بحث در مورد انواع زمینه پلیمری مورد استفاده درکامپوزیت‌ها، به معنای بحث در مورد تمام انواع پلیمرهای تجاری موجود است. از دیدگاه نظری تمامی انواع پلیمرهای گرماسخت و گرمانرم می‌توانند به عنوان زمینه در کامپوزیت‌های زمینه پلیمری استفاده شوند. اما در عمل، گروه‌های مشخصی از پلیمرها به لحاظ فنی و اقتصادی دارای اهمیت هستند[1-4].
در میان پلیمرهای گرماسخت، پلی‌استر غیر اشباع، وینیل استر، فنل فرمآلدهید (فنولیک) اپوکسی و رزین‌های پلی‌ایمید بیشترین کاربرد را دارند. در مورد گرمانرم‌ها، اگرچه انواع متعددی استفاده می‌شوند، اما پلی‌اتر اتر کتون، پلی‌پروپیلن و نایلون بیشترین اهمیت را دارا هستند. همچنین به دلیل اهمیت زیست محیطی، دراین بخش به رزین‌های دارای منشا طبیعی و تجدیدپذیر نیز پرداخته شده است. از الیاف متداول در کامپوزیت‌ها می‌توان به شیشه، کربن و آرامید اشاره نمود. در میان رزین‌ها نیز پلی‌استر، وینیل‌استر، اپوکسی و فنولیک از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. در بخش‌های بعدی رزین‌ها، الیاف و روش‌های شکل دهی و ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری مورد بحث قرار خواهد گرفت [2-5].
2-2- انواع الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌های زمینه پلیمری
2-2-1-الیاف شیشه
الیاف شیشه مشهورترین تقویت کننده مورد استفاده در صنعت کامپوزیت است و انواع مختلفی از آن به صورت تجاری وجود دارند که برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از الیاف شیشه نوع E12، الیاف شیشه نوع S13، نوع ECR14 و الیاف شیشه نوع AR15. ترکیب شیمیایی این الیاف با هم متفاوت است و انتخاب هریک از این انواع، بر اساس کاربرد صورت می‌گیرد [3و5].
الیاف شیشه تقریباَ 90 درصد الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌های مهندسی را تشکیل می‌دهد. این الیاف استحکام و سختی مناسبی داشته و خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند. همچنین مقاومت در برابر رطوبت و خوردگی این الیاف بالا بوده که این خصوصیت در کنار قیمت نسبتا ارزان، باعث گسترش تمایل به استفاده از این نوع الیاف گشته است. در جدول (2-1) مهم‌ترین خصوصیات انواع الیاف شیشه ارائه شده است. همچنین در جدول (2-2) ترکیب شیمیایی انواع مختلف الیاف شیشه نشان داده شده است [3و5].
جدول (2-1) مهم‌ترین خصوصیات انواع الیاف شیشه مورد استفاده در صنایع کامپوزیت [5]
نوع الیاف شیشهخصوصیت بارز و کاربردهانوع Eمصارف عمومینوع Rخواص مکانیکی برتر نسبت به سایر انواعنوع Sخواص مکانیکی برتر نسبت به سایر انواعنوع Cمقاومت شیمیایی مناسبنوع ECRمقاومت در برابر انواع اسید‌ها و بازهانوع ARمقاومت در برابر انواع اسید‌ها و بازها
جدول (2-2) ترکیب شیمیایی انواع الیاف شیشه بر اساس درصد حجمی مواد سازنده آن [3]
نوع الیاف شیشهERSCECRARمواد سازنده (درصد حجمی)SiO22/54604/646/644/5861Al2O31425251/4115/0CaO2/179-4/13225MgO6/463/103/32/205/0Na2O، K2O، Li2O8/0–6/99/014B2O36/10–7/409/0-BaO—9/0–ZnO—-3-ZrO2—–13TiO2—-1/25/5Fe2O34/0—26/05/0وزن مخصوص56/258/249/245/26/274/0شاخص شکست نور55/1-52/152/1-56/1استحکام کششی تک‌رشته (GPa)6/34/45/4-4/35/2مدول کششی تک‌رشته (GPa)768586-7380دمای نرم شدن (oC)-9901000690900860
مراحل مختلف فرآیند تولید الیاف شیشه را می‌توان بصورت زیر خلاصه نمود[6]:
1- آماده سازی مواد خام: بیش از نیمی از مواد اولیه مورد استفاده ماسه سیلیسی است و قسمت اصلی هر نوع الیاف شیشه را تشکیل می‌دهد. سایر اجزاء شامل مقادیر ناچیز سایر ترکیبات شیمیایی می‌شوند.
2- بخش اختلاط16: در اینجا مواد با هم مخلوط شده و برای پخت در کوره آماده می‌شوند. اصطلاحا به این توده مخلوط، بچ17 گفته می‌شود.
