پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر
پلاستیک های تقویت شده با فیبر به چه موادی گفته میشود و چه خواصی دارند؟
پلاستیک های تقویت شده با فیبر که با نام پلیمرهای تقویت شده با فیبر نیز شناخته میشوند نوعی مواد ترکیبی ساخته شده از ماتریس های پلیمری هستند که به کمک فیبرها استحکام بیشتری پیدا کردند. این فیبرها معمولاً شامل شیشه در فایبرگلاس، کربن در پلیمرهای تقویت شده به کمک فیبرهای کربنی، آرامید و یا بازالت میشوند. در بعضی از موارد از سایر فیبرها همانند کاغذ، چوب و یا پنبه نسوز هم استفاده میشود. پلیمر های کاربردی در این دسته نیز شامل اپوکسی ها، وینیل استر ها و یا پلاستیک های ترموستینگ پلی استری میشوند و این امکان نیز وجود دارد که از رزینهای فرمالدهید فنولی در این ترکیبات بهره گرفته شود. پلاستیک های تقویت شده با فیبر مصارف بسیاری در حوزه هوافضا، خودروسازی، دریایی و ساخت و ساز دارند و معمولاً در سلاحهای بالستیک نیز مشاهده می شوند.
پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر چگونه تولید میشوند؟
پلیمرهای موجود در این ترکیبات معمولاً توسط بسپارش های مرحله ای و یابسپارش های اضافی تولید می شوند. زمانی که این پلیمرها با هر عاملی ترکیب می شوند تا خواص آن را بهبود بخشند و یا تغییراتی در آن به وجود بیاورند، در نهایت ماده ای تولید میشود که به آن پلاستیک گفته می شود. پلاستیک های ترکیبی نیز دسته ای از پلاستیک ها هستند که از اتصال بین دو و یا تعداد بیشتری از مواد همگن با انواعی از مواد با خواص متفاوت به وجود می آیند تا محصول نهایی را به گونه ای تولید کنند که خواص مکانیکی مطلوب و مورد نظر را دارد. پلاستیک های تقویت شده با فیبر دسته ای از پلاستیک های ترکیبی می باشند که از مواد فیبری به منظور بهبود استحکام و قابلیت ارتجاعی پلاستیک ها استفاده می کنند. مواد پلاستیکی اصلی که حاوی هیچگونه فیبری در ترکیبات خود نمی باشند هم با نام ماتریس و یا عامل های اتصال گر شناخته می شوند. ماتریس سخت بوده و استحکام بالایی دارد ولی نوعی پلاستیک نسبتا ضعیف میباشد که توسط انواعی از رشته های تقویت کننده ی محکم تر و قوی تر و یا فیبرها حالتی مستحکم تر پیدا کرده است. میزان بهبود استحکام و قابلیت ارتجاعی در پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر به خواص مکانیکی فیبر و ماتریس هر دو بستگی دارد و علاوه بر آن حجم آنها در مقابل یکدیگر، طول رشته های فیبری و جهت گیری آن در طی ماتریس هم نقش مهمی در این مسئله ایفا خواهند کرد. تقویت ماتریسی زمانی رخ می دهد که بهبود خواص استحکامی و یا ارتجاعی پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر به خوبی مشخص شود. موارد یاد شده می‌توانند با خواص استحکام و قابلیت ارتجاعی خود ماتریس هم مرتبط باشد.
تاریخچه پلاستیکهای تقویت شده به کمک فیبر
باکلیت اولین نوعی از پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر بود که مورد استفاده قرار گرفت و توسط Leo Baekeland به عنوان جایگزینی برای لکا تولید شد. شیمیدان ها متوجه شدند که تعداد بسیار زیادی از رزین های طبیعی و فیبر ها در دسته پلیمر ها قرار می گیرند و فرد یاد شده نیز به تحقیقاتی در خصوص واکنش فنول ها و فرمالدهیدها پرداخت. وی نوعی از فنول فرمالدهید های محلول در آب را با نام نوولاک تولید کرد که هیچ وقت نتوانستند در بازار به موفقیتی دست پیدا کنند و سپس نوعی اتصال گر برای پنبه های نسوز را به وجود آورد که در آن زمان با لاستیک قالب گیری می شدند. وی با کنترل فشار و دمای اعمال شده به فنول و فرمالدهید در سال ۱۹۰۵ متوجه شد که می تواند نوعی ماده سخت و قالب پذیر را تولید کند که بعدها به اولین پلاستیک ترکیبی جهان تبدیل شد و نام آن باکلیت بود. او اختراع خود را در مجمعی در انجمن شیمی آمریکا در تاریخ ۵ فوریه سال ۱۹۰۹ به همگان اعلام کرد. توسعه پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر برای مصارف تجاری نیز در دهه ۳۰ میلادی به مقدار بسیار فراوانی افزایش پیدا کرد. ماده یاد شده در صنعت هواپیمایی بسیار مورد استقبال قرار گرفته بود. رزین مناسب به منظور ترکیب فایبرگلاس با پلاستیک با هدف تولید مواد ترکیبی در سال ۱۹۳۶ توسط دوپونت توسعه داده شد. یکی از پلیمر های اولیه که رزین های پلی استری و مدرن از آن به وجود آمده‌اند سیانامید ها بودند که در سال ۱۹۴۲ تولید شدند. سیستم های فراوری پروکسی از آن دوران به بعد به کار برده شدند. زمانی که فایبر گلاس و رزین ها با یکدیگر ترکیب شدند محتوای گازی ماده به پلاستیک تبدیل شد و این باعث شد تا خواص عایق پذیری این مواد کاهش پیدا کند اما امروزه برای اولین بار این ترکیبات خواص استحکامی بسیار خوبی از خود نشان دادند و می‌توان آنها را به عنوان مواد