الیاف شیشه GFRP

معایب الیاف شیشه GFRP

معایب و ضعف‌های الیاف شیشه‌ای در مقایسه با سایر الیاف در ذیل لیست شده است:

• فیبر شیشه مدول کششی پایین تری نسبت به الیاف کربن دارند و همین مسئله سبب می‌شود تا مهندسین سازه جهت مقاوم‌سازی ساختمان‌ها با FRP بیشتر رغبت به استفاده از الیاف کربن به جای الیاف شیشه داشته باشند.
• وزن مخصوص الیاف پلیمری شیشه در مقایسه با انواع الیاف کربن و کولار نسبتا بالا می‌باشد.
• الیاف شیشه نسبت به سایش در حین حمل و نقل حساس می‌باشند.
• مقاومت در برابر خستگی الیاف شیشه نسبتاً پایین است.
• الیاف شیشه‌ای GFRP نسبتا شکننده بوده و تردتر می‌باشد.
• سختی الیاف شیشه زیاد بوده و در نتیجه باعث سایش قالب‌ها و کند شدن ابزار برش در کارهای کامپوزیتی می‌گردد.

نکته قابل توجه در مورد رشته الیاف شیشه ای، تشکیل شدن آن از الیاف یا فیبر شیشه ای با قطر کم است که در صورت ظهور پدیده شکست به جهت رشد ترک‌ها که می‌تواند ناشی از وجود ترک‌های ریز با نقص های سطحی موجود بر سطح الیاف باشد تنها الیاف یا فیبر شیشه‌ای منفرد می‌شکنند و از شکست کامل رشته الیاف جلوگیری به عمل می‌آید. بنابراین یک رشته الیاف دارای استحکام شکست بیشتری نسبت به یک الیاف به قطر کلی مشابه آن می‌باشد زیرا در الیاف ضخیم رشد ترک ناشی از نقص‌های سطحی منجر به شکست کامل آن می‌گردد.

الیاف کربن CFRP (فیبر کربن)

کاربرد کامپوزیت CFRP و فیبر کربن

فیبر کربن در صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:

• کاربرد الیاف کربن و فیبر کربن در صنعت ساختمان: مقاوم سازی ساختمان و تقویت سازه ها با کامپوزیت CFRP، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه های پس کشیده و پیش تنیده کربنی در سازه های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل ها.
• کاربرد الیاف و فیبر کربن در صنعت خودرو: مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز،بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی ها، فنرهای لول و…
• کاربرد فیبر کربن در صنایع هوا فضا و هواپیما سازی: اجزای سازه ای ماهواره ها، سازه های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی های کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …
• کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی: ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …
• مقاومت بالا فیبر کربن در برابر مواد خورنده
• غیر قابل انفجار بودن فیبر کربن
• استحکام فیبر مربن در برابر خستگی

تولید فیبر کربن CFRP

 تولید فیبر کربن CFRP بر مبنای الیاف پلی اکریلونیتریل شامل سه فاز زیر می‌باشد:

• افزایش ظرفیت باربری و شکل پذیری ستون‌ها، تیرها، دال ها و اتصالات بتن آرمه
• تقویت مخازن فولادی و بتنی
• تقویت سازه‌های ساحلی و دریایی
• تقویت سازه‌های مقاوم در برابر انفجار
• تقویت تیر و ستون‌های چوبی
• تقویت دودکش‌های بتن آرمه با مصالح بنایی
• تقویت دیوارهای بتن آرمه
• تقویت دیوار تونل‌ها
• تقویت لوله‌های بتنی یا فولادی
• تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی
• ساخت دیوارهای ساحلی
• سقف‌های پشت بام‌های صنعتی
• سیستم دال کف در محیط‌های خورنده شیمیایی
• مرمت و تقویت سازه‌های مهمی چون بیمارستان‌ها آثار باستانی و غیره

تأثیرات حرارتی – رطوبتی

درجه حرارت، نقش تعیین‌کننده‌ای در مکانیزم جذب آب کامپوزیت‌ها و تأثیرات متعاقب برگشت‌ناپذیر آن بازی می‌کند. درجه حرارت، بر توزیع آب، میزان آن و سرعت جذب آن، تأثیر می‌گذارد. با افزایش دما، مقدار و سرعت جذب آب سریعاً افزایش می‌یابد. تحقیقات نشان داده است که ضایعات ناشی از قرار دادن کامپوزیت، در آب جوش به مدت چند ساعت، معادل جداشدن اجزاء کامپوزیت، و ترک‌خوردگی آن در اثر قرار گرفتن آن در آب با دمای 50  به مدت 200 روز می‌باشد. در دمای معمولی اطاق، نمونه‌های کامپوزیت هیچگونه خرابی و آسیبی را بروز نداده‌اند. چنین مشاهداتی به توسعه تکنیک‌هایی برای آزمایشات تسریع شده پیرشدگی کامپوزیت‌ها منجر شده است.  

