سالیان طولانی صنعت نساجی در صدد ایجاد تکنولوژی و توسعه مواد جدیدی برای ارتقاء عملکرد، راحتی، کارایی، دوام و قابلیت اعتماد زرههای شخصی بوده است. توسعه الیاف مدول بالا با استحکام زیاد در دهه 60 عصر جدیدی را در زره شخصی باز نمود. استفاده از این الیاف در ساختارهای ضد گلوله، محافظت خوبی علیه مهمات و پرتابههای کوچک ایجاد میکند. همچنین این الیاف توانایی دارند مقادیر زیادی انرژی را به سرعت جذب کرده و آنچه را که معمولاً میتوانست کشنده باشد، تا حد کبودی و خون مردگی تقلیل دهند. زرههای منسوج جدیدترین دستاورد در زمینه زرههای شخصی هستند که در دهههای اخیر توسط نیروهای نظامی، پلیس و نیروهای امنیتی با ضریب اطمینان بالا و محافظت مطلوب و با کمترین محدودیت حرکتی برای آنها به کار رفته است.
مواد و الیاف بالستیکی مورد استفاده در پانل ها و زره های بالستیک
پلی اتیلن با جرم مولکولی بسیار بالا
پلی اتیلن با جرم مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) که البته به نامهای پلی اتیلن با مدول بالا (HMPE) یا پلی اتیلن با کارایی بالا (HPPE) نیز شناخته میشود، یک ترموپلاستیک است. این پلیمر دارای زنجیرهای طولانی با وزن مولکولی بسیار بالا (معمولاً بین 2 و 6 میلیون گرم بر مول) است (شکل 1).
زنجیرهای بسیار طویل در این پلیمر باعث میشوند که بار (یا ضربه) به وسیله مستحکم کردن برهم کنشهای بین مولکولی، به طور موثرتری به کمره پلیمر منتقل شوند. این امر باعث به وجود آمدن یک ماده بسیار چقرمه با بیشترین استحکام ضربه نسبت به هر ترموپلاستیک دیگری، میشود. این ماده در برابر خوردگی بسیار مقاوم است (به استثنای اکسیدکننده ها)، جذب رطوبت و ضریب اصطکاک بسیار کمی دارد، خود نرم کننده بوده و مقاومت بالایی در برابر سایش دارد (مقاومت سایشی در حدود 15 برابر بیشتر از کربن استیل دارد). همینطور ضریب اصطکاک آن به صورت محسوسی کمتر از ضریب اصطکاک نایلون و استال و تا حدودی معادل با ضریب اصطکاک تفلون میباشد اما UHMWPE مقاومت سایشی بهتری نسبت به تفلون دارد. این پلیمر بدون بو، بدون مزه و غیر سمی است.
شکل 1- ساختار مولکولی پلی اتیلن، در UHMWPE، n میتواند حدود 200 هزار باشد
امروزه پودر UHMWPE توسط کمپانی Ticona تهیه میشود. همینطور این محصول در فرمهای صفحهای، پروفیل (میلهای) و لیفی به صورت تجاری در دسترس هستند. این پلیمر را میتوان با قالبگیری مستقیم پودر آن در درون یک قالب به شکل نهایی مورد نظر درآورد. به دلیل مقاومت این پلیمر در برابر فرسایش و برخورد، کاربردهای صنعتی آن رو به افزایش است (برای مثال در قطعات اتومبیل، پروتزهای بکار رفته درون بدن و غیره).
پلیمر UHMWPE از زنجیرهای بسیار طولانی پلی اتیلن ساخته شده که همگی در یک جهت قرار گرفتهاند. هر زنجیر به وسیله تعداد زیادی پیوندهای واندروالسی با سایر زنجیرها برهم کنش دارد که موجب میشود این محصول قادر به تحمل بارگذاریهای کششی بالایی باشد. هنگامی که این پلیمر به صورت لیف در میآید، زنجیرهای پلیمری تا بیشتر از 95% جهت گیری موازی پیدا کرده و میزان بلورینگی آن به 85% میرسد، این در حالی است که استحکام کولار به دلیل وجود پیوندهای قوی میان زنجیرهای مولکولی نسبتاً کوتاه میباشد (بر خلاف پلی اتیلن: پیوندهای ضعیف میان زنجیرهای مولکولی بسیار بلند).
