ألياف الكربون في صناعة الغزل والنسيج

من الألياف عالية الأداء إلى المنسوجات الذكية

شبكة بيئة ابوظبي، إعداد: م. ولاء محمود الحصري (*) مؤسسة مهندسون من أجل مصر المستدامة، بالتعاون مع مجلة الإسكندرية 2050، 15 سبتمبر 2026

ملخص
لم تعد ألياف الكربون مادة متخصصة تقتصر على الطيران والفضاء والمواد المركبة؛ فقد أصبحت جزءًا من اتجاه متنامٍ نحو دمج الوظائف الكهربائية والميكانيكية داخل الخيوط والأقمشة. وتجمع ألياف الكربون بين خفة الوزن والصلابة والمقاومة الميكانيكية، كما أنها موصلة للكهرباء بدرجات تعتمد على نوع الليف وبنيته ودرجة معالجته الحرارية. ويفتح ذلك المجال أمام خيوط وأقمشة موصلة، وحساسات ومنسوجات ذكية، وأقطاب لتخزين الطاقة، إضافة إلى استخدامها كتعزيز في المواد المركبة ذات التطبيقات الهندسية. ويستعرض هذا المقال العلاقة بين تكنولوجيا الغزل وإنتاج ألياف الكربون، ومراحل تصنيعها، وأهم تطبيقاتها الحالية والمستقبلية في قطاع الغزل والنسيج، مع التركيز على فرص خفض التكلفة والاستدامة.

أولًا: ما هي ألياف الكربون؟
ألياف الكربون ألياف دقيقة غنية بالكربون، تمتاز بارتفاع نسبة القوة إلى الوزن وبصلابة مرتفعة مقارنة بوزنها. وتُستخدم منفردة في صورة ألياف أو حزم (Tow)، كما تُحوَّل إلى خيوط وأقمشة ومواد مركبة. ويُعد البولي أكريلونيتريل (PAN) أهم المواد الأولية التجارية المستخدمة لإنتاج ألياف الكربون، بينما توجد مسارات أخرى تعتمد على القار (Pitch) ومواد أولية مختلفة.

ثانيًا: كيف تتحول ألياف الغزل إلى ألياف كربون؟
في المسار المعتمد على PAN تبدأ العملية بتكوين ألياف أولية بالغزل، ثم تمر الألياف بمرحلة التثبيت الحراري المؤكسد (Stabilization) لتتحول البنية الخطية للبوليمر إلى بنية أكثر استقرارًا حراريًا. بعد ذلك تتم الكربنة في جو خامل ودرجات حرارة مرتفعة، فتُزال عناصر غير كربونية ويزداد تركيز الكربون وتتطور البنية الكربونية. ويمكن أن تتبع ذلك مرحلة الجرافيتة عند الحاجة إلى خصائص أعلى من حيث معامل المرونة. وتؤكد المراجعات العلمية أن جودة الـPAN وظروف الغزل والتثبيت والكربنة تؤثر مباشرة في خواص ألياف الكربون النهائية.

ثالثًا: هل ألياف الكربون موصلة للكهرباء؟
نعم، ألياف الكربون مادة موصلة للكهرباء، لكن درجة التوصيل ليست قيمة ثابتة لكل الأنواع. فهي تتأثر بالبنية المجهرية، ودرجة المعالجة الحرارية، والاتجاه البلوري، والمواد المضافة، وطبيعة الخيط أو القماش. ولهذا لا يصح التعامل معها كبديل مباشر للنحاس في كل التطبيقات. وتصبح هذه الخاصية ذات أهمية خاصة عند تحويل الألياف إلى خيوط وأقمشة وظيفية، حيث يمكن استغلال التوصيل الكهربائي في الحساسات، والتدفئة الكهربائية، والحماية من التداخل الكهرومغناطيسي، والدوائر المرنة، وتطبيقات تخزين الطاقة.

