کولار،داستان یک تلاش پایان ناپذیر(1)

کولار(پلی-پارافنیلن ترفتالامید)PPD-T

در اين نوشتار برآنيم كه به معرفي، تاريخچه با نحوه اكتشاف، فرايند پليمريزاسيون، نحوه تهيه الياف و كاربردهاي پليمر بپردازيم كه در دنيا با نام تجاري كولار شناخته شده است. باشد كه مورد استفاده دوستان قرار بگيرد.

كولار چيست؟ كولار نام تجاري الياف آراميد بر پايه پلي‌(پارافنيلن- ترفتال آميد) (PPD-T) از اولين الياف با مقاومت بالا و مدول بالاست كه به صورت صنعتي و تجاري توليد شده است. داستان كولار شالي است از يك تلاش گسترده تحقيقاتي و يك فرايند نوآوري و نموداري است از چگونگي يك كشف آزمايشگاهي و انتقال اين كشف به توليد صنعتي پس از 22 سال تلاش مداوم و پيگير، اولين قدم براي كشف كولار در اوايل دهه 1960 ميلادي و براساس يك نياز توسط شركت دوپان برداشته شد. پيگيري مطلب منجربه يك كشف مهم علمي در سال 1965 گرديد.قبل از هرچِِيز خلاصه ای اززندگینامه خانم کولک را با هم مرور میکنيم:

استفان ال كولك

با اتكا به تجربه و هوش استفان كولك يكي از مواد پر كاربرد دنياي جديد بنام كولار را اختراع كرد او در نيوكنزينگتون اليافت پنسيلوانيا در سال 1923 متولد شد. در كودكي به علوم و پزشكي علاقمند بود. در كالج زنان كه هم اكنون به نام دانشگاه كارنگي ملون شناخته مي شود و در نزديكي پيتبورگ قرار دارد درس خواند و در سال 1946 كارشناسي خود را در رشته شيمي از آن كالج دريافت كرد. سپس به دليل نداشتن پول كافي براي ادامه تحصيل در دانشكده پزشكي، در آزمايشگاه الياف پارچه شركت دوپان در بوفالو ايالت نيويورك به عنوان محقق شروع بكار كرد.

كولك با جديد بسيار بالايي كار مي‌كرد چون به كار كردن عشق مي‌ورزيد و از طرفي نمي‌خواست موقعيت شغلي‌اش را در آزمايشگاه از دست بدهد. پس از پايان جنگ جهاني دوم او به آزمايشگاه تحقيقاتي پيشرفته شركت دوپان در ويلمينگتون ايالت دولاور منتقل شد اين آزمايشگاه در سال 1950 تاسيس شده بود. در اينجا با حمايت دوبيليو هال چارچ اولين رئيس آزمايشگاه كولك به موفقيتهايي در زمينه پليمرهاي جديد دست يافت. تخصص كولك در فرايندهاي دماي پايين براي پليمرهاي تراكمي بود يعني توليد زنجيرهاي بلند مولكولي در دماي پايين كه موج تهيه و توليد الياف سنتزي پايه نفتي مي‌گردد و سختي و مقاومت قابل توجهي دارد در دهه 1960 او شاخه جديدي از پيليمرهاي بلور مايع سنتزي را كشف كرد و اولين مونومر خالص مورد نياز در سنتز پلي بنزآميد را تهيه نمود.

اما كولك همچنين در مواد واسط مورد نياز در فرايند سنتز كه منجربه تهيه مواد فوق‌العاده حساس به رطوبت و حرارت كه به آساني هيدروليز خود پليمريزه مي‌شود علاقمند بود. بنابراين او حلال قابل قبول براي انجام واكنشهاي دماي پايين را براي مواد واسط كشف كرد. نتيجه پليمرهاي آراميد بود كه بيشتر محققين آن را بدليل مايع بودن و تيره بودن پذيرا نشدندو كولك به هوشمندانه محلول حاصل را ريسندگي كرد نتيجه الياف سنتزي شد كه بسيار محكم‌تر از الياف توليد شده قبلي بود.

