مفهوم علم و ساختار الیاف

مفهوم علم الیاف

علوم الیاف و پلیمر به فیزیک و شیمی مولکول های زنجیره بلند ارتباط دارند. شیمیدانان مدت ها قبل از شناخت پیچیدگی پلیمرها، اولین قدم را در راستای کپی کردن ساختار مولکول ها برداشتند. استاودینگر (Staudinger) در سال 1920 از تئوری ساختار پلیمرها دفاع کرد. او این تئوری را مطرح نمود که پلیمرها از مولکول های زنجیره ای ساخته می شوند. ضمناً مولکول های زنجیره های می توانند به یک پلیمر شبکه ای سه بعدی ختم شوند. کاروترز (Carothers) و همکارانش، کار خود را در زمینه پلی کندانسیون آغاز کردند. او اعلام کرد که می توان با استفاده از واکنش های آلی کلاسیک، پلیمرهایی با ساختارهای مشخص به دست آورد. خواص پلیمرها را توسط ترکیبات اولیه یعنی مونومرها می توان کنترل کرد. اگر چه کار او براساس تحقیق در مورد پلیمرهای چگالشی بود اما نظریه اش برای پلیمرهای افزایشی نیز مناسب است.
مولکول های پلیمری ممکن است زنجیره های بلند و مستقیمی باشند و یا اینکه به وسیله زنجیره های کوچکی که از پیکره مولکول ها بیرون زده اند، منشعب شوند. این انشعابات شاید آنقدر رشد کنند که با انشعابات دیگر درگیر شوند و یک ماتریس سه بعدی بزرگ را تشکیل دهند. زنجیره های مولکولی می توانند به صورت شیمیایی به هم بپیوندند و به پلیمرهای شبکه ای تبدیل گردند. ساختار هندسی پلیمر را می توان توسط پیکربندی و ترکیب آن تشریح کرد. پیکربندی به نظم و ترتیبی اشاره دارد که توسط پیوندهای شیمیایی تعیین می شود و به وسیله روش های فیزیکی قابل تغییر نیست. ساختار به نظمی گفته می شود که از چرخش مولکول های پیرامون یک پیوند منفرد حاصل می شود. خصوصیات فیزیکی و شرایط فرآوری لازم برای تشکیل الیاف توسط پیکربندی اتم های سازنده و وزن مولکولی تعیین می گردد. سیستم های پلیمری از نظر بی نظمی با مواد دیگر مانند فلزات، سرامیک ها و حتی سیستم های بیولوژیکی تفاوت دارند. این امر منجر به تشکیل انواع مختلف ساختارها مانند ساختارهای بلورین، لیفچه ها، میسل ها و سیستم های کروی یا چند فازی می شود.
علم و فناوری الیاف متاثر از نظریه های شیمیایی و مولکولی، و ساختارهای مرتبط با آنهاست. تمام مواد تشکیل دهنده الیاف اساساً پلیمر هستند. عوامل زیر بر روی مناسب بودن یک زنجیره پلیمری خطی به عنوان الیاف تاثیر زیادی دارند:

1. انعطاف پذیری ویژگی های بین مولکولی و مقاومت داخلی زنجیره ها در برابر تغییر شکل که باعث می شوند تا زنجیره های پلیمری در برابر فروپاشی از حالت ممتد (کشیده) تا پیکربندی مارپیچ تصادفی به مقاومت دست یابند.
2. نیروهای بین مولکولی که به واسطه جهت گیری مولکول ها را در کنار هم نگه می دارند.
3. عوامل مرتبط با شکل و تقارن که به بسته شدن زنجیره ها کمک کرده و منجر به ساختارهای بلوری می شوند.

مفهوم ساختار الیاف

این مفهوم نشان می دهد که سیستم های پیچیده مورفولوژیکی از فازهای مختلف متنوع از نظر وزن مولکولی، نظم فضایی، ترکیب شیمیایی و ساختارهای مولکولی و مورفولوژیکی تشکیل شده اند. کارآیی الیاف به ساختار الیافی که در هنگام شکل گیری الیاف تشکیل شده و در طی فرآیندهای پس از شکل گیری الیاف به آنها القا می شود بستگی دارد. مسئله اصلی نظری، رابطه بین ساختار الیاف و خصوصیات حاصل از آنهاست. از این رو مطالعه ساختارهای مختلف و اهمیت آنها در زمینه بررسی خواص الیاف و کاربرد آنها بسیار مهم است. استفاده از هر گونه موادی مثل الیاف و در نتیجه توسعه آنها تا حد زیادی به مواردی مثل (الف) خصوصیات مکانیکی در شرایط کاربردی، (ب) خصوصیات مکانیکی در شرایط فرآوری و (ج) تعامل بین تاثیر متغیرهای فرآوری بر ساختار و عملکرد محصول، بستگی دارد.
عملکرد الیاف در شرایط بارگذاری به ساختار مولکولی و آرایش فضایی مولکول ها وابسته است. در حالت کلی ساختار مولکولی الیاف در طی فرآیند پلیمریزاسیون تشکیل می شود. درک همه این موارد نیازمند شناخت کامل ساختار الیاف است. بررسی های ساختاری باید منجر به تجزیه ساختار شیمیایی، تحلیل نظم فضایی یا پیکربندی پلیمرها، تحلیل صورتبندی زنجیره ها و نحوه تبلور آنها شود. تحقیقات ساختاری درباره الیاف و اطلاعات موجود درباره آنها ساده و سرراست نیستند. برای انجام تحقیقات بیشتر لازم است طیف گسترده ای از اطلاعات با چند روش مورد بررسی قرار بگیرند. هر روش، علم و تئوری خاص خود را دارد. شاید برخی از این اطلاعات تصادفی و کیفی بوده، و شامل خطاها و اشتباهاتی در فنون و محاسبات آزمایشگاهی شوند.