رابعًا: ألياف الكربون والغزل والنسيج
العلاقة بين ألياف الكربون وصناعة الغزل والنسيج ليست مجرد استخدام للأقمشة كمنتج نهائي؛ فالتكنولوجيا النسيجية تدخل في أكثر من مرحلة. فألياف الـPAN نفسها تُنتج بعمليات غزل، ويمكن التحكم في قطر الليف واستمراريته وانتظامه واتجاهه. وبعد الكربنة يمكن تجميع الألياف في حزم أو خيوط، ثم تحويلها إلى أقمشة منسوجة أو هياكل نسيجية تستخدم في المواد المركبة. وتختلف هذه الخيوط عن خيوط الملابس التقليدية من حيث هدف الأداء؛ إذ يكون التركيز على القوة والصلابة والاستقرار الحراري أو الوظيفة الكهربائية أكثر من الراحة والملمس.

خامسًا: المنسوجات الذكية والموصلة
تمثل الخيوط الكربونية أحد المسارات المهمة للمنسوجات الذكية. ويمكن دمجها داخل بنية النسيج كخيوط موصلة أو كجزء من بنية مركبة، بحيث تسمح بمرور الإشارة الكهربائية أو استخدامها كعنصر استشعار. وتشير الأدبيات الحديثة إلى اهتمام متزايد بالمواد الكربونية، ومنها ألياف الكربون والجرافين والأنابيب الكربونية النانوية، في الإلكترونيات القابلة للارتداء. كما تُدرس الخيوط الكربونية في المكثفات الفائقة النسيجية، حيث يصبح الخيط نفسه جزءًا من بنية تخزين الطاقة.

سادسًا: أهم التطبيقات في قطاع الغزل والنسيج
• خيوط وأقمشة موصلة للكهرباء ضمن المنسوجات الذكية.
• حساسات مرنة قابلة للدمج في الملابس والمنتجات النسيجية لمراقبة الضغط أو الحركة أو المتغيرات الفيزيائية.
• عناصر تسخين نسيجية تعتمد على مرور التيار الكهربائي في مادة مقاومة.
• الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في بعض التطبيقات الهندسية.
• أقمشة وهياكل منسوجة لتدعيم المواد المركبة المستخدمة في التطبيقات الهندسية.
• أقطاب وخيوط كربونية لتطبيقات تخزين الطاقة، ومنها المكثفات الفائقة النسيجية.
• تطبيقات متقدمة تجمع بين الخفة والوظيفة الكهربائية والخواص الميكانيكية.

سابعًا: ألياف الكربون من الـTextile-Grade PAN وخفض التكلفة
من أهم الاتجاهات البحثية تحويل PAN المخصص أصلًا لصناعة المنسوجات إلى مادة أولية منخفضة التكلفة لألياف الكربون. وقد أوضحت دراسة تجريبية منشورة عام 2022 أن مزج PAN من الدرجة النسيجية مع PAN المخصص لألياف الكربون، ثم إجراء الغزل والتثبيت والكربنة على خط تجريبي مستمر، أنتج ألياف كربون ذات خواص ميكانيكية واعدة. وفي التركيبة المدروسة التي احتوت على 70% من PAN النسيجي، بلغت مقاومة الشد نحو 2.2 جيجا باسكال ومعامل المرونة نحو 210 جيجا باسكال، مع استمرار الحاجة إلى تحسين المعالجة للوصول إلى أداء وتكلفة أكثر تنافسية. كما أوضحت دراسة أخرى أن استخدام الـTextile-grade PAN يواجه تحديات مرتبطة بالاستقرار الحراري، والتركيب الجزيئي، والوزن الجزيئي، وطبيعة المواد المشتركة.

ثامنًا: الاستدامة والاقتصاد الدائري
تقدم ألياف الكربون فرصة مهمة لتقليل الوزن وإطالة عمر بعض المنتجات، وهو ما قد يساهم في خفض استهلاك الطاقة أثناء الاستخدام في التطبيقات التي تستفيد من خفة الوزن. وفي المقابل، فإن إنتاج ألياف الكربون نفسها يتطلب طاقة حرارية مرتفعة، ولذلك لا ينبغي وصفها تلقائيًا بأنها مادة منخفضة الكربون. وتزداد أهمية إعادة تدوير ألياف الكربون واستعادة الألياف من المخلفات والمواد المركبة، إلى جانب تطوير مواد أولية أقل تكلفة وأقل أثرًا بيئيًا. ومن منظور الاستدامة الصناعية، يجب تقييم دورة الحياة كاملة: المادة الأولية، والطاقة، والانبعاثات، والاستخدام، وإعادة الاستخدام أو التدوير.

تاسعًا: التحديات أمام انتشار ألياف الكربون في النسيج
• ارتفاع تكلفة الإنتاج مقارنة بالألياف النسيجية التقليدية.
• استهلاك الطاقة في التثبيت الحراري والكربنة.
• الحاجة إلى ضبط دقيق لظروف المعالجة للحفاظ على جودة الليف.
• صعوبة دمج بعض أنواع ألياف الكربون في عمليات الغزل التقليدية دون تعديلات في المعدات والمعالجة.
• الحاجة إلى حلول اقتصادية لإعادة تدوير مخلفات ألياف الكربون والمواد المركبة.
• ضرورة تحقيق توازن بين التوصيل الكهربائي والخواص الميكانيكية والمرونة ومتطلبات الراحة عندما يكون المنتج مخصصًا للملابس.

عاشرًا: مستقبل ألياف الكربون في النسيج
يتجه مستقبل المجال إلى دمج وظائف متعددة في بنية نسيجية واحدة: القوة الميكانيكية، والتوصيل الكهربائي، والاستشعار، وتخزين الطاقة، وربما إدارة الحرارة. وتشير الأبحاث الحديثة إلى استمرار تطوير المكثفات الفائقة النسيجية والمواد الكربونية المستخدمة في الإلكترونيات القابلة للارتداء. ومن المتوقع أن تظل خفض تكلفة الـPAN، وتحسين كفاءة عمليات التثبيت والكربنة، وزيادة قابلية إعادة التدوير، من أهم محاور البحث والتطوير.

خلاصة
تمثل ألياف الكربون نقطة التقاء بين علم البوليمرات وتكنولوجيا الغزل والمعالجة الحرارية وهندسة المنسوجات والمواد المركبة. وتكمن أهميتها لصناعة النسيج في قدرتها على تحويل الخيط أو القماش من مجرد حامل ميكانيكي إلى منصة وظيفية يمكن أن تجمع بين القوة والتوصيل والاستشعار وتخزين الطاقة. لكن التوسع الصناعي المستدام يتطلب خفض استهلاك الطاقة والتكلفة، وتحسين الاعتماد على مواد أولية اقتصادية، وتطوير منظومات فعالة لإعادة التدوير، مع تقييم دورة الحياة بصورة علمية .

(*) مهندسة ولاء محمود الحصري، مدير ادارة صيانة، باحث ماجيستير في العلوم البيئية، خبيرة الاستدامة الصناعية

المراجع العلمية
1. Khan, H., Kaur, J., Naebe, M., Hutchinson, S. et al. (2022). Continuous, pilot-scale production of carbon fiber from a textile grade PAN polymer. Materials Today Communications, 31, 103231. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103231.
2. Jin, X., Feng, C., Creighton, C., Hameed, N. et al. (2021). On the structural evolution of textile grade polyacrylonitrile fibers during stabilization and carbonization: Towards the manufacture of low-cost carbon fiber. Polymer Degradation and Stability, 186, 109536. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109536.
3. Rahaman, M. S. A., Ismail, A. F.,&Mustafa, A. (2007). A review of heat treatment on polyacrylonitrile fiber. Polymer Degradation and Stability, 92, 1295–1300.
4. Edie, D. D. (1998). The effect of processing on the structure and properties of carbon fibers. Carbon, 36(4), 345–362.
5. Zhai, S., Jiang, W., Wei, L., Karahan, H. E., Yuan, Y. et al. (2015). All-carbon solid-state yarn supercapacitors from activated carbon and carbon fibers for smart textiles. Materials Chemistry.
6. Nejad, H. R., et al. (2018). Electrically conducting fibres for e-textiles: An open playground for conjugated polymers and carbon nanomaterials. Materials Science and Engineering: R: Reports, 126, 1–29.
7. Zhao, L., Nie, X., Liu, X., Huang, J., Yuan, M. et al. (2026). Textile-based supercapacitors: A multi-scale review from fibers and yarns to fabrics. Synthetic Metals, 320, 118236. DOI: 10.1016/j.synthmet.2026.118236.
8. مصادر الوصول والتحقق: ScienceDirect / Elsevier وقواعد بيانات الأدبيات العلمية المحكمة. تم الرجوع إلى الملخصات والبيانات الببليوغرافية المتاحة للمراجع المذكورة.