شركت دوپان آزمايشگاه پيشتاز خود را در جهت صنعتي كردن كشف كولك و تبديل پليمر بلوري به محصول صنعتي تجهيز نمود. نتيجه كار توليد محصولي به نام كولار شد كه اولين بار در سال 1971 وارد بازار گرديد. الياف كولار 5 برابر محكم‌تر از فولاد بوده و دانسيته آنها نصف دانسيته الياف شيشه مي‌باشد. هم اكنون كولار براي عموم مردم الياف شناخته شده‌اي است چون جليقه‌هاي ضد گلوله را از آن تهيه مي‌كنند و تنها در اين كاربرد خاص كشف كولك جان هزاران نفر را نجات داده است. در واقع كولار كاربردهاي گسترده‌ و متنوعي دارد مانند تايرهاي راديال، لنتهاي ترمز كه در آنها جايگزين آلياف آزبست شده است، قايق‌هاي مسابقه، كابلهاي نوري، پوسته‌هاي سفينه‌هاي هوايي و دريايي، كابلهاي نگهدارنده پلهاي معلق هم اكنون از آن در تهيه تخته‌هاي اسكي و كلاه‌هاي ايمني نيز استفاده مي‌شود. در اقتصاد، كولار بازاري به وسعت صدها ميليون دلار در سال در جهان ايجاد كرده است.

كولك كارش را در آزمايشگاه شركت دوپان تا سن بازنشستگي به عنوان محقق ارشد تا سال 1986 ادامه داد. او به تنهايي و يا همراه با ديگر محققين اختراع در اداره ثبت اختراع امريكا ثبت كرده است.

از جمله روش ريسندگي كه موجب توليد صنعتي الياف آراميده گرديده است. و 5 ثبت اختراع در مورد نمونه‌سازي الياف كولار از زمان ايجاد آن نيز از فعاليتهاي خانم كولاك بوده است. كولاك همكاريش را با دوپان بصورت نيمه وقت و به عنوان مشاور ادامه داد.

با توجه به اينكه نامبرده همواره مورد احترام و توجه محققين جوان و بالاخص خانمها بوده است كولاك جوايز متعددي را درياف كرده است از جمله جايزه كيل‌باي و مدال ملي تكنولوژي اخيرا بخاطر فعاليت نامبرده و پيشتازيش در اختراعات، استفانه كولاك افتخار دريافت جايزه مادام‌العمر Lemleson-MIT را بدست آورده است. كه آن را در جشن كشف سانفرانسيسكو در 22 آوريل 1999 دريافت كرد.

مراحل توسعه :

1960 نياز

1965 كشف

1972-1965 تحقيق و توسعه

1972 توليد و توسعه صنعتي

1982 صنعتي شدن كامل

شكل 1

نياز: اختراع نايلون و الياف مشابه ديگر، منجربه توجه و تلاش بيشتر تحقيقاتي با هدف تهيه الياف برتر لبر الياف، گرديد. در دهه 1960 شركت دوپان اين هدف را داشت: تهيه اليافي با مقاومت حرارتي آزبست و صلابت و سختي شيشه.

كارهاي تجربي نشان دادند كه را رسيدن به چنين اليافي از ميان پلي‌آميدهاي آروماتيك چقرمه مي‌گذرد چرا كه اين مود به علت عدم حلاليت فوق‌العاده و دوام دانشمندان را وسوسه مي‌كردند.

كشف: كشف كولار در سال 1965 عملي شد. خانم Stephunie Kwolek محقق مركز تحقيقاتي دوپان در ويلينگتون اين كشف بزرگ را انجام داد.

او دريافت كه پارا بنزوئيك اسيد مي‌تواند پليمريزه شده و تحت شرايط ويژه‌اي حل و منتج به پليمر سخت قابل رشته شده مي‌گردد.

وقتي اولين محلول پليمري ساخته شد چنين تصور مي‌شد كه نمي‌توان آن را به صورت الياف در آورد. علت آن اين بود كه محلول بدست آمده شفاف نبود و نمي‌شود بوسيله حرارت يا صاف كردن آن را بي‌رنگ نمود. انتظار مي‌رفت كه اين مواد بي‌اثر پخش شده در محلول باعث گرفتگي روزنه‌هاي رشته‌ساز شوند. خانم Kwolek با ترديد مواد را اكسترود كرد و با كمال تعجب دريافت كه مواد به خوبي از روزنه‌هاي رشته‌ساز عبور كردند و هيچ نوع گرفتگي رخ نداد. هم اكنون مي‌دانيم كه اين عدم شفافيت به علت تشكيل بلور مايع پليمري است كه تا آن زمان شناخته شده نبود. منحني تنش- كرنش اولين ليف آراميدي تهيه شده، شگفت‌انگيز و غيرقابل باور بود بطوريكه براي اطمينان بيشتر، اين تست چندين مرتبه تكرار شد و نتايج مشابهي حاصل شد.

رفتار مولكولهاي سخت در حلال كاملا با رفتار مولكولهاي نرم تفاوت دارد. مولكولهاي نرم مانند نايلون در محلولهاي رقيق به مقدار كمي درگيري و درهم رفتگي خواهند داشت. اما پليمرهاي بسيار سخت مانند آراميدهاي پارا، درگذر از محلول رقيق به غليظ نمي‌توانند تشكيل مارپيچهاي راندوم بدهند چون تحركات آنها محدود شده است.

در يك غلظت بحراني آنها ديگر نمي‌توانند بصورت راندوم در محلول قرار بگيرند در اين مرحله در صورت قرار گرفتن مقادير زيادتري از مولكولها در حلال اجبارا به صورت موازي نسبت به يكديگر قرار مي‌گيرند كه در گويچه‌هاي بلور مايع و به صورت راندوم نظم يافته‌اند.

تحت نيروي برشي در عمل روزن راني گويچه‌هاي بلور مايع در جهت تغيير شكل منظم مي‌شوند در اين امرمنجربه تشكيل زنجيرهاي كاملا كشيده شده در الياف حاصل و ايجاد مدول و مقاومت بالا مي‌گردد.

تحقيق و توسعه: در اين مرحله تحقيق و توسعه اصلي شروع گرديد. هدف توسعه درك عميق‌تري از تشكيل محلولهاي بلور مايع و مشخص كردن سيستمهاي پليمري سخت و ميله مانند كم هزينه‌تر بود. اين تلاش منجربه انواع زيادي از پليمرهاي سخت گرديد كه پتانسيل تشكيل محلولهاي قابل ريسندگي بلور مايع و الياف محكم و چقرمه را دارا بودند.

بهترين گزينه انتخابي پليمر حاصل از پارا- فنيلن دي‌آمين و ترفتاليك اسيد با كد مشخصه PPD-T بود. لذا اين پليمر به عنوان پايه كولار قرار گرفت. اين پليمر داراي ويژگيهايي نظير: 1- ارزاني مواد 2- بالاترين تقارن 3- بالاترين چقرمگي را دارا بود.

براي بدست آوردن بهترين خواص، محلول رشته‌سازي مي‌بايست اسيد سولفوريك 100% مي‌باشد كه در اين صورت ويسكوزيته محلول آماده شده براي رشته‌سازي پليمر زياد خواهد بود لذا سرعت رشته‌سازي بايد كم باشد تا خواص خوبي بدست آيد و در اين حالت فرايند توليد اقتصادي نخواهد بود.

اين دومين قدم بود ولي مشكلاتي وجودداشت: فرايند توليد علي‌رغم ارزاني مواد عملا قابل انجام نبود. چرا كه محلول ريسندگي غير معمولي و بسيار خورنده بود. راندمان محصول بسيار كم و هزينه بسيار بالا بود. پروژه عملا روبه شكست بود اما .......

کولار،داستان یک تلاش پایان ناپذیر(1)

مطالب مشابه :

پایان نامه های مهندسی شیمی

معرفی سایت

ليست مقاله - پايان نامه مهندسي عمران

پلیمر و بتن های پلیمری

کولار،داستان یک تلاش پایان ناپذیر(1)

ليست مقاله پايان نامه كارآفريني

عنوان پايان نامه هاي كارشناسي ارشد و دكتري گروه علوم و صنايع چوب و كاغذ1

لیست مقالات و پایان نامه های شیمی

کولار،داستان یک تلاش پایان ناپذیر(3)