دو مطلب در مورد Wood-Plastic Composite  و  pigmentation  رو از لینک های زیر می تونید دانلود کنید.

دانلود کنید...

Wood-Plastic Composite 8.546kb

pigmentation    611kb

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، اجزاء کربنی باقی می‌مانند. مهمترین شکل الیاف کربن، پارچه است که در بافتهای مختلف وجود دارد.
اگرچه اکثر الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت از جنس شیشه می‌باشد ولی مدول آن نسبتا پایین است. در سالهای پیش تلاشهای زیادی انجام گرفت تا تقویت کننده‌های جدیدی با تبدیل حرارتی الیاف آلی به الیاف کربن ساخته شود.

الیاف حاصل به سرعت کاربرد وسیعی در کامپوزیتهای فنولیکی به منظور استفاده در عایقهای فداشونده در صنایع نظامی پیدا کرد. مشخصه الیاف کربن، سبکی، استحکام و سفتی بالا می‌باشد. همه انواع الیاف کربن از پیرولیز الیاف آلی در یک محیط خنثی بدست می آید. سه منبع مهم عمده برای ساخت الیاف کربن وجود دارد:

پلی اکریلونیتریل (pan) رایون و قیر

طرز تهیه:

کوپلیمر متیل اکریلات و ایتاکونیک اسید

اکسیداسیون الیاف اکریلیک، به منظور تثبیت شکل الیاف به هنگام فرآیند کربنیزه کردن است.

اولین مرحله در تولید الیاف کربن با استفاده از PAN شامل کشش و اکسیداسیون می‏باشد در این مرحله ابتدا الیاف تحت گرما بین 1300 - 500 درصد کشیده می‏شوند که این امر باعث آرایش‏‏‏یابی بهتر زنجیره‏های ملکولی در جهت الیاف می‏شود. سپس در حالیکه هنوز الیاف تحت تنش هستند در مجاورت هوا تا دمای°C 280 - 200 برای چند ساعتی حرارت داده می‏شوند این امر باعث جابجایی درون ملکولی و تشکیل زنجیره‏های نردبان مانند می‏گردد. در این مرحله عمل اکسیداسیون نیز صورت می‏گیرد و تقریباً بیشتر گروههای CH₂ اکسیده می‏شوند. در مرحله بعد الیاف اکسیده شده، با حرارت دادن در دمای°C 1200-900 و در محیط خنثی (تحت گاز نیتروژن یا آرگون) کربونیزه می‏شوند. تنش وارده به الیاف از جمع‏شدگی (shrinkage) آنها جلوگیری می‏کند و به آرایش ملکولی بهتر کمک می‏نماید. در این مرحله با حذف بیشتر اتمهای اکسیژن و نیتروژن، الیاف عمدتاً حاوی اتمهای کربن خواهند بود که در حلقه‏های شش وجهی مستقر در صفحات نسبتا موازی قرار گرفته‏اند. الیاف حاصل از این مرحله عمدتا متخلخل‏اند و دانسیته الیاف در این حالت حدود g/cm3 74/1 می‏باشد. الیاف حاصل از این مرحله دارای مدول نسبتا کم و استحکام بالا می‏باشند.

در مرحله سوم عمل اصلاح حرارتی (heat treatment) بر روی الیاف مرحله دوم در محیط خنثی و در دمای °C2800 صورت می‏گیرد که نتیجه آن نظم بیشتر ساختمان کریستالی الیاف می‏باشد. این مرحله را گرافیته‏کردن می‏نامند ودر این مرحله با کاهش میزان تخلخل الیاف دانسیته آنها تا g/cm³2 افزایش می‏یابد و الیافی با مدول بالا اما استحکام کششی کمتر از مرحله دوم بدست می‏آیند. راندمان تولید الیاف با استفاده از PAN حدود 50% می‏باشد.

شکلهای مختلف الیاف از قبیل رشته، پارچه و الیاف کوتاه از این ماده وجود دارد.

در ابتدا دو نوع الیاف کربن با پایه pan وجود داشت که استحکام و مدول آنها با هم تفاوت داشت:
الیاف کربن با استحکام بالا (strength ( Highیا HSکه از فرآورش در دمای ^OC 1500 بدست می‌آمد و بعنوان نوع دو درجه‌بندی می‌شد.
با افزایش دمای فرآورش، مدول نیز افزایش می‌یافت و نوع مدول بالای این الیاف (Modulus High ) یا HM که نوع یک درجه بندی می‌شد در دمای بالاتر ازدو هزار و پانصد درجه تولید می‌شد.
با اعمال کمی کشش و افزایش آرایش یافتگی و با کاهش قطر الیاف از 7 به 5 میکرومتر، استحکام و مدول الیاف افزایش می‌یابد. این الیاف، الیاف با مدول متوسط (modulus Intermediate) یا IM نام دارد. در جدول زیر برخی خواص این الیاف مشاهده می‌شود.

pitch) itaconic ) یک ماده اولیه تولید الیاف کربن می‌باشد. 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 را کنترل می‌کنند و هرچه بیشتر باشد مدول لیف نهایی بالاتر است.
مراحل تولید الیاف کربن در این روش عبارتند از :کوپلیمریزاسیون، اکسیداسیون، کربنیزه کردن و گرافیته کردنc 200 انجام می‌شود. این کار اجازه می‌دهد آرایش القا شده به هنگام کشش در الیاف حفظ شود.c 2500 انجام می‌گیرد.filamant winding )، پلتروژن و فرآیند پاشش رزین (spray up)
2-‌ پیش آغشته (prepreg) تک جهته برای لایه گذاری
3-‌ الیاف خرد برای تزریق یا قالبگیری فشاری
4‌-‌ نوار پیوسته برای پلتروژن
5-‌ پارچه بافته برای قالبگیری انتقال رزین (RTM) یا لایه گذاری
دو نوع مختلف الیاف کربن در شکل دیده می‌شود: الیاف کربن تولید شده، ذاتا چسبندگی کافی به پلیمرها ندارند و اگر به همان صورت استفاده شوند، خواص تقویت کنندگی خوبی نشان نشان نمی‌دهند. بنابراین اصلاح سطح یک مرحله ضروری در آماده سازی الیاف می‌باشد.
روشهای مختلفی برای اصلاح سطح الیاف کربن وجود دارد، ولی معمولا اکسیداسیون آنودیک در یک الکترولیت آبی مانند بی کربنات آمونیم، ترجیح داده می‌شود. اکسیداسیون پلاسما نیز بکار می‌رود ولی به لحاظ تجاری رایج نشده است.
معمولاَ الیاف کربن موجود در بازار اصلاح شده است ولی در موارد خاص می‌توان الیاف بدون اصلاح سطح نیز تهیه کرد.

منبع:

http://www.irancomposite.net

تولید و مصرف فیلامنت های مصنوعی (سنتیتیک) از ???? تجاری شد و امروزه سهم قابل توجهی از الیاف مصرفی را شامل می شود.

تولید و مصرف فیلامنت های مصنوعی (سنتیتیک) از ???? تجاری شد و امروزه سهم قابل توجهی از الیاف مصرفی را شامل می شود. این الیاف، دارای اختلافاتی با الیاف طبیعی هستند، اما به دلیل امکان آمیزه کاری و اختلاط دو یا چند پلیمر، علاوه بر اینکه روشی اقتصادی برای به دست آوردن الیاف جدید با خواص مطلوب است، ترفندی کاملا شناخته شده برای دستیابی به یک سری خواص ویژه بدون نیاز به سنتز پلیمر جدید است. الیاف سنتیتیک اغلب به روش اکستروژن که عبارت است از خروج با فشار محلولی غلیظ (با غلظتی مانند عسل) از سوراخ های کوچکی به نام رشته ساز تولید می شوند که رشته های یکسره نیمه جامد پلیمری را ایجاد می کنند. از جمله روش های مهم تولید الیاف مصنوعی، ذوب ریسی، خشک ریسی، تر ریسی و ژل ریسی است. در خشک ریسی و تر ریسی، ماده ای جامد در حلال حل شده که یا توسط دمش هوای گرم تبخیر شده و یا در آب از ماده اصلی جدا می شود که در صورت استفاده از ماده تبخیر شدنی، از خشک ریسی و در صورت سنگین بودن حلال، از روش های تر ریسی استفاده می کنیم.

? ترریسی

مایع مخلوط حلال غیرقابل تبخیر و ماده اصلی الیاف، از یک پمپ و یک هم زن عبور می کند. سپس، وارد رشته ساز شده و پس از عبور از استخر انعقاد، با غلطک پیچیده می شود. اکریلیک، ریون، آرامید، موداکریلیک و اسپاندکس را می توان با این روش تولید کرد.

