کولار چیست و چگونه تولید می شود؟

کولار اولین بار در سال 1970 توسط dupont معرفی شد و جر اولین دسته ی الیاف با قدرت کششی و مدول بالا بوده که در کامپوزیت های پیشرفته (advanced composite) به کار می رود.به طور کلی جایگزینی برای فولاد در لاستیک های رادیالی توسعه پیدا نمود که امروزه در محدوده ی وسیعی از ان استفاده می شود.
کولار یک ارامید است این نام به عنوان یک اختصار برای پلی ارامید های اروماتیکی بوده و ترکیب شیمیایی ان poly para-phenyleneterephthalamide بوده و بیشتر تحت عنوان پارا امید شناخته میشود.ارامید متعلق به خانواده نایلونهاست نایلون های متداول مانند نایلون 66 خصوصیات ساختاری خوبی ندارند.حلقه های ارامیدی به کولار پایداری حرارتی داده این در حالی است که ساختار پارا به ان استحکام و مدول بالا می بخشد

مشابه نایلون ها فیلامنت های کولار توسط اکسترودر از داخل رشته ساز خارج گشته فرم میله ای مولکول های پارا امید و پروسه اکستروژن کولار را به صورت الیاف غیر ایزوتروپیک (ناهمسانگرد) تبدیل کرده که در جهت محوری از استحکام و سفتی بیشتر نسبت به جهت های عرضی بر خوردار است .گرافیت نیز غیر ایزو تروپیک است اما الیاف شیشه ای ایزوتروپیک هستند .کولار در برابر حرارت و ماده شیمیایی بسیار مقاوم است..

مدول کششی و قدرت استحکامی کولار 29 به طور تقریبی قابل مقایسه با الیاف شیشه می باشد. البته اغلب دانسیته ان حدودا نصف الیاف شیشه است. لذا با تخمین اولیه میتوان الیاف کولار را به عنوان جایگزین خوبی برای الیاف شییه ای که وزن پایین تری از انها مد نظر است در نظر گرفت.

کولار از الیاف شیشه گرانتر است  در کنار استحکام بالا و وزن مولکولی ان فواید دیگری را نیز در بر دارد.مانند گرافیت دارای ضریب انبساط حرارتی منفی بوده که این امر به لایه های کولار کمک می نماید که در برابر حرارت پایدار باشد .اما برتری اصلی ان نسبت به گرافیت مقاوم بودن در برابر فشار و ساییدگی است .و می توان از ان به عنوان یک لایه محافظت کننده نسبت به لایه های گرافیتی استفاده نمود .همچنین می توان جهت افزایش مقاومت در برابر تخریب وبالا بردن استحکام در حد پارگی گرافیت ان را با کولار ترکیب نمود بدین صورت از گسیختگی های نا گهانی ان نیز جلوگیری می شود.

مشابه سایر الیاف مضراتی نیز در بر دارد الیاف به خودی خود رطوبت جذب می نمایند . از این لحاظ کامپوزیت های کولار نسبت به الیاف شییه یا گرافیت از حساسیت بیشتری نسبت به محیط برخوردار هستند و با وجود بالا بودن استحکام کششی خصوصیت فشرده شوندگی این الیاف ضعیف است.در نهایت این که کولار سخت بریده می شود و نیاز به استفاده از قیچی های مخصوصی جهت بریدن پارچه های خشک و به کار بردن مته های دریل جهت سوراخ کردن ورقه ها (لایه ها ) می باشد .بریدن این لایه ها بدون ایجاد فرسودگی در الیاف به سختی صورت می گیرد. میتوان از کولار هم به صورت الیاف خام و هم به صورت کامپوزیت استفاده نمود

فیبرهای کولار از زنجیره‌های مولکولی بلند PPTA ( پلی پارافینل ترافتالامید ) تشکیل شده‌اند پیوندهای بین زنجیره ای موجود ماده را بسیار قوی می‌کند، کولار مقداری از قدرت بالای خود را از پیوندهای بین ملکولی هیدروژنی بین گروه‌های کربنیل و پروتون‌های زنجیره‌های پلیمری همسایه دریافت می‌کند و مقداری از استاکنیگ PI را از فعل و انفعالات استاکنیگ آروماتیک ( معطر ) بنزوتیدی بین لایه‌های بسته شده دارد . این فعل و انفعالات تاثیر زیادی بر روی کولار دارد. ساختار کولار از مولکولهای سفت و محکم درست شده است که معمولاً ساختارهای صفحه مانند به جای پروتین‌های ابریشمی به وجود می آورند.   CO-C₆H₄-CO-NH-C₆H₄-NH-]_n- ]