3- کوره پخت: دمای این کوره به اندازه کافی زیاد است تا ماسه و سایر اجزاء را ذوب کند و بصورت شیشه مذاب در آورد. سطح داخلی کوره با آجرهای مخصوصی ساخته شده است که در دوره‌های زمانی مشخص تعویض می‌شوند.

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

4- بخش بوش زنی18: شیشه مذاب روی ردیفی از سینی‌های پلاتینی با مقاومت حرارتی بالا، جریان پیدا می‌کند. در این سینی‌ها هزاران روزنه وجود دارد که روزنه‌های بوش زنی نامیده می‌شوند.
5- تشکیل الیاف: جریان شیشه مذاب از درون روزنه‌های بوش زنی بیرون کشیده می‌شود و در عین حال تا قطر معین نازک می‌شود و در نهایت توسط آب یا هوا خنک می‌گردد تا الیاف تشکیل شوند.
6- آهار زنی: الیاف مو مانند، با یک مخلوط شیمیایی مایع پوشش داده می‌شوند. آهار زنی به منظور اولا محفوظ ماندن الیاف از سایش به یکدیگر در طی فرآیند ساخت و کار و ثانیا حصول اطمینان از چسبندگی الیاف به رزین، انجام می‌شود.
الیاف ابتدا به صورت دسته19 در کنار هم قرار می‌گیرند. هر دسته از چند تاب20 تشکیل شده است و هر تاو نیز بیانگر تعداد الیافی است که از یک بوش ریسیده می‌شوند. به عنوان مثال یک تاب می‌تواند شامل دویست لیف21 باشد. مجموعه‌ای از دسته‌ها، یک رشته22 نامیده می‌شود. در این مرحله یک تاب مختصر به رشته داده می‌شود تا کار کردن با آن آسان‌تر شود. در مورد کامپوزیت‌های الیاف پیوسته، انتخاب نوع الیاف، به فرآیند شکل‌دهی و میزان آرایش یافتگی الیاف بستگی دارد.
تعداد تارهای23 یک رشته با معیاری به نام تکس24 بیان می‌شود که هر تکس برابر با 1000 متر بر گرم است [5و6].
می‌توان رشته‌ها را خرد25 کرده و برای تولید نمد شیشه26 مورد استفاده قرار داد. در این حالت از یک چسب برای ثابت ماندن الیاف در کنار هم استفاده می‌شود. چسب مورد نظر به هنگام آغشته‌سازی الیاف با رزین، میزان خیس خوردگی27 الیاف را کنترل می‌کند و بنابراین آرایش اتفاقی الیاف در نمد حفظ می‌شود. انتخاب چسب که با توجه به کاربرد مواد انجام می‌گیرد، مستقیما بر دوام یک قطعه کامپوزیتی تاثیر می‌گذارد[7].
نمدهای الیاف پیوسته28 شکل دیگری از الیاف هستند که در آن‌ها با استفاده از الیاف پیوسته با آرایش اتفاقی، نمد درست می‌شود. این شکل از الیاف برای قرار گرفتن در قسمت‌های تیز و کنج قالب مناسب هستند و موجب جلوگیری از شکست الیاف در چنین حالت‌هایی می‌شوند.
همچنین می‌توان از الیاف شیشه با طول متفاوت برای کاربرد مستقیم در آمیزه سازی (BMC) استفاده کرد. طول الیاف در نمد (CSM) معمولا بیشتر از 20 میلی‌متر و بلندتر از الیاف مورد کاربرد در آمیزه سازی است. طول الیاف مورد استفاده در رزین‌های گرماسخت نیز بیشتر از الیاف قرار گرفته در پلیمرهای گرمانرم است. انواع پارچه‌ها با بافتهای مختلف نیز از رشته‌های شیشه بافته می‌شود. در شکل (2-2) انواع مختلف الیاف شیشه نشان داده شده است[3و6].

(الف) (ب)

(پ) (ت)

(ث) (ج)

(چ) (ح)
شکل (2-2) انواع مختلف الیاف شیشه (الف) الیاف رشته‌ای (ب) تار (پ) نمد الیاف کوتاه یا CSM (ت) نمد الیاف بلند یا GRM (ث) پارچه بافت ریز (ج) پارچه بافت درشت (چ) پودر شیشه (ح) الیاف خرد [6]
2-2-2- الیاف کربن
اگرچه اکثر الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت از جنس شیشه هستند، ولی مدول آن نسبتا پایین است. در سال‌های اخیر تلاشهای زیادی انجام گرفته است تا تقویت کننده‌های جدیدی با تبدیل حرارتی الیاف آلی به الیاف کربن ساخته شود.
الیاف حاصل به سرعت کاربرد وسیعی در کامپوزیت‌های زمینه فنولیکی به منظور استفاده در عایق‌های فداشونده صنایع نظامی پیدا کرد. مشخصه الیاف کربن سبکی، استحکام و سفتی بالا است. همه انواع الیاف کربن از تجزیه حرارتی29 الیاف آلی در یک محیط خنثی بدست می‌آیند.
