کامپوزیت پلیمری الیاف دار

دسته: مقالات منتشر شده در 16 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 502

ساخت، خواص و کاربرد کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف

مشخص شده است که کامپوزیت ها امیدوارکننده ترین و مهم ترین مواد موجود در قرن حاضر هستند. در حال حاضر، کامپوزیت های تقویت شده با الیاف مواد مصنوعی یا طبیعی به دلیل دارا بودن مواد سبک وزن با استحکام بالا در کاربردهای خاص اهمیت بیشتری پیدا می کنند. کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف نه تنها نسبت استحکام به وزن بالایی دارد، بلکه از خواص منحصر به فردی مانند دوام بالا، سختی، خواص میرایی، استحکام خمشی، مقاومت سایشی، چکش خواری و اشتعال پذیری برخوردار است. این طیف گسترده از خواص متنوع باعث شده است تا مواد کامپوزیتی در صنایع مکانیکی، ساختمانی، هوافضا، خودروسازی، زیست پزشکی، دریایی و بسیاری از صنایع تولیدی دیگر کاربرد پیدا کنند. عملکرد مواد کامپوزیتی عمدتاً به عناصر تشکیل ‌دهنده و تکنیک‌های ساخت آن‌ها بستگی دارد؛ بنابراین، خواص عملکردی الیاف مختلف موجود در سراسر جهان، طبقه‌بندی آنها و تکنیک‌های ساخت مورد استفاده برای ساخت مواد کامپوزیت بایستی مورد بررسی قرار گیرند. در اینجا به بررسی طیف متنوعی از الیاف، خواص، عملکرد، طبقه ‌بندی و تکنیک‌های مختلف تولید الیاف کامپوزیت با هدف کشف مواد کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف در کاربردهای مهم پرداخته شده است. عملکرد استثنایی آنها در کاربردهای متعدد، مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف را به جایگزینی امیدوارکننده نسبت به فلزات یا آلیاژهای منفرد تبدیل کرده است.

 

تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته کامپوزیت ها را به عنوان جایگزینی مناسب برای بسیاری از مواد معمولی معرفی کرده اند زیرا بهبود قابل توجهی در خواص ساختاری، مکانیکی و تریبولوژیکی مواد کامپوزیت تقویت شده با الیاف (FRC) وجود دارد. اگرچه مواد کامپوزیتی دوام محصول نهایی را افزایش می دهند، اما در حال حاضر نگرانی ها از تجمع زباله های پلاستیکی در محیط زیست رو به افزایش است. این نگرانی محققان در سراسر جهان را وادار به توسعه مواد زیست سازگار با فرآیندهای تولید تمیزتر کرده است. چندین فرآیند مختلف بازیافت کامپوزیت نیز برای مقابله با هزاران تن زباله کامپوزیتی تولید شده توسعه یافته اند. در بازیافت مکانیکی، زباله ها خرد شده و به صورت پودر بعنوان فیلر در ترکیبات قالب‌ گیری ورق استفاده می‌شود. در بازیافت حرارتی، تجزیه ضایعات کامپوزیت با پیرولیز انجام می شود و مقدار زیادی انرژی گرمایی با سوزاندن مواد کامپوزیتی با ارزش حرارتی بالا به دست می آید. همچنین فرآیندهای کارآمدتری مانند بازیافت شیمایی (Solvolysis) و تکه تکه شدن با ولتاژ بالا (HVF) وجود دارد. افزودن فیلرهای طبیعی مانند الیاف طبیعی، نانوکریستال‌های سلولز و سلولز نانوفیبریل شده در ماتریس پلیمرها برای ساخت کامپوزیت‌های زیست سازگار، خواص مواد را بهبود بخشیده و در عین حال، تجمع باقیمانده را به حداقل می‌رساند. بسیاری از محققان مزایای الیاف سلولزی مانند دسترسی فراوان در طبیعت، غیر سمی بودن، تجدید پذیر، مقرون‌ به ‌صرفه و همچنین ایجاد پیوند لازم با ماتریس سیمانی برای بهبود قابل‌ توجه خواصی مانند شکل‌پذیری، چقرمگی، ظرفیت خمشی، و چکش خواری را گزارش کرده‌اند. در تکنیک های مدرن از خاکستر بادی، پودر سنگ آهک، پودر آجر و بسیاری از افزودنی های معدنی دیگر برای تقویت سازه های کامپوزیتی استفاده می شود. چقرمگی مواد با افزودن خاکستر بادی در کامپوزیت بتن برای سازه ها افزایش می یابد که منجر به افزایش طول عمر مواد نیز می شود. الیاف طبیعی عمدتاً به عنوان الیاف گیاهی، حیوانی و معدنی طبقه بندی می شوند. از آنجایی که محتوای آزبست در الیاف معدنی برای سلامت انسان خطرناک است، این الیاف با توجه به تحقیقات انجام شده در مورد مواد کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف، به خوبی بررسی نشده اند؛ در حالی که الیاف گیاهی از خواص بهینه ای من جمله مانند هزینه کمتر، زیست تخریب‌ پذیری، سهولت در دسترسی، خواص فیزیکی و مکانیکی خوب بهره مند هستند. الیاف گیاهی را می توان الیاف تهیه شده از برگ سیسال و آباچا، الیاف باست کتان، جوت، رامی و کنف، الیاف علف و نی پوسته برنج، الیاف هسته کنف، جوت و کنف، الیاف بذر پنبه، کاپوک و زغال سنگ، و انواع دیگر، که ممکن است شامل چوب و ریشه باشد نام برد.