محیط قلیایی

در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه در محیط قلیایی، ضروری است که از الیاف شیشه با مقاومت بالای قلیایی استفاده نمود؛ زیرا محلول قلیایی با الیاف شیشه واکنش داده و ژل انبساطی سیلیکا تولید می‌کنند. این نکته به خصوص در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه به عنوان میلگردهای مسلح کننده بسیار حائز اهمیت می‌باشد. امروزه علاقه به استفاده از میلگردهای FRP از جنس شیشه در رویه‌های بتنی، به عنوان جانشین میلگردهای فولادی که با نمک‌های یخ زدا خورده می‌شوند، و نیز در سازه‌های در مجاورت آب افزایش یافته است. با این وجود در فرآیند هیدراسیون سیمان، محلول آب با قلیائیت بالا (pH>12) ایجاد می‌شود. این محلول قلیایی شدید، می‌تواند بر الیاف شیشه تأثیر گذاشته و دوام میلگردهای اف ار پی ساخته شده با الیاف شیشه را کاهش دهد. الیاف شیشه از جنس E-glass که اکثراً ارزان بوده و به کار گرفته می‌شوند، ممکن است مقاومت کافی در مقابل حمله قلیایی‌ها را نداشته باشند. استفاده از رزین وینیل استر با ایجاد یک مانع مؤثر، تا حدودی حمله قلیایی‌ها را کاهش می‌دهد. مقاومت در مقابل حمله قلیایی‌ها را می‌توان با طراحی عضو سازه‌ای برای تحمل سطح تنش‌های کمتر، بهبود داد. همچنین می‌توان برای بهبود دوام، از الیاف شیشه با مقاومت بسیار خوب در مقابل قلیا استفاده نمود. شایان ذکر است که FRP های ساخته شده از الیاف کربن و آرامید، مطلقاً در مقابل محیط‌های قلیایی از خود ضعفی نشان نمی‌دهند.  

تأثیر دمای پائین

 

تأثیرات سیکل‌های حرارتی در دمای پایین (یخ‌ زدن – ذوب شدن)

 

عوامل اثر گذار بر دوام الیاف FRP عبارتند از:

• تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر
• از دست رفتن چسبندگی بین الیاف و ماتریس
• کاهش مقاومت و سختی الیاف

محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص FRPها دارد. ماتریس و الیاف ممکن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمک‌ها و قلیا‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و الیاف FRP ایجاد کند. از طرفی تحت شرایط بار‌گذاری مکانیکی، بارهای تکراری ممکن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممکن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام کامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.  

پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر

نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یکی از جنبه‌های مهمی است که در مساله دوام کامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در کامپوزیت انتقال تنش بین الیاف، محافظت از سطح الیاف در مقابل سائیدگی مکانیکی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشی در صفحه کامپوزیت ایفا می‌کند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد؛ باید مورد توجه خاص قرار گیرد. برای کلیه پلیمرها کاملاً طبیعی است که تغییر فوق‌العاده آهسته‌ای در ساختار شیمیایی (مولکولی) خود داشته باشند. این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت کنترل می‌شود. این پروسه پیر‌شدگی (Aging) نام دارد. تأثیرات پیر شدگی در اکثر کامپوزیت‌های ترموست متداول، در مقایسه با کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خفیف‌تر است. در اثر پیر‌شدگی فیزیکی، بعضی از پلیمرها ممکن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتیجه این مساله تأثیر بر خواص غالب ماتریس از جمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثر موارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق الیاف رخ داده و تأثیرات پیر‌شدگی بر الیاف فوق‌العاده جزئی است.  

تأثیر رطوبت بر FRP

بسیاری از کامپوزیت‌های با ماتریس پلیمری در مجاورت هوای مرطوب و یا محیط‌های مرطوب، با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود می‌گیرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته و نهایتاً پس از چندین روز تماس با محیط مرطوب، به نقطه اشباع (تعادل) می‌رسد. زمان رسیدن کامپوزیت به نقطه اشباع به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشک کردن کامپوزیت می‌تواند این روند را معکوس کند، اما ممکن است منجر به حصول کامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت کرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج، نوع الیاف، نوع رزین، جهت و ساختار الیاف، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ریزترک‌ها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت بر اجزای کامپوزیت را مورد بحث قرار می‌دهیم.  

تأثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری

جذب آب توسط رزین ممکن است در مواردی برخی از خصوصیات رزین را تغییر دهد. چنین تغییراتی عمدتاً در دمای بالای 120 درجه ممکن است اتفاق بیفتد و در اثر آن سختی کامپوزیت به شدت کاهش یابد؛ اگر چه چنین وضعیتی عمدتاً در مصارف کامپوزیت‌ها در مهندسی عمران و به خصوص در سازه‌های در مجاورت آب، کمتر پیش می‌آید و مورد توجه نیست. از طرفی جذب رطوبت یک تأثیر سودمند نیز بر کامپوزیت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزین شده که این مساله به نوبه خود تنش‌های پس‌ماند بین ماتریس و الیاف را که در اثر انقباض ضمن عمل‌آوری کامپوزیت ایجاد شده، کاهش می‌دهد. این مساله باعث آزاد شدن تنش‌های بین ماتریس و الیاف شده و ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. از طرفی گزارش شده است که در کامپوزیت‌هایی که به صورت نامناسب ساخته شده‌اند، در اثر وجود حفره‌ در سطح بین الیاف و ماتریس و یا در لایه‌های کامپوزیت، نفوذ آب در داخل حفره‌ها و یا در سطح مشترک الیاف و ماتریس ممکن است به سیلان رزین منجر شود. این مساله را می‌توان با انتخاب مناسب مواد رزین و یا آماده‌سازی صحیح سطح الیاف‌ و نیز بهبود تکنیک‌های ساخت، حذف نمود.  

تأثیر رطوبت بر الیاف‌

اعتقاد عمومی بر آن است که الیاف شیشه چنانچه به صورت طولانی مدت در کنار آب قرار گیرند، آسیب می‌بینند. دلیل این مساله آن است که شیشه از سیلیکا ساخته شده که در آن اکسیدهای فلزات قلیایی منتشر شده‌اند. اکسیدهای فلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود، در اکثر موارد مصرف در مهندسی عمران، از E-glass و S-glass استفاده می‌شود که فقط مقادیر کمی از اکسیدهای فلزات قلیایی را داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال کامپوزیت‌های ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند، به‌صورتی‌که از نفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیری ‌کنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژی سطحی آنها را کاهش می‌دهد که می‌تواند رشد ترک‌خوردگی را افزایش دهد. از طرفی الیاف آرامید نیز می‌توانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب کنند که منجر به باد کردن و تورم آنها می‌شود. با این وجود اکثر الیاف با پوششی محافظت می‌شوند، که پیوستگی خوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذکر است که تحقیقات متعدد، نشان می‌دهد که رطوبت هیچگونه تأثیرات سوء شناخته‌شده‌ای را بر الیاف کربن به دنبال ندارد.  

رفتار عمومی کامپوزیت‌های اشباع شده با آب

کامپوزیت‌های با ‌آب اشباع شده معمولاً کمی افزایش شکل‌پذیری (Ductility) در اثر نرم‌شدگی (Softening) ماتریس از خود نشان می‌دهند. این مساله را می‌توان یک جنبه سودمند از جذب آب در کامپوزیت‌های پلیمری بر‌شمرد. همچنین افت محدود مقاومت و مدول الاستیسیته می‌تواند در کامپوزیت‌های با آب اشباع شده اتفاق بیفتد. چنین تغییراتی معمولاً برگشت‌پذیر بوده و بنابر‌این به محض خشک شدن کامپوزیت‌، ممکن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود. شایان توجه است که افزایش فشار هیدرواستاتیک (مثلاً در مواردی که کامپوزیت‌ها در مصارف زیر آب و یا در کف دریا به کار می‌روند)، لزوماً به جذب آب بیشتر توسط کامپوزیت و افت خواص مکانیکی آن منجر نمی‌شود. بدین ترتیب انتظار می‌رود که اکثر سازه‌های پلیمری زیر‌ آب، دوام بالایی داشته باشند.  در حقیقت، تحت فشار هیدرواستاتیک، جذب آب به دلیل بسته شدن ریز‌ترک‌ها و ضایعات بین سطحی، کمی کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که جذب آب بر خواص عایق بودن کامپوزیت‌ها اثر می‌گذارد. حضور آب آزاد در ریزترک‌ها می‌تواند خاصیت عایق بودن کامپوزیت را به شدت کاهش دهد.

روش اول: بافتن رشته‌ها به هم یا Filament winding

• الیاف یا رشته‌های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر پیچانده شده و رشته‌های فیبر به دور آن تابیده می‌شود. در این حین ماتریس رزین پلی استروینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار دمیده شده و با فیبرها ترکیب می‌شود تمامی این فرایند برای بدست آمدن FRP با کیفیت مناسب با کامپیوتر کنترل می‌شود.
• موارد مصرف FRP تولیدی به این روش در :
  • لوله سازی
  • ساخت لوله‌های تحت پیچش
  • بدنه وجداره موشک
  • بطری‌ها و شیشه‌های تحت فشار
  • تانکهای ذخیره
  • فیوز تأخیری هواپیما و… می‌باشد.

روش دوم: فرایند پالتروژن (Pultrusion)

در این روش لمینیت‌ها یا ورق‌های پوششی با مقطع عرضی و طول معین ساخته می‌شود. در حین کشیدن نوار فیبر، ماتریس که معمولاً پلی استر یا وینیل استر می‌باشد با گرمای الکتریکی به کمک روغن داغ به فیبر اضافه می‌شود و اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری وجود دارد.  

روش سوم: روند تولید از طریق فرآیند فشرده سازی در خلأ

در این روش وزن هوای بین لایه‌های FRP مانع از تشکیل آن می‌گردد بنابراین بر اثر پرس و فشار اعمالی بایستی هوای محبوس خارج شود تا ورق پوشی FRP یا لمینیت شکل گیرد. یک یا چند لایه با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می‌گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین به یکی از روش‌های موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می‌شود.  

• نوع الیاف FRP
• درصد مقدار الیاف موجود در FRP
• نحوه قرارگیری الیاف FRP
• ضریب انتقال حرارت

ورقه‌های FRP