جایگزینی الیاف طبیعی با الیاف مصنوعی

بررسی کاربرد الیاف طبیعی بعنوان جایگزین الیاف مصنوعی در کامپوزیت های پلیمری

استفاده از کامپوزیت ها در بخش های مختلف به دلیل خواص منحصر به فرد، کاهش هزینه ساخت و داشتن کاربردهای متنوع امری اجتناب ناپذیر است. از بین طبقه بندی های مختلف، کامپوزیت های پلیمری اساسآ بعنوان اجزای ساختاری متمرکز مورد استفاده قرار می گیرند و حتی روش انتخاب و ترکیب آنها نقش مهمی در تعیین خواص کامپوزیت ایفا می کند. اگرچه کامپوزیت ها ابتدا به صورت دستی ساخته می شوند اما در شرایط فعلی، برای تقویت آنها از تقویت کننده های طبیعی استفاده می شود که نتایج بسیار خوبی را به اثبات رسانده اند. از این رو، امروزه تحقیقات عمدتآ بر استفاده از الیاف طبیعی مختلف بعنوان تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری متمرکز شده اند. در اینجا، مروری کوتاه از خواص الیاف طبیعی و کامپوزیت های تقویت شده با الیاف طبیعی بعنوان نقطه عطفی در علم پلیمر ارائه می شود. استفاده از الیاف طبیعی به دلیل داشتن خواص عالی همچون اثرات زیست محیطی کم و هزینه تولید پایین، در مقایسه با سایر مواد من جمله کامپوزیت های الیاف مصنوعی معقول تر است و از پتانسیل آنها در حوزه گوناگون حمایت می کند. علاوه براین، مضرات الیاف شیشه و الیاف مصنوعی بعنوان تقویت کننده در ساخت کامپوزیت توجه دانشمندان، محققان و مهندسان جوان را به خود جلب کرده و بعنوان جایگزین مناسبی برای الیاف معمولی مانند الیاف مصنوعی همچون شیشه، کربن، آرامید و غیره مورد استفاده قرار گرفت. الیاف طبیعی جایگزین مناسبی برای الیاف مصنوعی در سیستم حمل و نقل همچون اتومبیل و واگن های ریلی، هوافضا، کاربردهای نظامی، صنعت ساخت و ساز، صنعت بسته بندی، محصولات مصرفی و صنایع ساختمانی برای تولید پوشش های سقف، تخته های پارتیشن و غیره محسوب می شوند. با این حال، در توسعه کامپوزیت ها بایستی برخی مسائل را نیز در نظر گرفت. در این مقاله سعی شده است تا به بررسی این موارد پرداخته شود.

مواد پلیمری تقویت شده با الیاف کامپوزیت هایی هستند که دارای الیاف (تقویت کننده) با استحکام بالا هستند که در ماتریس های پلیمری تعبیه شده اند. الیاف موجود در این مواد، عناصر حامل هستند و استحکام مواد را فراهم می کنند، در حالی که ماتریس های پلیمری هم ترازی الیاف (موقعیت و جهت) را حفظ می کنند. همچنین از مواد در برابر آسیب های زیست محیطی و سایر آسیب های احتمالی محافظت می کنند. یک پلیمر خاص معمولآ استحکام مکانیکی لازم برای کاربردهای مختلف را ندارد. تقویت الیاف با استحکام بالا خواص مکانیکی پلیمر را افزایش می دهد که کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف را برای کاربردهای متفرقه آماده می کند. این کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف عمدتآ با استفاده از الیاف مصنوعی مانند شیشه، کربن، آرامید، کِولار و غیره ساخته می شوند. اما افزایش آگاهی زیست محیطی، علاقه جامعه، مقررات جدید زیست محیطی و مصرف ناپایدار مواد ساخت دست بشر منجر به رشد تفکرات و ایده ها برای استفاده از مواد ز یست سازگار شد. با توجه به این دیدگاه، الیاف طبیعی بعنوان یکی از بهترین مواد زیست سازگار در نظر گر فته می شود که از خواص خوبی در مقایسه با الیاف مصنوعی برخوردار هستند. با این حال، در دهه های اخیر الیاف طبیعی به دلیل مزایای منحصر به فردی که نسبت به شیشه و الیاف کربن معمولی دارند، بعنوان جایگزین مناسبی برای الیاف مصنوعی در تقویت کامپوزیت های پلیمری مورد توجه بسیاری از دانشمندان و محققان قرار گرفته اند. از میان این الیاف طبیعی می توان به کتان، کنف، جوت، سیسال، گشنیز، کاپوک، موز و غیره اشاره کرد که بسیار شناخته شده هستند. استفادۀ صنعتی از این کامپوزیت ها در چند سال اخیر رشد قابل ملاحظه ای داشته است. از طرفی، در حوزه های صنعتی و خودروسازی بویژه شرکت های خودروسازی معتبر من جمله صنعت کمبریج (صنعت خودرو در ایالات متحده)، شرکت پروتون (خودروسازی ملی مالزی) و شرکت های خودروسازی آلمان (بی ام و، آئودی، فورد، اوپل، فولکس، واگن، دایملر کرایسلر و مرسدس بنز) نیز به خوبی در حال رشد است. علاوه بر صنعت خودرو، در صنعت عمران، ورزش، هوافضا و دیگر موارد همچون ساخت پنل ها، قاب پنجره، حصار و حتی بدنه دوچرخه نیز کاربرد دارند. تحقیقات اخیر نشان داد که صنعت کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی در سراسر جهان در سال 2010 به 2.1 میلیارد دلار رسید. با توجه به ارزیابی های انجام شده، نرخ رشد این صنعت در طی پنج سال (2016-2011) در سراسر جهان تا 10 درصد  تخمین زده شد. بنابراین بدون شک، می توان گفت که صنعت کامپوزیت الیاف طبیعی در آینده بیشتر از کامپوزیت های حاوری الیاف مصنوعی رشد خواهد داشت.

