بررسی کاربرد الیاف لینگوسلولزی تقویت کنندۀ زیت پلی آمید11 با کامپوزیت های قطعات خودرو
بخش بزرگی از تصمیمات در مراحل اولیۀ طراحی و توسعه محصولات جدید شامل هزینه های زیست محیطی و مصرف انرژی می شود که از اهمیت بالایی در صنعت خودرو برخوردار است و برای افزایش پایداری آن همچنان تلاش می شود. خواصی مانند زیست پایه بودن، بازیافت یا زیست تخریب پذیر بودن معمولآ بعنوان مترادف کلمۀ "تولید سبز" استفاده می شوند؛ با این وجود، چنین متریالی بایستی از الزامات صنعت محسوب شوند. در اینجا، استفاده از مواد جایگزین برای پلی پروپیلن تقویت شده با فایبرگلاس بعنوان یک محصول کالایی بررسی شده است. برخی از نویسندگان معتقدند که میتوان از کامپوزیت پلی آمید 11 تقویت شده با الیاف چوب بعنوان جایگزین استفاده کرد. بنابراین هدف از این تحقیق، بررسی خواص چنین کامپوزیت ها و دستیابی به مقادیر مشابهی از مواد فعلی است. علاوه براین، یک مطالعۀ موردی برای ارزیابی رفتار کامپوزیت ها در ساخت دستگیره درب اتومبیل انجام شد. مواد حاوی محتویات تقویت کننده بین 40-60 درصد قابلیت خود را برای جایگزینی مواد اولیه نشان دادند. همچنین، برای ارزیابی ردپای زیست محیطی مواد مورد بررسی از تجزیه و تحلیل اولیه LCA استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که هزینۀ انرژی مونومر PA11 در کامپوزیت های PA11، ازلحاظ انرژی و ردپای کربن بالا بوده است.
هدف اصلی از تحقیق و توسعۀ مواد جدید استفاده از آن در صنعت است. امروزه باتوجه به افزایش آگاهی زیست محیطی، برای جایگزینی مواد ناسازگار با محیط زیست با مواد سبزتر و پایدار تلاش می شود. برای مثال، جایگزینی تقویت مصنوعی مانند فایبرگلاس (GS) با مواد لینگوسلولزی را نام برد. پلی الفین تقویت شده با GSاساسآ به دلیل نسبت خوب آن بین خواص مکانیکی و هزینه یکی از متداول ترین مواد کامپوزیتی محسوب می شود. با این وجود، اگرچه 90 درصد مواد کامپوزیتی با GF تقویت می شوند؛ قابلیت بازیافت آن بسیار محدود است. بنابراین استفاده از آنها در برخی از زمینه ها من جمله صنایع خودروسازی کاهش یافته است و این مواد نیز به تدریج با مواد تقویت شده با الیاف سلولزی قابل بازیافت و زیست تخریب پذیرجایگزین می شوند. پلیمرهای زیستی، پلیمرهای زیست پایه و یا زیست تخریب پذیر بعنوان جایگزین های پایدار برای پلیمرهای نفتی در حال ظهور هستند؛ با این وجود، برای اجتناب از طراحی مجدد، مادۀ جایگزین بایستی دارای عملکرد مکانیکی و دیگر خواص همچون پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی مشابه با پلیمرها را برای جایگزین شدن باشد. پلی آمید 11 (PA11) یک پلیمر کاملآ بیولوژیک است که از دهۀ 50 به بازار وارد شده است. همچنین دارای دمای ذوب کمتر از 200 درجه سلسیوس است که در دیگر پلی آمیدها، آنها را بدون هیچ گونه تخریب زیستی قابل توجهی از سلولز، با الیاف طبیعی تقویت می کند. اگرچه PA11 زیست تخریب پذیر نیست، اما خودش و کامپوزیت هایش قابل بازیافت هستند. علاوه براین درصورتی که عمر طولانی آنها مد نظر باشد، رفتار زیست تخریب پذیری آن را به یک پلیمر جایگزین امیدوار کننده برای کاربردهای مهندسی من جمله لوله ها، حوزۀ خودرو، برنامه های زیست پزشکی، تجهیزات ورزشی و غیره تبدیل می کند.
