گروه نساجی- شیمی نساجی و علوم الیاف
فصل اول:
رفتار کششی ابریشم عنکبوتی:
خلاصه: ابریشم عنکبوتی در سالهای اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است، ترکیب منحصر به فرد، استحکام کششی بالا به همراه کرنش گسیختگی بالا و وزن بسیار ناچیز در این نوع ابریشم توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است. از آنجا که پژوهش درباره ابریشم پیله عنکبوت با محدودیتهایی روبرو است، همواره ابریشم چسبنده و تارکشی مورد توجه بوده اند. در این پژوهش، به منظور توضیح رابطه ی ساختار با خواص ابریشم عنکبوت، رفتار تنش- کرنش ابریشم پیله و رفتار تنش- کرنش ابریشم تارکشی با هم سنجیده و مقایسه می شوند. همچنین در این مطالعه اثبات می شود که این دو نوع فیبر(الیاف) رفتار تنش- کرنشی کاملا متفاوت از خود نشان می دهند. علاوه بر این تاثیر سرعت آزمون هم مورد بررسی قرار می گیرد. سرعت های آزمون پایین در ابریشم پیله، موجب استحکام و سختی کمتر و مدول ثانویه ی بالاتر می شود. زمانی که منحنی تنش- کرنش(تنش با افزایش طول نسبی) بوسیله ی مدل پیشرفته(گسترده) ماکسول نمایش داده می شود. افزایش سرعت آزمون موجب بالاتر رفتن سطح ناحیه ی سخت شدن و حرکت ناحیه ی تسلیم به سمت کرنش های بالاتر شده، به طوری که ناحیه ی سخت شدن در منحنی تنش- کرنش بیشتر به حالت افقی در می آید. به هر حال می توان سرعت 20 mm/min را به عنوان نقطه اشباع در نظر گرفت، نقطه ای که در آنجا تاثیر سرعت کاهش می یابد. تاثیر سرعت آزمون بر روی ابریشم تارکشی نسبت به ابریشم پیله، به وضوح کمتر می باشد.
با این همه بررسی دقیق تر منحنی تنش- کرنش ابریشم تارکشی نشان می دهد که شکل های متفاوتی برای رفتار تنش- کرنش ابریشم تارکشی امکان پذیر می باشد.
کلمات کلیدی: ابریشم عنکوبت تارکشی، پیله، تنش- کرنش
1: مقدمه
از آنجا که ابرایشم عنکبوت، مخصوصا از نوع رشته تار کشی، الیافی است تا ترکیب بی مانند شامل استحکام کششی و کرنشی بالا و در عین حال وزن بسیار ناچیز، در سالهای اخیر توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. در جدول 1-1 نام چندین نمونه ابریشم عنکبوت تولید شده از عنکبوت آرانوس دیادماتوس، به همراه اطلاعات مربوطه که شامل غدد ترشح کننده، عملکرد و ترکیب اسید آمینه آنها می باشد، ارائه شده است.
جدول 1-1 : انواع ابریشم عنکبوت آرانوس دیا دماتوس و عملکرد آنها.
(نمودار و جداول در فایل اصلی موجود است)
عنکوبتها انواع ابریشم ها را از الیاف ارتجاعی برگشت پذیر گرفت تا الیافهای شبه کولار kevlar می سازند، اما این موضوع که چطور عنکوبتها خواص مکانیکی ابریشم ها را تنظیم می کنند هنوز مشخص نیست. بیشتر عنکبوتی که مورد بررسی قرار گرفته اند، ابریشم هایی هستند که از طریق غدد (MA) امپولیت بزرگ- ساخته می شوند و عنکبوت از انها برای تنیدن تار عنکبوت و تارکشی (عنکبوتی) (با قدرت استحکام Gpa 1/1 و کرنش گسیختگی 27 درصد) استفاده می کند. ابریشم فوق العاده دیگری که اغلب مورد بررسی قرار می گیرد ابریشم چسبنده (با قدرت استحکام Gpa 0.5 – کرنش گسیختگی 270 درصد) می باشد که توسط غدد شلاقی ترشح شده و مارپیچ چسبناک نگهدارنده در تار عنکبوت را تشکیل می دهد. تا کنون تعداد مقالاتی که درباره ابریشم پیله عنکبوت نوشته شده نسبتا محدود می باشد. در این مقاله مقایسه ای بین رفتار کششی ابریشم تارکشی و ابریشم پیله عنکبوت آرانوس دیادماتوس صورت گرفته است، چنین مقایسه ای در تشخیص رابطه بین خواص ابریشم عنکبوت ب ساختار آن موثر خواهد یود. علاوه بر این تاثیر سرعت آزمون هم مورد بحص و بررسی قرار می گیرد.