? خشک ریسی

در این روش، محلول الیاف از پمپ و رشته ساز عبور کرده و از تونل هوای گرم رد می شود. سپس، حلال آن تبخیر شده و الیاف باقی می ماند. این روش به علت دشواری اجرا، اغلب قیمت بیشتری دارد. از این فرایند می توان در تولید استات، تری استات، اکریلیک، موداکریلیک، PBI، اسپاندکس و وینیون (Vinyon) استفاده کرد.

? ذوب ریسی

این روش، مربوط به الیافی است که تا درجه حرارتی خاص، مذاب شده و در صورت خنک شدن، به حالت اولیه بازمی گردند. الیافی همچون نایلون و پلی استر، از این دسته الیاف هستند که به آنها، گرما نرم یا ترموپلاستیک می گویند. هوای خنک، الیاف مذاب عبور کرده از رشته ساز را جامد کرده و به حالت اول ولی رشته رشته درمی آورد. نایلون، الفین، پلی استر، Saran و Sulfar با این متد تولید می شوند.

? ژل ریسی

ژل ریسی، فرایندی خاص برای به دست آوردن الیاف با استحکام زیاد و یا خواص ویژه الیاف است. طی مرحله اکستروژن، پلیمر به صورت حالت محلول واقعی نیست. مولکول های پلیمر، مانند محلول واقعی کاملاً گسسته نیستند بلکه رشته های آنها با یکدیگر در نقاط زیادی به هم متصلند تا حالتی از مایع کریستال را بسازند. این مسئله، منجر به نیروی زیاد داخل زنجیره ای شده که باعث می شود استحکام و Tensile strength رشته حاصله به طور مشهودی افزایش یابد. علاوه بر این، با نیروی کشش طی اکستروژن، کریستال های مایع در طول محور الیاف، در یک خط قرار می گیرند. در نتیجه، رشته ها با درجه بالایی از همسویی غیرمعمول با یکدیگر، از رشته ساز خارج می شوند که این امر باعث تقویت استحکام آنها می شود. این روش می تواند تحت عنوان خشک -تر ریسی نیز تعریف شود چون رشته ها ابتدا از هوا و سپس برای خنک کردن بیشتر از حمام مایع عبور داده می شوند. بعضی از الیاف پلی اتیلن و آرامید با استحکام بالا، با روش ژل ریسی تولید می شوند.

الیاف طبیعی، معمولا دارای مقداری تجعد (پیچ خوردگی و یا موج) در طول خود هستند و به همین دلیل، الیاف حجیم می شوند که از خواص مطلوب آنها به شمار می آید. این خاصیت، کمتر در الیاف مصنوعی دیده می شود. امروزه سعی شده با روش های خاص (تکسچر ایزینگ) که در واقع مجموعه عملیاتی برای مناسب ساختن فیلامنت های مصنوعی (از نقطه نظر زیردست، ظاهر، نوع بافت و...) برای تولید منسوجات است، اقدام به اصلاح خواص الیاف شود.

حجیم بودن الیاف، علاوه بر افزایش میزان پوشانندگی، به قدرت عایق بندی گرمایی منسوجات کمک زیادی می کند. در مقابل، الیاف مصنوعی مثل پلی استر غالباً دارای سطح صاف و همچنین قاعده ای مدور هستند. پارچه هایی که با فیلامنت مصنوعی ممتد بافته می شوند، لغزنده اند و علاوه بر عایق بندی گرمایی کم، قادر به انتقال رطوبت نبوده و به طور کلی، پوشش مطلوبی ندارند. از جمله خواص مناسب الیاف مصنوعی می توان به مقاومت سایشی بالاتر آنها در مقایسه با الیاف طبیعی و در نتیجه سهولت شست و شو و خشک کردن آنها اشاره کرد.

اصولا با کوتاه کردن طول الیاف مصنوعی، خواص آنها به الیاف طبیعی نزدیک تر می شود. برای نزدیک تر کردن خواص الیاف مصنوعی به الیاف طبیعی، معمولا بعد از کوتاه شدن به آنها تجعد داده می شود. به کمک تکسچر ایزینگ و با استفاده از خاصیت ترموپلاستیکی الیاف مصنوعی، می توان ضمن حفظ طول ممتد فیلامنت ها، با ایجاد تغییراتی دائمی به صورت موج، حلقه و یا چین خوردگی، خواص فنریت (افزایش ازدیاد طول تحت یک نیروی ثابت)، انتقال رطوبت، حجم مخصوص (کاهش وزن مخصوص و ازدیاد ضریب پوشانندگی) و عایق بندی گرمایی بالا (ایجاد فضا بین الیاف و در نتیجه محبوس کردن هوا)، کدرشدن سطح نخ (بر اثر نایکنواختی انعکاس نور از سطح آن و کاهش جلای نخ) و زیردست را افزایش داد. مهم ترین الیاف برای تکسچر ایزینگ، عبارتند از: پلی استر، نایلون?، نایلون?? و همچنین به مقدار کمتری پلی پروپیلن. از جمله شیوه های تکسچر ایزینگ الیاف، می توان به تغییر فرم به موازات محور فیلامنت و یا سطح قاعده فیلامنت اشاره کرد. در بحث تغییرات در سطح قاعده لیف، الیاف پروفیلی، توخالی (میان تهی)، الیاف توخالی پروفیلی و الیاف دوجزئی دخیل هستند که به اختصار آنها را توضیح می دهیم.

?) الیاف پروفیلی: الیاف مصنوعی که با سطح قاعده غیرمدور تولید می شوند، الیاف پروفیلی نام دارند. شکل سطح قاعده این الیاف، به فرم روزنه های رشته ساز بستگی دارد. متداول ترین فرم سطح قاعده الیاف پروفیلی، سه پره ای و یا چند پره ای است. با افزایش تعداد پره ها، از جلا و درخشندگی لیف کاسته شده و بر حجم هوای محبوس بین الیاف، افزوده می شود.

?) الیاف دوجزیی (Composite و یا Conjugate): با مطالعه تفاوت مورفولوژیکی (ساختمان فیزیکی) اجزای مختلف پشم که باعث پیچ خوردگی در طول لیف می شود، به منظور تولید الیاف مصنوعی دارای فرم مارپیچی و ایجاد تشابه مابین الیاف مصنوعی و پشم، از پلیمرهای متفاوتی در تولید الیاف استفاده می شود که از خواص مهم این محصولات می توان به زیردست و قدرت عایق بندی گرمایی و ... اشاره کرد. در تولید این گونه الیاف، از آمیزه های امتزاج ناپذیر یا در واقع، آمیزه ای که انرژی آزاد اختلاط آن (?G>?) مثبت بوده و در تمامی ترکیب ها، غلظت ها و درجه حرارت ها، دو یا چند فازی است و یا آلیاژ پلیمری که آمیزه ای است امتزاج ناپذیر و از طریق سازگار کردن سطح مشترک، ریزساختار بسیار ریز و اصلاح شده ای دارد، استفاده می شود.

?) الیاف میان تهی: الیاف میان تهی که زیرمجموعه ای از الیاف دوجزئی هستند، توسط رشته سازهایی با منفذهای بخصوص تولید می شود. با توجه به فرم رشته ساز، ممکن است لیف میان تهی یک و یا چند منفذ در سطح مقطع خود داشته باشد. سطح مقطع این نوع لیف، ممکن است مدور و یا غیرمدور باشد. اگر سطح قاعده لیف میان تهی غیرمدور باشد، آن را میان تهی پروفیلی می نامند.

کانال های به وجود آمده در لیف، باعث افزایش حجم و کاهش وزن مخصوص لیف می شوند. خلاصه دیگر خواص الیاف میان تهی در مقایسه با الیاف معمولی عبارتند از:

ـ ضریب پوشانندگی و حجم بیشتر

ـ زیردست بهتر

ـ انتقال بهتر عرق بدن، ظرفیت بیشتر جذب رطوبت

ـ قدرت عایق بندی گرمایی بالاتر

ـ الیاف پلی پروپیلن و الیاف پلی استر از جمله الیاف پرمصرف در صنعت هستند. لذا با توجه به بازار رو به رشد الیاف پلی استر و جذابیت بررسی آنها، در ادامه به بررسی این نوع الیاف خواهیم پرداخت.

? الیاف پلی استر

پلی استر، اولین بار توسط «کاروترز» که برای شرکت Dupont کار می کرد، به عنوان پلیمر معرفی شد. در واقع، او کشف کرد که از ترکیب الکل ها و کربوکسیلیک اسیدها، می توان به طور موفقیت آمیزی به الیاف دست یافت. گروهی از دانشمندان انگلیسی در ???? تحقیقات کاروترز را دنبال کرده و در ???? موفق شدند اولین الیاف پلی استر را با نام تریلن[?] تولید کنند. سپس، شرکت Dupont در ???? تمام حقوق قانونی مربوط را خرید و الیاف پلی استری را با نام Dacron به بازار معرفی کرد.