مهم‌ترین روش ساخت الیاف کربن اکسیداسیون الیاف اکریلیک، به منظور تثبیت شکل الیاف به هنگام فرآیند کربوره30 کردن است. این عمل در محیط حاوی اکسیژن و دمای 400 درجه سانتیگراد انجام می‌گیرد[2و3].
سپس الیاف اکسید شده در یک محیط خنثی کربنیزه می‌شوند. در نهایت الیاف کربنیزه وارد مرحله گرافیته کردن می‌شوند. این مرحله نیز در محیط خنثی و در دمای حدود 400 درجه انجام می‌شود.
شرایط مورد بحث در طول فرآیند پلیمریزاسیون تا ساختار گرافیتی، به دقت انتخاب و کنترل می‌شوند. در طول این فرآیند عناصر غیر کربنی بصورت گاز خارج شده و تنها اجزاء کربنی باقی می‌مانند. مهم‌ترین شکل الیاف کربن، پارچه است که در بافت‌های مختلف تولید عرضه می‌گردد.
در ابتدا تنها دو نوع الیاف کربن با پایه پلی اکریلونیترید31 (PAN) وجود داشت که استحکام و مدول آنها با هم متفاوت بود. یک نوع الیاف کربن با استحکام بالا32 (HS) است که از فرآورش در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید و به عنوان نوع دو درجه‌بندی می‌شود و نوع دیگر، الیاف با مدول بالا33 (HM) است که در دماهای بیش از 2500 درجه سانتی‌گراد تولید می‌گردد و به علت افزایش دمای فراورش، دارای مدول الاستیک بیشتری است. در شکل (2-3) نمونه‌هایی از الیاف کربن مورد استفاده در صنایع کامپوزیت، نشان داده شده است[3].

(الف) (ب)
شکل (2-3) انواع الیاف کربن مورد استفاده در صنایع کامپوزیت (الف) رشته‌های پیچیده شده و (ب) الیاف کربن بافته شده به صورت پارچه [3]
با اعمال تنش کششی به میزان کم و افزایش آرایش یافتگی و همچنین کاهش قطر الیاف از 7 به 5 میکرون، استحکام و مدول الیاف کربن افزایش می‌یابد. به این نوع از الیاف کربن، الیاف با مدول متوسط34 (IM) گفته می‌شود. در جدول (2-3) خصوصیات مکانیکی انواع مختلف الیاف کربن، ارائه شده است.

جدول (2-3) خصوصیات مکانیکی انواع مختلف الیاف کربن [3]
نوع الیاف کربناستحکام (GPa)مدول (GPa)کرنش شکستالیاف HS (نوع یک)3/3-0/3240-2204/1-3/1الیاف HM (نوع دو)6/2-3/2350-3304/1-3/1الیاف IM2/3-9/2300-2800/1
قیر35 به عنوان یکی از مهم‌ترین مواد اولیه در تولید الیاف کربن مطرح است. این ماده در یک محیط آبی سنتز شده و با فیلتراسیون جدا می‌شود. سپس کوپلیمر حاصل، با سرعت چرخش و کشش کنترل شده، به روش ریسندگی مرطوب تبدیل به لیف می‌شود. بدین‌وسیله میزان آرایش الیاف کنترل می‌شود و هرچه این میزان بیشتر باشد، مدول لیف نهایی بالاتر است.
مراحل تولید الیاف کربن در این روش عبارتند از :کوپلیمریزاسیون36، اکسیداسیون37، کربنیزه کردن، گرافیته کردن (که در دمای 200 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و اجازه می‌دهد آرایش القا شده در هنگام کشش، در الیاف حفظ شود)، رشته پیچی38 (در دمای 2500 درجه سانتی‌گراد)، پلتروژن و در نهایت فرآیند پاشش رزین39 [7-10].
الیاف کربن تولید شده، ذاتا چسبندگی کافی به پلیمرها ندارند و اگر به همان صورت استفاده شوند، خواص تقویت کنندگی خوبی نشان نخواهند داد. بنابراین در فرآیند آماده‌سازی الیاف، اصلاح سطح یک مرحله ضروری به نظر می‌رسد.
روش‌های مختلفی برای اصلاح سطح الیاف کربن وجود دارد، ولی معمولا اکسیداسیون آنودیک40 در یک محلول الکترولیت آبی مانند بی‌کربنات آمونیم41، ترجیح داده می‌شود. اکسیداسیون پلاسما نیز به‌کار می‌رود ولی به لحاظ تجاری رایج نشده است. معمولاَ الیاف کربن موجود در بازار اصلاح شده است ولی در موارد خاص می‌توان الیاف بدون سطح اصلاح شده نیز تهیه کرد[3].