نقطه ذوب UHMWPE در حدود 144 تا C˚ 152 است و طبق ادعای DSM، عاقلانه نیست که الیاف UHMWPE را در دماهای متجاوز از 80 تا C˚100 و به مدت طولانی به کار گرفت. این الیاف در دمای زیر C° 150– نیز شکننده میشوند. از آنجایی که در پلیمر UHMWPE گروههای قطبی وجود ندارد، بنابراین به آسانی آب را به خود جذب نمیکند و البته به راحتی هم مرطوب نمیشود که همین عامل باعث میشود تا پیوند دادن و چسباندن آن به سایر پلیمرها (ایجاد سازگاری) مشکل شود. از طرفی به دلیل ذکر شده، این پلیمر با پوست نیز برهمکنش نداشته و این احساس را به دست میدهند که سطح الیاف UHMWPE بر روی پوست سُر میخورند. علاوه بر این به دلیل اینکه الیاف UHMWPE گروههای شیمیایی (نظیر استری، آمیدی یا گروههای هیدروکسیل) ندارند، نسبت به آب، رطوبت، بیشتر مواد شیمیایی، تابش ماوراء بنفش و میکروارگانیسم ها مقاوم هستند.
تحت بارگذاری کششی، پلیمر UHMWPE به صورت پیوسته و تا زمانی که این استرس اعمال میشود، تغییر شکل داده (دفرمه میشود) که این اثر را خزش می نامند.
الیاف UHMWPE
الیاف UHMWPE در اواخر دهه70 توسط کمپانیDSM (Dutch Chemical) به صورت تجاری درآمده و به میزان زیادی در کاربردهای بالستیکی، دفاعی و همچنین، به صورت رو به افزایشی در تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. الیاف UHMWPE دارای استحکام بالا، مقاومت شیمیایی و ویژگیهای پوششی مناسب و سبک وزن بوده که آن را در کاربردهایی از قبیل چرخ دندههای محافظ ضد برش تا طنابهای به کار رفته در کششها بسیار مناسب و مطلوب ساخته است. از آن جا که این ترکیب سبکتر از آب است، طنابهای ساخته شده از UHMWPE بر روی آب شناور میمانند. الیاف UHMWPE ژلریسی شده (spectra) در حدود 10 برابر قوی تر از استیل می باشند. با این وجود عیب اساسی این الیاف، دمای نرم شدگی و ذوب پایین آن و همینطور تمایل آن برای خزش تحت بار بالا است.
به دلیل ویسکوزیته بسیار بالای UHMWPE در حالت مذاب، ذوب ریسی آن بسیار دشوار است. علاوه بر این به دلیل در هم تنیدگی بسیار زیاد زنجیرهای مولکولی، کشیدن نخ برای رسیدن به مقاومت پارگی بالای الیاف در مورد UHMWPE حتی در سرعتهای کشش پایین تقریباً غیر ممکن است. پس فرایند اکسترود کردن معمول (که بسیار ارزان نیز هست) را نمیتوان به راحتی در مورد UHMWPE به کار برد، به همین دلیل این پلیمر در قالبگیری فشاری و با فرایند اکستروژن ram شکل میگیرد که البته این مشکل پس از کشف فرایند ژل ریسی به وسیله DSM در هلند رفع شد. کلید رسیدن به استحکام بالا و ویژگیهای مدول بالا در UHMWPE در استفاده از فرایند ژل ریسی میباشد.
با بررسی تکنولوژی ساخت لیف UHMWPE، این الیاف توسط شرکت Honeywell نیز به روش ژل ریسی به صورت تجاری تهیه شده (الیاف Allied) که ده برابر محکمتر از استیل میباشد، درحالی که از آب سبک تر بوده و از خود ویژگیهای ویسکوالاستیک غیر خطی نشان میدهد. به همراه تکنولوژی فیبر UHMWPE، Honeywell تکنولوژی دیگری که به همین اندازه از اهمیت برخوردار بود را در اواخر دهه 1990 معرفی کرد. در این تکنولوژی برهمکنش و درگیری الیاف با گلولهها با سرعت بالا با استفاده از تکنولوژی لایههایی از الیاف بیبافت و تک جهتی متقاطع (دارای زاویهای مشخص) شدیداً افزایش داده شد. این تکنولوژی از الیاف غیرتابیدهای استفاده میکرد که بر روی سطح بزرگی پخش شده و به وسیله یک پیوند دهنده در یک جهتِ از قبل تعیین شده نگه داشته شدهاند.