 

ماتریس های پلیمری نیز به دو دسته ماتریس طبیعی و ماتریس مصنوعی تقسیم می شوند که نوع مصنوعی از فرآورده های پتروشیمی همچون پلی استر، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن (PE) و اپوکسی تهیه شده است. تحقیقات اخیر به توسعه کامپوزیت های هیبریدی حاوی ترکیبی از الیاف طبیعی و مصنوعی کمک می کند. ساختارهای مرکب متشکل از بیش از یک نوع الیاف به عنوان کامپوزیت های هیبریدی تعریف می شوند. روش‌هایی برای ترکیب این الیاف وجود دارد که شامل چیدن لایه‌های الیاف، اختلاط الیاف، اختلاط دو نوع الیاف در یک لایه و ایجاد هیبرید متقابل، قرار دادن انتخابی الیاف در جایی که به نیروی بهتری نیاز است، و قرار دادن هر الیاف بر اساس جهت گیری خاص آن می شود. با این وجود، جمع آوری الیاف ساده ترین روش است و دیگر روش ها در ایجاد اثر هیبریداسیون مثبت محدود هستند. بسیاری از محققان با توسعه مواد کامپوزیتی تقویت شده به منظور استفاده کارآمد در کاربردهای خاص با تغییر محتوای الیاف، جهت گیری، اندازه یا فرآیندهای تولید آن به موفقیت دست یافتند. درک خواص فیزیکی، مکانیکی، الکتریکی و حرارتی FRC ها برای کاربرد موثر آنها ضروری است. FRC ها به دلیل خواص مکانیکی قابل توجهی که دارند در حال حاضر از کاربردی فراوان نیز برخوردار هستند. این مواد کامپوزیتی اغلب از خواص طراحی شده خود فراتر می روند زیرا برخی از عیوب، مانند عیوب ساختاری، باعث انحراف آنها از بهبود مورد انتظار در خواص مکانیکی می شود. این عیوب شامل ناهماهنگی، موج دار شدن، شکست الیاف، جدا شدن پیوند فیبر/ماتریس، لایه لایه شدن و تشکیل حفره ها در ماتریس کامپوزیتی است. افزایش 1 درصدی محتوای کامپوزیت ها را از بین برده و منجر به کاهش استحکام کششی (20-10 درصد)، مقاومت خمشی (10 درصد) و مقاومت برشی بین لایه ای (10-5 درصد) می شود.

 

در مواد کامپوزیت از زمان اختراع خود در قرن گذشته، با توجه به خواص منحصر به فردی که دارند به پیشرفت های متعددی دست یافته اند. تلاش‌های تحقیقاتی فراوانی برای کشف مواد تقویت شده به منظور استفاده بهینه تر در کاربردهای مورد نظر انجام شده است. در چند دهه گذشته، تقویت‌کننده‌های الیاف یا ذرات در ساختار ماتریسی مواد کامپوزیتی نقش مهمی ایفا کرده و آنها را به انتخابی مطلوب در بالاترین کاربردها تبدیل کرده‌اند. انواع مختلفی از الیاف برای ساخت کامپوزیت های تقویت شده با الیاف موجود است که به عنوان الیاف طبیعی و مصنوعی طبقه بندی می شوند. الیاف مصنوعی سفتی بیشتری را ایجاد می کند، در حالی که الیاف طبیعی علاوه بر ارزان بودن، زیست تخریب پذیر و زیست سازگار نیز هستند. اگرچه هر دو نوع الیاف عملکرد قابل توجهی دارند، اما آخرین تحقیقات عملکرد استثنایی مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف هیبریدی که ترکیبی از خواص الیاف طبیعی و مصنوعی است، را نشان داده است. مواد کامپوزیت به روش های مختلفی ساخته می شوند که هر روش برای مواد خاصی قابل استفاده است. اثربخشی تکنیک ساخت به ترکیب نوع و حجم مواد ماتریس یا الیاف به کار رفته بستگی دارد، زیرا هر ماده دارای خواص فیزیکی متفاوتی مانند نقطه ذوب، سفتی، استحکام کششی و غیره است. سازه های کامپوزیتی علاوه بر این که وزن محصول نهایی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهند، استحکام و سختی مواد را نیز بهبود می بخشند. کامپوزیت ها همچنین از خواص منحصر به فردی مانند چکش خواری، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر مواد شیمیایی بهره می برند اما این خواص به ترکیب مواد، نوع الیاف و نوع تکنیک ساخت بستگی دارد.