4-5- انواع رزینهای پلیمری ترموپلاستیک یا Thermoplastic

1.      نایلون Naylon

2.      پلی اتیلن Polyethylene

3.      ترفتالیت Terephthalate

4.      پلی پروپیلن Polypropilen

5.      پلی وینیل کلراید Poly Vinyle Chloride (PVC)

کیفیت نهایی کامپوزیتها تا حد زیادی بستگی به خواص ماتریس پلیمری آن دارد از جمله ویسکوزیته، نقطه ذوب ، شرایط عمل آوری و ... خواص فیزیکی ماتزیس رزین در فرآیند تولید بایستی در نظر گرفته شود تا المان کامپوزیتی 3 بعدی مورد نظر به دست آید.

Adhesion promoter : عامل افزاینده چسبندگی بین فیبر تقویتی و ماتریس پلیمری رزین می باشد. در صورت عدم وجود فیبر یا الیاف تقویتی آبرفتگی بیش از حد در ماتریس رزین به وجود می آید که منجر به ایجاد ترک در کامپوزیت و عدم تحمل بار خارجی می گردد. فیلرها یا پر کننده ها در این میان می توانند به ماتریس اضافه شوند تا کمی نقش فیبر یا الیاف تقویتی را داشته و جلوی آبرفتگی بیش از حد ماتریس رزین را بگیرد. همچنین استفاده از فیلرها می تواند اصطکاک حجمی را کاهش داده و به ظرفیت باربری فیبرهای تقویتی کمک شایانی نماید. یکی از پارامترهای مهمی که در ساختمان رزین بایستی بدان توجه داشت ویسکوزیته است.

·       ویسکوزیته ماتریس پلیمری با افزایش درجه حرارت معمولاً کاهش می یابد.

·       پسبهای ترموست در مقابل درجه حرارت سخت هستند و با افزایش درجه حرارت به راحتی روان نمی گردند در صورتی که رزینهای ترموپلاستیک در مقابل حرارت ذوب و در اثر سرد شدن مجدد سخت می شوند.

5- نقش پر کننده یا Filler می توان آن را به ماتریس پلیمر اضافه کرد و نقش آن:

1. کاهش هزینه مصرف رزین  Reduce resin cost

2. کنترل آبرفتگی Shirinkage control

3. اصلاح خواص مکانیکی Improve Mechanical properties

4. به تعویق انداختن خسارات ناشی از آتش سوزی Fire retardancy

5. اصلاح انتقال بار Improve load transfer

6. کاهش ترکها در نواحی که فیبر تقویتی وجود ندارد

Reduce craching in unreinforced areas

7. یکی از مزایای مهم استفاده از پر کننده ها، ممانعت از انتشار امواج ماورای بنفش UV inhibitors می باشد رس، کربنات کلسیم، خرده های شیشه را می توان به عنوان پر کننده استفاده کرد.

6- انواع فیبرهای تشکیل دهنده FRP

6-1- فیبر شیشه ای یا Glass-Fiber

اولین فیبر مهم است که در مهندسی عمران استفاده می شود و به خاطر توازنی که بین قیمت و مقاومت آن وجود دارد کاربرد وسیعی پیدا کرده است. انواع آن عبارتند از:

1)     E-Glass : نوعی فیبر شیشه ای که برای کارهای الکتریکی معتبر است.

متداول ترین نوع فیبر شیشه ای موجود در بازار است دارای مدول الاستیسیته E=70Gpa و مقاومت نهایی ….= 1500 to 2500 MPa و حداکثر کرنش نهایی
 ……= 1.8 to 3% دارد.

E-Glass از سیلیکات آلومینیم کلسیم به دست می آید. 80 تا 90 درصد تولیدات GFRP را تشکیل می دهد و کمترین مقدار مواد قلیایی در ترکیب آن به کار رفته است.

2)     Z-Glass : این نوع الیاف مقاومت بسیار زیادی در برابر محیطهای قلیایی دارند و به صورت الیافی برای مسلح کردن بتن آرمه به کار می رود.

3)     A-Glass : نوعی فیبر شیشه ای است که درصد مواد قلیایی به کار رفته در ترکیب آن زیاد است و امروزه از چرخه تولید خارج شده است.

فیبر پر مقاومت S2 و ECR Glass که همان E-Glass اصلاح شده و دارای مقاومت مناسب در برابر اسیدها است.

4)     S-Glass : سیلیکات آلومینیم مغناطیسی است. مقاومت بالا، عملکرد حرارتی مناسب و اصلاح سطحی دارد گرانقیمت ترین نوع GFRP می باشد و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد و بیشتر کاربرد نظامی دارد.

5)     GFRP : از بارو سیلیکات سود آهک به دست می آید. پایداری شیمیایی مناسب در برابر محیط خورنده دارد.

GFRP به اشکال مختلف چون سوزن پانچ ، stiched ، کشبافی شده، چسبیده شده، چند محوره، چند لا می باشد.

مدول الاستیسیته یک رشته منفرد Eglass در حدود 73 Gpa می باشد. ماکزیمم کرنش نهایی آن 5/2 تا 3 درصد می باشد و اگر GFRP در معرض محیط خورنده با PH بالا قرار گیرد روی دوام آن تأثیر گذار است.

6-2- فیبر کربنی یا GFRP

از قیر ارزان می باشد (که از تقطیر زغال سنگ به دست می آید) ولی مدول الاستیسیته پایین دارد  PAN– (….= 2.1% , ….= 765 to 2350 Mpa , E 37.5 to 140 Gpa و ابریشم مصنوعی ساخته می شود. برای تشکیل این نوع فیبر به درجه حرارتی دست کم 1000 …. احتیاج است. اکثر فیبرهای مصنوعی در این درجه حرارت ذوب و تبخیر می شوند ولی فیبر کربنی به دلیل داشتن اکریلیک همچنان باقی می ماند. 3 تیپ دارد:

نوع 1) یا مدول بالا(….=0.5%, ….=2000Mpa, E=380 Gpa)

نوع 2) یا مقاومت بالا (….=1%, ….=2800Mpa, E=240 Gpa)

نوع 3) مقاومت و مدول الاستیسیته بینابین دارد.

عنصر سازنده GFRP گرافین است که در فیبر کربنی دارای ساختار 2 بعدی است. اگر گرافین ساختار 3 بعدی و به صورت 6 ضلعی داشته باشد، بدان گرافیت می گویند که در صنعت مدادسازی از آن استفاده می شود.

Rayon و قیر همسانگرد در ساخت GFRP با مدول پایین (حدود 50GPa) استفاده می شوند که مدول فیبر کربنی با اصلاح حرارتی در درجه حرارت بین 1000 تا …. 3000 افزایش می یابد.

با  PAN  قیر ناهمسانگرد یا  mesophase فیبر کربنی نوع 2 با مقاومت بالا در درجه حرارت حدود … 1500 به دست می آید.

جهت قرار گیری گرافین در راستای فیبر کربن تعیین کننده مدول فیبر می باشد و جهت قرار گیری گرافین روی رطوبت سطحی و چسبندگی با ماتریس نیز تأثیر می گذارد. الیاف کربنی با رزین به خوبی خیس نمی شوند بنابراین اصلاح سطحی بایستی بر روی آنها انجام شود.

نوع خاصی فیبر کربنی به نام Tows متشکل از 1000 تا 200 هزار الیاف یا تار کربنی است.

6-3- فیبر آرامیدی یا AFRP

درانتخاب نوع فیبر بایستی به قیمت، درجه حرارت زمان بهره برداری از آن و دوام و ... توجه داشت. این نوع فیبر از PPDT ساخته می شود و دو شرکت هلندی Akzo Nobel (سازنده نوعی AFRP به نام Twaron) و شرکت فرانسوی Dupont (سازنده نوعی AFRP به نام Kevlar) سازندگان مهم AFRP در دنیا هستند. امروزه 4 نوع الیاف کولار در جهان وجود دارد یکی از آنها به نام 49 Kevlar دارای مشخصات زیر است. (….=1%, ….=2700 to 3500Mpa, E=120 Gpa)مقاومت کششی الیاف کولار 55% مقاومت کششی الیاف شیشه ای و مقاومت برشی آن 180% الیاف شیشه ای است و نتایج آزمایشات نشان می دهد مقاومت کششی الیاف کلوار 10% از مقاومت فیبر کربنی کمتر است و قیمت آن تقریباً نصف الیاف کربنی است با این حال قابلیت کار کردن با الیاف کولار بیشتر از فیبر شیشه ای و کربنی است میلگرد ساخته شده از Kevlar نیز دارای مشخصات زیر است.

(….=1.3 to 3.6%, ….=660 to 3000Mpa, E=41.5 to 147 Gpa)

از خصوصیات AFRP:

1)     صلب بودنو شبیه میلگرد بودن (rigid-rod like)

2)     پایداری حرارتی بالا (high thermal stability)

3)     مقاومت بالا (high strength)

4)     مدول بالا (high modulus می باشد.

مقاومت کششی تحت تأثیر قرار گیری مولکولها است.

مقاومت کششی فیبر پارا آرامید تقریباً 50 درصد مقاومت کششی EGlass می باشد. در اتاق حرارتی رطوبت روی خواص کششی فیبر آرامیدی تأثیری کمتر از 5% دارد. فیبر پارا آرامید در برابر خستگی و گسیختگی خزشی مقاوم است.

خواص فشاری پارا آرامید به صورت غیر خطیمی باشد و رفتار شکل پذیر در فشار دارد. در کرنش 3/0 تا 5/0 درصد تسلیم فشاری رخ می دهد اما معمولاً کمانش قبل از تسلیم فشاری بر اثر kink bond رخ می دهد. فیبر p-aramid پایداری حرارتی بالایی دارد و عملکرد مناسب در درجه حرارت بین ..... 200- تا ...... 200 دارد ولی برای عملکرد طولانی مدت و دوام مناسب نبایستی درجه حرارت بیشتر از ........ 150 گردد. فیبر آرامیدی ضریب انبساط حرارتی منفی دارد و مقاوم در برابر اسیدها و بازها می باشد. خاصیت از هم پاشیدگی اشعه ماورای بنفش UV degration دارد. مقاومت فشاری فیبر آرامیدی به دلیل کمانش کم است لذا برای اصلاح آن از ترکیب آن با فیبر کربن یا شیشه استفاده می شود.

6-4- فیبر وینیولی یا VFRP

6-5- فیبر پلیمری پلی اتیلن با مولکول سنگین

نوع خاصی از این پلیمر را شرکت هلندی DSM به نام Spectra تولید می کند این نوع پلیمر به شکل رشته ای یا به صورت پارچه می باشد. افزایش طول کمی دارد نیاز به اصلاح پلاسما نیز دارد.

7- اشکال مختلف بر اساس نحوه تولید

1) رشته ای: در فرآیند تولید به این روش تحت کشش مستقیم قرار می گیرد.

2) رشته های به هم بافته:الیاف به هم بافته عموماً بر هم عمود بوده، زاویه 0 و 90 یا 45 ± با هم می سازند. واحد اندازه گیری وزن واحد سطح است.

3) ورقه های گسترده: پس از بافته شدن به کمک تسمه نقاله از بین رزین ترموست (عمدتاً پلی استر یا وینیل استر) عبور داده می شود و رزین گرم FRP را به صورت منسجم در می آورد.

4) روش تولید ترکیبی

5) تولید به صورت پارچه ای

8- روشهای تولید کامپوزیت FRP

8-1- بافتن رشته ها به هم یا Filament winding

الیاف یا رشته های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر دوار مطابق شکل 7 پیچانده می شود در این حین ماتریس رزین پلی استر، وینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار که رشته های فیبر به دور آن تابیده می شود دمیده شده و یا فیبرها ترکیب می شود تمامی این فرآیند برای به دست آمدن FRP با کیفیت مناسب با کمپیوتر کنترل می شود.

موارد مصرف FRP تولیدی به این روش 1) در لوله سازی 2) ساخت لوله های تحت پیچش 3) بدنه و جداره موشک 4) بطری ها و شیشه های تحت فشار 5) تانکهای ذخیره 6) فیوز تأخیری هواپیما و ... می باشد

8-2. فرایند پلتروژن یاPultrusion با این روش لمنیت ها یا ورق های پوششی با مقطع عرضی و طول معین ساخته می شود در این روش حین کشیدن نوار فیبر ماتریس که معمولاً پلی استر یا وینیل استل می باشد با گرمای الکتریکی به کمک روغن داغ به فیبر اضافه می شود و اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری وجود دارد.

8-3. روند تولید از طریق فرایند فشرده سازی در خلأ

در این روش وزن هوای بین لایه های FRP مانع از تشکیل آن می گردد بنابر این بر اثر پرس و فشار اعمالی بایستی هوای محبوس خارج شود تا ورق پوشی FRP یا لمینیت شکل گیرد.

یک یا چند لایه با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین به یکی از روشهای موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می شود.

8-4- فرآیند تولید به وسیله قالب گیری متناسب

این روش خود به 2 صورت برای تولید FRP به کار برده می شود.

1-   بکار بردن قالب انتقالی رزین یا RTM

2-   به کار بردن قالب مرکب ورقه ای

کامپوزیتهای FRP تولیدی به این روش خاصیت شبه ناهمسانگرد دارد.

9- عوامل مؤثر در خواص یک محصول تولیدی

1- حجم و نوع فیبر و رزین کاربردی

2- جهت قرار گیری فیبرها

3- تأثیرات ابعادی

4- کنترل کیفیت در زمان تولید