در حالت کلی، ساختار پلیمرها یا الیاف در روش های زیر به وجود می آیند:

1. تعدادی از مولکول های کوچک به هم متصل شده و یک مولکول زنجیره بلند مانند یک اتصال زنجیری را ایجاد می کنند.
2. اتم ها با استفاده از پیوندهای کووالانسی در داخل مولکول به هم پیوند می خورند.
3. مولکول های زنجیره بلند در کنار هم چیده می شوند.
4. برخی از زنجیره های مولکولی به صورت موازی در کنار هم قرار می گیرند و آنقدر نزدیک به هم هستند که عملاً می توان آنها را یک واحد محسوب کرد؛ این واحد به بلورچه معروف است.
5. بعضی از زنجیره های مولکولی به صورت تصادفی مرتب می شوند و منطقه آمورف را تشکیل می دهند.
6. برخی از زنجیره های بلند مولکولی از میان منطقه آمورف و دو یا چند بلورچه عبور کرده و یک شبکه را تشکیل می دهند؛ این شبکه است که ساختار مولکولی را در کنار هم نگه میدارد.

برای شناخت بهتر ساختار الیاف، کسب اطلاعات در مورد موارد زیر لازم است:

1. ساختمان شیمیایی الیاف یعنی وجود گروه های مختلف اتمی و پیوندهای شیمیایی متصل.
2. پیکربندی زنجیره های پلیمری منفرد، یعنی آرایش فضایی اتم های داخل مولکول.
3. آرایش یا ترکیب مولکول های زنجیره ای.
4. آرایش و ماهیت پیوندهای بین زنجیری.
5. چیدمان یک آرایش مولکولی سه بعدی کامل.
6. رابطه مولکول های یک زنجیره با خودشان و با دیگر مولکول های زنجیره.
7. نحوه چینش مولکول هایی که بلورچه ها را تشکیل می دهند؛ مثل نحوه چینش هندسی زنجیره ها در کنار هم.
8. رابطه شبکه بلوری با ساختار کلی الیاف. 
9. نحوه چینش بلورچه ها در ساختار ماکروسکوپی.

تجزیه و تحلیل ساختار الیاف یا پلیمرها براساس مراحل زیر قابل ارزیابی است:

• ساختار شیمیایی الیاف
• وزن مولکولی
• طول مولکول زنجیره
• ساختار بلوری الیاف
• آرایش مولکول های زنجیره ای
• آرایش نیروهای بین مولکولی
• ابعاد بلورچه ها
• ماهیت مناطق غیر بلوری جدا کننده بلورچه ها از یکدیگر
• رابطه بلورچه ها و قابلیت تبلور
• آرایش بلورچه ها در ساختار الیاف

ضمناً اطلاعات کمی ممکن است به فرضیات و پیش فرض های خاصی وابسته باشند. به علاوه این نظریه ها به صورت ریاضی در نیامده اند، از این رو شاید به صورت دقیق تدوین نشده باشند. همچنین ممکن است ایده های ساختاری با تغییر اطلاعات جمع آوری شده از روش های مختلف مبتنی بر نظریه های مختلف تغییر کنند. به همین دلیل داشتن اطلاعات مستند درباره ساختار الیاف و روش های مختلفی که برای دستیابی به این اطلاعات ساختاری مورد استفاده قرار گرفته است کاملاً ضروری است.
ساختار شیمیایی یا ساختار اتم ها یا گروه های اتمی به ترتیب در محدوده 1 تا 4 آنگستروم و فاصله بین مولکول های زنجیره در محدوده 4 تا 10 آنگستروم قرار می گیرند. نیروهای بین مولکولی زمانی می توانند تاثیرگذار باشند که زنجیره های مولکولی در محدوده 2 تا 7 آنگستروم قرار داشته باشند. وزن یک مولکول تک زنجیره ای 20000 یا بیشتر، و طول آن حداقل 500 آنگستروم خواهد بود. عنصر ساختاری واحد پلیمر یا الیاف در محدوده 6 تا 30 آنگستروم قرار دارد. ابعاد بلورچه ها در محدوده 50 تا 200 آنگستروم است؛ در این محدوده ضخامت / قطر بلورچه ها کمتر از طول آنها در سیستم های آرایش یافته است. در صورت وجود گویچه ها در ساختار، ابعادی در حدود 5000 آنگستروم – 100 میکرون خواهند داشت. قطر الیاف کمتر از 1 میلی متر است. اندازه گیری این ساختارهای پیچیده با استفاده از تنها یک روش امکان پذیر نیست. باید برای ارزیابی پدیده های ساختاری مختلف از روش های گوناگون با اصول مختلف استفاده شود.

