استفاده از چرم در تاریخ بشر قدمتی هزار ساله دارد و تولید انبوه تجهیزات چرمی نیز بیش از یک قرن سابقه دارد. ظهور پدیده چرم مصنوعی پاسخی مستقیم به تقاضای روزافزون بازار و کمبود شدید منابع چرم طبیعی بود. با این حال چالش آلودگی محیط زیست در فرایند توسعه چرم مصنوعی باعث شد تا صنعت چرم از هدف اصلی خود یعنی پایداری زیست محیطی دور شود. پس از جایگزینی ماده پلی وینیل کلراید با ماده دوستدار محیط زیست ساختار جدیدی تحت عنوان رزین پلی یورتان پایه آب به عنوان اصلی ترین ماده خام برای تولید چرم مصنوعی معرفی شد. در این مقاله علمی و تخصصی به بررسی دقیق این فناوری نوین و راهکارهای افزایش نفوذپذیری بخار آب در این پوشش ها می پردازیم.
صنعت چرم یک نمونه بارز از فرایند تبدیل ضایعات به مواد ارزشمند است. چرم طبیعی با ساختار متخلخل و شبکه الیاف کلاژن خود نفوذپذیری بالایی برای رطوبت فراهم می کند. اما محدودیت منابع حیوانی و نگرانی های اخلاقی باعث رشد چشمگیر تولید چرم های مصنوعی شد. کاربرد چرم مصنوعی در صنایع مختلفی مانند تولید کیف و کفش و پوشاک بسیار گسترده است. به دلیل ویژگی های مکانیکی فوق العاده ماده پلی یورتان به سرعت جایگاه ویژه ای در این صنعت پیدا کرد.
برای شبیه سازی ظاهر و احساس چرم طبیعی تولیدکنندگان از ساختارهای چند لایه پیچیده استفاده می کنند. این ساختار معماری شده معمولا شامل یک لایه پارچه پایه و یک لایه فوم متخلخل و یک لایه چسب و در نهایت یک لایه تزئینی رویی است. لایه متخلخل میانی نقش بسیار مهمی در شبیه سازی لایه دانه ای چرم طبیعی ایفا می کند و باعث افزایش راحتی و نفوذپذیری بخار آب می شود.
در گذشته استفاده از حلال های آلی مانند دی متیل فرمامید در فرایند تولید رزین پلی یورتان پایه حلال بسیار رایج بود. این حلال ها برای کنترل گرانروی و بهبود فرایند پذیری استفاده می شدند. اما این حلال های شیمیایی ترکیبات آلی فرار سمی منتشر می کردند که برای سلامت انسان و محیط زیست بسیار خطرناک بودند. هزینه بالای تصفیه این گازهای سمی نیز مانع بزرگی برای توسعه پایدار محسوب می شد.
برای کاهش انتشار گازهای سمی و رعایت قوانین سختگیرانه زیست محیطی استفاده از آب به عنوان محیط پراکندگی در فرایند تولید مورد توجه ویژه ای قرار گرفت. به همین دلیل رزین پلی یورتان پایه آب به سرعت رشد کرد و در بسیاری از کارخانه ها جایگزین نمونه های حلال دار شد. آب یک حلال کاملا ایمن و ارزان و غیر سمی است که هیچ خطری در طول فرایند تولید صنعتی در مقیاس بزرگ ایجاد نمی کند.
با این حال تغییر سیستم از حالت پایه حلال به پایه آب باعث از بین رفتن فرایندهای سنتی تولید فوم می شود. این موضوع معمولا به از دست رفتن ساختار متخلخل منظم منجر می شود که کارایی پردازش را به شدت کاهش می دهد. نفوذپذیری بخار آب نشان دهنده توانایی ذاتی یک ماده برای عبور رطوبت است و نقش حیاتی در تنظیم حرارت بدن دارد.
