منسوجات و پوشش های بالستیکی، الیاف سلولزی

سالیان درازی صنعت نساجی در صدد ایجاد تکنولوژی و توسعه مواد جدیدی برای ارتقاء عملکرد، راحتی، کارایی، دوام و قابلیت اعتماد زره های 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 ضدگلوله، محافظت خوبی علیه مهمات و پرتابه های 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 خون‌مردگی تقلیل دهند. زره‌های منسوج جدیدترین و انقلابی‌ترین دستاورد در زمینه زره‌های شخصی هستند که در دهه‌های اخیر توسط نیروهای نظامی، پلیس و نیروهای امنیتی با ضریب اطیمنان بالا و محافظت مطلوب و با کمترین محدودیت حرکتی برای آن‌ها به کار رفته است. 

سلولز و الیاف سلولزی

الیاف طبیعی به میزان زیادی در کامپوزیت‌ها (به ویژه در صنعت اتومبیل) مورد استفاده قرار می­گیرند. الیاف گیاهی بسته به اینکه از کدام قسمت گیاه به دست می‌آیند، به 3 دسته تقسیم می‌شوند:

1- الیافی که از دانه یا میوه گیاهان به دست می‌آیند مانند پنبه یا نارگیل

2- الیافی که از ساقه گیاهان به دست می‌آیند مانند کتان و کنف

3- الیافی که از برگ گیاهان به دست می‌آیند مانند الیاف سیسال و آناناس

الیاف به دست آمده از ساقه و برگ، الیاف سختی بوده و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از مهم‎ترین مشخصه‌های الیاف پلیمری درجه پلیمریزاسیون (یا وزن مولکولی) است که مولکول‌های سلولز در الیاف ساقه، دارای بالاترین درجه پلیمریزاسیون در میان الیاف دیگر، یعنی حدود 10000 هستند. به این معنی که در هر زنجیر سلولزی، ده هزار واحد گلوکزی وجود دارد. به همین دلیل در بین الیاف گیاهی، الیاف سلولز از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند.

بهینه کردن ویژگی‌های سطحی الیاف سلولز، نقشی اساسی در ارتقاء خواص مکانیکی آن دارد. نوعی الیاف طبیعی سلولزی با درصد سلولز بالا، رامی نام دارد که قویترین لیف سلولزی است در جدول 1 درصد ترکیبات اصلی (که به طور ذاتی همراه الیاف گیاهی هستند) در برخی از الیاف طبیعی مشاهده می‌شود.

جدول 1: ترکیب شیمیایی برخی از الیاف گیاهی (Kenaf=کنف، Jute=کتان، Seed flax=کنف دانه، Hemp=همپ)

اعتقاد بر این است که با افزایش درصد سلولز در لیف، خواص مکانیکی لیف افزایش می‌یابد. به دلیل خواص مکانیکی برجسته، رامی برای کاربرد در کامپوزیت‌ها مطرح است. الیاف رامی در طول های 60 تا 250 میلی‌متر در دسترس بوده و به راحتی قابل بکارگیری در کامپوزیت‌ها هستند.

به دلیل طبیعت آبدوست سلولز، قبل از به کار بردن الیاف رامی در کامپوزیت بایستی تیماری بر روی سطح آن انجام داد تا آن را با مواد آبگریز مانند پلیمر یا ماتریس های پلیمری (که حاوی حلال نیز هستند) سازگار کرد. با افزایش سازگاری بین لیف و ماتریس، ترشدگی لیف به وسیله رزین و در نتیجه چسبندگی آن به ماتریس بهبود یافته و به همین دلیل عملکرد کامپوزیت بسیار ارتقاء می‌یابد.

در الیاف گیاهی، پیش تیمار با محلول بازی (به ویژه NaOH) همواره برای حذف لیگنین، واکس و هر نوع آلودگی دیگری استفاده می‌شود. سطح لیف بر اثر تیمار NaOH نسبت به آب مقاوم‌تر می‌شود زیرا به جای هیدرژن در برخی گروه های هیدرکسیل سلولز، اتم سدیم می‌نشیند که در زیر دیده می‌شود.

به همین ترتیب چنانچه از تیمارهای دیگری استفاده شود می‌توان گروه‌های دیگری را بر روی سلولز نشاند و ویژگی‌های سطحی و مکانیکی آن را بهبود داد.

به عنوان مثال در یک کار تحقیقاتی در اندونزی، الیاف تیمار شده رامی با تیمارهای متفاوت، در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف، برای مقابله به پرتابه‌های کلاس II، IIA و IV (مطابق با استاندارد NIJ) به کار رفته‌اند.

تیمارهایی که برای الیاف رامی در این پروژه استفاده شده اند عبارت بوده‌اند از تیمار اتانول، متیل­اتیل کتون، استون و سیلان (به عنوان عامل کوبل‌کننده). الیاف رامی ابتدا با مواد فوق (در هر مورد یک ماده به عنوان تیمار استفاده شده)، تیمار سطحی شده و سپس با روش لایه گذاری دستی و استفاده از رزین اپوکسی، کامپوزیت‌های بالستیکی از آن‌ها ساخته شده است. ویژگی‌های الیاف رامی تیمار شده در جدول 2 مشاهده می‎شود. در این جدول از واژه RAMEK برای الیاف رامی تیمار شده با متیل اتیل کتون، واژه RAMOL برای تیمار اتانول، RAMETON برای تیمار استون و RAMSIL برای تیمار سیلان استفاده شده است و اعداد مقابل این نماد‌ها زمان انجام تیمار (دقیقه) است.

جدول 2: اثر تیمارهای متفاوت بر روی ویژگی‌های فیزیکی الیاف رامی

پانل‌های ساخته شده از الیاف سلولز، نسبت به دیگر نمونه‌های موجود سبکتر و ارزان تر هستند زیرا الیاف رامی در مقادیر زیاد و قیمت پائین در دسترس هستند. نتایج این مطالعه نشان داده است که الیاف رامی استحکام شکست و چقرمگی کافی برای مقاومت در برابر گلوله‌های کلاس II را دارد. همینطور از الیاف نارگیل نیز در جلیقه‌های ضدگلوله استفاده شده است.

ابريشم

تلاش­های صورت گرفته اخير در مورد کامپوزيت­های مقاوم از نظر بالستيکی برای ساخت زره­های شخصی سبک، منجر به استفاده از ابريشم شده است (که البته به دليل قيمت بالای آن، زياد مورد قبول واقع نشده است). از آنجا که ابريشم يک ليف بسیار قوی طبیعی است که نسبت استحکام کششی به وزن (استحکام پارگی) ماکزيمم آن تنها حدود 5 گرم در دنير (g/d) است، بسيار روشن و واضح است که چرا الياف سنتزی جديد موجب به وجود آمدن انقلابی در زره­های سبک وزن شده­اند. به عنوان مثال، استحکام پارگی نايلونی که در جنگ ويتنام به کار گرفته می­شد، g/d 8 بوده است. با کامل شدن تحقيقات، در ابتدا الياف کولار با g/d 26 و سپس الياف اسپکترا با g/d 35 به دست آمدند. (البته طبیعت در استحکام پارگی تار عنکبوت دارای رکورد جهانی است ولی تولید آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی­باشد). در حال حاضر شيميست­ها و مهندسان ژنتيک در حال يافتن راهی برای سنتز و توليد انبوه اليافی از اين دست می­باشند ولی به نظر می‌رسد کشف نانوتیوب های کربن این تلاش ها را بیهوده کرده است.