با این اوصاف، قبل از کاربرد صنعتی از مواد با پایۀ PA11، بررسی جامع عملکرد مکانیکی و قابلیت پردازش آن بسیار ضروری است. اغلب مطالعات بازیافت، پیری و چرخۀ زندگی نیز بایستی برای ارزیابی این نکته انجام شود که آیا بیومتریال در مقایسه با نمونه های روغنی، تولید سبز محسوب می شوند؟ اخیرآ خواص مکانیکی و حرارتی کامپوزیت های PA11 تقویت شده با الیاف لینگوسلولزی در برخی مقالات ارائه شده اند. در این مطالعات نشان داده شده است که کامپوزیت ها با پایۀ PA11 در مقایسه با کامپوزیت های پلی پروپیلن تقویت شده با GF به خواص مکانیکی قابل توجهی رسیده اند. ازطرفی کاربرد صنعتی این نوع کامپوزیت ها همچنان گزارش نشده است. در مطالعۀ موردی از این مواد در قطعۀ خاصی استفاده می شود؛ که با بارگذاری های مختلف و با کمک نرم افزار شبیه سازی مدل سازی شده و مورد ارزیابی قرار می گیرد تا میزان رقابت پذیری آن بررسی شود. همچنین طراحی قعطه را میتوان در طول فرایند با هدف بهبود ثبات ابعادی، ارگونومی و غیره اصلاح کرد. سپس بعد از ساخت نمونه های اولیه، آزمایش مکانیکی را با هدف اعتباربخشی به نتایج نظری حاصل شده انجام داد. بر همین اساس روش شبیه سازی از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا تعداد نمونه های اولیه و هزینه آنها را میتوان بطور قابل توجهی کاهش داد. در اینجا، دستگیرۀ درب داخلی خودرو که در حال حاضر با کامپوزیت PP تقویت شده با GF تولید می شود، برای نمونه آزمایش شده است. دستگیرۀ در نیز برای دستیابی به ماک آپ دیجیتال قادر به ارائۀ تحلیل عناصر محدود ارزیابی شد. محدودیت کاربرد و بارها به ارزیابی های تجربی و جداول عوامل انسانی بستگی دارند. مجموعه ای از آزمایشات با استفاده از خواص مکانیکی مواد اولیه و جایگزین های زیست محیطی پیشنهادی انجام شد. نتایج بدست آمده با ارزیابی مواد ویچ مطابق با الزامات طراحی در موارد نرمال و محدود مقایسه شدند. مجموعه کامپوزیت ها با پایۀ PA11 بعنوان جایگزین های احتمالی برای مواد با پایۀ PP پیشنهاد شد. در نتیجه میتوان گفت که تجزیه و تحلیل چرخۀ زندگی اولیه برای دسته بندی مواد زیست محیطی پیشنهادی صورت گرفته است. پایداری مواد نیز با استفاده از دیتابیس موجود در نرم افزار طراحی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اثرات CO₂ و مصرف انرژی مواد بررسی شد.
در جدول زیر خواص کششی و خمشی مواد کامپوزیت ارائه شده است.