2-2-3- الیاف آرامید
الیاف آرامید که در حدود سالهای 1970معرفی شد، ترکیب آلی حلقوی از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن است که دانسیته کم و استحکام کششی بالا در این الیاف، موجب تشکیل یک ساختار چقرمه و مقاوم به ضربه با سفتی حدود نصف الیاف کربن می‌شود. الیاف آرامید در ابتدا به منظور جایگزینی فولاد در تایرهای رادیال ساخته شدند و بعدا کاربردهای دیگری پیدا کردند. جلیقه ضد گلوله از موفقیت آمیزترین کاربردهای الیاف آرامید است که نوعی از آن در شکل (2-4) مشاهده می‌شود. آرامید در دو ساختار زنجیر-راست (مشهور به کولار42) و زنجیر-خم (مشهور به نومکس43) وجود دارد که نمونه‌ای از ساختار مولکولی نوع زنجیر-خم آن در شکل (2-5) مشاهده می‌شود[11].
شکل (2-4) نوعی جلیقه ضدگلوله ساخته شده از جنس الیاف آرامید
شکل (2-5) نمایی از ساختار مولکولی آرامید نوع زنجیر-خم
در جدول (2-4) خصوصیات مکانیکی برخی انواع مختلف الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌های زمینه پلیمری با هم مورد مقایسه قرار گرفته‌اند. همچنین در شکل (2-6) برخی انواع الیاف آرامید نشان داده شده است[3].
جدول (2-4) خصوصیات مکانیکی برخی انواع الیاف مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری [3]
الیافاستحکام (MPa)مدول الاستیک (GPa)چگالی (g/m3)E-Glass34458/8162/2S-Glass45859/8850/2کربن AS4400024177/1کربن IM6438027677/1کولار 2936008344/1کولار 49400013145/1کولار 149340018647/1

(الف) (ب) (پ)
شکل (2-6) برخی انواع الیاف آرامید (الف) رشته‌ (ب) الیاف پیچیده شده (پ) الیاف خرده [3]
ساختار شیمیایی الیاف کولار
الیاف کولار از زنجیرهای مولکولی 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 که برخی از آنها عبارتند از:
– استحکام کششی بالا و وزن کم
– ازدیاد طول کم در پارگی
– چقرمگی خوب
– مدول بالا
– پایداری ابعاد عالی
– هدایت الکتریکی پایین
– مقاومت پارگی بالا
– مقاومت شیمیایی زیاد
– مقاوم به شعله و خود خاموش کن
– جمع شدگی حرارتی کم
– حفظ خواص در دماهای بسیار بالا و بسیار پایین
– خزش بسیار کم
– مقاومت سایش و اصطکاک عالی
پس از سنتز، پلیمر آرامیدی در محلول اسید سولفوریک حل شده . سپس تبدیل به الیاف می‌شود. قطر الیاف در حد چند میکرون است و مورفولوژی نهایی آن‌ها با اعمال حرارت در دمای 150 تا 500 درجه سانتی‌گراد مشخص می‌شود. الیاف کولار بسته به درجه آرایش یافتگی مولکولی، سفتی‌های متفاوت دارند. کاربردهای الیاف کولار با توجه به سفتی و سایر خصوصیات مکانیکی آن‌ها تعیین می‌شود. به عنوان مثال کولار 29 به عنوان سیم تایر و کولار 49 در کابل‌های زیر آب استفاده می‌شوند. همچنین الیاف کولار، تقویت کننده ممتازی در صنایع فضایی محسوب می‌شوند. در سال‌های اخیر، کولار 149 به عنوان سفت‌ترین نوع الیاف کولار به صنایع معرفی شده است[12].
الیاف کولار همچنین به دلیل کاربرد در پرتابه‌ها و حفاظت حرارتی آن‌ها، چقرمگی و توانایی در جذب انرژی شهرت بسیاری یافته‌اند.
الیاف لخت نسبت به نور مرئی آسیب پذیرند. این الیاف وقتی در معرض نور خورشید قرار بگیرند، امواج نور در محدوده 300 تا 400 نانومتر را جذب کرده و تخریب می‌شوند. به همین دلیل اگر چه خود لایه تخریب شده، لایه‌های زیرین را تا حدی می‌پوشاند ولی الیاف کولار نیاز به پوشش یا قرار گرفتن زیر سایر اجزاء دارند.
سیستم الکترون دوگانه اوربیتالP، ویژگی‌های باند دوگانه را در اکثر پیوندهای شیمیایی ساختار پلیمری بوجود می‌آورد که این امر موجب پایداری حرارتی آرامیدها می‌شود.