کامپوزیت

اصطلاح "کامپوزیت" در علم مواد به ماده ای اطلاق می شود که از یک محیط حاوی عوامل تقویت کننده تشکیل شده است. تقویت کننده می تواند بخشی از ترکیب را توصیف کند که نشان دهندۀ استحکام، سختی و توانایی حمل بار است. پرکاربردترین معنا ان است که "کامپوزیت ها سیستم های مواد چندکاره با خواص منحصر به فردی هستند که در هیچ مادۀ گسسته ای قابل دستیابی نیستند؛ آنها ساختارهای منسجمی هستند که از ترکیب فیزیکی دو یا چند ماده سازگار ساخته می شوند که از نظر ترکیب، خواص و حتی شکل متفاوت هستند". به گفته یکی از دانشمندان به نام کِلی، کامپوزیت ها نباید بعنوان ترکیبی ساده از دو ماده در نظر گرفته شوند. طبق تعریف بیگزن، کامپوزیت ها مواد ترکیبی با آلیاژهای متفاوت هستند زیرا اجزای منفرد خواص خود را حفظ کرده اما در ترکیب آنها گنجانده شده اند و فقط از خواص خود بهره می برند. اگر بخواهیم تفسیر ساده تری بیان کنیم، می توان گفت که یک ماده مرکب (همچنین به آن کامپوزیت نیز گفته می شود) ماده ای است که از دو یا چند ماده اساسی با خواص فیزیکی- کالری شیمیایی متفاوتی ساخته شده است که در صورت ترکیب، ماده ای با خواص متفاوت از آن تولید می شود. به طور کلی، در ماتریس از گل، سیمان، پلیمرها، فلزات و سرامیک استفاده می شود. رایج ترین مواد کامپوزیتی ساخته شده از پلیمر شامل فایبرگلاس، الیاف کربن و کولار می شوند. پلیمرها را می توان به دو دسته ترموپلاستیک و ترموست طبقه بندی کرد. مواد ترموپلاستیک در حال حاضر بعنوان ماتریس برای بیوفایبر (الیاف زیستی) کاربرد دارند و از رایج ترین آنها می توان پلی پروپیلن، پلی اتیلن و پلی وینیل کلراید را نام برد. به رزین های فنولیک، اپوکسی و پلی استر میتوان بعنوان متداول ترین ترموست ها اشاره کرد. نمی توان زمان دقیق آغاز ساخت مواد کامپوزیت را پیش بینی کرد. اما ممکن است این مواد (آجر) توسط مصریان باستان از گل و کاه ساخته شده باشند. روش آجرسازی باستانی هنوز بر روی نقاشی های مقبره مصری در موزه هنر متروپولیتن دیده می شود. تجاری سازی کامپوزیت ها به قرونی مرتبط می شود که از الیاف سلولز برای تقویت فنل ها، اوره و رزین های ملامین استفاده می شد.

در حال حاضر، الیاف طبیعی بعنوان جایگزینی برای الیاف مصنوعی در ساخت کامپوزیت های پلیمری در صنایع خودروسازی، حمل و نقل، ساختمانی، بسته بندی و غیره بکار برده می شوند. الیاف طبیعی زیست تخریب پذیر هستند و میزان تخلیه کمتری نسبت به الیاف مصنوعی دارند. خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت های پلیمری الیاف طبیعی را می توان با عملکرد شیمیایی بهبود بخشید. این برای ما یک نعمت است که توسط منابع طبیعی و الیاف مختلف احاطه شده ایم اما نرم افزارهای اندکی برای کاوش و بهره برداری از آنها وجود دارد. کامپوزیت های تقویت شده با الیاف یکی از ابزارهای بهره برداری از منابع طبیعی در طبیعت هستند. به تحقیقات بیشتری برای گسترش دامنه کاربرد آنها من جمله بهبود مقاومت در برابر رطوبت و اشتعال پذیری نیاز است.