در ???? الیاف پلی استر دیگری با نام Kodel توسط Eastmen Chemical products معرفی شد و به همین ترتیب، بازار الیاف پلی استر گسترش یافت. از آنجا که این الیاف ارزان قیمت و با دوام بودند، کارخانه های نساجی بسیار کوچک، به سمت استفاده از آنها حرکت کردند. به تازگی پلی استر به عنوان پلیمری با زنجیرهای بلند که از حداقل ??درصد وزنی یک استر و همچنین یک دی هیدریک الکل و یک ترفتالیک اسید تشکیل می شود، تعریف شده است. علت انتخاب نام «پلی استر» به دلیل وجود اتصال های تکراری مونومرهای استری در این الیاف است. استرها نیز از واکنش الکل و کربوکسیلیک اسید تشکیل می شوند.

پلی استرهای مختلفی در بازار وجود دارند که دو نمونه از آنها، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی ?و?- سیکلوهگزیلن دی متیلن (PCDT) است.

? ویژگی های الیاف پلی استر:

ـ استحکام

ـ مقاومت به اکثر مواد شیمیایی

ـ مقاوم در برابر چین خوردن

ـ مقاوم در برابر سایش

ـ شست و شوی آسان

ـ مقاومت در برابر کشیدگی و انقباض

ـ خشک شدن سریع

ـ مقاوم در برابر کپک زدن

ـ قابلیت خوب در شکل گرفتن با حرارت و اتو

? کاربرد

به دلیل کیفیت مطلوب الیاف و پارچه های پلی استر، این مواد دارای کاربردهای مختلفی هستند. پلی استر به دلیل سختی و دوام بالا، اغلب به عنوان تن پوش و لباس مورد استفاده قرار می گیرد. پلی استر، لیفی مستحکم است که در برابر حرکت های سنگین و مستمر، مقاومت می کند. خاصیت آب گریز آن باعث می شود تا به عنوان ماده ای ایده آل در محیط های خیس یا نم دار مورداستفاده قرار گیرد. از آنجا که پلی استر می تواند به هر شکلی قالبگیری شود، خواص عایقی معینی را می توان در آن ایجاد کرد که یکی از این روش ها، ساخت الیاف توخالی است. این فرایند باعث در تله افتادن هوا درون الیاف می شود که توسط بدن انسان گرم می شود. این هوای گرم در درون الیاف باقی می ماند و باعث گرم کردن بدن در هوای سرد می شود. روش دوم، استفاده از الیاف پیچ خورده در محصولی پرشده با الیاف است. پیچ خوردگی ها به نگه داشتن هوای گرم کمک می کنند. لذا پلی استر، لیفی ایده آل برای کاربردهای اینچنینی است و از آنجا که شکل خود را حفظ می کند، در نقطه مقابل پنبه و پشم که با مرور زمان خاصیت خود را از دست داده و قابلیت به دام انداختن هوای گرم را از دست می دهند، قرار می گیرد. پلی استر، علاوه بر مصرف در پوشاک دارای کاربردهای صنعتی مختلفی است که از آن جمله می توان به استفاده در فرش، فیلترها، رگ های مصنوعی، طناب، فیلم و منسوجات خودرویی اشاره کرد.

ـ لباس: قابلیت استفاده در هر نوع لباس

ـ لوازم خانگی: فرش، پرده، پارچه، رویه بالش، پوشش دیوار و مبلمان

ـ سایر کاربردها: قطعات داخل خودرو، شیلنگ آتش نشانی، تسمه های قوی، طناب و تور، نخ دوزندگی، نخ تایر و...

? تنوع در پلی استر پایه

با انجام هر یک از عملیات زیر، می توان به پلی استرهای مختلفی دست یافت:

ـ افزودن عامل کدرکننده: پلی استر به طور طبیعی، لیفی روشن یا درخشان است، اما با افزودن TiO? می توان آن را کدر یا نیمه کدر کرد.

ـ کشش بیش از حد الیاف: کشیدگی این الیاف تا ?برابر طول اولیه آنها، امری طبیعی است، اما می تواند حتی بیشتر از این هم کشیده شود. ضمناً کشیدگی بیش از حد طبیعی بر روی استحکام، الاستیسیتی و قابلیت رنگ پذیری الیاف تاثیر می گذارد.

ـ افزودن مواد رنگی: پلی استر در حالت طبیعی، تقریباً سفید شفاف است. با افزودن مواد رنگی می توان رنگ های براق متنوعی را در آن ایجاد کرد.

ـ پیچیدگی: زمانی که الیاف کشیده می شوند، بلند و صاف هستند. پیچ خوردگی می تواند ماهیت منسوج و توده ای بیشتری به الیاف داده و خواص عایقی آن را همانند خواص الاستیک آن، افزایش دهد.

ـ تغییر شکل سوراخ رشته ساز: ساده ترین و متداول ترین شکل سوراخ ها، مدور است، اما با تغییر شکل اسپینرت، می توان به الیاف چهارگوش، بیضی و حبه ای دست یافت. ضمناً یکی دیگر از این قابلیت ها، تولید الیاف توخالی است.

? تاریخچه الیاف توخالی

الیاف توخالی برای اولین بار در ???? از جنس ویسکوز رایون با نام سلتا[?] ساخته شد که البته چندان موفق نبود. در طول جنگ جهانی دوم، الیاف توخالی ویسکوز رایون توسط کمپانی دوپوند با عنوان بودلفیل[?] ساخته شد. بعدها تحقیق در این زمینه ادامه یافت. اولین موادی که به عنوان الیاف توخالی غشایی استفاده شدند، استات سلولز صابونی شده و کوپرفان بودند. سپس الیاف تابیده شده سلولز بر پایه آمونیوم مس تولید شدند. تحقیقات در زمینه الیاف توخالی از جنس کوپرفان در ???? توسط «هینزراک» انجام گرفت و طرح تولید آن به وسیله دستگاه ریسندگی ارائه شد.

برای ایجاد غشای الیاف توخالی، محلول ریسندگی متشکل از یک پلیمر اصلی به عنوان دیواره و برای فرم دادن لیف توخالی، یک افزودنی برای تسهیل جدایی فازی محلول ریسندگی، یک پلیمر دوم به عنوان قسمت داخلی یا هسته، حلال سازگار با هر دو پلیمر و یک افزودنی به صورت ذرات بسیار ریز غیرقابل حل در حلال و دارای توزیع یکنواخت در محیط مایع به منظور ایجاد تخلخل، استفاده می شد. بعد از آن، به جای هسته از جنس پلیمر دوم، از محلول انعقاد داخلی استفاده شد؛ یعنی سیال در قسمت درونی لیف تزریق می شد. امروزه، امکان تزریق گاز به عنوان هسته وجود دارد. در انتهای تولید لیف، مرحله ای برای خروج و حذف ذرات ریز معدنی یا آلی به صورت غوطه ور کردن غشای لیف توخالی در حلال، به کارگرفته می شود. امروزه، تولید این الیاف با روش های گوناگون، از جمله کواکستروژن دو پلیمر به عنوان پوسته و هسته و حل کردن هسته در حلال، استفاده از هسته هوارو تولید الیاف توخالی به روش مستقیم با استفاده از دای های ویژه، امکان پذیر است. این الیاف با فناوری پیشرفته در اندازه ای بسیار ظریف تولید می شوند.

? تعریف الیاف توخالی

الیاف توخالی، الیافی هستند که ناحیه مغزی آنها در طول فرایند حذف شده است و با توجه به شکل لوله ای، توانایی ارائه خواصی متفاوت با الیاف معمولی دارند. محیط در الیاف توخالی، شامل قسمت بیرونی و درونی است و مواد می توانند از این دو ناحیه عبور کنند.

یکی از موارد مهم مصرف الیاف توخالی، اختلاط آنها با الیاف توپر و استفاده از آنها در ساخت مواد منسوج است. امروزه استفاده از این مواد در صنایع خودروسازی نیز رو به رشد است. با مخلوط کردن الیاف پلی استر توخالی با توپر، می توان خواص مطلوبی در محصول تولیدی ایجاد کرد. از جمله این خواص می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

ـ وزن کمتر

ـ حجیم تر شدن

ـ مقاومت و برگشت پذیری بالا در برابر فشار

ـ مقاومت حرارتی بالاتر

ـ کاهش پرزینگی

ـ چرک تاب بودن و سهولت تمیز شدن

ـ ملایم تر شدن جلا

ـ جذب صوت بیشتر

ـ خواص دی الکتریک بهتر

ـ سرعت جذب و دفع رطوبت بالاتر

ـ وزن کمتر: یکی از فواید مهم استفاده از الیاف توخالی به جای الیاف توپر در محصول تولیدی، وزن کمتر است. نتایج آزمایشات نشان داده است که وجود حفره ای به اندازه ?/?قطر خارجی لیف، می تواند وزن آن را بدون کاهش در سختی لیف به اندازه ??درصد کاهش دهد. همچنین، آزمایشات مشابه نشان داده اند که وجود حفره مرکزی که ??درصد سطح مقطع لیف را تشکیل می دهد ?? تا ??درصد وزن لیف را کاهش می دهد و سبب صرفه جویی در مواد اولیه مصرفی می شود.

ـ حجیم تر شدن و قابلیت پوشانندگی بهتر: یکی دیگر از مزایای مهم الیاف توخالی در محصول تولیدی، حجیم تر بودن و نقش پرکنندگی این الیاف است. این خاصیت مهم الیاف توخالی، باعث شده است که از آنها در تولید کیسه خواب، تشک و لایی استفاده شود. آزمایشات نشان می دهند که الیاف توخالی با سطح مقطع دایره ای که دنیر آنها بین ? تا ? و فرکانس موج آنها بین ? تا ?? موج در اینچ و حجم حفره آنها ?? تا ??درصد حجم لیف است، نقش پرکنندگی بهتری نسبت به الیاف توپر دارند. خاصیت پوشانندگی بهتر محصول تولیدی از الیاف نیز ناشی از بالاتر بودن مساحت سطحی در واحد حجم این الیاف است.

ـ مقاومت و برگشت پذیری بالا در برابر فشار: یکی دیگر از خصوصیات مهم الیاف توخالی، مقاومت خمشی و پیچشی بالاتر این الیاف نسبت به الیاف توپر است. آزمایشات نشان می دهند الیاف توخالی دارای ضخامت ?/?تا ? دنیر و حجم حفره ?? تا ??درصد، دارای مقاومت بالا در برابر فشردگی و بازگشت پذیری بالای فشردگی هستند.

ـ مقاومت حرارتی بالاتر: یکی دیگر از خصوصیات مهم الیاف توخالی و محصولات به دست آمده از آنها، عایق بودن حرارتی و مقاومت حرارتی بالای این الیاف نسبت به الیاف توپر است. علت این ویژگی، وجود هوا در حفره میان الیاف است.

ـ کاهش پرزینگی: مقاومت خمشی و پیچشی بالای الیاف توخالی نسبت به الیاف توپر، باعث کاهش پرز در محصول تولیدی می شود.

ـ چرک تاب بودن و سهولت تمیزشدن: نتایج آزمایشات نشان می دهند که محصولات تولیدی از الیاف توخالی با چهار حفره در لیف، گردوغبار را کمتر جذب می کنند. این مزیت باعث شده است که محصولات تولیدی نیاز کمتری به شست و شو داشته باشند. امروزه از این مزیت در ت

لوله های کامپوزیتی

مواد اولیه : الیاف ، رزین ها ، و دیگر پرکننده ها

لوله های FRP با استفاده از تقویت کننده های الیاف شیشه ، رزین های گرما سخت ، مواد linerviel و انواع دیگر افزودنی ها ساخته می شوند . الیاف تقویت کننده معمولا ً از جنس الیاف شیشه E است . مشخصات اسمی الیاف شیشه E عبارتند از سفتی کششی در حدود 72400 مگا پاسکال ، استحکام کششی در حدود 3450 تا 3800 مگا پاسکال و درصد افزایش طول در حدود 4 تا 5 درصد . انواع دیگری از الیاف در این رده عمومی وجود دارند که نیازهای گوناگون مقاومت به خوردگی را برطرف می کنند اما الیاف شیشه E تا حدودی تمام بازار را تحت سلطه خود درآورده است . الیاف تقویت کننده دیگری برای کاربردهای ویژه و شرایط خورنده منحصربه فرد وجود دارد مانند FCR ، C ، AR و جز آن . الیاف تقویت کننده بسته به فرآیند ساخت لوله و تحمل بار مورد نیاز ، تغییر می کنند . الیاف تک جهته تابیده شده ، الیاف کوتاه ، تقویت کننده های رشته ای ، نمد ، الیاف بافته شده و انواع دیگر الیاف درساخت لوله های FRP کاربرد گسترده ای دارند .

درصد وزنی الیاف به طراحی محصول نهایی وابسته خواهد بود . جهت الیاف ، شیوه چیدمان لایه ها روی هم و تعداد لایه های تقویت کننده ، ویژگی های مکانیکی ، سفتی و استحکام واقعی لوله را تعیین می کند . رزین مورد استفاده در ساخت لول? FRP ویژگی های خاص خود را دارد . درحالی که ویژگی های استحکام و سفتی رزین چندین بار کم تر از الیاف است ، رزین نقش اساسی را ایفا می کند . رزین های گرما سخت گروه عمده ای هستند که در ساخت لوله FRP به کار می روند . رزین به عنوان چسب عمل کرده و الیاف را در ساختار لایه ای محصول پخت شده به هم متصل می کند . رزین در برابر خوردگی ناشی از عبور گازها و سیالات از درون لوله مقاومت می کند . مشخصات فیزیکی و شیمیایی رزین ، مقاومت حرارتی که به شکل یک مشخصه که دمای انتقال شیشه ای ، Tg ، نامیده می شود و ویژگی های روش ساخت نقشی کلیدی در طراحی لوله ایفا می کنند . درحالی که رزین های پلی استر ، وینیل استر و اپوکسی قصد تسلط بر بازار لوله های FRP را دارند ، رزین های دیگری نیز وجود دارند که مقاومت به خوردگی منحصر به فردی ایجاد می کنند . پلی استرها اغلب برای تولید لوله هایی با قطر زیاد استفاده می شوند . وینیل استرها مقاومت به خوردگی بیشتری معمولا ً در برابر مایعات خورنده قوی مانند اسیدها و سفیدکننده ها دارند . رزین اپوکسی معمولا ً برای لوله هایی با قطر کم تراز 750 میلی متر و فشارهایی در حدود 8/20 مگا پاسکال تا 6/34 مگا پاسکال استفاده می شوند .
طراحی و تولید لوله های FRP اغلب به اجزای افزودنی نیز نیاز دارد . بیشترین افزودنی ها به شکل دهی رزین های گرما سخت کمک می کنند و همچنین ممکن است برای تکمیل واکنش های شیمیایی و پخت چند لایی مورد نیاز باشند . کاتالیزورها و سخت کننده ها در این دسته قرار می گیرند . پرکننده ها ممکن است به علت مسایل اقتصادی و یا افزایش کارایی استفاده شوند . بعضی از لوله ها به ویژه لوله های گرانشی به شدت به سفتی خمشی بالایی نیاز دارند . در مورد لوله های زیر خاک ، سفتی خمشی با عامل EI اندازه گیری می شود که حاصل ضرب سفتی چندلایی کامپوزیتی E و ممان اینرسی سطح مقطع لوله I است . سفتی چندلایی E را می توان با تغییر جهت الیاف و افزایش حجم الیاف و موارد دیگر افزایش داد . از آنجایی که ممان اینرسی I با توان سوم ضخامت دیوار نسبت دارد ؛ هرگونه کوششی برای افزایش ضخامت دیواره ، ممان اینرسی را به طور چشمگیری افزایش می دهد . در نتیجه بعضی از لوله های گرانشی با افزودن شن در مرحله تولید ساخته می شوند . افزایش شن مای? افزایش ضخامت دیواره و در نتیجه افزایش ممان اینرسی و افزایش عامل EI می شود . این کار افزایش سفتی با استفاده از ماده نسبتا ً ارزان مانند شن نامیده می شود . بنابراین شن می تواند یک افزودنی مهم در ساخت لول? FRP باشد .

چندین روش برجسته در صنعت

لوله های FRP به دو روش اصلی ساخته می شوند : ریخته گری گریز از مرکز و پیچش الیاف . با این وجود روش های بسیار متغیر و بهبود یافته ای در این سالها ایجاد شده است . در روش ریخته گری گریز از مرکز ، الیاف درون یک لول? فولادی قالب قرار داده می شوند . مواد تقویت کننده خشک هستند و در این مرحله به رزین آغشته نمی شوند . لایه چینی ویژه مواد در لوله فولادی به وسیله مهندس طراح و با توجه به کارآیی نهایی مورد نیاز ، مشخص می شود . هنگامی که الیاف در سر جای خود قرار گرفتند ، لوله فولادی با سرعت بالایی آغاز به چرخیدن می کند . رزین مایع در مرکز لوله پاشیده می شود و با توجه به نیروی گریز از مرکز ، تقویت کننده خشک را آغشته می کند . پوسته کامپوزیتی در حال چرخش با استفاده از گرما به لوله ای با سطح داخلی و خارجی صاف تبدیل می شود . سطح داخلی ، اغلب یک سطح هموار و غنی از رزین است .
روش شرح داده شده ، روش ریخته گری گریز از مرکز معمولی و متداول است . الیاف بافته شده ، پارچه و نمدهای سوزنی از مواد ساختاری این روش هستند . درصد وزنی الیاف دراین روش ساخت ، معمولا ً بین 20 تا 35 درصد است . می توان با استفاده از بافت های متراکم تر با افزایش سرعت چرخش برای دست یابی به فشردگی بیشتر به درصد وزنی الیاف بالاتری دست یافت .
برای ساخت لوله های گرانشی با قطرهای زیاد که سفتی لوله یک عامل بحرانی است و به سختی حاصل می شود ، اغلب اوقات از روش بهینه شده ای به نام ریخته گری گریز از مرکز Hobas استفاده می شود . روش Hobas شبیه به ریخته گری گریز از مرکز معمولی است ، افزون براین که برای افزایش عامل EI ، شن نیز به مواد اولیه افزوده می شود . این روش اغلب در قطرهای بزرگ تر از 500 میلی متر استفاده می شود و شن بخش عمده ای از سازه خواهد شد . درصد وزنی الیاف حدود 20 درصد است . درصد وزنی رزین 35 درصد و مقدار شن 45 درصد وزنی است . بنابراین درصد بالای شن باعث افزایش سفتی مقطع I می شود ولی سفتی الاستیک E را افزایش نمی دهد . به خاطر اینکه شن یک ماده ساختاری نیست ، از لول? Hobas به عنوان لوله گرانشی استفاده می شود نه لوله فشاری . در فرآیند پیچش الیاف ، پوسته ای پیرامون یک سنبه چرخان با قطری برابر با قطر داخلی لوله به طور پیوسته پیچیده می شود و به طور کلی در این روش ، تغییراتی ایجاد شده است . در فرآیند پیچش الیاف دو جهته یا مارپیچی ، الیاف تحت زاویه و به صورت مارپیچی روی سنبه پیچیده می شود ، تا هنگامی که تمام سطح پر شود و تعداد لایه های درست روی هم چیده شود . زاویه پیچش معمولا ً در محدوه زاویه بهینه تئوری و بین 55 تا 75 درجه است . طراحی ، زاویه پیچش مناسب را مشخص می کند . این روش بیشترین سفتی E و استحکام را ایجاد می کند ؛ چون الیاف پیوسته هستند نه بریده شده و می توان به درصد وزنی الیاف 60 تا 80 درصد رسید .
یک نسخه بهینه شده این روش ، روش پیچش الیاف پیوسته Drostholm است که برای ساخت لوله های پیوسته نوآوری شده است . در این روش یک سنبه انعطاف پذیر به کار می رود که پس از پخت لوله و حرکت لوله به جلو به جای اول خود برمی گردد . به خاطر اینکه در این روش لایه چینی به صورت کاملا ً مارپیچی امکان ندارد ، پیچش الیاف به صورت حلقه ای 90 درجه انجام می شود و بین لایه های محیطی الیاف کوتاه پاشیده می شود ، ممکن است پرکننده های شنی و الیاف نمدی نیز به کار روند . درهر حال الیاف محیطی بریده شده ساختار اولیه هستند . درصد وزنی الیاف در این روش بین 45 تا 70 درصد است . در حالت ثابت بودن طول لوله که از پیچش الیاف به صورت محیطی به همراه الیاف کوتاه استفاده می شود ، این فرآیند پیچش حلقوی کوتاه Chop-Hoop Winding نامیده می شود . ممکن است از شن نیز در این روش استفاده شود . با این کار درصد وزنی الیاف نیز به 45 تا 65 درصد کاهش می یابد .
ممکن است بر سر این که کدام یک از این روش ها بهینه است ، بحث باشد . با این وجود بحث های فنی کلیدی معمولا ً پیرامون اثر افزایش شن بر روی ویژگی های مکانیکی چند لایی کامپوزیت FRP است . اثرات دراز مدت تحمل بار و رفتار خزشی در حضور پرکننده شنی در سالهای اخیر مورد توجه بوده است .
ملاحظات طراحی و محیطی
طراحی لوله های FRP با توجه به موضوعات هیدرولیکی و شارجریان انجام می شود ؛ چون این مسایل از ملاحظات اساسی در طراحی مؤثر جریان گاز و سیال در سیستم های لوله کشی هستند . لوله های FRP برتری های قابل توجهی نسبت به مواد مرسوم مانند لوله های فلزی و بتنی دارند . به عنوان مثال ، هموار بودن سطح داخلی لوله FRP باعث کاهش مقاومت سیال و انرژی لازم برای جریان یافتن سیال در داخل لوله می شود . به دلیل مقاومت لوله FRP در برابر خوردگی ، با گذشت زمان و استفاده از لوله ، سطح داخلی هموار باقی مانده و مقاومت در برابر خوردگی نیز نقش اساسی در لوله های FRP بازی می کند .
گستره دمایی در طراحی لوله های FRP به نوع کاربرد و نوع ماده ای که در درون لوله جریان خواهد داشت بستگی دارد . لوله های زیرزمینی برای دمای ثابتی که میانگین دمای محیط پیرامون آن ها با توجه به شرایط محلی است ، طراحی می شوند . لوله های سطح زمین چون تحت شرایط باد ، باران ، برف و پرتوهای فرابنفش قرار می گیرند گستره دمایی وسیع تری دارند . در هر دو حالت گستره دمایی براساس آب و هوا و شرایط منطقه ای که لوله در آن نصب می شود تثبیت می شود . این شرایط معمولا ً از محدوده 20 تا 65 درجه سانتی گراد خارج نمی شود . در حقیقت به جز در موارد اندک ، محدوده دمای کاری معمولا ً بین 20 تا 55 درجه سانتی گراد قرار دارد .
با این وجود توجه به دمای سطح داخلی لوله مهم است چون معمولا ً سیال یا گاز در دماهای بالایی بین 52 تا 150 درجه سانتی گراد در داخل لوله جریان می یابد . رزین و لایه آستر درونی اغلب اوقات بر اساس نوع ماده خورنده عبوری از درون لوله و دمای فرآوری آن برگزیده می شود . لوله های FRP را می توان برای بسیاری از کاربردها ساخت .
طراحی لوله FRP هم چنین به شدت ، تحت تأثیر محدوده فشار کاری است ؛ در حالی که بیشتر لوله ها طی عمر کاری خود در معرض فشار داخلی مثبت قرار دارند . بار خلأ نیز می تواند به عنوان یکی از فاکتورهای طراحی لوله ، به ویژه در مورد لوله های زیرزمینی مورد توجه قرار بگیرد . در مورد لوله های گرانشی زیرزمینی ، لوله های FRP اساسا ً بر مبنای سفتی مورد نیاز و با توجه به شرایط خاک ، عمق دفن و فشار خارجی طراحی می شوند .
با این وجود ، اگرچه لوله های گرانشی در رده های متفاوت سفتی طراحی می شوند ولی این طراحی به گونه ای است که لوله بتواند در محدوده فشار روزانه که به وسیله کاربر نهایی مشخص می شود ، به طور موفقیت آمیزی کار کند . دور از انتظار نیست که حتی یک لوله گرانشی FRP هنگام کار تحت فشارهای حدود 8 مگا پاسکال قرار بگیرد . در حقیقت لوله های گرانشی نیز برای تحمل خوب بارهای طولانی مدت طراحی می شوند . لوله های فشاری درواقع بنابر شرایط تحمل بارهای فشاری بلند مدت برای کار پیوسته در خط طراحی می شوند . در نتیجه ، لوله های فشاری FRP اساسا ً برای تأمین استحکام طراحی می شوند تا سفتی ؛ چون در شرایط بارگذاری کوتاه مدت و بلند مدت بارهای فشاری ، بسیار مورد توجه هستند .
بارهای خارجی می توانند به صورت بارهای ناشی از دفن لوله لوله های زیرزمینی ، بارهای خمشی و یا تماسی ، لوله های سطح زمین و یا بارهای حاصل از ترافیک لوله های زیرزمینی باشند . بسیاری از این بارها ممکن است در کارآیی بلند مدت لوله FRP بحرانی باشند و محاسبه جابه جایی ها و تنش های چندلایی تحت بار برای تضمین یک پارچگی سازه در طول عمر مفید مورد انتظار مهم است . بسیاری از راهنماهای طراحی و استانداردها ، طراحی لوله های FRP را از طریق این گونه محاسبات و تأییدیه ها کنترل می کنند .
در برخی از کاربردها که قابلیت اشتعال ، دود ، مقاومت در برابر آتش و سمی بودن مهم هستند ، مقاومت در برابر شعله می تواند از اصول طراحی باشد . از جاهایی که این مسایل مورد توجه هستند ، سکوهای نفتی دور از ساحل است . تولید کننده ها می توانند از رزین های گوناگون مقاوم در برابر شعله و یا لایه های خارجی مقاوم ، برای این منظور استفاده کنند .

کاربرد کامپوزیت ها در صنعت خودرو سازی

صنعت کامپوزیت یکی از صنایع رو به رشد در عرصه مواد مهندسی است. امروزه به خاطر مزایایی که کامپوزیت ­ها نسبت به فلزات دارند ، توسعه زیادی پیدا کرده­اند. از جمله می­توان به کاربرد قطعات کامپوزیتی در صنعت خودرو اشاره کرد.
اکثر قطعاتی که در خودرو کاربرد دارند فلزی هستند ، اما فلزات محدودیت ­هایی دارند که راه را برای استفاده از قطعات کامپوزیت در صنعت خودرو باز کرده است. کامپوزیت­های مورد استفاده در صنعت خودرو بیشتر از نوع کامپوزیت ­های زمینه پلیمری هستند. این کامپوزیت ‌ها از مواد ترمو­ست (گرما­سخت) و ترمو پلاستیک (گرمانرم) تشکیل شده­ اند که توسط الیاف شیشه تقویت می ­شوند.

* مزایا و صرفه ­جویی ­ها

به علت مزایایی که قطعات کامپوزیتی نسبت به قطعات فلزی دارند و صرفه ­جویی ­هایی که در اثر استفاده از آن ها ایجاد می­ شود ، هر روز قطعات بیشتری از خودرو به قطعات کامپوزیتی تبدیل می­شود. در فلزات امکان ریخته­ گری با ضخامتهای کم وجو ندارد. اگر با ورق نیز به شکل ­دهی قطعه پرداخته شود ، دور­ ریز زیاد دارد و ضایعات را زیاد می کند. در صورتی که برای کامپوزیت ­ها این محدودیت وجود ندارد و به خاطر قدرت سیلان بالا می­ توانند تمام قالب را پر کرده و شکل قطعه مورد نظر را کامل کنند.

در زیر به بعضی از مزایا و صرفه ­جویی ­های ناشی از استفاده از مواد کامپوزیت در صنعت خودرو ، اشاره شده است:

1- سبکی:

این قطعات به خاطر وزن مخصوص کم دارای وزن کمتری نسبت به قطعات فلزی هستند. وزن تا حدود نصف و حتی بیشتر کاهش پیدا می­کند. طبیعتاً این کاهش وزن در کاهش مقدار سوخت و استفاده از موتورهایی با قدرت کمتر و کوچک تر موثر خواهد بود. این مساله باعث صرفه ­جویی در مصرف سوخت و در نتیجه کاهش آلودگی می­گردد.

?- خواص مکانیکی بالا:
به همان نسبت که وزن قطعات کم می شود ، مقاومت مکانیکی آنها در ابعاد مختلف افزایش می یابد و به­ طور متوسط در تمام خواص مکانیکی خواص بهتری نسبت به فلزات از خود نشان می­ دهند. این مسئله باعث افزایش عمر قطعات خواهد شد.

3- مقاومت در برابر خوردگی:

بر خلاف فلزات تاثیر مواد نمکی و شیمیایی و اکسید شدن در قطعات کامپوزیتی کم است یا اصلاً وجود ندارد که باعث صرفه ­جویی در هزینه­ های نگهداری و افزایش عمر قطعات می ­شود و استفاده از قطعات در محیط­ های مرطوب را برای مدت طولانی فراهم می ­نماید.

4- سرمایه­ گذاری کم:

بر خلاف قطعات فلزی برای تولید قطعات با استفاده از کامپوزیت­ها سرمایه­­­گذاری کمتری لازم است. به­طور مثال اگر برای تولید یک قطعه از فلز چند قالب لازم باشد ، برای تولید همان قطعه با کامپوزیت ، از یک یا دو قالب بیشتر استفاده نمی ­شود.

5- سهولت تولید:
این قطعات را می ­توان با ماشین آلات کمتر و با سهولت بیشتری نسبت به فلزات و با تعداد بیشتری تولید کرد.

* روشهای تولید

با توجه به­ نوع قطعه و خواص مورد نظر ، در قطعات کامپوزیتی با زمینه پلیمر ، روش ­های مختلفی برای تولید وجود دارد. در زیر به شرح بعضی از آن­ ها پرداخته­ شده است:

1) روش های دستی (Hand Lay-up): که روش پیچیده ­ای نیست و تیراژ پایین دارد. این روش برای قطعات ساده که انتظار بالایی از نظر خواص مکانیکی از آن ها نداریم استفاده می­ شود ، مانند شناورها ، قایق ها، گلدانها و اتاقکها.

2) روش (RTM (Resin Transfer Molding: در این روش یک قالب رزینی وجود دارد که پارچه­ ای از فایبرگلاس در آن قرار می ­گیرد و سپس رزین تزریق می گردد. این روش از دقت و صافی سطح بیشتری نسبت به روش دستی برخوردار است. ولی چون فشار بالا نیست به هم پیوستگی کمتری نسبت به روش SMC دارد. RTM نسبت به روش دستی به سرمایه­گذاری بیشتری نیاز دارد.

3) روش: (SMC (Sheet Molding compound: در این روش ابتدا مواد ترموست (گرماسخت) با الیاف شیشه تقویت شده و سپس بصورت ورق در می آید و سپس تحت گرما و فشار در قالب پرس شده و شکل می گیرد.

4) روش (GMT (Glass Matt reinforced Thermoplastic: در این روش مواد ترمو پلاستیک (گرمانرم) با پارچه ­ای از فایبر گلاس مسلح شده و تحت فشار شکل می ­گیرند.

5) روش (FW (Filament Winding: این روش عمدتاً برای تولید قطعات مدور استفاده می شود که به صورت پیوسته تولید می ­شوند ، مثلاٌ برای تولید لوله ­ها، به دور هسته­ ای استوانه­ ای ، فایبر گلاس آغشته به رزین پیچیده می ­شود و بعد مواد تحت گرما حالت نهایی به خود می گیرند.

6) روش (BMC (Bulk Molding Compound: توده ­ای از خمیر که شامل مواد پلیمری و فایبرگلاس می­باشد ، تحت فشار به قالب تزریق می شود.

7) روش (LFT (Long Fiber Thermoplastic: در این روش مواد ترمو پلاستیک با الیاف شیشه در داخل اکسترودر مخلوط می ­شوند و پس از خروج از اکسترودر تحت فشار ، قطعه شکل نهایی را به خود می­گیرد.

روش­ های SMC و GMT بیشتر در ساخت قطعات در صنعت خودرو کاربرد دارند. امروزه تمام بدنه خودرو از روش SMC تولید می ­شود. به ­طور مثال می ­توان به خودرو رنو مدل spas اشاره کرد که تمام بدنه آن کامپوزیتی است. سپرها ، سینی زیر موتور ، قطعات زیر خودرو (Under body cover) ، سقف خودور ، قاب چراغ­ ها ، سینی جا چراغی ، جای فن و غیره از جمله قطعاتی هستند که معمولاٌ از کامپوزیت ­ها ساخته می ­شوند.

منبع: شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران

الیاف کربن تکنولوژی جدید کامپوزیت ها . . .
 

الیاف کربن نسل جدیدی از الیاف پر استحکام است . این مواد از پرولیز کنترل شده گونه هایی از الیاف مناسب تهیه می شود ؛ به صورتی که بعد از پرولیز حداقل 90 درصد کربن باقی بماند . الیاف کربن نخستین بار درسال 1879 میلادی زمانی که توماس ادیسون از این ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ایجاد روشنایی الکتریکی استفاده کرد ، پای به عرصه علم و فن آوری گذاشت . با این حال درآغاز دهه 1960 بود که تولید موفق تجاری الیاف کربن ، با اهداف نظامی و به ویژه برای کابرد در هواپیمای جنگی ، آغاز شد .  دردهه های اخیر ، الیاف کربن در موارد غیر نظامی بسیاری ، همچون هواپیماهای مسافربری و باربری ، خودروسازی ، ساخت قطعات صنعتی ، صنایع پزشکی ، صنایع تفریحی – ورزشی و بسیاری موارد دیگر کاربردهای روزافزونی یافته است . الیاف کربن در کامپوزیت های با زمینه سبک مانند انواع رزین ها به کار می رود . کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که استحکام و سختی بالا به همراه وزن کم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند ، یگانه گزینه پیش روست . همچنین هنگامی که مقاومت مکانیکی در دمای بالا ، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود ، بازهم کامپوزیت های کربنی بهترین گزینه هستند . با توجه به این ویژگی ها ، پهن? گسترده موارد کاربرد این ماده در گستره های گوناگون فن آوری به سادگی قابل تصور است .

     میزان تولید الیاف کربن از 1992 تا 1997 رشد 200 درصدی در این فاصله 6 ساله داشته که خود نشانگر اهمیت تکنولوژی این ماده است .

     هم اکنون ، ایالات متحده آمریکا نزدیک به 60 درصد تولید جهانی الیاف کربن را به مصرف می رساند و این در حالی است که ژاپن تلاش می کند به میزان مصرفی برابر با 50 درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد . ژاپن به واسطه شرکت صنعتی توری ، خود بزرگترین تولید کننده الیاف کربن درجهان است . هم چنین عمده ترین تولید کننده الیاف کربن با استفاده از پیش زمینه قیر ، ژاپن است .

پیشگویی برای سال 2013 میلادی ...

     سال 2013 است . خودرویی جدید به نام "BLACKBEAUTY  " 100 MPG بدلیل این که ضمن دارا بودن بالاترین کارایی ، به میزان 100 درصد نیز دوستدار محیط زیست شناخته شده ، طرفداران بسیار زیادی دارد . این خودرو پس از انقراض نسل خودروهای فولادی با سازه ای تمام کامپوزیت برپایه کربن متولد شده است . با استفاده از مواد کربنی در ساخت بدنه و سازه های اصلی این خودرو مانند شاسی ، موتور و سیستم های انتقال نیرو ، کاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندک سوخت شده است . این مواد پیشرفته به همراه اندکی فلزات سبک که عمدتا ً در اتصالات به کار می روند ، اقتصاد خودرو را از لحاظ میزان مصرف سالیانه سوخت با انقلابی عظیم مواجه کرده است . این مواد سبک در فریم شاسی ، موتور کاتالیتیک با بازده بالا ، در باتری های لیتیمی و موتورهای الکتریکی ، پانل های بدنه ، مخزن سوخت و مواد پیشرفته نگه دارنده متان که سوخت اصلی خودروست و خلاصه در تمام المان های اصلی که چنین وسیله نقلیه کم مصرف با توانایی های بسیار بالا را می سازد ، به کار رفته است . پانل های بدنه از کامپوزیت های کربنی به روش SMC با سطوح بسیار صاف و آماده رنگ کاری ساخته شده است . فیبریل های کربنی در اندازه های زیر میکرون با ویژگی هدایت الکتریکی ، سطح قطعات پانل های بدنه را به سادگی دارای ویژگی الکترو استاتیک می کنند . از سوی دیگر چون کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کربن از نظر شیمیایی خنثی است به تخریب در برابر پرتو فرا بنفش حساس نیست ، در نتیجه پانل های بدنه به هیچ نوع عملیات پایانی نیاز ندارند . بخش های دیگری که زیاد به آن ها توجه نمی شود ، مانند درموتور ، هوزینگ ها و گیربکس ها تماما ً از کامپوزیت کربنی به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده و جایگزین قطعات سنگین ریخته شده فلزی شده اند . مخزن سوخت ، کامپوزیت کربنی ساخته شده به روش پیچش الیاف است که مملو از کربن فعال و فیبریل های کربنی است که موجب افزایش قابلیت نگهداری گاز مایع در فشارهای پایین می شود . موتور کاتالیتیک از کاتالیست های پوشش داده شده برروی کره ها و لوله های ریز شیاردار کربنی که به کربن توخالی معروف هستند و در واقع نوعی از الیاف کربن سوراخ شده هستند ، استفاده می کند . این واحد مرکزی تولید توان الکتریکی که درواقع قلب سیستم به حساب می آید ، به دلیل استفاده زیاد از فرآورده های الیاف کربن ، قادر است کارایی خود را در دماهای بسیار بالایی که الزاما ً در اثر کارکرد موتور پدید می آید ، به خوبی حفظ کند . این دلیل اصلی بالا بودن غیرمعمول بازده چنین خودرویی است . از سوی دیگر مشکلات مربوط به آن دسته از شکست های قطعات که ناشی از اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی درنسل خودروهای فلزی بود ، به واسطه استفاده از قطعات کامپوزیتی کربنی ، به طور کامل از بین رفته است . مهندسین مواد ، با دست کاری در میزان جهت یافتگی الیاف کربن ، نوع جدیدی از الیاف را ساخته اند که به طور استثنایی دارای هدایت حرارتی یک بعدی بسیار زیادی بوده و بدین وسیله توانسته اند دستگاههای سرمازا را با بازده بسیار بالا در موتور این خودرو به کار برند .

     در سیستم باتری یونی لیتیم / لیتیم از آندهای کربنی و کاتدهای کامپوزیت کربنی استفاده شده است . سیستم جدید تهویه هوا با استفاده از رادیاتورهای پلاستیکی تقویت شده با الیاف کربن ، محفظه های کربنی و فوم های کربنی عایق ، بیشترین شرایط رفاه و آسایش سرنشین را به همراه حذف کامل گازهای ضد ازن ، فراهم آورده است . سیستم GPS تعبیه شده برای ارتباطات ماهواره ای ، تلفن همراه ، دستگاه دورنگار و رایانه های on-board همگی ضمن رعایت طراحی ارگونومیک از قاب های کامپوزیت کربنی که هدایت الکتریکی مناسبی دارند ، بهره می برند .

قرار دادن المان های جهت دار کامپوزیتی بر پایه کربن در جهت اعمال لنگر ، سیستم تعلیق کربنی را در این خودرو به گونه ای ساخته که موجب حذف بسیاری از قطعات سنگین فلزی شده و همین موضوع خود موجب عملکرد بهتر سیستم تعلیق شده است . روتورهای کربنی ترمز و لنت ترمزهای گرافیتی ، وزن مجموعه سیستم ترمز را در راستای عملکرد بهتر ترمز کاهش داده است . رینگ های تقویت شده با الیاف کربن ضمن کاهش وزن موجب سرد کار کردن مجموعه ترمز و درنتیجه بالاتر رفتن ضریب امنیت ترمز می شود . تایرهای با فرمولاسیون پیشرفته شامل فیبریل های کربن و بلوک های کربنی جهت دار به همراه الیاف کربن بافته شده به صورت شعاعی ، ضمن سبکی موجب حذف مقاومت غلطشی تایر و سرد ماندن آنها در طول حرکت می شود . المان های تعلیق ، رینگ ها و تایرهای ساخته شده از الیاف کربن باعث برقراری مطمئن اتصال با زمین و در نتیجه کمینه شدن احتمال آتش سوزی دراثر بارهای الکترواستاتیک و افزایش امنیت و راحتی سرنشین در هنگام سوار و پیاده شدن از خودرو می شود .

     با استفاده روز افزون از الیاف کربن در ساخت خودروهای پیشرفته ، مصرف سالیانه بنزین به سرعت رو به کاهش گذاشته و نیاز به واردات سوخت های فسیلی را که باعث عدم تعادل تجاری می شود به حداقل می رساند . درعوض به منظور گسترش واحدهای تولید مواد کربنی جدید با کاربردهای روبه رشد در ساخت خودروهای کربنی ، میلیون ها فرصت شغلی در کشور پدیدار می شود .

      الیاف کربن را می توان براساس مدول الاستیک ، استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروههای زیر دسته بندی کرد :

     دسته بندی براساس ویژگی ها :

§ الیاف کربن با ضریب کشسانی بسیار بالا ؛ بیشتر از 450 گیگا پاسکال

§ الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا؛ بین 350 تا 450 گیگا پاسکال

§ الیاف کربن با ضریب کشسانی متوسط ؛ بین 200 تا 350 گیگا پاسکال

§ الیاف کربن با استحکام کششی بالا  و ضریب کشسانی پایین ؛ استحکام کششی بیش از 3 گیگا پاسکال و ضریب کشسانی کم تر از 100

§ الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا ؛ بالاتر از 5/4 گیگا پاسکال

     دسته بندی براساس نوع پیش زمینه :

§ الیاف کربن با پیش زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل 

§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی

§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزوفاز

§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر ایزوتروپیک

§ الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ریون ( ابریشم مصنوعی )

§ الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی و

     دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی :

§ الیاف نوع 1 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 2000 درجه سانتی گراد ؛ تولید کننده الیاف HM

§ الیاف نوع 2 ، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتیگراد ؛ تولید کننده الیاف HS

§ الیاف نوع 3 ، دمای عملیات حرارتی کم تر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد ؛ تولید کننده الیاف با ضریب استحکام پایین

ساخت الیاف کربن  :

     درفرهنگ واژگان نساجی آمده است : الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند . اصطلاح الیاف گرافیتی درمورد الیافی به کار می رود که کربن آنها بیش از 99 درصد باشد . انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند . پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتریل ( PAN ) ، الیاف سلولزی ( مانند ریون ویسکوز و پنبه ) ، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ ( Coal tar pitch ) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک .

     الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش زمینه های آلی که به شکل الیاف هستند ، ساخته می شود . در واقع انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن کربن به شکل الیاف می شود . در پژوهش هایی که برروی الیاف کربن انجام شده ، مشخص گردیده که ویژگی های مکانیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت گیری الیاف پیش زمینه و کاهش نواقص موجود در آنها ، بهبود می یابد . بهترین راه برای دست یابی به الیاف کربن با ویژگی های مناسب ، استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدار سازی و کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است .

تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل

     برای تولید الیاف کربن با کیفیت بالا از پیش زمینه PAN و سه مرحله اساسی وجود دارد : 

1-   مرحله پایدار سازی اکسیدی : در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال کشش مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار می گیرد . این عملیات ، PAN گرما نرم را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند .

2-   مرحله کربنیزاسیون : بعد از اکسیداسیون ، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای 1000 درجه سانتی گراد در محیط خنثی ( معمولا ً نیتروژن ) برای مدت چند ساعت ، مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرند . درطی این فرآیند ، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی 50 درصد به نسبت الیاف PAN نخستین ، به دست می آید .

3-   مرحله گرافیتاسیون : بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضریب کشسانی ، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی مابین 1500 تا 3000 درجه سانتیگراد ، موجب بهبود درجه جهت گیری کریستالیت های کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین مایه ی بهبود ویژگی ها می شود .

     تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است که در مورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد .

ساختار الیاف کربن :

     مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاههای میکروسکپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است . برخلاف گرافیت ، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدی است . در الیاف کربن برپایه PAN ، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیدی و متعاقب آن کربنیزاسیون ، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می کند . به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربنیزاسیون در جهت محور طولی الیاف قرار می گیرند . بررسی های اشعه X با زاویه تفرق باز ( Wide angle X-ray ) نشان می دهد که با افزایش دمای عملیات کربنیزاسیون ، ارتفاع انباشتگی و مقدار جهت گیری صفحات اصلی ، افزایش می یابد . قطر منوفیلامنت های PAN تأثیرعمده ای بر نفوذ عملیات کربنیزاسیون در الیاف کربن تولیدی دارد ، به همین دلیل تغییر در ساختار کریستالوگرافی پوسته و هسته هر منوفیلامنت در الیافی که کاملا ً پایدار شده اند ، به وضوح قابل مشاهده است . پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد کریستالیت ها برخوردار است درحالی که هسته ، جهت گیری کم تر صفحات اصلی و حجم کم تر کریستالیت ها را نشان می دهد . 

     عموما ً دیده شده که هرچه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد ، ویژگی های کششی الیاف کربن به دست آمده نیز بیشتر می شود . چنان چه مرحله پایدار سازی به صورتی مناسب انجام گیرد ، در آن صورت استحکام کششی و ضریب کشسانی با کربنیزاسیون تحت کشش ، به مقدار بسیار زیادی در محصول کربنی نهایی بالا می رود . بررسی های انجام شده با دستگاههای پراش پرتوی ایکس و پراش الکترونی نشان داده است که در الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا ، کریستالیت ها پیرامون محور طولی الیاف قرار گرفته اند . این درحالی است که صفحات لایه ای با بیشترین جهت یافتگی به موازات محور الیاف استقرار یافته اند . به طور کلی استحکام الیاف کربن به نوع پیش زمینه ، شرایط فرآیند ، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف ، ارتباط دارد . در الیاف کربن با پیش زمینه PAN و افزایش دما تا 1300 درجه سانتی گراد مایه ی افزایش استحکام می شود ولی پس از 1300 درجه ، استحکام به آرامی کم می شود . این موضوع در مورد ضریب کشسانی نیز صادق است .

     الیاف کربن بسیار ترد هستند . لایه ها در الیاف با اتصالات ضعیف و اندروالسی به هم دیگر متصل شده اند . تجمع فلس مانند لایه ها موجب می شود تا رشد ترک در جهت عمود برمحور الیاف به آسانی صورت بگیرد . در خمش ، الیاف در کرنش های بسیار پایین می شکنند . با تمام این معایب ، الیاف کربن از نقطه نظر مجموع ویژگی های شیمیایی ، فیزیکی و مکانیکی منحصر به فردی که دارد ، در بسیاری از عرصه های مهندسی و علوم در دو دهه اخیر تقریبا ً بدون رقیب مانده است .

کاربردهای الیاف کربن :

     الیاف کربن در موارد صنعتی گوناگونی به کارمی رود که در این جا نمونه هایی از آن ارایه شده است :    

صنعت حمل و نقل

     کاربردهای صنعت حمل و نقل بدین گونه اند : مخازن گاز مایع خودروها ، قطعات موتور ، کمک فنر ، شفت های انتقال نیرو ، ملحقات چرخ و جعبه فرمان ، لنت های ترمز ، بدنه ماشین های مسابقه ، بدنه کشتی ها و فنرهای لول .

 صنایع ساختمانی و معماری

     مواد ساختاری پل ها ، ساز و کار پل های جمع شونده ، تقویت کننده بتن های پرمقاومت ، سازه های باربر ، دیوارهای جداکننده ، سازه های پیش تنیده برای کمک به سازه های بتنی حمل بار ، استفاده در تعمیر ساختمانهای در حال تخریب ، استفاده در جداره داخلی تونل ها برای جلوگیری از ریزش تونل و استفاده در رمپ ها برای جلوگیری از ریزش خاک را می توان از کاربردهای ساختمانی این الیاف دانست .

 صنایع هواپیما سازی و هوافضا

     سازه های داخلی کابین مسافرین اعم از پانل های جداره صندلی ها و میزها ، پوشش ها ، اجزای سازه ای ماهواره ها ، لبه بال هواپیماهای جنگنده ، نوک هواپیماهای مافوق صوت ، نازل موشک های دوربرد و قطعات حساس موتور هواپیماها نیز می توانند دارای الیاف کربن باشند .

 صنایع پزشکی

     الیاف کربن در ساخت استخوان مصنوعی ، اجزای تجهیزات پرتوی ایکس ، صندلی های چرخدار ، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین و دریچه قلب به کار می روند .

 بخش انرژی

     از جمله کاربردهای الیاف کربن در بخش انرژی ، می توان بدین موارد اشاره کرد : باتریهای سوختی ، پره های توربین و پره های آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد .

 صنایع الکترونیک ، تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی

     این کاربردها عبارتند از : قاب رایانه های همراه ، اجزای رایانه ها ، بازوی ربات های صنعتی ، چرخ دنده ها ، غلتک ها ، چرخدنده های پرسرعت ، قطعات خود روغنکاری شونده ، آنتن ها ، مواد عایق الکتریکی ، مخازن تحت فشار ، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن های همراه .

منبع : فصلنامه کامپوزیت

مخازن CNG براساس نوع مواد به‌کار رفته در آنها به چهار دسته عمده تقسیم می‌شوند:
1. مخازن تمام فلزی
2. مخازن فلزی که در قسمت استوانه‌ای مخزن با مواد کامپوزیت پوشش داده شده‌اند
3. مخازن فلزی با پوشش کامپوزیت
4. مخازن پلاستیکی که پوشش کامپوزیتی دارند.
در وسایل نقلیه حساس به وزن بالا، از مخازن نوع سوم و چهارم استفاده می‌شود. در این نوع از مخازن، مواد به‌کار رفته در بوش سیلندر، به نحوی طراحی شده است تا بتواند از نشت گاز جلوگیری کند. در بدنه آنها نیز برای تحمل فشارهای وارده، از مواد کامپوزیتی استفاده شده است.
برای ایجاد استحکام در مخزن کامپوزیت، می‌توان از فیبر ـ کربن، فایبرگلاس یا ترکیب این دو و یک رزین اپوکسی به‌عنوان اتصال‌دهنده، استفاده کرد. مخازن سوخت کامپوزیتی به علت وزن پایین، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر خستگی، بسیار مطلوب هستند، اما عموماً مقاومت کمتری در برابر خرابی ناشی از تصادم یا ضربه دارند. در نتیجه، طول عمر کم یک مخزن کامپوزیتث از جنس فیبر ـ کربن، عاملی مهم است که باعث عدم استقبال از وسایل نقلیه دارای این نوع مخازن می‌شود.
در این مقاله، به بررسی دو روش مهم انجام آزمایش کنترل کیفیت عملکرد مخازن کامپوزیتی پرداخته‌ایم که در حال حاضر در کشورهای صنعتی کاربرد چشمگیری دارند.

ادامه مطلب...

ادامه مطلب...