تخریب حرارتی این پلیمرها در دماهای کمتر از 400 درجه سانتی‌گراد ‌شروع نمی‌شود و اگر در محیط خنثی باشد، تخریب تا دمای 500 درجه سانتی‌گراد اتفاق نمی‌افتد. ساختار منظم تکراری و شکل کشیده و صاف زنجیرها، موجب بالا رفتن قابلیت تبلور این نوع پلیمر تا حدود 80 درصد می‌شود که برای یک پلیمرآلی مقدار زیادی است. بررسی‌های بلورشناسی به طور قطعی نشان داده است که در این پلیمر‌ها محور زنجیرهای پلیمری با محور الیاف یکی است[13-15].
ساختار ناهمگون پلیمر در جهت طولی، به الیاف استحکام کششی بسیار زیادی می‌دهد. نیروی اعمالی توسط باندهای قوی شیمیایی زنجیرهای پلیمری تحمل می‌شود. زنجیرهای پلیمری مجاور هم در یک ناحیه بلوری توسط بر هم کنش واندروالس و پیوندهای هیدروژنی‌که نسبت به باندهای شیمیایی نسبتا ضعیف‌تر بوده و راحت‌تر جدا می‌گردند، کنار هم نگاه داشته می‌شوند. بنابراین الیاف در جهت عرضی خواص مکانیکی ضعیفی دارند و از این رو در بیرون حلقه بصورت طولی شکاف می‌خورند. علاوه بر آن، وقتی به این الیاف تا نقطه شکست نیرو اعمال شود، لیف ترک خوردگی طولی نشان می‌دهد یا رشته رشته شدن الیاف44 بیشتر از یک ترک روشن و واضح اتفاق می‌افتد. الیاف نامکس45 برای کاربردهایی که پایداری ابعادی و مقاومت حرارتی عالی لازم است، به بازار معرفی شد. این محصول به شکل لیف (رشته‌های پیوسته) و صفحه (کاغذ و تخته) وجود دارد. محصولات نامکس در لباس‌های محافظ، فیلترگازهای داغ، شلنگ‌های خودرو، عایق‌های الکتریکی، قطعات هواپیما و وسایل ورزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تلفیق پیوند قوی در جهت طولی و نیروی ضعیف در جهت عرضی زنجیرهای پلیمری رفتار لیفی جالب توجهی به‌وجود می‌آورد. وقتی الیاف بصورت یک حلقه خم می‌شوند، درون حلقه پیچ می‌خورد. این خواص انحصاری الیاف به کامپوزیت منتقل می‌شود. چند لایه‌های با الیاف تک جهته به عنوان مثال از کولار-‌اپوکسی، در جهت طولی الیاف، محکم و قوی هستند ولی در جهت عرضی ضعف دارند. استحکام فشاری این الیاف کمتر از استحکام کششی آن‌ها بوده و خمیدگی تحت بار فشاری در آن‌ها یک مشکل محسوب می‌شود[15و16].
همچنین محصولات با نام تجاری نامکس دارای زنجیرهای مولکولی سخت و بلند هستند که از پلی‌متافنیلن‌ دی‌آمین تولید می‌شود که در اثر حرارت ذوب نمی‌شود و جریان نمی‌یابد. تخریب و زغال گذاری این ماده که از نظر شیمیایی و حرارتی بسیار پایدار است، تا دمای 350 درجه سانتی‌گراد ادامه پیدا می‌کند.
بطور خلاصه نامکس ویژگی‌های ذیل را داراست:
– مقاومت شیمیایی
– جمع شدگی46 حرارتی پایین
– شکل‌پذیری قطعات قالب‌گیری شده
– ازدیاد طول شکست پایین

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

– هدایت حرارتی پایین
– رنگ زرد الیاف کولار ناشی از سیستم الکترون
– مقاومت حرارتی و شعله
– مقاومت بالا در برابر
کامپوزیت‌های آرامیدی عایق هستند و در تماس با فلزات جریان الکتریسیته تولید نمی‌کنند. درحالیکه رفتار کششی آنها خطی است و شکست در تنش‌های بالا اتفاق می‌افتد، رفتار فشاری و خمشی کامپوزیت‌های آرامیدی، به صورت نرم بوده و استحکام نهایی آن‌ها از کامپوزیت‌های الیاف شیشه و کربن کمتر است[7].
می‌توان الیاف آرامید را به همراه شیشه و کربن در ساخت کامپوزیت‌هایی با پارچه‌های هیبریدی استفاده کرده و از خواص انحصاری هر دو نوع الیاف بهره برد. با بکار بردن ترکیبی از الیاف در یک کامپوزیت، می‌توان به نتایج مطلوب از نظر خواص و مسایل اقتصادی دست یافت. این نوع کامپوزیت را کامپوزیت هیبریدی می‌نامند[3و7].