ساختمانی و سازه ای به کار برد. فیبرهای کربنی در اواخر دهه پنجاه تولید شدند و به کار برده شدند اگرچه در صنعت بریتانیا تا اوایل دهه شصت استفاده چندان گسترده ای نداشتند. فیبر های آرامیدی نیز در همین دوران تولید شده و با نام نومکس توسط کمپانی دو پونت به فروش رسیدند. امروزه هر کدام از این فیبرها به صورت گسترده‌ای در صنایع و تولید محصولاتی به کار برده می شوند که به پلاستیک هایی با استحکام بالا و خاصیت انعطاف پذیری نیاز دارد. فایبر گلاس ها به بیشترین میزان در تمام صنایع به کار برده شده اند و این در حالی است که فیبرهای کربنی و آرامید های کربنی همگی مصارف بسیار متعددی در حوزه هواپیمایی، خودروسازی و تولید محصولات ورزشی دارند. سه ماده ی کربن، شیشه و ارامید همچنان از دسته بندی های مهم فیبری میباشند که در پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر به کار برده میشوند. تولید جهانی پلیمر در اندازه امروزی در اواسط قرن بیستم شروع شد و این دقیقا زمانی بود که هزینه های پایین تولیدی، فناوری های جدید تولیدی و همچنین دسته های جدید محصولات با یکدیگر ترکیب شدند تا تولید محصولات پلیمری را به صورت اقتصادی ممکن سازند. در نهایت این صنعت در اواخر دهه هفتاد به رشد مورد نظر دست پیدا کرد و پس از آن تولید پلیمر در جهان از فولاد پیشی گرفت و باعث شد تا این مواد در محیط اطراف ما امروزه به مقدار بسیار زیادی مشاهده شوند. پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر بخش بسیار مهمی از این صنعت را از آغاز تاکنون تشکیل دادند.
فرآیندهای تولیدی پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر
پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر توسط دو فرایند متمایز فراوری میشوند که در حالت اول ماده فیبری ابتدا تولید شده و سپس شکل می‌گیرد ولی در حالت دوم ماده با استفاده از ماتریس هایی در طی قالبگیری به یکدیگر متصل می شود.
مزایا و معایب پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر کدامند؟
پلاستیک های یاد شده باعث میشوند تا فیبر های شیشه ای ترموپلاستیکی بتوانند انواعی از طراحی ها را داشته باشند. مشخص سازی جهت گیری فیبر های تقویت کننده می تواند استحکام و مقاومت پلیمر در برابر تغییر شکل را افزایش دهد. پلیمرهای تقویت شده به کمک شیشه دارای بیشترین قدرت و مقاومت در برابر نیروهای تغییر شکل دهنده هستند و این در حالی است که فیبر های پلیمری در برابر فشارهای وارد شده حالت موازی دارند و و زمانی که این فیبر ها در حالت عمودی قرار بگیرند کمترین استحکام را خواهند داشت. این توانایی با توجه به نوع کاربری ماده می تواند یک مزیت و یا محدودیت شمرده شود. می توان از فیبرهای عمود ضعیف به منظور تولید ارتباطات و اتصالات طبیعی استفاده کرد ولی همین موضوع خود ممکن است به نوعی شکست منجر شود به خصوص زمانی که روند های تولیدی نمی‌توانند فیبر ها را در جهت موازی با نیروهای وارده قرار دهند. زمانی که نیروها به صورت عمود بر فیبرها وارد شوند استحکام و انعطاف پذیری نسبت به ماتریس کاهش پیدا خواهد کرد. در قطعات رزینی ساخته شده از پلیمرهای تقویت شده به کمک شیشه مانند UP و EP نیز جهت گیری فیبرها می‌تواند به صورت دوبعدی و سه بعدی باشد.
حالت های شکست پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر کدامند؟
در صورتی امکان شکست ساختاری در پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبروجود دارد که :
- فشار های کششی باعث شوند تا ماتریس بیش از فیبرها کشیده شود و در نهایت ماده بین ماتریس و فیبرها به صورت کامل پاره شود.
- فشار های کششی موجود در بخش انتهایی فیبرها بیش از میزان تحمل ماتریس باشند و فیبرها را از ماتریس اصلی جدا کنند.
- نیروهای کششی حتی می توانند بیش از تحمل فیبرها باشند و باعث شوند که خود فیبرها از یکدیگر جدا شده و در نهایت ماده از بین برود.
قابلیت بازیافت پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر
از آنجایی که این ماده از زیرمجموعه های پلاستیک به شمار می‌رود، ممکن است مسئول تعدادی از نگرانی‌های موجود حول موضوع بازیافت و دور اندازی زباله های پلاستیکی باشد. پلاستیک ها یکی از چالش‌های اصلی در حوزه بازیافت می باشند زیرا آنها از پلیمرها و مونومرهایی گرفته میشوند که در اغلب موارد نمی‌توانند از یکدیگر جدا شوند و یا به حالت اولیه خود بازگردانده شوند. به همین دلیل امکان بازیافت تمام مواد پلاستیکی وجود ندارد و عده ای ادعا می کنند که حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از این موارد را می توان بازیافت نمود. پلاستیک های تقویت شده به کمک فیبر نیز در از این قاعده مستثنا نیستند و نگرانی هایی در خصوص امکان بازیافت آن ها و خطرات زیست محیطی وجود دارد.