این روش ها بر نظریه های زیر استوار هستند:

1- روش های میکروسکوپی: این روش ها برای مطالعه ساختارهای ظریف و مورفولوژی پلیمرها یا الیاف مورد استفاده قرار می گیرند. در این روش ها از میکروسکوپ نوری یا الکترونی استفاده می شود. میکروسکوپ های نوری خود شامل انواع مختلفی از میکروسکوپ ها مانند میکروسکوپ های مرکب، میکروسکوپ های قطبی، میکروسکوپ های شفاف ساز و میکروسکوپ های تداخلی نوری هستند. میکروسکوپ های الکترونی بسته به حرکت الکترون ها می توانند شامل میکروسکوپ های الکترونی روبشی (SEM) یا میکروسکوپ های الکترونی عبوری (TEM) باشند.

2- روش های انکساری (پراش): برای مطالعه ساختار، به ویژه ساختار بلوری پلیمرها یا الیاف در پراش سنج ها با کمک اشعه ایکس یا الکترون ها یعنی پراش اشعه ایکس با زاویه باز (WAXD) یا پراش الکترونی (ED) از این روش ها استفاده می شود. ابزاری که براساس این روش کار می کند، پراش سنج نام دارد.

3- روش های پراکندگی: این روش ها برای مطالعه ساختار میکروسکوپی پلیمرها یا الیاف حاصل از پرتوهای پراکنده مورد استفاده قرار می گیرند. پرتوهای پراکنده ممکن است از نوع پرتوهای نوری، نوترونی یا اشعه ایکس باشند. زاویه پراش در پراکندگی همیشه کمتر از 2 درجه است؛ این پدیده با نام پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک (SAXS)، پراکندگی نور با زاویه کوچک (SALS) یا پراکندگی نوترون با زاویه کوچک (SANS) شناخته می شود. پراش پراکندگی در زوایای کوچک با مقیاس های کلوئیدی تا مونوئی مرتبط است و در دامنه اندازه یک زنجیره پلیمری معمولی قرار دارد. ضمناً مقیاس کلوئیدی با بلورچه های پلیمری یا لایه ها مرتبط است.

4- روش های طیفی: از روش طیف نمایی برای مطالعه ترکیبات شیمیایی و توپولوژی مولکول ها استفاده می شود. این روش ها به واسطه برهمکنش با پرتوهای الکترومغناطیسی در طول موج پیوسته، ساختار پلیمرها یا الیاف را مورد بررسی قرار می دهند. اطلاعات به دست آمده از این روش ها که در طول موج های مختلف جمع آوری می شوند به طیف معروفند. ابزار مورد استفاده در این روش ها، طیف سنج نوری نام دارد و این پدیده به نام طیف بینی معروف است. خود طیف بینی ممکن است شامل طیف بینی الکترونی، طیف بینی ارتعاشی و طیف بینی رزونانسی باشد. روش های مختلف طیف بینی الکترونی شامل تحلیل شیمیایی طیف الکترونی (ESCA)، طیف بینی ماوراء بنفش یا طیف بینی مرئی است. روش های طیف بینی مادون قرمز و طیف بینی رامان در دسته طیف بینی ارتعاشی قرار می گیرند. روش های رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) یا رزونانس اسپین الکترونی (ESR) جزء روش طیف بینی رزونانسی به حساب می آیند.

5- روش های حرارتی: در این روش ها، نمونه در یک جو کنترل شده گرم می شود و تاثیر گرما بر روی ویژگی های خاص پلیمرها یا الیاف مانند دما، گرما یا وزن مخصوص بررسی می شود؛ این کار باعث مشخص شدن اطلاعات مرتبط با الیاف یا پلیمرها می گردد. روش تحلیل حرارتی به خوبی قادر به توصیف انتقال حالت جامد در پلیمرها و الیاف است. ضمناً این روش ها به شناخت خصوصیات مکانیکی الیاف و نحوه فرآوری آنها نیز کمک می کنند.

اطلاعات مربوط به پارامترهای مختلف ساختاری و روش های احتمالی بررسی آنها در جدول زیر آورده شده است.

روش های مختلف تجزیه و تحلیل ساختاری