2-2-4- الیاف طبیعی
الیافی که از منابع طبیعی مانند معادن، حیوانات و گیاهان بدست می‌آیند، در گروه الیاف طبیعی قرار می‌گیرند. مصریان باستان از کامپوزیت‌های الیاف طبیعی آجر، ظروف سفالی و قایقهای کوچک می‌ساختند. یک قرن پیش، تقریباً تمام وسایل و بسیاری از محصولات فنی از الیاف طبیعی ساخته می‌شد. پارچه، طناب، کرباس و کاغذ از الیاف طبیعی مانند کتان، شاهدانه، سیسال و کنف ساخته می‌شوند[8و9].
الیاف طبیعی را می‌توان بر اساس منشا آن‌ها به سه دسته معدنی، حیوانی و گیاهی تقسیم نمود. الیاف معدنی از سنگهای معدنی بدست می‌آیند. به عنوان نمونه می‌توان به آزبست اشاره نمود. آزبست می‌تواند استحکام و سفتی کامپوزیت را بهبود ببخشد ولی استحکام ضربه را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، فرآیند تولید آن مشکل بوده و همچنین به دلیل برخی محدودیت‌ها در زمینه فیزیک بهداشت،امروزه استفاده از این نوع الیاف در بسیاری کشور‌های جهان ممنوع شده است[8و9].
الیاف بدست‌آمده از بافت‌های زنده جانوران در زمره الیاف حیوانی قرار می‌گیرند به عنوان مثال، پشم که از گوسفند اهلی بدست آید و الیاف ابریشم که توسط کرم ابریشم تولید می‌شود دو نمونه رایج از الیاف حیوانی هستند. ابریشم بر خلاف تمام الیاف طبیعی دیگر از قبیل پنبه، کتان و پشم، ساختار سلولی نداشته و روش ساخت آن به روش ساخت الیاف مصنوعی شبیه است. از الیاف حیوانی معمولا در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری استفاده نمی‌شود.
در بین الیاف طبیعی، الیاف گیاهی بیشترین کاربرد را در کامپوزیت‌ها دارند. بر اساس این‌که الیاف از کدام قسمت گیاه برداشت شده‌اند، الیاف گیاهی به سه دسته تقسیم می‌شوند[8و9]:
– الیاف میوه که از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به پنبه47 و نارگیل48 اشاره کرد.
– الیاف پوست یا ساقه که کتان، کنف49 و بوته شاهدانه50 از مهم‌ترین انواع آن هستند.
– الیاف برگ از جمله الیاف سیسال51 و آناناس[13-21].
در شکل (2-7) برخی انواع الیاف طبیعی گیاهی نشان داده شده است. الیاف طبیعی که از قدیم در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گرفته‌اند، از استعداد خوبی برای کاربرد در صنایع رو به رشد کامپوزیت‌های مهندسی دارند. به عنوان مثال اگر چه جایگزینی مستقیم الیاف شیشه با الیاف طبیعی به راحتی امکان‌پذیر نیست، اما خواصی که این الیاف در مقایسه با شیشه از خود نشان می‌دهند در بسیاری جهات موجب برتری آنها می‌شود. از جمله این خواص می‌توان به موارد زیر اشاره داشت[15-25]:
– ‌دارای منابع تجدید شونده
– امکان استحصال نامحدود
– فواید محیطی ناشی از ایجاد تعادل در تولید و مصرف گازهای گلخانه‌ای

– سبکی
– بازیافت بهتر
– کاهش فرسایش ابزار
– افزایش امکان بازیافت انرژی52
– کاهش ناراحتی‌های پوستی و تنفسی
– قابلیت تخریب زیست محیطی
(الف)
(ب)
(پ)
(ت)
شکل (2-7) برخی انواع الیاف گیاهی (الف) الیاف نارگیل به صورت نمد (ب) الیاف شاهدانه (پ) الیاف کنف (ت) پارچه بافته شده از الیاف سیسال [11]
اجزا اصلی الیاف طبیعی که در ساخت کامپوزیت‌ها استفاده می‌شوند عبارتند از[11و15]:
– سلولز جامد که یک ساختار میکروبلوری با نواحی کریستالی و آمورف تشکیل می‌دهد.
– لیگنین یک ترکیب حلقوی است که بیشتر حالت سه بعدی داشته و جرم مولکولی آن نیز بالاست. این ماده فقط در مقادیر جزئی می‌تواند هیدرولیز شود و خواص مکانیکی آن به وضوح پایین‌تر از سلولز است.
– پکتین نام کلی هتروپلی‌ساکاریدها53 است که اصولا شامل اسید پلی‌گالاکتورن54 بوده و تنها پس از خنثی سازی جزئی با قلیا یا هیدروکسید آمونیم می‌توان آن را در آب حل کرد.
– واکس ماده‌ای معدنی است که قابلیت تبدیل به الیاف را داشته و می‌توان آنرا با ترکیبات آلی استخراج کرد ولی در آب غیر قابل حل است.