خصوصیات الیاف آرامید:
خواص تابع جهت دارند (غیرایزوتوپیک)
دارای کریستالیتی زیادی می باشد (چون بسیار جهت یافته است)
استحکام کششی الیاف آرامید بیش از 1/5 برابر الیاف شیشه می باشد.
در اثر افزایش درجه حرارت دچار کاهش در استحکام و مدول می شود.
در دمای محیط، رطوبت اثر کمی بر الیاف آرامید دارد.
بیشتر حلالهای آلی تاثیر کمی بر آرامید داشته ولی اسیدها و بازهای قوی در دماهای بالا اثر تخریبی دارند

الیاف آرامید كه در حدود سالهای ۱۹۷۰معرفی شد، تركیب آلی حلقوی از كربن، هیدروژن، اكسیژن و نیتروژن می‌باشد. دانسیته كم و استحكام كششی بالا در این الیاف، موجب تشكیل یك ساختار چقرمه ومقاوم به ضربه با سفتی حدود نصف الیاف كربن می‌شود. الیاف آرامید در ابتدا به منظور جایگزینی فولاد در تایرهای رادیال ساخته شدند و بعدا كاربردهای دیگری پیدا كردند. جلیقه ضد گلوله از موفقیت آمیزترین كاربردهای الیاف آرامید می‌باشد.
آرامید در دو ساختار زنجیر-راست مشهور به كولار و زنجیر-خم مشهور به Nomex وجود دارد كه در حال حاضر شركت dupont تنها تولید كننده هر دو محصول می‌باشد.
● ساختار شیمیایی كولار
الیاف آرامید در شكلهای مختلف وجود دارند و همانند الیاف شیشه و كربن می‌توانند در ساخت كامپوزیتها مورد استفاده قرار گیرند.
الیاف آرامید به دلیل سبكی، پایداری حرارتی خوب و چقرمگی عالی، مورد توجه قرار گرفته‌اند.
الیاف كولار از زنجیرهای مولكولی طولانی پلی پارا فنیلن ترفتال آمید، تولید شده‌اند. آرایش یافتگی بالای زنجیرها به همراه اتصال خوب بین آنها، تلفیق منحصر به فردی از خواص را ایجاد می‌نماید كه برخی از آنها عبارتند از:
۱) استحكام كششی بالا و وزن كم
۲) ازدیاد طول كم در پارگی
۳) چقرمگی خوب
۴) مدول بالا
۵) پایداری ابعاد عالی
۶) هدایت الكتریكی پایین
۷) مقاومت پارگی بالا
۸) مقاومت شیمیایی زیاد
۹) مقاوم به شعله و خود خاموش كن
۱۰) جمع شدگی حرارتی كم
۱۱) حفظ خواص در دماهای بسیار بالا و بسیار پایین
۱۲) خزش بسیار كم
۱۳) مقاومت سایش و اصطكاك عالی
پس از سنتز، پلیمر آرامیدی در محلول اسید سولفوریك حل می‌شود و بعد تبدیل به الیاف می‌شود. قطر الیاف در حد چند میكرون است و مورفولوژی نهایی با اعمال حرارت در دمای oC ۱۵۰ تا oC۵۵۰ بدست می‌آید. كولارها بسته به درجه آرایش یافتگی مولكولی، سفتی‌های متفاوت دارند. كولار ۲۹ به عنوان سیم تایر و كولار ۴۹ در كابلهای زیر آب استفاده می‌شوند.
كولارها تقویت كننده ممتازی در صنایع فضایی محسوب می‌شوند. در سالهای اخیر كولار ۱۴۹ نوع سفت تر كولارها معرفی شده است.
همچنین كولارها به دلیل كاربرد در پرتابه‌ها و حفاظت حرارتی آنها و بدلیل چقرمگی و توانایی در جذب انرژی شهرت دارند. در جدول زیر مقایسه ای بین خواص كولار با سایر الیاف آورده شده است. مقایسه خواص ویژه كولار با سایر الیاف جالب خواهد بود.
p دوگانه extended p می‌باشد. این به این معناست كه الیاف لخت نسبت به نور مرئی آسیب پذیرند. این الیاف وقتی در معرض نور خورشید قرار بگیرند، محدوده نور۳۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر را جذب می‌كنند و تخریب می‌شوند.
به همین دلیل اگر چه خود لایه تخریب شده، پلیمر زیرین را تا حدی می‌پوشاند ولی الیاف كولار نیاز به پوشش یا قرار گرفتن زیر سایر اجزاء دارند.
سیستم الكترون دوگانه P، ویژگی‌های باند دوگانه را در اكثر پیوندهای شیمیایی ساختار پلیمری بوجود می‌آورد، این امر موجب پایداری حرارتی آرامیدها می‌شود.
تخریب حرارتی این پلیمرها در دمای زیرoC۴۰۰ ‌شروع نمی‌شود و اگر در اتمسفر خنثی باشد، تخریب تا دمای پانصد درجه اتفاق نمی‌افتد. ساختار منظم تكراری و شكل كشیده و صاف زنجیرها، موجب بالا رفتن كریستالینیتی تا ۸۰%‌ می‌شود كه برای یك پلیمرآلی مقدار زیادی است. بررسی‌های كریستالوگرافی به طور قطعی نشان داده است كه محور زنجیرهای پلیمری با محورالیاف یكی است.
ساختار ناهمگون پلیمر در جهت طولی، به الیاف استحكام كششی بسیار زیادی می‌دهد. نیروی اعمالی توسط باندهای قوی شیمیایی زنجیرهای پلیمری تحمل می‌شود. زنجیرهای پلیمری مجاور هم در یك ناحیه كریستال توسط بر هم كنش واندروالس و پیوندهای هیدروژنی‌كه نسبت به باندهای شیمیایی نسبتا ضعیف ترند و راحتتر جدا می‌شوند، كنار هم نگاه داشته می‌شوند. بنابراین الیاف در جهت عرضی خواص مكانیكی ضعیفی دارند.buckle ) و در بیرون حلقه بصورت طولی شكاف می‌خورد. علاوه بر آن، وقتی تا نقطه شكست نیرو به آن اعمال می‌شود، لیف ترك خوردگی طولی نشان می‌دهد یا رشته رشته شدن الیاف (fibrillation ) بیشتر از یك ترك روشن و واضح اتفاق می‌افتد.nomex توسط شركت Dupont برای كاربردهایی كه پایداری ابعادی و مقاومت حرارتی عالی لازم است، به بازار معرفی شد. این محصول به شكل لیف (رشته‌های پیوسته) و صفحه (كاغذ و تخته) وجود دارد. محصولات Nomex در لباسهای محافظ، ، شلنگ‌های خودرو عایقهای الكتریكی، قطعات هواپیما و وسایل ورزشی استفاده می‌شوند.
۱) مقاومت شیمیایی
۲) جمع شدگی (Shrinkage) حرارتی پایین
۳) شكل پذیری قطعات قالبگیری شده
۴) ازدیاد طول شكست پایین
۵) هدایت حرارتی پایین
رنگ زرد الیاف كولار ناشی از سیستم الكترون
تلفیق پیوند قوی در جهت طولی و نیروی ضعیف در جهت عرضی زنجیرهای پلیمری رفتار لیفی جالب توجهی بوجود می‌آورد. وقتی الیاف بصورت یك حلقه خم می‌شوند، درون حلقه، پیچ می‌خورد
این خواص انحصاری الیاف، به كامپوزیت منتقل می‌شود. چند لایه‌های با الیاف تك جهته به عنوان مثال از كولار -‌اپوكسی، در جهت طولی الیاف، محكم و قوی هستند ولی در جهت عرضی دارای ضعف می‌باشند. استحكام فشاری كمتر از استحكام كششی می‌باشد و خمیدگی تحت بار فشاری یك مشكل محسوب می‌شود.
● همچنین محصول Nomex دارای زنجیرهای مولكولی سخت و بلند می‌باشد كه از پلی متا فنیلن دی آمین تولید می‌شود. در اثر حرارت ذوب نمی‌شود و جریان پیدا نمی‌‌كند. تخریب و زغال گذاری تا دمای oC ۳۵۰ ادامه پیدا می‌كند و از نظر شیمیایی و حرارتی بسیار پایدار است.
بطور خلاصه، Nomex ویژگیهای ذیل را داراست:
۱) مقاومت حرارتی و شعله
۲) مقاومت بالا در برابر
كامپوزیتهای آرامیدی عایق هستند و در تماس با فلزات جریان الكتریسیته تولید نمی‌كنند. درحالیكه رفتار كششی آنها خطی است و شكست در تنشهای بالا اتفاق می‌افتد، رفتار فشاری و خمشی كامپوزیتهای آرامیدی، داكتایل می‌باشد و استحكام نهایی آنها از كامپوزیتهای الیاف شیشه و كربن كمتر است.
می‌توان الیاف آرامید را به همراه شیشه و كربن در ساخت كامپوزیتهای هیبرید بكار برد و از خواص انحصاری هر دو نوع الیاف بهره برد. با بكار بردن تركیبی از الیاف در یك كامپوزیت، می‌توان به نتایج مطلوب از نظر خواص و مسایل اقتصادی دست یافت. این نوع كامپوزیت را كامپوزیت هیبرید می‌نامند.