کامپوزیت و ماتریس پلیمری

دسته: مقالات منتشر شده در 13 تیر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 145

بررسی کامپوزیت ها و ماتریس های پلیمری و الیاف

افزایش آگاهی زیست محیطی و نیاز به کارایی و عملکرد بالا در حوزه مهندسی به تحقیق و توسعه روزافزون مواد جدید و بهبود یافته من جمله رایج ترین الیاف طبیعی همچون کناف، روغن نخل ، شکرنخل، الیاف برگ آناناس، کتان، کنف، سیسال، الیاف نارگیل و کنف هندی منجر شده است. از این الیاف به منظور تقویت ماتریس های پلیمری ترموپلاستیک مانند پلی استایرن (PS)، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن (PE) و پلی وینیل کلراید (PVC) استفاده می شود. همچنین از فنولیک، وینیل استر پلی استر غیراشباع و رزین اپوکسی برای ماتریس های پلیمری ترموست استفاده می شود. هدف از این مقاله بررسی دسته بندی اصلی الیاف طبیعی است که ماتریس های پلیمری ترموست را نیز در بر دارد و همچنین به بررسی رزین پلی استر غیر اشباع و صنعت بیوکامپوزیت های هیبریدی نیز می پردازد.

 

کامپوزیت هیبریدی از دو یا چند عنصر در هر شکل و برای مصارف گوناگون تشکیل شده است. به سادگی میتوان کامپوزیت را ترکیبِ مواد مختلف تعریف کرد که اغلب یک ماده جدید با عملکرد غالب تولید می شود که توسط اجزای تشکیل دهنده آنها به نمایش گذاشته می شود. در طی سالها، کاربرد کامپوزیت گسترش یافته و امروزه به بازارهای جدیدتر نفوذ پیدا کرده و آنها را از آن خود کرده است. مواد کامپوزیتی مدرن و سنتی بخش قابل ملاحظه ای از بازار این مواد مهندسی شده را تشکیل می دهند که از محصولات روزانه گرفته تا کاربردهای پیچیده تر را شامل می شود. این مواد پیشرفته در صنعت ساختمان، نظامی، هوافضا و خودروسازی استفاده می شوند. فناوری تولید آنها به دلیل مزیتی که نسبت به اکثر متریال موجود مانند فلز دارد، از محبوبیت بالایی برخوردار است. این متریال همچنین از خواص منحصر به فردی مانند استحکام بالا، چگالی کم، وزن سبک، خوردگی کم و قابلیت تغییر دما برخوردار هستند. از همه مهم تر، زیست تخریب پذیر بودن آنها است که نوعی متریال سبز محسوب می شوند. الیاف شیشه مصنوعی، آرامید و فیبر کربن بعنوان الیاف تقویت کننده در ساخت کامپوزیت کاربرد گسترده ای دارند و اثبات شده است که از استحکام مکانیکی خوبی هم برخوردار هستند. یکی از معایب الیاف مصنوعی این است که ممکن است باعث تحریک پوست شده و برای سلامت انسان خطرناک باشد. کاملآ واضح است که استحکام کششی مطلوب و مدول یانگ الیاف شیشه بسیار بیشتر از الیاف طبیعی است. با این حال، تفاوت در خواص شیشه و الیاف طبیعی با در نظر گر فتن کاربردها و هزینه های آنها از همه مهمتر است. الیاف طبیعی بعنوان الیاف تقویت کننده به دلیل فراوانی و عملکرد قابل ملاحظه از لحاظ افزایش استحکام و سفتی، جدا از اینکه به راحتی از منابع تجدیدپذیر استخراج شده و با هزینه کم و تحریک پوستی کمتر تولید می شوند، به یک جایگزین مطلوب تبدیل شده اند. علاوه براین، زیست سازگار بوده و ممکن است جایگزین الیاف مصنوعی شوند. کامپوزیت های ساخته شده از الیاف طبیعی اساسآ الیاف گیاهی محسوب می شوند که درون یک پلیمر ترموست یا ترموپلاستیک جاسازی شده اند. چگالی این الیاف طبیعی مشابه با همتایان پلاستیکی آنها است که معمولآ 50-40 درصد کمتر از چگالی الیاف شیشه ارزیابی شده است. بنابراین، مواد پلیمری را می توان تقویت یا پر کرد؛ بدون اینکه چگالی آنها تحت تأثیر قرار بگیرد. در نهایت، الیاف طبیعی مانند کنف، روغن نخل، شکرنخل، برگ آناناس، کتان، سیسال، الیاف نارگیل و کنف هندی به دلیل کاربردهای گسترده بسیار مورد توجه دانشمندان و فناوران قرار گرفته اند.

 

منابع استخراج الیاف طبیعی

باافزایش تقاضای مواد مهندسی شده زمینۀ تحقیقات گسترده و توسعه متریال جدید و اصلاح شده به ویژه در صنعت کامپوزیت فراهم شده است. از آنجایی که بسیاری از الیاف طبیعی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، در حال تحقیق و بررسی هستند؛ فرصت های توسعۀ آنها در زمینه های پیشرفته تر نادیده گرفته می شود. اخیرآ، تحقیقات در زمینه ساخت متریال جدید با عملکرد بالا، خواص منحصر به فرد و صرفه اقتصادی از منابع تجدید پذیر کشاورزی گسترش یافته است. از طرفی، به نگرانی ها از استفاده از منابع جایگزین الیاف طبیعی با افزایش آگاهی نسبت به مواد زیست سازگار، تجدید پذیر و زیست تخریب پذیر دامن زده است. هدف از تمام اینها، کاهش وابستگی به منابع طبیعی تجدید ناپذیر است زیرا کمبود پلیمرهای نفتی و تولید جایگزین آنها همچنان چالش برانگیز است. مزیت اصلی الیاف طبیعی نسبت به الیاف مصنوعی فراوان بودن منابع، هزینه نسبتآ کم، جرم و چگالی کم، استحکام بالا، تجدیدپذیری و زیست تخریب پذیری آنها است. امروزه استفاده از اصطلاح "زیست تخریب پذیر" در کامپوزیت های ساخته شده از الیاف طبیعی در واقع به استفاده از منابع طبیعی در صنعت پلیمر اشاره دارد که به دلیل کاهش نیاز به سوزاندن پلاستیک، وابستگی به منابع نفتی و انتشار دی اکسید کربن را نیز به حداقل می رساند. امروزه در این عصر فناوری پیشرفته، استفاده از کامپوزیت های ساخته شده از الیاف طبیعی از طریق کاهش وابستگی به منابع نفتی فرصتی برای حفاظت از محیط زیست فراهم می کند. در شکل زیر کاربرد الیاف طبیعی تقویت شده در صنعت خودروسازی آلمان و اتریش بین سال های 2002-1996 ارائه شده است.

 

شکل 1:

Utilisation of natural fibre reinforced composite 

 

پیش بینی می شود که استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت ها روند ساخت آنها را تغییر داده و بعنوان انتخاب بهتری به بازار عرضه شود. کاربرد صنعتی الیاف طبیعی تنها به دلیل کاهش هزینه، بلکه به دلیل مسائل زیست محیطی صورت گرفت. در اروپا، دستورالعمل اتحادیه اروپا در مورد "عمر مفید وسایل نقلیه " مقرر شد که 85 درصد از وزن اجزای خودرو بایستی تا سال 2005 قابل بازیافت باشد که بعدآ تا سال 2015 به 95 درصد افزایش خواهد یافت. مرسدس بنز اخیرآ با استفاده از کامپوزیت های هیبریدی ترموست تقویت شده با کتان و سیسال برای ساخت پنل درب خودرو، حدود 20 درصد از وزن خودروی تولید شده را کاهش داده است. در شکل زیر کاربرد الیاف طبیعی مانند کتان، کنف، سیسال، چوب و سایر کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی در صنعت خودروسازی برای تولید حداکثر 50 جزء از سری کلاس E مرسدس بنز با درب داخلی ساخته شده از کامپوزیت پلی پروپیلن تقویت شده با کناف نشان داده شده است.

 

شکل 2:

 Natural fibre reinforced composites in automotive applications

 

منابع زیادی برای استخراج الیاف طبیعی مورد استفاده در صنعت کامپوزیت وجود دارد. در پایان این بررسی صورت گرفته می توان گفت که عملکرد کامپوزیت های تقویت شده با الیاف طبیعی را می توان از طریق هیبریداسیون با افزاودن مقدار مناسبی از الیاف مصنوعی تنظیم کرد. علاوه بر تعادل بین هزینه و طراحی کامپوزیت براساس الزامات محصول نهایی، میتوان تعادل اثربخشی نیز بین اثرات زیست محیطی و عملکرد مطلوب حاصل کرد.