اصلاح سطح تاثیر مهمی در افزایش خواص کامپوزیت دارد. علاوه بر آن ممکن است حساسیت به رطوبت الیاف را به حداقل برساند و دوام کامپوزیت را بیشتر کند. باید توجه داشت که بدلیل حضور گروه‌های آبدوست در الیاف، رطوبت تأثیر شدیدی روی کامپوزیت‌های الیاف طبیعی دارد. خشک کردن الیاف به هنگام فرآیند ساخت اهمیت فراوانی دارد چرا که رطوبت روی الیاف به عنوان یک عامل جداساز در فصل مشترک الیاف و رزین عمل می‌نماید. به همین جهت تمام روش‌های ساخت در دماهای بالا انجام می‌گیرد. وجود هرگونه رطوبت، باعث کاهش استحکام و سفتی کامپوزیت می‌شود. اغلب الیاف گیاهی، 10 درصد رطوبت اسمی دارند که پس از خشک کردن به 1 درصد کاهش می‌یابد. کیفیت فصل مشترک الیاف و رزین نقش مهمی در تعیین مقبولیت الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی، دارد. به منظور بهبود چسبندگی الیاف و رزین، روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلفی از قبیل اصلاح توسط پلاسما و کرونا، اصلاح توسط تخلیه الکتریکی و استفاده از جفت کننده‌های شیمیایی به‌کار گرفته می‌شود[19-26].
توجه دولت‌ها و مردم به مسائل زیست‌محیطی و لزوم تجدیدپذیری مواد مورد استفاده در صنایع کامپوزیت، مجددا باعث شده است تا کاربرد الیاف طبیعی با استقبال مواجه شود. بازیافت و لحاظ شرایط محیطی برای معرفی کامپوزیت‌های جدید به بازار از اهمیت روز افزونی برخوردار است.
قوانین محیط زیستی و فشار مصرف کننده، باعث شده است که تولید کنندگان مواد و قطعات، اثرات محصولات خود در محیط زیست را در تمام مراحل کار بسنجند. این نکات باعث شده است در سال‌های اخیر کارهای زیادی در ساخت مواد کامپوزیتی بر پایه منابع تجدید پذیر از جمله الیاف طبیعی انجام گیرد. اخیرا صنعت خودروسازی به کاربرد کامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان یک راه خدمت به محیط زیست و در عین حال رعایت مسایل اقتصادی، توجه جدی داشته است. کاربردهای دیگری نیز در صنایع ساختمان در حال پیدایش هستند[26].
2-2-5-سایر الیاف مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری
در برخی کاربردها، الیاف معدنی به عنوان تقویت کننده پلیمرها استفاده می‌شوند. این الیاف به شرط برخورداری از نسبت طول به قطر55 مناسب و چسبندگی کافی با زمینه پلیمری، خواص خوبی به پلیمر می‌دهند. الیاف معدنی به راحتی فرآورش می‌شوند، کمتر می‌شکنند و فرسایش کمی در تجهیزات تولید ایجاد می‌کنند. گاهی اوقات طبیعت شیمیایی این مواد می‌تواند ویژگی‌هایی چون مقاومت در برابر شعله را در کامپوزیت‌های پلیمری ایجاد کند.
علاوه بر محصولات طبیعی مانند ولاستونیت56 و آزبست، الیاف معدنی محصولات مصنوعی مانند کربنات کلسیم ته نشین شده و سولفات کلسیم را نیز شامل می‌شوند. همچنین گاهی الیاف بر پایه اکسید آلومینیم (آلومینا) و بور به منظور ایجاد خواص ویژه در کامپوزیت بکار برده می‌شوند. این مواد نه تنها استحکام خوبی دارند، بلکه دارای خواص هدایت حرارتی و الکتریکی و مقاومت فرسایش نیز هستند[6، 27و28].
در گذشته تنها دو محصول طبیعی معدنی آزبست و ولاستونیت از صرفه اقتصادی برخوردار بوده و به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرند که با مشخص شدن نتایج زیان‌بار استفاده از آزبست، همانگونه که قبلا اشاره شد، دیگر از این ماده در ساخت مواد کامپوزیتی استفاده نمی‌شود. اما ولاستونیت که نسبت به آزبست از خطر کمتری برخوردار است، در طبیعت بصورت سوزنی شکل یافت می‌شود. این ماده پس از استخراج، بصورت پودری سفید رنگ با نسبت‌های مختلف طول به قطر بدست می‌آید. بالاترین نسبت طول به قطر قابل دستیابی در الیاف ولاستونیت 20 به 1 است که باعث افت قابلیت استفاده از این ماده به عنوان تقویت کننده می‌گردد. با این وجود، با انجام برخی اصلاحات سطحی می‌توان چسبندگی این ماده را افزایش داد و با وجود پایین بودن نسبت طول به قطر و بویژه وقتی به همراه الیاف شیشه استفاده شود، ولاستونیت می‌تواند تلفیق خوبی از خواص با یک قیمت معقول را ارائه کند[20و21].