2- تفاوت ابریشم پیله و ابریشم تارکشی.
2-1 مواد و روشها
پنج پیله عنکبوت در آرانوس دیاماتوس از یک خانه باغی جمع آوری شده و از هر پیله یک صد الیاف بتدریج جدا شده و مورد آزمایش قرار گرفت.
برای تهیه ی نمونه های تارکشی آرانوس دیادماتوس، تعدادی عنکبوت در آزمایشگاه تحت شرایط کنترل شده نگهداری شوند و سی نمونه رشته تارکشی به طور دستی گرفته شد که از هر نمونه، ده لیف تهیه و بررسی شد. برای تجزیه و تحلیل خواص کششی الیاف پیله و رشته های تارکشی، روبات Favimat به کار گرفته شده است. این دستگاه یک شناساگر نیمه خودکار می باشد که فقط استحکام را اندازه گیری می کند و طبق اصل سرعت ثابت کشش (DIN 51221, DIN 53816, ISO 5079) کار می کند و کمک می کند تا نیرو با قدرت تفکیک بالا حدود 0.1mg اندازه گیری شود. به علاوه این وسیله به یک واحد تکمیلی سنجش دانسیته خطی (در واحد dtex) مجهز می باشد. که این خود امتیاز ممی (مخصوصا در مورد الیاف طبیعی) به حساب می آید زیرا میزان ظرافت الیاف را همزمان با خواص کششی آنها اندازه گیری می کند، اندازه گیری دانسیته خطی طبق متد ارتعاش سنج صورت می گیرد
(Astm D 1577-BISFA 1985).
به خاطر ظرافت فوق العاده ی رشته های تارکشی، متاسفانه اندازه گیری همزمان میزان ظرافت آنها، امکان پذیر نبود. میزان ظرافت تعدا کثیری از نمونه ها به وسیله تحلیل تصویری زیر میکروسکوپ نوری (در واحد mm) اندازه گیری شد و سپس مقادیر بدست آمده، با در نظر گرفتن ویژه 1/3 g/cm3، طبق روشی که در مقاله سوم آمده است، به واحد dtex تبدیل شدند. خواص کششی رشته های تارکشی با طول گیج mm20، سرعت آزمون mm/min 20 و کشش اولیه CN/dtex 0.5 مورد بررسی قرار گرفت. دانستیه خطی هم در سرعت آزمون mm/ min 5 و با کشش اولیه CN/dtex 0.8 ارزیابی شد.
2-2: بحث و بررسی نتایج
بعد از اینکه در شکل شماره 1-1 مشاهده می شود، ابریشم پیله رفتار تنش- کرنش کاملا متفاوتی از خود نشان می دهد. اگرچه کرنش گسیختگی در دو نوع ابریشم (÷ابریشم پیله و تارکشی) کم و بیش یکسان است (حدود ±%30 ) اما میزان سختی ابریشم تارکشی 5/3 برابر بیشتر می باشد.
همچنین قابل به ذکر است که در منحنی تنش- کرنش ابریشم پیله، یک نوعت رفتار لگاریتمی مشاهده می شود در حالی که در ابریشم تارکشی چنین چیزی صدق می کند. مقایسه اسید آمینه این دو نوع ابریشم عنکبوت، ممکن است نشان دهد که نسبت بالای glycine که مشخصه ابریشم تارکشی می باشد می تواند تا حدی این رفتار را توجیه کند. برای شناخت بهتر اسرار و رموز عنکبوتها، پژوهشهای بیشتری در زمینه ریز ساختار ابریشم عنکبوت باید صورت بگیرد.
شکل 1-1
شکل 1-1: رفتار تنش- کرنش ابریشم پیله و تارکشی عنکبوت آرانوس دیادماتوس
3. تاثیر سرعت آزمون برای تهیه ی نخ تارکشی و پیله
3-1. ابزار روشها
صدها عنکبوت آرانوس دیادماتوس در آزمایشگاه تحت شرایط کنترل شده نگهداری می شدند. پس چهار نوع پیله متفاوت به طور تصادفی جمع آوری شده و تخمها با دقت بسیاری از هر نمونه جدا گردید. برای هر آزمایش 50 لیف از هر پیله به تدریج و به آرامی کشیده شد.
