یک طراح، الیاف و فیلامنت ها کوچکترین عنصر در ساختار منسوجات به شمار می آیند. خواص الیاف موجب مشخص نمودن ظاهر، نحوه افتادگی، چگونگی انطباق و کشش آنها می شود. یک طراح باید بداند که می توان با تغییر این عناصر ساده، طیف کاملی از پرداخت های زیبایی شناختی را خلق کرد.
الیاف معمولاً به صورت استیپل یا فیلامنت های پیوسته در دسترس هستند. الیاف استیپل، عناصر ممتدی هستند که از طریق فرآیندهای طبیعی یا ساخت بشر محدود می شوند. در مقابل فیلامنت های پیوسته، بریده نشده هستند و می توانند تا صدها کیلومتر طول داشته باشند. به راحتی می توان یک محصول رشته ای ممتد را با برش طولی به شکل استیپل درآورد. مواد طبیعی (به جز ابریشم) انحصاراً به عنوان مواد خام ریسندگی در دسترس هستند؛ در حالیکه فیلامنت های مصنوعی اغلب در قطع های بیشتری موجودند که از جمله می توان به نخ های تک فیلامنتی، نخ های چند فیلامنتی و استیپل های گروه های پایه اشاره نمود.

ساختار الیاف

الیاف چه به صورت استیپل و چه به صورت فیلامنت در دسترس باشد، و چه طبیعی باشند و چه مصنوعی، اصول پایه بر روی تمامی آنها اعمال می شود. این خصوصیات توسط ابعاد و ساختار مولکولی الیاف تعیین می گردند. الیاف از زنجیره های طولانی اتم ها که به پلیمر معروف هستند ساخته می شوند. این ساختارها ممکن است یا به صورت طبیعی (سلولز، کراتین، کلاژن و آزبست) تشکیل گردند و یا به واسطه روش های شیمیایی فرآوری مصنوعی (پلی اتیلن، نایلون، پلی استر) ساخته شوند. صرف نظر از روش سنتز، این طول، ساختار مولکولی و جهت گیری خاص پلیمرها هستند که نه تنها بر خواص مکانیکی الیاف (مقاومت، سفتی، قابلیت ارتجاعی) تاثیر می گذارند؛ بلکه بر روی روش های فرآوری نخ، و تبدیل آن به پارچه (ساخت فیلامنت، ساخت پارچه، رنگرزی) و رفتار چنین موادی (مقاومت در برابر چین خوردگی، جذب آب، فتیله سازی) نیز تاثیر دارند. مثلا پنبه و کتان عمدتاً از سلولز تشکیل شده اند؛ ساختار آنها که در شکل 2 نیز نشان داده شده است، متشکل از یک زنجیره کربن، اکسیژن و هیدروژن است.

طول و نحوه آرایش این زنجیره ها، مقاومت و سفتی الیاف را تعیین می کند. زنجیره های سلولزی به صورت گروهی به هم می پیوندند و به صورت لیفچه های خطی قرار می گیرند؛ در واقع آنها شبیه دسته ای از ترکه ها هستند که به دلیل استحکام بالا به سختی خم می شوند. وجود گروه های شیمیایی هیدروکسیل (–OH) در زنجیره سلولزی، باعث می شود تا سلولز امکان جذب آب و رطوبت (آب دوستی) را داشته باشد؛ همین امر راحتی و پاسخ رطوبتی مطلوب محصولات پنبه ای و لیننی را به دنبال دارد. در ضمن زنجیره های سلولزی به سهولت بین گروه های هیدروکسیل و آب، پیوند هیدروژنی برقرار می کنند. پیوند هیدروکسیل – هیدروکسیل باعث می گردد تا زنجیره ها به شکل منظم قرار بگیرند و در قالب الگویی آرایش پیدا کنند که به آن بلور گفته می شود. در ضمن در جاهاییکه زنجیره ها خاتمه پیدا نمی کنند و یا اینکه قادر نیستند ساختار منظمی را تشکیل دهند، بی نظمی هایی دیده می شود. در واقع ترکیب نظم و بی نظمی (نیمه بلوری) سبب می شود تا الیاف نساجی، استحکام و انعطاف پذیری لازم به منظور تبدیل شدن به نخ و پارچه را داشته باشند. همچنین گروه های شیمیایی سلولزها، مسئول پدیده چین خوردگی در سلولزها هستند؛ در این حالت گروه های هیدروکسیل در موقعیت های جدیدی موجب پیوندهای هیدروژنی می شوند، یعنی ترکیب اولیه شکسته و یک چین ایجاد می گردد. البته می توان با افزودن گرما، آب و فشار (اتو) کاری کرد که پیوندهای هیدروژنی مجدداً برقرار شده و ساختار اصلی بازیابی گردد. در مقابل پلی اتیلن ترفتالات (PET) یک زنجیره خطی است که از پیوندهای آروماتیک و استری ساخته می شود (شکل 3). احتمالاً گروه های شیمیایی موجود در PET قادر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی نیستند و قطعاً به این دلیل است که لباس های ورزشی پلی استری دارای خاصیت بازیابی چین و چروک هستند، از این رو ممکن است پس از شستشو نیازی به اتو کردن نداشته باشند. تلفیق الیاف PET در نخ پنبه ای باعث افزایش خاصیت بازیابی چین و چروک آنها می گردد، چرا که الیاف PET همواره تمایل دارند تا به حالت اولیه خود بازگردند؛ به همین دلیل مراقبت از پارچه های ساخته شده با این الیاف بسیار آسان تر است.