تئوری حجم آزاد به خوبی رابطه بین انتقال جرم در فیلم های پلیمری و افزایش حجم آزاد در پوشش های پلیمری را توضیح می دهد. این تئوری تاکید می کند که افزایش فضاهای خالی درون پلیمر تاثیر مستقیمی بر بهبود نفوذپذیری رطوبت دارد. میزان نفوذپذیری یک چرم مصنوعی در درجه اول تحت تاثیر میزان آب دوستی و ساختار متخلخل پوشش پلیمری قرار دارد. ایجاد یک ساختار متخلخل درون لایه پوششی نه تنها باعث بهبود تنفس پذیری می شود بلکه چگالی ماده را کاهش می دهد و حساسیت لمسی را بهبود می بخشد.
برای ایجاد تخلخل مطلوب در سیستم های فاقد حلال شش روش اصلی و کارآمد در مقالات علمی معتبر معرفی شده اند. این تکنیک های ارزشمند به طور کلی به دو دسته جامع یعنی روش های بدون الگو و روش های مبتنی بر الگو تقسیم می شوند. در ادامه هر یک از این فرایندهای پیشرفته را با دقت علمی بالا بررسی می کنیم.
عوامل پف زای شیمیایی ترکیباتی هستند که در شرایط حرارتی خاص تجزیه می شوند و حجم زیادی گاز تولید می کنند. این گازهای آزاد شده باعث ایجاد ساختار سلولی درون ماتریس پلیمری می شوند. آزودی کربن امید یکی از محبوب ترین مواد در این دسته است که راندمان تولید گاز بسیار بالایی دارد. یکی از چالش های بزرگ این ماده نامحلول بودن آن در آب است که به توزیع نامناسب ذرات و ایجاد منافذ نامنظم منجر می شود. همچنین دمای تجزیه بالای این ماده ممکن است فراتر از حد تحمل حرارتی پلی یورتان باشد که به تخریب زنجیره های پلیمری و افت مقاومت مکانیکی می انجامد. پژوهشگران با اصلاح سطحی برخی از این عوامل توانسته اند پراکندگی آن ها را در ماتریس بهبود ببخشند و مقاومت کششی قابل قبولی را ثبت کنند.
این میکروکپسول های هوشمند دارای یک ساختار هسته و پوسته هستند که یک هیدروکربن فرار را به عنوان عامل پف زا درون یک پوسته پلیمری محبوس کرده اند. با اعمال انرژی حرارتی هیدروکربن مایع به سرعت تبخیر می شود و حجم کپسول افزایش چشمگیری می یابد. این انبساط شگفت انگیز فضاهای خالی متعددی درون فیلم پلیمری ایجاد می کند و تخلخل ماده را به شدت بالا می برد. ساختار منافذ ایجاد شده در این روش جذاب معمولا از نوع سلول بسته است که ارتباط فیزیکی بین منافذ را محدود می کند. با این وجود ترکیب این ذرات با پوشش های پایه آب به تشکیل ساختار تخلخل مناسب و بهبود تنفس پذیری در چرم های مصنوعی جیر مانند کمک شایانی می کند.
یک راهکار بسیار مستقیم و موثر برای ساخت شبکه کانال های نفوذپذیر استفاده از تکنیک های سوراخ کاری مصنوعی است. فناوری مدرن مته کاری لیزری کانال های ظریفی ایجاد می کند که به بخار آب اجازه می دهند آزادانه از ساختار عبور کنند. این فناوری پیشرفته برخلاف روش های مکانیکی سنتی دقت بسیار بالایی دارد و به دلیل عدم تماس فیزیکی هیچ گونه ساییدگی ابزار در آن اتفاق نمی افتد. طول موج های مختلف تابش لیزر می توانند شبکه های ساختاری متفاوتی ایجاد کنند که بر میزان نفوذپذیری بخار آب تاثیر کاملا مستقیمی دارد. مطالعات نشان می دهد که طول موج های کوتاه تر در محدوده فرابنفش منافذ ریزتری تولید می کنند و عملکرد بهتری به نمایش می گذارند. البته مهندسان باید دقت کنند که تراکم بیش از حد منافذ مقاومت در برابر پارگی را کاهش می دهد.
