منسوجات و پوشش های بالستیکی الیاف پلی اتیلن با جرم مولکولی بالا

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.