ابعاد الیاف

خاصیت اصلی الیاف که غالباً تعیین کننده بازار و کاربرد الیاف است، قطر یا ظرافت آنها می باشد. ظرافت الیاف، انعطاف پذیری الیاف و مجموعه آنها را مشخص می کند. در هنگام اشاره به قطر الیاف، ظرافت آنها به میکرون بیان می شود و در هنگام اشاره به چگالی خطی الیاف، ظرافت آنها به دسی تکس و دنیر بیان می گردد. هر چه الیاف ظریف تر باشند راحت تر خم می شوند و این خود یکی از عوامل اصلی در تعیین سطح نرمی و راحتی الیاف به حساب می آید.
الیاف نساجی باید آنقدر ظریف باشند که بتوان آنها را به شکل نخ و پارچه درآورد، ضمناً نباید باعث خارش و سوزن سوزن شدن پوست شوند. بخش های کوتاه الیاف در تماس با پوست خم نمی گردند مگر اینکه به مقدار آستانه ای برسند که در این صورت باید کاملاً خم شوند. در الیاف زمخت، این نیروی آستانه بیش از نیروی مورد نیاز برای تحریک عصب حسی (لامسه) است. ظرافت الیاف، تعداد الیاف تشکیل دهنده یک نخ را تعیین می کند؛ هر چه تعداد الیاف در سطح مقطع نخ بیشتر باشد اصطکاک بیشتر می گردد؛ این امر باعث تشکیل نخ های مستحکم تر نیز می شود. روش هایی برای اندازه گیری ظرافت الیاف طبیعی وجود دارد: در صنعت پنبه از سیستم میکرونر (micronaire) و در بخش های زیادی از تجارت پشم از اسکن لیزری CSIRO استفاده می شود.
طول الیاف یکی دیگر از معیارهای مهم در تعیین قابلیت فرآوری آنهاست. البته طول الیاف یکی از موارد بسیار مهمی است که در برآورد قیمت الیاف طبیعی نیز بسیار اهمیت دارد، زیرا این طول یکی از مهمترین پارامترهای تعیین کننده در ریسندگی حلقوی و جت هوایی نخ های پنبه ای است. هر چه الیاف بلندتر باشند، فرآوری نخ آسان تر است، در ضمن برای تولید نخ های ظریف و محکم به الیاف بلند نیاز است. در مقابل الیاف کوتاه نه تنها باعث افزایش پرز نخ و حجیم تر شدن آن می شوند بلکه به دلیل منحرف شدن سر رشته الیاف در هنگام نخ ریسی سبب کاهش قابل توجه عملکرد عملیات فرآوری نخ نیز می گردند. در الیاف طبیعی هر منبع دارای سیستم توزیع الیاف از بلند به کوتاه است و از روش های بصری نیز برای توصیف طول متوسط الیاف و تنوع و یکنواختی نمونه ها استفاده می شود. در الیاف مصنوعی، طول استیپل دقیقاً به واسطه برش فیلامنت ها (رشته ها) کنترل می گردد؛ در ضمن به راحتی می توان طول این الیاف را به گونه ای بهینه کرد که بتوان به راحتی با تجهیزات فرآوری موجود با آنها کار کرد.

شکل و سطح مقطع

قطعاً نمی توان همه الیاف را دایره ای در نظر گرفت و شکل الیاف بر خمش، سفتی، لمس و درخشش آنها تاثیر می گذارد. معمولاً الیاف طبیعی دایره ای شکل نیستند، اما چون امکان مهندسی سازی در الیاف ساخت دست بشر وجود دارد، می توان الیاف را در سطح مقطع های مختلفی تولید کرد، چرا که امکان استفاده از طرح های جدید نخ ریسی و تکنیک های مختلف فرآوری در این الیاف وجود دارد. الیاف مصنوعی معمولاً سطح مقطعی دایره ای و صاف دارند؛ هر چند که امکان تولید الیاف با سطح مقطع های نامنظم نیز وجود دارد؛ چنین الیافی دارای خاصیت دندانه ای (کنگره ای) هستند. این امر می تواند تاثیر قابل توجهی بر خصوصیات اپتیکی مواد داشته باشد.