برای غلبه بر چالش محدود کننده ساختار سلول بسته در روش کپسول های حرارتی پژوهشگران از ذرات میکروسفر توخالی استفاده کردند. این ذرات شگفت انگیز دارای منافذ داخلی کاملا متصل به هم هستند که یک شبکه سه بعدی قدرتمند را درون لایه پوششی ایجاد می کنند. برخلاف کپسول های حرارتی این میکروسفرها برای تولید حجم آزاد نیازی به انبساط حرارتی ندارند. این ویژگی استثنایی نه تنها مسیرهای پیوسته ای برای عبور بخار آب فراهم می کند بلکه ویژگی سبک وزن بودن ماده را نیز به خوبی حفظ می کند. ذرات توخالی سیلیکایی و کروی های دی اکسید تیتانیوم از پرکاربردترین ترکیبات معدنی در این بخش علمی هستند.
این فرایند شامل تزریق حباب های هوا درون مایع پلیمری از طریق هم زدن مکانیکی پرانرژی است. حباب های تولید شده یک ساختار سلولی بی نظیر تشکیل می دهند که به عنوان یک الگوی فیزیکی مستحکم عمل می کند. با تبخیر تدریجی فاز آب حباب های محبوس شده منبسط می شوند و با شکسته شدن دیواره های نازک فیلم منافذ شبکه ای باز شکل می گیرند. این اتصالات شبکه ای مقاومت در برابر انتشار بخار را کاهش می دهند و نفوذپذیری بخار آب را به شدت تقویت می کنند. با این حال بی ثباتی ترمودینامیکی این فوم های مایع یکی از چالش های اساسی و دشوار در مسیر تولید صنعتی است.
برای مهار بی ثباتی فوم های آبی ذرات جامد نانو به عنوان تثبیت کننده های قدرتمند معرفی شدند که در علم کلوئید به نام فوم پیکرینگ شناخته می شوند. انرژی ترمودینامیکی لازم برای رهاسازی این ذرات از فصل مشترک مایع و گاز بسیار بیشتر از سورفاکتانت های رایج است. این تفاوت بنیادین باعث می شود که ذرات جامد به طور کاملا برگشت ناپذیری فوم را پایدار نگه دارند. این روش نوین به دلیل کاهش چشمگیر مصرف مواد شیمیایی فعال سطحی یک مسیر کاملا کارآمد و پایدار برای معماری مواد متخلخل محسوب می شود. محققان با بهره گیری از ذرات سیلیکای آب گریز و ذرات لاتکس پایه آب توانسته اند فوم های پیکرینگ بسیار پایداری را با موفقیت تولید کنند.
هر یک از این فرایندهای پیچیده تاثیر کاملا متفاوتی بر ویژگی های نهایی چرم مصنوعی به جا می گذارند. افزایش میزان نفوذپذیری بخار آب معمولا با کاهش میزان مقاومت کششی و ویژگی ازدیاد طول همراه است. روش مته کاری لیزری از نظر نرخ انتقال بخار آب عملکرد بسیار درخشانی دارد زیرا کاملا مستقل از ضخامت یا نوع مواد پوشش عمل می کند. روش بهره گیری از میکروسفرهای توخالی نیز بدون افت شدید خواص مکانیکی نرخ انتقال رطوبت بسیار بالایی را به ثبت رسانده است.
صنعت عظیم چرم مصنوعی با سرعت بسیار زیادی در حال گذار به سوی فرایندهای تولید پاک و کاملا سازگار با محیط زیست است. اگرچه مواد اولیه نوین مانند ترکیبات فاقد حلال گام بسیار بزرگی در این مسیر طولانی محسوب می شوند اما حفظ خواص فیزیکی مطلوب و ایجاد شبکه های متخلخل نیازمند توسعه فناوری های به مراتب پیشرفته تری است.
انتخاب مناسب ترین روش مهندسی برای ایجاد تخلخل بهینه باید با توجه به نیازهای اختصاصی محصول نهایی و برقراری یک تعادل منطقی بین استحکام مکانیکی و میزان نفوذپذیری رطوبت انجام گیرد. با ادامه پژوهش های بنیادین در این حوزه تخصصی امید است که فرایند تولید صنعتی چرم های مصنوعی با کیفیت ممتاز در آینده ای نزدیک به بالاترین سطح استانداردهای جهانی برسد. دست یابی به تولید کاملا پاک همراه با حفظ ویژگی نفوذپذیری رطوبت به عنوان کلید طلایی موفقیت در بازارهای رقابتی فردا شناخته می شود.
منبع