جدول 1: خواص کششی و خمشی کامپوزیت های PP تقویت شده با GF و PA11 تقویت شده با SGW
این جدول همچنین خواص کامپوزیت های پلی پروپیلن تقویت شده با فایبرگلاس را نیز نشان می دهد؛ زیرا این مواد برای تولید قطعات داخلی خودرو استفادۀ فراوانی دارند. خواص کششی کامپوزیت ها با پایۀ PP از مقالات اقتباس شده است. با افزایش محتوای تقویت کننده، تمامی کامپوزیت ها خواص بیشتری از خود نشان دادند. در مطالعات قبلی بیان شد که میتوان PA11 را با الیاف لینگوسلولزی بدون افزودن عوامل اتصال تقویت کرد. کامپوزیت هایی با محتوای SGW بیش از 60 درصد وزنی سیالیک کمتر از میزان مورد نیاز برای تزریق قالب آن را نشان دادند. مقاومت و مدول (کششی و خمشی) بطور خطی با محتوای الیاف 10-50 درصد وزنی تکامل یافته اند؛ به این معنی که 1: پراکندگی خوب تقویت کننده در ماتریس و 2: وجود یک اینترفاز که اجازۀ انتقال بارها از ماتریس به تقویت کننده را می دهد. حداکثر میزان مقاومت کششی و خمشی در کامپوزیت های PA11 تقویت شده با 50 درصد SGW به ترتیب 63.9 و 92.6 مگاپاسکال بود. مقاومت کششی در کامپوزیت ها با 60 درصد وزنی از SGW کاهش یافت که خود نشان دهندۀ ایجاد احتمالی دسته های الیاف یا مشکلاتی در پراکندگی خوب در محتویات تقویت شدۀ بالا است. ازطرفی، مقاومت خمشی نیز افزایش یافت اما جنبش کمتری داشت. با این وجود، مدول کامپوزیت ها حداکثر مقدار محتوای SGW خودش را 60 درصد وزنی نشان داد. مقاومت در ماتریس پلیمر برای مدول های کششی و خمشی به ترتیب 314 و 355 درصد بود. در شکل زیر رفتار مقاومت کششی در کامپوزیت های PA11 ازلحاظ محتوای الیاف شان ارائه شده است.
شکل 1: مقاومت کششی مواد کامپوزیتی PA11/SGW در مقایسه با کامپوزیت های PP/GF
علاوه براین، مقادیر کامپوزیت های متصل PP/GF نیز بیان شده است. ماتریس PA11 نسبت به ماتریس PP مقاومت کششی بالاتری دارد. بنابراین کامپوزیت های PP-GF مقاومت خودشان را سریع تر از مواد با پایۀ PA11 افزایش می دهند.
نتیجه گیری
مواد کامپوزیت با پایۀ ماتریس PA11 تقویت شده با استون وود فرموله، تولید و آزمایش شدند. این مواد پایۀ کاملآ زیستی دارند. خواص مکانیکی این کامپوزیت های زیست پایه با مواد کالایی PP+GF مورد استفاده در صنعت خودرو مقایسه شد. در محتوای SGW بالاتر، خواص ماکرو در هر دو کامپوزیت مشابه بوده و به مقاومت کششی و خمشی مشابهی در مدول یانگ و خمشی رسیدند. با این وجود، خواص خاص مواد با پایۀ PA11 نیز دارای چگالی بالا در این ماتریس بودند. یک مطالعه موردی در زمینه دستگیرۀ داخلی درب خودرو انجام شد که آزمایشات آن بر قطعۀ اصلی ساخته شده از کامپوزیت PP+20GF مبتنی بودند؛ این قطعه در شرایط عادی و محدود ارزیابی شد. بر همین اساس، از تحلیل عنصر محدود استفاده شد؛ نتایج حاصل از این تحلیل نشان داد که مواد با پایۀ PA11 با محتوای SGW برابر یا بالاتر از 40 درصد وزنی فاکتورهای ایمنی و حداکثر تغییر شکل ها را مشابه با مؤلفۀ اصلی ارائه می دهند. در ادامه، تحلیل چرخۀ حیات اولیه نشان داد که ترکیبات با پایۀ PA11 نسبت به نمونه های PP پایه انرژی بیشتری مصرف می کنند. با این وجود، مصرف انرژی با کامپوزیت های PP پایه حاوی 30 درصد وزنی GF مشابه بود. بقیه کامپوزیت ها با پایۀ PA11 به مقدار قابل توجهی از انرژی نیاز داشتند. مطالعۀ ردپای کربن در کامپوزیت ها نشان داد کامپوزیت های حاوی60 درصد محتوای SGW با نمونه های PP پایه حاوی 20 درصد وزنی از محتوای GF مشابه بود. از لحاظ تأثیرات مکانیکی و زیست محیطی، تنها مواد حاوی محتوای الیاف طبیعی بالاتر گزینۀ مناسبی برای جایگزینی کامپوزیت با پایۀ PP هستند. با این حال، به تحقیقات بیشتری برای کاهش مصرف انرژی لازم برای تولید PA11 نیاز است؛ در غیر این صورت، مزایای زیست محیطی آن به گونه ای مبهم خواهد بود.