تکنولوژی سومی که در اواسط دهه 1990 ابداع شد، تکنولوژی قابلگیری بود در این تکنولوژی از فشار بالا برای تثبیت تراکم بالای لیف در محصول قالب گیری شده استفاده میشود. با تراکمهای بالاتر این الیاف و به کمک ویژگیهای ویسکوالاستیک آنها، یک گلوله تفنگ از نوع M80 میتواند به وسیله لایهای با دانسیته سطحی Kg/m2 15 متوقف شود که حدود 50 درصد نسبت به زرههایی که تا چند سال قبل برای همین منظور استفاده میشدند، کاهش وزن دارد.
محصولات قالب گیری شده حاوی 100% کامپوزیت تقویت شده با لیف HMPE و بدون هیچ رویه سرامیکی بودند. اولین بار ارتش فرانسه از کیتهای صفحهای HMPE قالب گیری شده در جنگ با بوسنی استفاده کردند. این زره شامل چهار صفحه قالبگیری شده بود که درون یک جلیقه انعطاف پذیر که قفسه سینه، پشت، ران و گردن را میپوشاند، قرار گرفته بودند. پس از آن تعدادی از کشورهای اروپایی و آسیایی نیز از زره های مشابهی برای متوقف کردن گلوله ها با انرژی بالای شلیک شده از اسلحه ها استفاده کردند.
در شکل 2 ویژگیهای الیاف UHMWPE با کارایی بالا که نشان دهنده ساختار رشتهای ماکرو و میکروی آن است، آورده شده است. همینطور برخی ویژگیهای الیاف UHMWPE در جداول 1 و 2 آورده شده است.
شکل 2- ویژگیهای الیاف UHMWPE با کارایی بالا که نشان دهنده ساختار رشتهای ماکرو و میکروی آن است.
جدول 1- انواع UHMWPE و ویژگیهای آنها
جدول 2- برخی ویژگیهای الیاف UHMWPE [4].
یکی از بحثهایی بسیار مهم در مورد استفاده از الیاف پلی اتیلن در محیط هایی با دمای بالا است که به دلیل طبیعت ترموپلاستیک و حساس آن می باشد. تستهای انجام شده توسط Honeywell و DSM نشان می دهد که کارایی الیاف در شرایط دمای اتاق پس از نگهداری آنها در دمای بالا، خیلی تحت تأثیر قرار نمی گیرد.
الیاف پلی اتیلن (گرید معمولی) ذوب ریسی شده را میتوان به میزان زیادی کشید تا به الیاف با مدولهای بالا دست یافت که این فرایند به وسیله Ward در دانشگاه Leeds توسعه یافته است. محصول این روش ارزانتر بوده و به عنوان الیاف Certran، توسط Hoechst-Celanese تجاری شد اما پس از مدتی به دلیل اینکه استحکام این الیاف در حدود نصف استحکام الیاف ژل ریسی شده UHMWPE بود، متوقف شد.
روش دیگر ساخت الیاف پلیاتیلن با مدولهای بالا به نام تنسیلون به وسیله Weedon در سال 2000 توضیح داده شد. این روش به وسیله اکسترود کردن حالت جامد UHMWPE با میزان در هم تنیدگی زنجیری کم انجام میشود. مدول های تنسیلون مشابه با مدولهای الیاف ژل ریسی شده است اما استحکام آن ها نصف استحکام الیاف ژل ریسی شده می باشد. از آنجا که قیمت پایه الیاف به دست آمده از این فرایند نیز نصف قیمت پایه الیاف ژل ریسی شده است، موجب شده تا شانس تجاری شدن و ورود به بازار برای الیاف تنسیلون به وجود آید.
ظرفیت تولید DSM Dyneema در سال 2008 و در هنگامی که ساخت دهمین خط تولید به اتمام رسید در حدود 6000-5000 تن در سال بوده است. در این میان، 5 خط در Heerlen هلند و 5 خط آن در Greenvill کارولینای شمالی (آمریکا) قرار گرفته است.