خصوصیات مکانیکی الیاف نساجی

پاسخ الیاف به محرک های مکانیکی جزء مهمترین خواص الیاف محسوب می شود؛ زیرا بدون استحکام و انعطاف پذیری کافی اصلاً نخ و پارچه ای وجود ندارد. خصوصیات مکانیکی مثل استحکام، سفتی، کشش و قابلیت انعطاف پذیری تعیین کننده رفتار الیاف در حین فرآوری و خصوصیات پارچه حاصله هستند. استحکام و خواص پارچه و نخ، ترکیبی پیچیده از الیاف و ویژگی های اصطکاکی درون الیاف هستند؛ با این حال باید پذیرفت که مقاومت نخ و پارچه هرگز نمی تواند فراتر از مقاومت مجموع الیاف نساجی باشد.
ویژگی های الاستیکی الیاف تعیین کننده نحوه بازیابی الیاف در حین تغییر شکل هستند و برای بسیاری از کاربردها مهمتر از نقطه شکست واقعی آنها محسوب می شوند. الیافی که دارای خصوصیت بازیابی عالی هستند در مواردی مورد استفاده قرار می گیرند که الیاف مکرراً و به مدتی طولانی در معرض کشش و تغییر شکل قرار دارند. الیاف اسپندکس نوعی الاستومر با قابلیت بازیابی الاستیک فوق العاده ای هستند؛ همین امر باعث می شود که جوراب های نایلونی به راحتی در مقابل کشش دوام بیاورند و نه شکم داده و نه تغییر شکل دهند. اما در مقام مقایسه یک ژاکت ویسکوز رفتار الاستیک کمتری از خود نشان می دهد و به احتمال زیاد در مناطقی که مکرراً دچار کشیدگی می شود مانند آرنج ها و یقه به مرور دچار تغییر شکل می گردد.

خصوصیات اپتیکی و زیبایی شناختی الیاف

جذابیت بصری الیاف براساس اندازه و شکل آنها، ریز ساختارهای داخلی الیاف و بافت سطحی آنها تعیین می شود. در صورت تغییر یک یا چند مورد از این عوامل، الیاف قادر به ایجاد جلوه های زیبایی چشمگیری خواهند بود. به راحتی می توان این تنوع را در تفاوت بین بازتابش نور، درخشش و جلای براق بین محصولات پلی استری و پشمی مشاهده کرد. سطوح صاف، انعکاس آیینه ای دارند و جلوه ای براق ایجاد می کنند؛ در حالیکه سطوح ناهموار بیشتر نور بازتابی را پخش می کنند و به همین دلیل جلوه ای مات ایجاد می نمایند.

علاوه بر انعکاس سطحی، فعل و انفعالات اپتیکی دیگری نیز بر درخشش و جلوه بصری الیاف تاثیر می گذارند. به طور کلی نحوه انعکاس نور توسط الیاف براساس خصوصیات فیزیکی زیر مشخص می شود:

• بافت سطحی: الیافی که دارای سطح زبری هستند، نور را در جهت های مختلف بازتاب می دهند و بازتاب پراکنده ایجاد می کنند.
• ضریب شکست: ضریب شکست الیاف از مقایسه سرعت نسبی عبور نور از داخل الیاف و سرعت نور در خلاء به وجود می آید. تغییر در ضریب شکست، نحوه انعکاس نور را تحت الشعاع قرار می دهد و ممکن است باعث دو شکستی و دو رنگی الیاف گردد.
• جذب سطحی: نوری که در الیاف نفوذ می کند، ممکن است توسط مخلوط الیاف جذب شود. نور طیف مرئی به راحتی توسط رنگ ها، رنگدانه ها و مواد افزودنی جذب می گردد؛ همین امر باعث ایجاد نورهای بازتابی رنگی می شود.
• شکل: شکل الیاف، براقیت و درخشش آنها را تحت تاثیر قرار می دهد. نور بر مبنای زاویه برخورد منعکس می شود، از این رو تغییر شکل پیچیده سطوح مختلف باعث می گردد تا این سطوح براق و درخشان به نظر بیایند. به طور کلی الیافی که دارای سطح مقطع دایره ای هستند، انعکاس آئینه ای ایجاد می کنند و به همین دلیل براق تر به نظر می رسند.