تعدادی از مواد معدنی می‌توانند به روش ته نشینی از محلول به صورت ذرات سوزنی شکل در آمده و به عنوان تقویت کننده‌های تجاری استفاده شوند. از جمله این مواد می‌توان به کربنات کلسیم تهیه شده به روش ته نشینی، سولفات کلسیم، اکسی سولفات و فسفات منیزیم اشاره نمود. نسبت طول به قطر این الیاف از 1 به 20 تا 1 به 100 متغیر است.
2-2-5-1- الیاف آلومینا
آلومینا با فرمول شیمیایی Al2O3 از دیدگاه نظری به عنوان یک ماده با استحکام بالا مطرح است. پیوندهای چند ظرفیتی اشتراکی قوی این ماده، موجب ایجاد بلور‌های محکم با مدول GPa 60 و مقاومت حرارتی بالا می‌شود. در عمل چندبلوری‌های57 آلومینا به عنوان نوعی سرامیک مهندسی مرغوب شناخته می‌شوند. افزودن سایر اکسیدها می‌تواند به فرآورش، تراکم و کنترل اندازه ذرات کمک کند. بسط الیاف پیوسته آلومینا به دو دلیل کند است، اول آن‌که چگالی آن نسبتا بالا است و برای کاربردهایی که ویژه به سبکی نیاز است، جذاب نیست و دوم آن‌که آلومینا مانند شیشه دارای خواص ذوب و ریسندگی مذاب نیست و اصولا تهیه الیاف عاری از حباب از جنس آلومینا بسیار مشکل است[29و30].
2-2-5-2- الیاف بور
بور یک ماده مناسب برای ساخت الیاف با کارایی بالاست. اتم‌های سبک بور لایه‌های ظرفیتی متعددی داشته و به همین علت پیوندهایی با ظرفیت بالا ایجاد می‌نمایند. تولید تجاری الیاف بور، انحصارا به روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) 58 انجام می‌شود که کنترل فرایند در این روش بسیار مشکل است. در این روش فاز بخار بور روی رشته نازکی از یک فلز نسوز (معمولا تنگستن) به قطر 12 میلی‌متر رسوب داده می‌شود. از هالید‌های بور و همچنین هیدرید‌های بور برای انتقال بور به بستر رشته‌ای استفاده می‌شود. در یک سیتم‌هالیدی، هیدروژن برای احیاء‌ هالید به بور استفاده می‌شود و در سیستم هیدریدی، از تخریب حرارتی در فشار پایین استفاده می‌شود[30و31].
قطر رشته‌های بر تولید شده به این روش در محدوده 100 میکرون است و استحکام کششی آنها از 2 تا 4 گیگاپاسکال و مدول الاستیک آن‌ها در محدوده 380 گیگاپاسکال قرار دارد. در مجموع این الیاف خواص بسیار جالبی ارائه می‌دهند اما به دلیل پیچیدگی‌های فرایند تولید، بسیار گران‌قیمت هستند.
2-3- انواع رزین‌های مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری
2-3-1- رزین‌پلی‌استر
رزینهای پلیاستر غیر اشباع بهطور گستردهای در سراسر دنیا استفاده میشوند. زنجیر اصلی پلیمری این رزین دارای اتصالات استری است که از واکنش تراکمی یک ترکیب الکلی چند عاملی و یک اسید چند عاملی مانند گلیکول تهیه میشود. در مثال اخیر بهدلیل استفاده از یک اسید غیر اشباع، پیوندهای دوگانه در فواصل منظمی در زنجیر بوجود می‌آیند (شکل(2-8)). این پیوندهای دوگانه، سایتهای دارای امکان شبکهای شدن توسط استایرن هستند و میتوانند موجب سخت شدن رزین و پخت آن شوند. بنابراین با طراحی فرمول و کنترل اسیدهای اشباع و غیر اشباع، کاتالیستها، دما و زمان واکنش، مجموعه کاملی از رزینها را میتوان تولید نمود که برای کاربردهای مختلف مناسب باشند [31و32].
شکل (2-8) واکنش تشکیل رزین پلی استر غیر اشباع [23]
پلی استر غیر اشباع با استایرن مخلوط می‌شود و میتواند از طریق پیوندهای دوگانه موجود در هر دو جزء، شبکه‌ای شود. معمولا به هنگام مصرف، رزین با استایرن مخلوط است و برای ساخت محصولات با کیفیت از این جنس، به سامانهای شامل اجزای زیر نیاز است:
– سیستم پخت به منظور شروع و تسریع واکنش شبکهای شدن، در دمای محیط یا دمای بالا
– عوامل کنترل جریان پذیری به منظور کنترل جریان رزین و جلوگیری از تراوش کردن رزین در لایه گذاری سطوح عمودی و ریخته گری رزین

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید