الیاف تقویت کننده در تولید محصولات کامپوزیتی

الیاف تقویت کننده در تولید محصولات کامپوزیتی


مواد تشکیل دهنده کامپوزیت های زمینه پلیمری به طور کلی به سه دسته 1)الیاف تقویت کننده  2)پلیمر زمینه (رزین)  3)افزودنی ها تقسیم بندی می شوند که در این مقاله به بررسی الیاف می پردازیم.

 

الیاف تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری

هنگامی که یک قطعه کامپوزیتی تحت تنش و اعمال نیرو قرار می گیرد، الیاف تشکیل دهنده قطعه کامپوزیتی به عنوان جزء اصلی تشکیل دهنده مواد مرکب، نقش اصلی را در تحمل بار مکانیکی ایفا می نماید و خواص مکانیکی قطعه کامپوزیتی وابستگی زیادی به الیاف تشکیل دهنده آن دارد.

روش های تقسیم بندی الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیتی:

  • از لحاظ جنس
  • از لحاظ اشکال مورد استفاده
  • از لحاظ اندازه

تقسیم بندی الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت با توجه به جنس آن:

1- الیاف شیشه:
از لحاظ ساختاری یک ماده معدنی محسوب می شود و همانند شیشه های معمولی مورد استفاده در ساختمان، از ترکیب 50 الی 70 درصدی سیلیکا (SiO2) و سایر اکسیدهای معدنی تشکیل شده است که با توجه به ترکیب درصدهای مواد تشکیل دهنده آن به انواع مختلف با ویژگی ها و کاربری های خاصی تقسیم بندی می شود.

الیاف تقویت کننده کامپوزیت

 

تاریخچه تولید الیاف شیشه

الیاف شیشه (فایبرگلاس) در دنیای امروز به یک محصول فراگیر تبدیل شده است. در سال 2020، کل تقاضای جهانی الیاف شیشه به 7/10 میلیارد پوند رسید و جالب است بدانید که  فقط 100 سال پیش، کل تقاضا و بازار این الیاف تقریباً صفر بود. سوال جالب این می باشد که چگونه سیر صعودی الیاف شیشه به اینجا رسید؟ در ادامه، داستان جذاب تولید فایبرگلاس و چگونگی تبدیل آن به یکی از مهمترین محصولات صنعتی را بیان می کنیم.

شاید دیده باشید که شیشه مذاب به رشته های بسیار ظریف کشیده شده است. هیچ چیز چالش برانگیزی در مورد آن وجود ندارد. اما ساختن برخی رشته ها با دست و تولید تعداد زیادی الیاف شیشه ای بسیار ظریف دو چیز متفاوت است. در سال 1870، فردی به نام جان پلیر فرآیند تولید انبوه رشته های شیشه ای را با فرآیند جت بخار ایجاد کرد این ماده به عنوان یک عایق موثر استفاده شد. در سال 1880 به هرمان هامسفر حق اختراع برای نوعی پارچه فایبرگلاس اعطا شد. این پارچه فایبرگلاس هم دارای دوام مناسبی بود و هم در مقابل شعله آتش مقاوم بود.

اولین محصولی که با الیاف شیشه ای ساخته شد یک فیلتر هوا بود که در سال 1932 وارد بازار شد. این اولین محصول تجاری موفق ساخته شده از الیاف شیشه بود. اولین الیاف شیشه از نوعی که امروزه به عنوان فایبرگلاس می شناسیم تصادفی ساخته شدند، همانطور که پیشرفت های بسیاری در علم انجام شده است. دیل کلایست، محقق جوان در تلاش بود تا دو بلوک شیشه ای را به هم جوش دهد که به طور غیرمنتظره ای، یک جت هوای فشرده به جریانی از شیشه مذاب برخورد کرد و بارانی از الیاف شیشه ایجاد کرد و روشی آسان برای ایجاد فایبرگلاس را نشان داد. در سال 1936، کارلتون الیس از دوپونت حق امتیاز رزین پلی استر را دریافت کرد. رزین پلی استر چیزی است که می توان آن را با فایبرگلاس ترکیب کرد و یک کامپوزیت تولید کرد. آلمانی ها فرآیند تولید رزین پلی استر را با پالایش فرآیند پخت آن پیش بردند. در طول جنگ جهانی دوم، ماموران اطلاعاتی بریتانیا اسرار رزین را از آلمانی ها دزدیدند و به شرکت های آمریکایی تحویل دادند. خیلی زود پس از کشف روش هایی برای تولید الیاف شیشه در مقادیر تجاری، مهندسان به پتانسیل استفاده از آن به عنوان یک ماده تقویت کننده در کامپوزیت پی بردند. در طول جنگ جهانی دوم، الیاف شیشه در رزین های مختلف تعبیه شد تا اولین نمونه های FRP با استفاده از فایبرگلاس ایجاد شود. نمونه‌های اولیه منحصراً در کاربردهای نظامی، به‌ویژه برای قطعات هواپیما استفاده می‌شد. امروزه بسته به کاربرد محصول نهایی، انواع مختلفی از محصولات شیشه تولید می شود. به عنوان مثال، نوع شیشه ای (پشم شیشه) که در عایق بندی استفاده می شود، به گونه ای ایجاد می شود که هوای زیادی را در شیشه به دام می اندازد، این دارای مزایای آشکاری برای محصولی است که برای عایق کاری استفاده می شود. برخی از انواع دسته بندی های الیاف شیشه برای داشتن استحکام کششی بالاتر ایجاد می شوند، در حالی که برخی دیگر به گونه ای فرموله شده اند که در برابر مواد شیمیایی خاص یا شرایط محیطی مقاوم باشند.

تفاوت الیاف شیشه و پشم شیشه: از لحاظ ساختار کلی هر دو دارای ساختار معدنی تشکیل شده از سیلیکا می باشند ولی الیاف تشکیل دهنده پشم شیشه، دارای قطری نایکنواخت و طول های کوتاه می باشند و بلعکس الیاف شیشه تولید شده دارای طول های بلند و ممتد و نیز یکنواختی بیشتری هستند.  از لحاظ کاربردی پشم شیشه به عنوان عایق حرارتی کاربرد دارد و الیاف شیشه در افزایش مقاومت کششی قطعات کامپوزیتی مورد استفاده قرار می گیرد. فایبرگلاس ترکیب شده با رزین ها در کاربردهای متعددی استفاده می شود که در نهایت این مواد سبک و بسیار بادوام می باشند. این قطعات در صنعت خودرو و هوانوردی، ساخت قایق، کالاهای ورزشی، مخازن ذخیره سازی و نمونه های متعدد دیگر قابل استفاده است. استفاده از FRP در ساخت و ساز و صنعت به دلیل خواص مفید این کامپوزیتها  همچنان در حال گسترش است.

الیاف تقویت کننده

انواع الیاف شیشه موجود در بازار:

الیاف  شیشه نوع E: برگرفته از کلمه Electrical می باشد که اشاره به عایق الکتریکی این الیاف دارد. متداول ترین و پرکاربرد ترین نوع الیاف شیشه قابل استفاده در صنعت می باشد که خواص مکانیکی مناسبی نیز دارد.
الیاف شیشه نوع C: برگرفته از کلمه Chemical می باشد که  اشاره به مقاومت در برابر خوردگی این الیاف دارد و در مجاورت مواد شیمیایی همانند اسیدها، بازها، حلال ها و مواد خورنده مقاومت مطلوبی دارد.
الیاف شیشه نوع S: برگرفته از کلمه Strength می باشد که  اشاره به استحکام کششی بالای این الیاف دارد و دارای خواص مکانیکی ایده ال و چگالی پایین می باشد و در صنایع نظامی و هوا فضا کاربرد دارد.

به غیر از 3 دسته اصلی معرفی شده، انواع مختلف دیگری از الیاف شیشه نیز در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد که درجدول زیر جمع آوری شده است:

تفاوت الیاف شیشه و پشم شیشه:
از لحاظ ساختار کلی هر دو دارای ساختار معدنی تشکیل شده از سیلیکا می باشند ولی الیاف تشکیل دهنده پشم شیشه، دارای قطری نایکنواخت و طول های کوتاه می باشند و بلعکس الیاف شیشه تولید شده دارای طول های بلند و ممتد و نیز یکنواختی بیشتری هستند.  از لحاظ کاربردی پشم شیشه به عنوان عایق حرارتی کاربرد دارد و الیاف شیشه در افزایش مقاومت کششی قطعات کامپوزیتی مورد استفاده قرار می گیرد.

مقایسه الیاف شیشه با پشم شیشه.jpg2

الیاف شیشه

پشم شیشه

تولید کننده الیاف شیشه:
متاسفانه در حال حاضر هیچ شرکت ایرانی، شیشه به صورت الیاف تولید نمی نماید و تمام الیاف شیشه موجود در ایران وارداتی می باشد که اکثرن از شرکت های چینی واردات آن انجام می گیرد که بزرگ ترین و معتبرترین تولید کننده الیاف شیشه شرکت China Jushi Co  (www.jushi.com) میباشد و شرکت های ایرانی صرفا با تامین الیاف شیشه از خارج کشور، پارچه سوزنی و پارچه بافته شده تولید می نمایند.

2- الیاف کربن
الیاف کربن (الیاف گرافیت) به الیافی گفته می شود که درصد بالایی ( 85 الی 99 درصد) از عناصر تشکیل دهنده آن را عنصر کربن تشکیل دهد. الیاف کربن علاوه بر خواص مکانیکی ایده ال، رسانای مناسبی برای حرارت نیز می باشند و نیز ضریب انبساط حرارت بسیار پایینی دارند. قیمت این الیاف به نسبت الیاف شیشه بالاتر می باشد کاربرد اصلی این الیاف صنایع نظامی و هوافضا می باشد.

مشخصات مکانیکی الیاف کربن T300:


الیاف کربن

3- الیاف پلیمری:
این الیاف از طریق پروسه ذوب ریسی یک پلیمر آلی بدست می آیند که متداول ترین آن ها الیاف آرامید و الیاف پلی اتیلن می باشد.

الیاف آرامید: ساختار این الیاف از پلی آمیدهای حلقوی (آروماتیک) تشکیل شده است و معمولا زرد رنگ می باشند در حال حاضر مهم ترین برند تجاری این الیاف کولار(Kevlar) از شرکت دوپونت (Dupont) آمریکا می باشد. کاربرد اصلی الیاف آرامید، جلیقه های ضد گلوله می باشد.

الیاف آرامید

الیاف پلی اتیلن: مشخصه اصلی این الیاف دانسیته بسیار پایین آن می باشد (کمتر از 1 گرم بر سانتی متر مکعب). پلیمر پلی اتیلن تشکیل دهنده آن دارای وزن مولکولی بالایی می باشد و معروف ترین برند آن الیاف اسپکترا می باشد.

 

تقسیم بندی الیاف از لحاظ شکل ظاهری مورد استفاده:

1- لیف یا تار (Filament): رشته بسیار باریکی از الیاف گفته می شود که با قرارگیری تعداد زیادی از این الیاف کنار هم محصولات ثانویه تولید می گردد و به صورت مستقیم در صنعت کاربرد ندارد.

2- رشته الیاف (Strand): به دسته ای از فیلامنت ها که بدون تابیده شدن کنار هم قرار گرفته و هنوز دور دوک پیچیده نشده است گفته می شود و به صورت مستقیم در صنعت کاربرد ندارد.

3- Towیا Roving: به دسته ای از فیلامنت ها که بدون تابیده شدن کنار هم قرار گرفته و دور دوک پیچیده شده باشند گفته می شود و ساده ترین شکل الیاف تقویت کننده می باشد که در بازار موجود است. اصطلاح Tow برای الیاف کربن و اصطلاح Roving برای الیاف شیشه کاربرد دارد. این محصول در روش های تولید همانند پالتروژن و یا رشته پیچی به صورت مستقیم مورد مصرف قرار می گیرد و یا به عنوان ماده اولیه در تولید پارچه های بافته شده مورد مصرف قرار می گیرد. چگالی طولی این محصول بر حسب تکس (وزن 1000 متر طول بر حسب گرم) و یا دنیر (وزن 9000 متر بر حسب گرم) بیان می شود.

roving4- نخ (Yarn): به دسته ای از فیلامنت ها گفته می شود که بعد از تایبده شدن، دور دوک پیچیده شده باشند. این محصول در تولید پارچه های بافته شده کاربرد دارد.


5- الیاف کوتاه و خرد شده (chopped strand)
: از خرد کردن رشته الیاف strand الیاف خرد شده Chopped strand بدست می آید و طولی بین 2 تا 50 میلی متر دارد و به صورت افزودنی (حداکثر تا 30 درصد) به قطعات پلیمری افزوده می شود و علاوه بر آن به عنوان ماده اولیه در پارچه سوزنی (نمدی) نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

6- الیاف آسیاب شده (Milled fiber): به الیاف بسیار کوتاه (طول کمتر از 1 میلی متر) گفته می شود و به عنوان فیلر در رزین ها و یا افزایش دهنده ویسکوزیته کاربرد دارد.

7-مت سوزنی یا مت نمدی ریز شده (CSM-Chopped strand mat): رایج ترین الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت می باشد. در این محصول الیاف خرد شده (Chopped strand) یه صورت تصادفی و نامنظم بر روی سطح پخش شده اند و توسط چسب به هم متصل می شوند. چگالی سطحی این محصول بین 100-900 گرم بر متر مربع می باشد.
کاربرد این محصول در بازار ایران به 2 صورت روغنی و پودری می باشد. مت پودری بر خلاف نوع روغنی آغشته سازی بهتری با رزین دارد ولی کار کردن با آن بدلیل خارش بیشتر و جدا شدن الیاف از هم کمی دشوارتر می باشد.

High-Quality-Csm-Chopped-Strand-Mat-

8- مت الیاف پیوسته (CFM-Continuous filament mat): مشابه مت CSM می باشد با این تفاوت که رشته های الیاف در آن به صورت پیوسته و منظم می باشد.

9- مت ترکیبی: این نوع مت ها نیز که انواع مختلفی دارد به شکل های گوناگون ترکیب شده با یک پارچه بافته شده و یا دو الیاف مختلف و… بدست می آید.

10- تیشو (Tissue): این مت ها دارای ضخامت کم و چگالی سطحی پایینی بین 30 تا 60 گرم بر متر متربع می باشند و با اصطلاح surface veil نیز شناخته می شوند. و جهت ساخت قطعات ظریف و صافی سطح قطعات کامپوزیتی کاربرد دارد.

surface veil

11- پارچه های بافته شده (Woven fabric): این پارچه ها در بافت های مختلف، وزن های سطح متفاوت و ضخامت های متفاوت در بازار موجود می باشد و در بازار ایران با اصطلاح حصیری نیز شناخته می شود. انواع پارچه های بافته شده به صورت زیر می باشد.
پارچه های تک جهته unidirectional- بافت ساده تاری و پودی plain- بافت سبدی یا حصیری Basket- بافت جناغی twill- بافت اطلسی یا ساتین Satin- بافت توری leno- امکان استفاده از چند نوع الیاف مختلف در ساختار پارچه های بافته شده نیز امکان پذیر می باشد (پارچه های هیبریدی)

12- بافت های سه بعدی (Three-dimensional weaving): بافت این دسته از محصولات در سه جهت X, Y, Z می باشد پارچه های قیطان دوزی (braiding) و پارچه های اسپیسر (پارابیم Parabeam) دو نوع اصلی این نوع محصول می باشد.

تقسیم بندی الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت با توجه به ابعاد و اندازه آن:

1- تقویت کننده در ابعاد نانو (نانو کامپوزیت ها): در صورتی که ابعاد تقویت کننده ها در مقیاس نانو باشد، کامپوزیت حاصل را نانو کامپوزیت گویند. (الیاف در این زمینه کاربرد ندارند و سایر نانو مواد همانند نانو کلی، نانو نقره و… در این زمینه مورد استفاده قرار می گیرد)
2- تقویت کننده ذره ای (پودری): ذرات مورد استفاده  قطر و طول تقریبا یکسانی دارند که به دلیل احتمال ایجاد تمرکز تنش تاثیر چندانی در خواص مکانیکی ندارند و برای دستیابی به خواص خاص همانند خواص مغناطیسی، هدایتی، آنتی باکتریال و… مورد استفاده قرار می گیرند. (الیاف در این زمینه کاربرد ندارند و سایر پودرها همانند سیلکا و پودر ATH و… در این مورد کاربرد دارد)
3- تقویت کننده الیافی: بدلیل قطر کم و یکنواختی بالای الیاف، خواص ایده الی به محصول نهایی می دهند و الیاف مورد استفاده به دو صورت پیوسته و ناپیوسته قابلیت استفاده دارد. الیاف ناپیوسته که شامل الیاف خرد شده می باشد به صورت تصادفی و رندوم در بافت قطعه پخش می شوند و خواص ایزوترپیک (همسانگرد) به محصول نهایی می دهند. ولی استفاده از الیاف پیوسته (همانند الیاف و پارچه ها) باعث ایجاد خواص مکانیکی در جهتی خاص می شود.

امیدواریم با خواندن این مقاله اطلاعات خوبی را از الیاف تقویت کننده کامپوزیت، کسب کرده باشید.

اشتراک در
اطلاع از
0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments