آشنايي با كامپوزيتها

در كاربردهاي مهندسي، اغلب به تلفيق خواص مواد نياز است. به عنوان مثال در صنايع هوافضا، كاربردهاي زير آبي، حمل و نقل و امثال آنها، امكان استفاده از يك نوع ماده كه همه خواص مورد نظر را فراهم نمايد، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنايع هوافضا به موادي نياز است كه ضمن داشتن استحكام بالا، سبك باشند، مقاومت سايشي و UV خوبي داشته باشند و ....

از آنجا كه نمي توان ماده‌اي يافت كه همه خواص مورد نظر را دارا باشد، بايد به دنبال چاره‌اي ديگر بود. كليد اين مشكل، استفاده از كامپوزيتهاست.

كامپوزيتها موادي چند جزئي هستند كه خواص آنها در مجموع از هركدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنكه اجزاي مختلف، كارايي يكديگر را بهبود مي‌بخشند. اگرچه كامپوزيتهاي طبيعي، فلزي و سراميكي نيز در اين بحث مي‌گنجند، ولي در اينجا ما تنها به كامپوزيتهاي پليمري مي‌پردازيم.

در كامپوزيتهاي پليمري حداقل دو جزء مشاهده مي‌شود:

1.   فاز تقويت كننده كه درون ماتريس پخش شده است.

2. فاز ماتريس كه فاز ديگر را در بر مي‌گيرد و يك پليمر گرماسخت يا گرمانرم مي‌باشد كه گاهي قبل از سخت شدن آنرا رزين مي‌نامند.

تقسيم بندي‌هاي مختلفي در مورد كامپوزيتها انجام گرفته است كه در اينجا يكي از آنها را آورده‌ايم:

خواص كامپوزيتها به عوامل مختلفي از قبيل نوع مواد تشكيل دهنده و تركيب درصد آنها، شكل و آرايش تقويت كننده و اتصال دو جزء به يكديگر بستگي دارد.

از نظر فني، كامپوزيتهاي ليفي، مهمترين نوع كامپوزيتها مي باشند كه خود به دو دستة الياف كوتاه و بلند تقسيم مي‌شوند. الياف مي‌بايست استحكام كششي بسيار بالايي داشته، خواص ليف آن (در قطر كم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نيرو توسط الياف تحمل مي‌شود و ماتريس پليمري در واقع ضمن حفاظت الياف از صدمات فيزيكي و شيميايي، كار انتقال نيرو به الياف را انجام مي‌دهد. ضمناَ ماتريس الياف را به مانند يك چسب كنار هم نگه مي‌دارد و البته گسترش ترك را محدود مي‌كند. مدول ماتريس پليمري بايد از الياف پايينتر باشد و اتصال قوي بين الياف و ماتريس بوجود بياورد. خواص كامپوزيت بستگي زيادي به خواص الياف و پليمر و نيز جهت و طول الياف و كيفيت اتصال رزين و الياف دارد. اگر الياف از يك حدي كه طول بحراني ناميده مي‌شود، كوتاهتر باشند، نمي‌توانند حداكثر نقش تقويت كنندگي خود را ايفا نمايند.

 اليافي كه در صنعت كامپوزيت استفاده مي‌شوند به دو دسته تقسيم مي‌شوند:

 الف)الياف مصنوعي ب)الياف طبيعي

كارايي كامپوزيتهاي پليمري مهندسي توسط خواص اجزاء آنها تعيين ميشود. اغلب آنها داراي الياف با مدول بالا هستند كه در ماتريسهاي پليمري قرار داده شدهاند و فصل مشترك خوبي نيز بين اين دو جزء وجود دارد.

ماتريس پليمري دومين جزء عمده كامپوزيتهاي پليمري است. اين بخش عملكردهاي بسيار مهمي در كامپوزيت دارد. اول اينكه به عنوان يك بايندر يا چسب الياف تقويت كننده را نگه ميدارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شكل ميدهد و تنش را به الياف محكم و سفت منتقل ميكند.

سوم، رفتار پلاستيك ماتريس پليمري، انرژي را جذب كرده، موجب كاهش تمركز تنش ميشود كه در نتيجه، رفتار چقرمگي در شكست را بهبود ميبخشد.

تقويت كنندهها معمولا شكننده هستند و رفتار پلاستيك ماتريس ميتواند موجب تغيير مسير تركهاي موازي با الياف شود و موجب جلوگيري از شكست الياف واقع در يك صفحه شود.

بحث در مورد مصاديق ماتريسهاي پليمري مورد استفاده دركامپوزيتها به معناي بحث در مورد تمام پلاستيكهاي تجاري موجود ميباشد. در تئوري تمام گرماسختها و گرمانرمها ميتوانند به عنوان ماتريس پليمري استفاده شوند. در عمل، گروههاي مشخصي از پليمرها به لحاظ فني و اقتصادي داراي اهميت هستند.

در ميان پليمرهاي گرماسخت پلياستر غير اشباع، وينيل استر، فنل فرمآلدهيد(فنوليك) اپوكسي و رزينهاي پلي ايميد بيشترين كاربرد را دارند. در مورد گرمانرمها، اگرچه گرمانرمهاي متعددي استفاده ميشوند، PEEK ، پلي پروپيلن و نايلون بيشترين زمينه و اهميت را دارا هستند. همچنين به دليل اهميت زيست محيطي، دراين بخش به رزينهاي داراي منشا طبيعي و تجديدپذير نيز، پرداخته شده است.

از الياف متداول در كامپوزيتها مي‌توان به شيشه، كربن و آراميد اشاره نمود. در ميان رزينها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوكسي و فنوليك از اهميت بيشتري برخوردار هستند. در بخشهاي بعدي، رزينها و الياف و روشهاي شكل دهي كامپوزيتها را مورد بحث قرار داده‌ايم.

انواع رزين ها

1- رزين‌پلي‌استر

رزينهاي پلي استرغير اشباع بطور گستردهاي در سراسر دنيا استفاده ميشوند. زنجير اصلي پليمري اين رزين داراي اتصالات استري ميباشد كه از واكنش تراكمي يك تركيب الكلي چند عاملي و يك اسيد چند عاملي مانند گليكول و اسيد فوماريك تهيه ميشود. در مثال اخير بدليل استفاده از يك اسيد غير اشباع، پيوندهاي دوگانه در فواصل منظمي در زنجير بوجود ميآيند. اين پيوندهاي دوگانه، سايتهاي داراي امكان شبكهاي شدن توسط استايرن هستند و ميتوانند موجب سخت شدن رزين و پخت شدن آن شوند. بنابراين با طراحي فرمول و كنترل اسيدهاي اشباع و غير اشباع، كاتاليستها، دما وزمان واكنش، مجموعه كاملي از رزينها را ميتوان توليد نمود كه براي كاربردهاي مختلف مناسب باشند.

پلي استر غير اشباع با استايرن مخلوط مي‌شود و ميتواند از طريق پيوندهاي دوگانه موجود در هر دو جزء، شبكه‌اي شود. معمولا رزين به هنگام مصرف با استايرن مخلوط بوده و براي رسيدن به خواص مختلف داراي اجزاي ذيل مي تواند باشد:

 -    سيتم پخت؛ به منظور شروع و تسريع واكنش شبكهاي شدن، در دماي محيط يا دماي بالا

 -   عوامل كنترل جريان پذيري؛ به منظور كنترل جريان رزين و جلوگيري از شُرّه كردن رزين در لايه گذاري سطوح عمودي و ريخته گري رزين

 - جاذب uv به منظور افزايش مقاومت در برابر نور خورشيد

 -  فيلر به منظور كاهش جمع شدگي و قيمت و ايجاد خواصي چون مقاومت شعله و آتش

 -  پيگمنت؛ به منظور رنگ دادن به قطعه و زيبايي آن- تغليظ كننده‌ها؛ به منظور تغليظ كردن فرمولاسيونهاي مورد استفاده در SMC و BMC

 -    عوامل آغشته سازي؛ به منظور بهبود آغشته سازي فيلرها و الياف با رزين به منظور حصول چسبندگي مناسب

 - رها ساز حباب؛ به منظور سهولت در خروج حباب از رزين و كاهش حفره در محصول نهايي

 -     رها سازي قالب؛ به منظور تسهيل جدا شدن قطعه از قالب و جلوگيري از تابيدگي و صدمه به سطح قطعهرزينهاي پلي استردر فرايندهاي مختلفي از قبيل لايه گذاري دستي، پاشش رزين، RTM، ريخته گري، پلتروژن، SMC و BMC قابل استفاده‌اند.

 كامپوزتهاي پلي استر-شيشه به لحاظ حجم مصرف، بيشترين اهميت را دارا هستند و يافتن نمونههايي از اين مواد در محل كار و زندگي ما بسيار آسان است.كامپوزيتهاي پلي استري تا دماي حدود 250 درجه سانتيگراد مقاومند ولي مداومت حضور در اين دما و دماهاي بالاتر موجب افت خواص آن ميشود. همچنين بعد از پخت، حدود 5 تا 8 % حجمي جمع شدگي (Shrinkage) دارند. در مورد كاربرد الياف شيشه به همراه رزين پلي استر بايد از ژل كوت مناسب استفاده كرد تا از نفوذ رطوبت به فصل مشترك الياف و رزين جلوگيري شود. بدليل طبيعت قطبي ساختار پليمري، كاربرد آنها در نزديكي وسايل الكتريكي با فركانس بالا محدوديت دارد.

2- رزين اپوكسي

رزينهاي اپوكسي به عنوان رزينهاي اپوكسيد نيز شناخته ميشوند. ويژگي شناسه اين رزينها دارا بودن بيش از يك گروه epoxy-2و1 در ساختار مولكولي است. اين گروه ممكن است در بدنه زنجير باشد ولي معمولاَ در انتها قرار دارد.

 در شرايط مناسب واكنش، گروه اپوكسي ميتواند با اسيدها، ايندريد اسيدها، آامينها و الكل واكنش تراكمي به همراه جابجايي هيدروژن به گروه اتيلن اكسيد، بدهد. اين واكنشها امكان افزايش طول زنجير يا شبكهاي شدن را بدون آزاد كردن مولكولهاي كوچك مانند آب فراهم ميكند. بنابراين محصولات اپوكسي در مقايسه با اكثر رزينهاي گرما سخت، جمع شدگي كمتري در اثر پخت نشان ميدهند.
 بايد متذكر شد كه محدوده وسيعي از رزينهاي اپوكسي و محصولات شبكهاي شده متنوعي وجود دارد. ساختار شيميايي رزينهاي اپوكسي شامل دو بخش اپوكسي و غير اپوكسي ميباشد. بخش غير اپوكسي ممكن است آليفاتيك، سيلكوآليفاتيك و يا هيدروكربن شديداَ حلقوي باشد. در عمل محصول واكنش بيس-فنل A و اپي كلروهيدرين اغلب رزينهاي اپوكسي متداول را تشكيل ميدهند. اين محصولات 80 تا 90% سهم بازار را به خود اختصاص داده‌اند.

قبلا رزين اپوكسي تقريبا تنها به عنوان پوشش سطح استفاده ميشد. قبل از جنگ جهاني دوم، بالا بودن هزينههاي توليد بيس فنل A و اپي كلروهيدرين مانع از تجاري شدن كاربرد رزين اپوكسي شده بود. تلاشهاي بعدي و ابداع روشهاي توليد جديد، موجب پيدايش مقبوليت اقتصادي اين رزينها شد. در حال حاضر نيمي از رزينهاي توليد شده در كاربردهاي روكش سطح استفاده ميشوند. باقيمانده در صنايع الكتريكي و الكترونيك، هوا فضا و ساختمان و ساير كاربردها، استفاده ميشوند. بر حسب تناژ، مصرف اپوكسي حدود يك دهم پلي استر ميباشد.

اپوكسي گروههاي عاملي فعال زيادي دارد و ميتواند در حضور عوامل پخت وهاردنرها، يك ساختار شبكهاي را تشكيل دهد. خواص محصولات پخت شده اپوكسي بستگي دارد به:

-     نوع اپوكسي

-      نوع و مقدارهاردنر

-      ميزان شبكهاي شدن

-       طبيعت و حجم مواد افزودني

در بازار عوامل پخت متنوعي با ويژگيهاي طول عمر، انعطاف، پخت سريع و سميت كم وجود دارند.

ساختار مولكولي و خواص رزين پخت شده، بستگي به طبيعت سيستم پخت دارد. اگر چه سيستمهاي پخت مختلفي وجود دارد، ولي ميتوان آنها را به دو گروه آمينها و انيدريدها تقسيم كرد.

رزينهاي اپوكسي و عوامل پخت تنها اجزاء يك فرمولاسيون نيستند. براي برخي كاربردها، ممكن است اپوكسي اصلاح نشده داراي خواص نامطلوبي از قبيل ويسكوزيته بالا، گران قيمت بودن و مقاومت ضربه پايين در برخي كاربردهاي ويژه باشد. بنابراين بايد دراغلب موارد توسط موادي چون رقيق كننده، چقرمه كننده، فيلر و تقويت كننده همراه شود. انتخاب صحيح رزين،هاردنر و افزودنيها اجازه ميدهد كه خواص مورد نظر تامين شود. اين تنوع عامل عمده رشد پايه اپوكسيها در مدتهاي طولاني است.

علاوه بر اين ساختار متنوع، اپوكسيها داراي ويژگيهاي ذيل نيز هستند:

-   مقاومت شيميايي عالي (بويژه در محيطهاي قليايي)

-   چسبندگي خوب به مجموعهاي از بسترهاي مختلف

-    استحكام كششي، فشاري و خمشي بسيار بالا

-      پايين بودن جمع شدگي پخت

-   پايداري ابعادي

-   عايق عالي الكتريسيته

-    دوام بالا در پيري و شرايط سخت محيطي

-     قابليت پخت در دماهاي مختلف

-  مقاومت خستگي ممتاز

-    بي بو و بي مزه

رزينهاي اپوكسي در كاربردهاي مختلفي از قبيل پوشش سطح، چسب، روكش دهي، ابزار سازي و كامپوزيتها، استفاده ميشوند.
چند لايههاي رزين اپوكسي از اهميت فوق العادهاي در صنايع هواپيماسازي برخوردارند. بسياري از قطعات ساختاري از جنس الياف كربن و رزين اپوكسي جايگزين آلياژهاي فلزي مرسوم شده و نتايج مطلوبي نيز داشتهاند. همچنين از اين رزين به همراه الياف آراميد، در ساخت موتور راكت و كپسولهاي تحت فشار به روش رشته پيچي استفاده ميشود.

علاوه بر آن رزينهاي اپوكسي بطور وسيعي به همراه الياف و ساختارهاي لانه زنبوري براي ساخت ملخ هلي كوپتر استفاده ميشود. رزينهاي اپوكسي تقويت شده با الياف كربن و آراميد در ساخت قايقهايي كه در آنها ضمن حفظ وزن، استفاده بيشتر از فضا در همان استحكام مورد نظر است، بجاي پلي استر- شيشه استفاده مي‌شوند.

همچنين كامپوزيتهاي آراميد - اپوكسي براي جايگزين فولاد در كلاه خودهاي جنگي استفاده ميشوند.

3- رزين‌وينيل‌استر

وينيل استرها محصول واكنش رزينهاي اپوكسي با اسيدهاي غير اشباع اتيلني ميباشند بجز حالات خاص، معمولا رزينهاي وينيل استر داراي انتهاي غير اشباع ميباشند. اين انتها ميتواند واكنش شبكهاي شدن را انجام دهد و نيز ميتواند پليمريزاسيون زنجيرهاي وينيل استر را انجام دهد و يا اينكه به همراه استايرن كوپليمر شود.

 اكثر وينيل استرهاي مرسوم با استريفيكاسيون يك رزين دي اپوكسيد با يك اسيد مونوكربوكسيليك غير اشباع، ساخته ميشوند. ميتوان آنها را به تنهايي با واكنش راديكال آزاد پخت نمود و يا در مونومري مانند استايرن حل نمود و رزين مايع بدست آورد. در اين صورت، وينيل استر را ميتوان مانند رزين پلي استر استفاده نمود.

رزينهاي وينيل استر خواص چقرمگي و مقاومت شيميايي بسيار بهتري نسبت به رزينهاي پلي استر دارند. زنجير اصلي اپوكسي سازنده وينيل استر، موجب پيدايش چقرمگي و ازدياد طول كششي بالاتر ميشود. جرم مولكولي رزينهاي وينيل استر به انتخاب نوع اپوكسي بكار رفته بستگي دارد. به اين دليل، استحكام كششي، ازدياد طول، نقطه نرمي و واكنش پذيري رزين نهايي توسط جرم مولكولي و ساختار اوليه تعيين ميشود. اين موضوع، اين امكان را بوجود ميآورد كه براي كاربردهاي مختلف خواص مختلف طراحي شود.

 رزينهاي وينيل استر در مقايسه با پلي استرهاي غير اشباع مقاومت شيميايي خوبي دارند.

 بخشي از اين ويژگي مربوط به عدم حضور پيوندهاي استري در زنجيره اپوكسي ميباشد. اتصالات اجزاء پليمر، توسط پيوندهاي فنيل استري انجام ميگيرد. اين اتصالات درمقايسه با اتصالات استري در برابر اكثر محيطهاي شيميايي بويژه در شرايط قليايي شديد مقاومترند.

 اتصال استري تنها در انتهاي زنجير وينيل استر وجود دارد. اين امر حملات عوامل شيميايي را به حداقل مي‌رساند.

4- رزين فنوليك

رزينهاي فنوليك از واكنش تراكمي فنلها و فرم آلدهيد تهيه ميشوند. مكانيزم واكنش بين فنل و فرم آلدهيد هنوز بطور كامل شناخته شده نيست. با اين وجود اين مشخص است كه واكنش شروع توسط فعال شدن حلقه بنزني با گروههاي هيدروكسيل مانند متيلول صورت ميگيرد. در واكنش فنل-فرم آلدهيد سه مرحله اصلي وجود دارد:

A مرحله : اغلب محصولات اولية تراكم، الكلها هستند. رزين در اين مرحله، گرمانرم است و در حلالهاي غير آلي (معدني) حل ميشود.

B مرحله :پيشرفت بيشتر واكنش تراكمي و شبكهاي شدن جزئي به همراه افزايش جرم مولكولي و ويسكوزيته و كاهش انحلال. در اين حالت رزين پخت كامل نشده و گرمانرم و ذوب ميشود ولي به هنگام سرد شدن، سخت و شكننده ميشود.

C مرحله : ميزان پليمريزاسيون و شبكهاي شدن بسيار زياد است. رزين غير قابل ذوب و انحلال ميباشد.

اين واكنش دو نوع رزين فنوليك توليد ميكند كه رزول و نوالاك ناميده ميشوند. رزينهاي رزول در حضور يك كاتاليست قليايي مانند آمونياك، كربنات سديم يا هيدروكسيد سديم توليد ميشوند. واكنش پخت محصول توسط گرما دادن در يك قالب با دماي بالاتر از نقطه ژل قابل انجام است. رزينهاي رزول داراي گروههاي فعال متيلول و هيدروكسيل هستند.

در دماي بالاتر، رزولها بدون افزودن عامل پخت، مولكولهاي بزرگتر و با شبكههاي متيلني تشكيل ميدهند. در اين حالت واكنش فنل- آلدهيد يك نوع واكنش تراكمي است چون آب به عنوان محصول جانبي خارج ميشود.

پليمريزاسيون فنل- فرم آلدهيد به رزين نوالاك با حضور يك كاتاليست اسيدي انجام ميشود. اسيد اكساليك و اسيد سولفوريك دو كاتاليست مرسوم در اين واكنش هستند. معمول است كه نسبت فنل به فرم آلدهيد 1 به 8 /0 باشد، محصول مذاب حاصل سرد ميشود و به تدريج شيشهاي ميگردد. اين ماده شيشهاي به دقت خرد شده، پودر حاصل با كاتاليست پخت هگزامتيلن تترامين (HMTA )، فيلر و تقويت كننده مخلوط ميگردد تا يك تركيب قالبگيري بدست آيد.

رزينهاي فنوليك معمولا كدر هستند و رنگ آنها از كهربايي (amber) كم رنگ و قهوهاي تيره تا سياه تغيير ميكند. رنگ تيره رزينهاي فنوليك كاربرد آنها را محدود ميكند. رزينهاي فنوليك در اشكال پولك، فيلم مايع و پودر موجودند.

رزينهاي فنوليك جزء رزينهاي با كاربرد عمومي محسوب ميشوند ولي ميتوان آنها را براي سازههاي مهندسي آميزهسازي نمود. فنوليكها دومين رتبه را در رزينهاي گرما سخت پر مصرف دارا هستند.

رزينهاي فنوليك بدون فيلرها شكننده هستند و كاربرد فيلرها و ساير افزودنيها به منظور ايجاد خواص مطلوب در آنها عادي است. رزينهاي فنوليك بدليل تفاوتهاي فيزيكي و شيميايي اجزاء خواص متنوعي را در بر ميگيرند. برخي از انواع رزينهاي فنوليك عبارتند از:

- گريد كاربرد عمومي(پر شده با خرده چوب)

- گريد Non Bleeding رزول مايع، پر شده با شيشه

-   گريد مقاوم دربرابردما(پر شده با ميكا و مواد معدني)

-    گريد مقاوم در ضربه(پر شده با سلولز،لاستيك،شيشه و الياف)

-    گريدويژه يا الكتريكي(پر شده با ميكا و شيشه)

رزينهاي قالبگيري فنوليك از نوالاك ساخته ميشوند اگر چه رزول نيز در برخي موارد بكار ميرود. خواص رزينهاي قالبگيري فنوليك عبارتند از:

-    سهولت قالبگيري

-     پايداري ابعادي بسيار خوب و دقيق

-     مقاومت در برابر خزش

-     مقاومت بالا در برابر تغيير شكل

-     مقاومت حرارتي خوب

-     مقاومت الكتريكي خوب

-     مقاومت شيميايي خوب

-     مقاومت در برابر شرايط آب و هوايي خوب

-     جذب آب پايين

-     كيفيت مناسب در ماشينكاري

كاربردهاي مرسوم از اين مواد عبارتند از: سازه هاي عايق براي ولتاژ بالا، چرخ دنده ها،water  lubricater bearing   ، مغزي ميز دكوري.

از ديگر كاربردهاي رزينهاي فنوليك، ساخت فوم است. البته فوم فنوليك در مقايسه با فوم پلي پورتان و پلي استايرن، گرانتر است ولي بدليل خود خاموش كن بودن و سميت پايين گازهاي حاصل از سوختن، خواص برتري دارد.

دسته ديگري از رزينها با نام آمينو رزين نيز ميتوانند همراه رزينهاي فنوليك دسته بندي شوند. اين رزينها كم مصرفند. رنگ سفيد آنها باعث طرح امكان جايگزيني بجاي فنوليكها شد. رزينهاي فنوليك بدليل تيرگي رنگ، فقط در ساخت قطعات تيره كاربرد دارند.
رزينهاي آمينو، گرما سختهايي هستند كه از واكنش گروه آمينو يك ماده با فرم آلدهيد ساخته ميشوند. دو آمينوي معروف و مرسوم اوره و ملامين  و رزينهاي حاصل اوره-فرم آلدهيد و ملامين- فرم آلدهيد ميباشند.

در مقايسه با فنوليكها رزينهاي اوره- فرم آلدهيد ارزانترند و رنگ آنها روشنتر است. همچنين مقاومت آنها در برابر ترك خوردگي الكتريكي بيشتر است ولي مقاومت حرارتي كمتري دارند.

محدوده كاربرد فيلرها معمولا محدود به فيلرهاي سفيد كننده براي پودر چوب و الياف خرد سلولز و نيز امكان كاربرد تقويت كنندههاي معدني يا ليفي است.

رزينهاي ملامين فرم آلدهيد در مقايسه با فنوليكها و اوره-فرم آلدهيد عملكرد بهتري دارند ولي گرانترند. ويژگيهاي مطلوب آنها عبارتند از: جذب آب پايين، مقاومت حرارتي و لكه پذيري، سختي و عايق الكتريكي.

5- ساير رزين‌ها

پلي ايميدها:

صنعت هوافضا پس از جنگ جهاني دوم رشد سريعي داشت. و موجب افزايش تقاضا براي كامپوزيتهاي مهندسي در تكنولوژيهاي جديد شد. فلزات موسوم و كامپوزيتهاي معمول در آن زمان نميتوانستند نيازهاي فني جديد را تامين نمايند.

آنها به مواد جديدي احتياج داشتند كه سبك باشند، پايداري حرارتي و اكسيداسيوني خوبي داشته باشند و خواص مكانيكي خوبي داشتهباشند. تا آن زمان پليمرهاي جديدي با خواص عالي حرارتي معرفي شده بودند ولي تنها عدهاي از آنها موفقيت تجاري داشتند. علت اين امر مشكلات فني ساخت و قيمت بالاي آنها بود.

اولين دسته پلي ايميدهاي تجاري اوايا سالهاي دهه 60 معرفي شد.

تداوم موفقيت اين پليمرها حاصل از فراواني و ارزاني مواد اوليه آنها و امكان ساخت و طراحي پليمرهايي با خواص مورد نظر از آنها بود.

پلي ايميدها از گروهي از مونومرهاي دي ايندريدي و دي آميني تهيه ميشوند و مشخصه آنها واحدهاي تكراري ايميد در زنجير مولكول است. اين ساختار موجب پايداري حرارتي و اكسيداسيوني آنها ميشود. پايداري بالاي اكسيداسيون حرارتي توسط مونومرهاي با ساختار حلقوي، قابل دستيابي است.

پلي ايميدها معمولا از طريق تبديل يك اسيد آميك به يك ساختار ايميدي شده با واكنش تراكمي، فرآيند ميشوند و اين امر فرايند آنها را مشكل ميكند. استفاده از آنها به عنوان تركيبات قالبگيري دشوار است. براي ساخت سازه هاي كامپوزيتي، فشار بسيار بالا و كنترل دقيق فرآيند پس- پخت براي خروج محصولات جانبيِ حاصل از پليمريزاسيون تراكمي ضروري است.

به منظور كاهش اين مشكل اليگومرهاي زنجير كوتاه قابل ذوب و حل پلي ايميد ساخته و معرفي شدند. آنها با اعمال حرارت، پليمريزاسيون را از طريق گروههاي انتهايي انجام ميدهند.

اين پليمرهاي قابل پخت از طريق واكنش اضافي، مسايل ناشي از خروج محصول جانبي را حل كردند. برخي از انواع پلي ايميدهاي گرما سخت به موفقيتهاي تجاري دست يافته اند.

اگرچه پلي ايميدها به عنوان رزينهاي گرما سخت دسته بندي ميشوند (بدليل شرايط خاص فرآيند و دماي ذوب بالاي آنها)، يك دسته از پلي ايميدها در گروه مواد گرمانرم قرار ميگيرند. پلي ايميدهاي گرمانرم با روشهاي مشابه ساير گرمانرمها، شكل داده ميشوند، به دليل آنكه پلي ايميدهاي ترموپلاستيك شبكه نميشوند، ميتوان آنها را در حلالهاي منتخب حل كرد.

PEEK

كامپوزيتهاي گرما سخت تقويت شده با الياف معمول، استحكام و سفتي بالايي از خود نشان ميدهند ولي رفتار شكنندهاي دارند.
اين رزينها امكان جذب مقادير بالاي انرژي را بدون تخريب و صدمه و كاهش استحكام ندارند. حتي ضربه هاي با سرعت پايين ميتواند كاهش شديدي در استحكام فشاري اين مواد ايجاد نمايد. اخيرا كامپوزيتهاي با ماتريس گرمانرم توسعه يافتهاند. شناخته شده ترين آنها كامپوزيتهاي الياف كربن و رزين پلي اتر اتر كتون ( PEEK ) ميباشد.

PEEK يك پليمر حلقوي است و T_g آن ^oC 143 و نقطه ذوب آن ^oC 334 ميباشد. يك پليمر نيمه كريستالي است و در شرايط عادي فرآيند به حداكثر درجه كريستالينيي 50 % ميرسد. با اين وجود معمولا ميزان كريستالينيتي محصول پايين است و به حدود 30 % ميرسد.
در دماي اتاق و سرعت پايين كرنش ، PEEK قادر به تغيير شكل پلاستيك و رسيدن به كرنش شكست تا 100% ميباشد. كامپوززيتهاي بر پايه PEEK با فرآيند قالبگيري فشاري ساخته ميشوند.

پيش آغشته PEEk در چهار چوب قالب به صورت توده قرار ميگيرد و تحت فشار در دماي ^oC 380 قالبگيري ميشود. ساير روشها مانند قالبگيري اتوكلاو، فشاري و شكل دهي ديافراگمي نيز قابل استفاده است. محصولات حاصل كيفيت بسيار خوبي دارند و داراي حداقل حباب و سطح بسيار خوب نهايي ميباشند.

رزينهاي طبيعي

بدليل نگرانيهاي زيست محيطي، و امكان پايان ذخاير نفتي ساخت كامپوزيتهاي با پايه رزينهاي طبيعي از منابع قابل تجديد اهميت يافته است. كم كردن وابستگي صنايع كامپوزيتهاي پليمري به نفت، با كاربري رزينهاي طبيعي امكان پذير است.
دانشمندان علاقه زيادي به تحقيق و توسعه پليمرهاي حاصل از منابع قابل تجديد كشاورزي به جاي هيدروكربنها دارند. آنها تلاشهايي براي استفاده هاي روغن سويا(soybean) براي توليد كامپوزيتهاي زيست تخريب پذير، ارزان و سبك، انجام داده اند.
اخيرا روشهايي براي ايجاد سايتهاي فعال روي مولكولها و امكان ايجاد شبكه متراكم ابداع شده است. افزودن گروههاي عاملي مختلف به مولكول ميتواند شكل واكنشهاي شيميايي را تغيير دهد. خواص رزينهاي بر پايه روغن سويا ميتواند ميتواند توسط دستكاريهاي ژنتيكي در حال انجام توسط شركتهايي مانند DUPONT وMONSANTO تغيير يابد.

دانشمندان آمريكايي قطعهاي با ابعاد يك درب از مواد جديد ساختند. مغزي فومي اين قطعه از دو طرف توسط كامپوزيت روغن سويا-الياف شيشه روكش شده بود و با ابعاد 3 ´ 8 فوت تنها 25 پوند وزن داشت.

امروزه با كاربرد الياف كنف، كتان، سيسال و ساير الياف طبيعي با رزينهاي طبيعي، امكان ساخت كامپوزيتهاي كاملا زيست تخريب پذير وجود دارد و قطعات حاصل در برخي قسمتهاي داخلي خودروها بكار ميروند.

انواع الياف

1- الياف شيشه

الياف شيشه مشهورترين تقويت كننده مورد استفاده در صنعت كامپوزيت مي‌باشد و انواع مختلفي از آن بصورت تجاري وجود دارند كه برخي از آنها عبارتند از:

 E، S،C،ECR،AR. تركيبات شيميايي اين الياف با هم متفاوت است و هر كدام براي كاربرد خاصي مناسب است.
تقريباَ 90 درصد الياف مورد استفاده در كامپوزيتهاي مهندسي الياف شيشه مي‌باشد. الياف شيشه استحكام و سختي مناسبي دارد، خواص مكانيكي خود را در دماهاي بالا حفظ مي‌كند، مقاومت رطوبت و خوردگي مناسبي دارد و نسبتاَ ارزان است . تقسيم بندي شش نوع الياف شيشه و تركيب درصدهاي آن در زير نشان داده شده است:

glass- Eمصارف عمومي

glass- Rخواص مكانيكي بالاتر

glass-S خواص مكانيكي بالاتر

glass-c مقاومت شيميايي مناسب

glass-ECR مقاومت اسيد و باز خوب

glass-AR مقاومت اسيد و باز خوب

Glass-D خواص دی الکتریکی بالا

در جدول ذيل تركيب شيميايي انواع الياف شيشه مشاهده مي‌شود.

فرآيند توليد الياف شيشه را مي‌توان بصورت زير خلاصه نمود:

1- آماده سازي مواد خام: بيش از نيمي از مواد اوليه مورد استفاده ماسه سيليس است و قسمت اصلي هر نوع الياف شيشه را تشكيل مي‌دهد. ساير اجزاء شامل مقادير ناچيز ساير تركيبات شيميايي مي‌باشند.
2- بخش اختلاط (Batch House): در اينجا مواد با هم مخلوط شده براي قسمت كوره آماده مي‌شوند. اصطلاحا به اين توده مخلوط، Batch گفته مي‌شود.

3- كوره: دماي كوره به اندازه كافي زياد است تا ماسه و ساير اجزاء را ذوب كند و بصورت شيشه مذاب در آورد. سطح داخلي كوره با آجرهاي مخصوصي ساخته شده است كه در دوره‌هاي زماني مشخص تعويض مي‌شوند.

4- بخش Bushing: شيشه مذاب روي سيني‌هاي پلاتيني مقاوم حرارتي متعدد، جريان پيدا مي‌كند. در اين سيني‌ها هزاران روزنه وجود دارد كه بوشينگ ناميده مي‌شوند.
5- تشكيل الياف: جريان شيشه مذاب از درون بوشينگ‌ها بيرون كشيده مي‌شود و تا قطر معين نازك مي‌شوند، سپس توسط آب يا هوا خنك مي‌شوند تا الياف تشكيل شوند.
 -آهار زني: الياف مو مانند، با يك مخلوط شيميايي مايع كهSizing ناميده مي‌شود، پوشش داده مي‌شوند. آهار زني به دو علت اصلي انجام مي‌شود:

1. براي محفوظ ماندن الياف از سايش به يكديگر در طي فرآيند ساخت و كار
2. به منظور حصول اطمينان از چسبندگي الياف به رزين

دسته (strand): يك دسته از چند تاو (tow) تشكيل شده است و هر تاو بيانگر تعداد ليفهايي (fiber) است كه از يك بوش ريسيده مي‌شوند به عنوان مثال مي‌تواند دويست  ليف باشد. مجموعه‌اي از دسته‌ها، يك رشته (roving) ناميده مي‌شود. يك تاب مختصر به رشته داده مي‌شود تا كار كردن با آن آسانتر شود. براي كامپوزيتهاي الياف پيوسته، انتخاب نوع الياف، بستگي به فرآيند شكل دهي و ميزان آرايش يافتگي الياف دارد.

تعداد تارهاي (filament) يك رشته توسط تكس (tex) بيان مي‌شود. به عنوان مثال 600، 200 1 ، 2400 .(tex 1= 1000m/g )
مي‌توان رشته‌ها را خرد كرد (chopped) و براي توليد نمد شيشه (strand mat chopped) استفاده كرد. در اين حالت از يك بايندر (binder) براي ثابت نگاه شدن الياف در كنار هم استفاده مي كنند. بايندر فوق به هنگام آغشته سازي الياف با رزين خيس خوردگي (wet-out) را كنترل مي‌كند و بنابراين آرايش اتفاقي الياف در نمد حفظ مي‌شود. انتخاب بايندر با توجه به كاربرد مواد انجام مي گيرد و دوام يك قطعه كامپوزيتي مي‌تواند متأثر از نوع بايندر باشد.

نمدهاي الياف پيوسته ( contruous random mat ) شكل ديگري از الياف مورد استفاده مي‌باشند كه در آنها الياف پيوسته با آرايش اتفاقي نمد درست مي‌شود. اين شكل از الياف براي قرار گرفتن در قسمتهاي تيز و كنج قالب مناسبند و در اين حالت الياف آن نمي‌شكنند.

همچنين مي‌توان از الياف شيشه با طولهاي متفاوت براي كاربرد مستقيم در آميزه سازي (BMC) استفاده كرد. طول الياف در نمد (CSM) معمولا بيشتر از mm20 و بلندتر از الياف مورد كاربرد در آميزه سازي است. طول الياف مورد استفاده در رزينهاي گرماسخت نيز بيشتر از گرمانرمهاست. انواع پارچه‌ها با بافتهاي مختلف نيز از رشته‌هاي شيشه بافته مي‌شود. در شكلهاي ذيل اشكال مختلف الياف شيشه مشاهده مي‌شود.

اشكال مختلف الياف شيشه

2- الياف كربن

 اگرچه اكثر الياف مورد استفاده در صنعت كامپوزيت از جنس شيشه مي‌باشد ولي مدول آن نسبتا پايين است. در سالهاي پيش تلاشهاي زيادي انجام گرفت تا تقويت كننده‌هاي جديدي با تبديل حرارتي الياف آلي به الياف كربن ساخته شود.

الياف حاصل به سرعت كاربرد وسيعي در كامپوزيتهاي فنوليكي به منظور استفاده در عايقهاي فداشونده در صنايع نظامي پيدا كرد. مشخصه الياف كربن، سبكي، استحكام و سفتي بالا مي‌باشد. همه انواع الياف كربن از پيروليز الياف آلي در يك محيط خنثي بدست مي آيد. سه منبع مهم عمده براي ساخت الياف كربن وجود دارد:

پلي اكريلونيتريل (pan) رايون و قير

طرز تهيه:

در طول اين فرآيند عناصر غير كربني بصورت گاز خارج شده، اجزاء كربني باقي مي‌مانند. مهمترين شكل الياف كربن، پارچه است كه در بافتهاي مختلف وجود دارد.

اين شكلها عبارتند از:

-‌ رشته‌هاي پيوسته براي فرايندهاي، رشته پيچي

-پيش آغشته (prepreg) تك جهته براي لايه گذاري

- الياف خرد براي تزريق يا قالبگيري فشاري

-نوار پيوسته براي پلتروژن

-پارچه بافته براي قالبگيري انتقال رزين (RTM) يا لايه گذاري

 در ابتدا دو نوع الياف كربن با پايه pan وجود داشت كه استحكام و مدول آنها با هم تفاوت داشت:
الياف كربن با استحكام بالا (strength ( Highيا HSكه از فرآورش در دماي ^OC 1500 بدست مي‌آمد و بعنوان نوع دو درجه‌بندي مي‌شد.

با افزايش دماي فرآورش، مدول نيز افزايش مي‌يافت و نوع مدول بالاي اين الياف (Modulus High ) يا HM كه نوع يك درجه بندي مي‌شد در دماي بالاتر ازدو هزار و پانصد درجه توليد مي‌شد.

با اعمال كمي كشش و افزايش آرايش يافتگي و با كاهش قطر الياف از 7 به 5 ميكرومتر، استحكام و مدول الياف افزايش مي‌يابد. اين الياف، الياف با مدول متوسط (modulus Intermediate) يا IM نام دارد. در جدول زير برخي خواص اين الياف مشاهده مي‌شود.

pitchitaconic  يك ماده اوليه توليد الياف كربن مي‌باشد. اين ماده در يك محيط آبي سنتز شده و با فيلتراسيون جدا مي‌شود. سپس كوپليمر حاصل، با سرعت چرخش و كشش كنترل شده، به روش ريسندگي مرطوب تبديل به ليف مي‌شود. بدينوسيله ميزان آرايش الياف را كنترل مي‌كنند و هرچه بيشتر باشد مدول ليف نهايي بالاتر است.

 الياف كربن توليد شده، ذاتا چسبندگي كافي به پليمرها ندارند و اگر به همان صورت استفاده شوند، خواص تقويت كنندگي خوبي نشان نشان نمي‌دهند. بنابراين اصلاح سطح يك مرحله ضروري در آماده سازي الياف مي‌باشد.

 روشهاي مختلفي براي اصلاح سطح الياف كربن وجود دارد، ولي معمولا اكسيداسيون آنوديك در يك الكتروليت آبي مانند بي كربنات آمونيم، ترجيح داده مي‌شود. اكسيداسيون پلاسما نيز بكار مي‌رود ولي به لحاظ تجاري رايج نشده است.
 معمولاَ الياف كربن موجود در بازار اصلاح شده است ولي در موارد خاص مي‌توان الياف بدون اصلاح سطح نيز تهيه كرد.

3-  الياف آراميد

الياف آراميد كه در حدود سالهاي 1970معرفي شد، تركيب آلي حلقوي از كربن، هيدروژن، اكسيژن و نيتروژن مي‌باشد. دانسيته كم و استحكام كششي بالا در اين الياف، موجب تشكيل يك ساختار چقرمه ومقاوم به ضربه با سفتي حدود نصف الياف كربن مي‌شود. الياف آراميد در ابتدا به منظور جايگزيني فولاد در تايرهاي راديال ساخته شدند و بعدا كاربردهاي ديگري پيدا كردند. جليقه ضد گلوله از موفقيت آميزترين كاربردهاي الياف آراميد مي‌باشد.

 آراميد در دو ساختار زنجير-راست مشهور به كولار و زنجير-خم مشهور به Nomex وجود دارد كه در حال حاضر شركت dupont تنها توليد كننده هر دو محصول مي‌باشد.

 ساختار شيميايي كولار

الياف آراميد در شكلهاي مختلف وجود دارند و همانند الياف شيشه و كربن مي‌توانند در ساخت كامپوزيتها مورد استفاده قرار گيرند.

 الياف آراميد به دليل سبكي، پايداري حرارتي خوب و چقرمگي عالي، مورد توجه قرار گرفته‌اند.

الياف كولار از زنجيرهاي مولكولي طولاني پلي پارا فنيلن ترفتال آميد، توليد شده‌اند. آرايش يافتگي بالاي زنجيرها به همراه اتصال خوب بين آنها، تلفيق منحصر به فردي از خواص را ايجاد مي‌نمايد كه برخي از آنها عبارتند از:

- استحكام كششي بالا و وزن كم

- ازدياد طول كم در پارگي

- چقرمگي خوب

- مدول بالا

- پايداري ابعاد عالي

- هدايت الكتريكي پايين

- مقاومت پارگي بالا

- مقاومت شيميايي زياد

- مقاوم به شعله و خود خاموش كن

- جمع شدگي حرارتي كم

- حفظ خواص در دماهاي بسيار بالا و بسيار پايين

- خزش بسيار كم

- مقاومت سايش و اصطكاك عالي

كولارها بسته به درجه آرايش يافتگي مولكولي، سفتي‌هاي متفاوت دارند. كولار 29 به عنوان سيم تاير و كولار 49 در كابلهاي زير آب استفاده مي‌شوند.

كولارها تقويت كننده ممتازي در صنايع فضايي محسوب مي‌شوند. در سالهاي اخير كولار 149 نوع سفت تر كولارها معرفي شده است.

همچنين كولارها به دليل كاربرد در پرتابه‌ها و حفاظت حرارتي آنها و بدليل چقرمگي و توانايي در جذب انرژي شهرت دارند. در جدول زير مقايسه اي بين خواص كولار با ساير الياف آورده شده است. مقايسه خواص ويژه كولار با ساير الياف جالب خواهد بود.

 

ادامه دارد