نمونه های مختلفی از رشته تارکشی به طور دستی پیچیده شد. این نمونه ها از سه نوع عنکبوت مختلف انتخاب شده که برای هر آزمایش 50 لیف از آنها جدا گردیده است. در این پژوهش ها از آنجا که ارزیابی تاثیر سرعت آزمون برای ما حائز اهمیت بود، میزان ظرافت رشته های تارکشی اندازه گیری نشد، از این جهت مقادیر نیرو در واحد CN مورد بررسی قرار گرفته است. الیاف و فیلامنتها توسط روبات Favimat و در شرایطی با طول گیج mm 20 و کشش اولیه Cnldtex 0.5 و پنج سرعت متفاوت شامل: mm/min 40,30,20,10,5 مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند. آزمایش و بررسی رشته های تارکشی به خاطر کمبود مواد گرفته شده از یک عنکبوت در زمان آزمایش، فقط در سرعت های m/min 40m20m5 صورت گرفت. منحنی های تنش- کرنش برای هر کدام از پیله های تارکشی با پارامترهای زیر مشخص شده اند:
1-استحکام یا بارگسیختگی:
2-کرنش در نقطه پارگی:
3-کار تا حد پارگی:
4-مدول اولیه:
5-مدول ثانویه:
به منظور بحث و بررسی بهتر نتایج حاصله، مدل ماکسول جهت تشریح آزمون کششی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مدل، الیاف توسط یک مدل همراه با عناصری که رفتار مکانیکی وابسته به زمان خاصی از خود برود می دهند نشان داده می شوند. برای مثال بوسیله ی ترکیبی از فنرها و استوانه های متعادل کننده، استوانه متعادل کننده رفتار و سیکوزی وابسته به زمان را نمایان می سازد. در ساده ترین مدل ماکسول رفتار الاستو- ویسکوز یک لیف (یا نخ) از طریق یک فنر (با کابت ارتجاعی E) و یک استوانه متعادل کننده (با ثابت مرطوب کنندگی یا گرانروی) که به طور متوالی قرار گرته اند توصیف می شود این رفتار از تساوی (معادله) زیر پیروی می کند: (در این تساوی ε مقدار کرنش و F نیرو را نشان می دهد.)
در مورد افزایش ثابت کرنش در زمان، می توان ε=rt فرض کرد که در آن r یک عدد ثابت می باشد، در این صورت تساوی اول به شکل زیر تبدیل می شود.
اگر به عنوان وضعیت آغازین F(o)=FV و FV فشار اولیه باشد راه حل زیر بدست می آید:
این فرمول را می توان این چنین نوشت:
پس از بررسی نتایج آزمایشی (تجربی) می توان چنین نتیجه گرفت که بازسازی مدل ماکسول از روی منحنی تنش- کرنش الیاف ابریشم پیله به طور کامل رضایت بخش نیست. ثابت شده است که یک مدل ماکسول پیشرفته، با افزودن یک فنر خطی (طولی) ، بازسازی بهتری از منحنی های تنش- کرنش ابریشم پیله ارائه می دهد. بنابراین معادله ای (1-4) را می توان به این صورت نوشت:
از طریق رگراسیون غیر خطی می توان منحنی های تنش- کرنش را بوسیله ی سه پارامتر C,B,A توصیف و طبقه بندی کرد. به همراه اطلاعات بدست آمده از منحنی های تنش- کرنش ابریشم پیله، که در بخش 2 مشخص شده است بیشتر اوقات یک همبستگی بالاتر از 90% با خطای نسبی کمتر از 1% مشاهده شده است. تاثیر سرعت آزمون هم بر اساس این پارامترها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
3-2: بحث و بررسی نتایج
3-2-1: تاثیر سرعت بر روی کرنش کسیختگی- سختی (استحکام)، کار تا سر حد پارگی، مدول اولیه و مدول ثانویه. اولین توصیفی که باید داده شود این است که همه ی پارامترها تغییرات بالایی را نشان می دهند. ارزش CV- (درصد ضریب تغییرات) کرنش گسیختگی و کار تا سر حد پارگی از 30% هم حتی فراتر می رود، این مقدار %CV برای مقادیر مدولی، در بیشتر موارد به 10 تا 15% محدود می شود و برای سختی معمولا بین 10 تا 15% بیشتر می باشد. تغییر پذیری بالا توسط محقق دیگری هم تایید می شود.