آمیزه های پلی پروپیلن- الیاف شیشه (بخش اول/ معرفی الیاف شیشه)

با توجه به نیاز روز افزون به موادی با خواصی نظیر استحکام بالا و مقاومت در برابر شرایط محیطی همچون رطوبت و مواد خورنده، پژوهشگران در طول دهه های اخیر رو به استفاده از آمیزه هایی آورده اند که ترکیبی از دو یا چند ماده با خواص مختلف و کاربردی مخصوص به خود هستند. آمیزه های پلیمری به علت ارائه همزمان خواص مکانیکی مناسب و قیمت تمام شده پایین، در حال استفاده روز افزون می باشند. در این بین، الیاف شیشه بیشترین سهم مصرف در آمیزه های پلیمری را به عنوان بخش تقویت کننده، به خود اختصاص می دهند. الیاف شیشه بیشترین مصرف را به عنوان عامل تقویت کننده در آمیزه های پایه پلی پروپیلن به علت دارا بودن یک توازن مناسب بین خواص و قیمت دارد. با این وجود، خواص نهایی آنها به طور ویژه از استحکام و پایداری فصل مشترک بین پلیمر و الیاف شیشه حاصل می شود. در حقیقت در صورتی که چسبندگی بین الیاف و ماتریس پلیمری ضعیف باشد، الیاف در نقش تقویت کننده ضعیف عمل خواهند کرد. از طرفی چسبندگی به سادگی بر اثر شرایط محیطی نامساعد مانند دمای بالا و رطوبت بالا و یا بر اثر تنش وارده  تخریب می شود. از این جهت تلاشهای زیادی برای بهبود سازگاری و چسبندگی بین الیاف و پلیمر صورت گرفته است [1].

آشنایی با الیاف شیشه تقویت کننده

همانطور که اشاره شد، الیاف شیشه به عنوان متداول ترین تقویت کننده در آمیزه های پلیمری شناخته می شوند. مزایای اصلی آنها شامل قیمت پایین،استحکام کششی بالا، مقاومت شیمیایی بالا و عایق حرارتی مناسب می باشد. اما، معایب آن بیشتر شامل مدول کششی پایین در مقایسه با الیاف ویژه ای چون الیاف کربن، دانسیته ویژه  به نسبت بالا، آسیب پذیری در برابر خراش و سایش در هنگام حمل و نقل و کار، مقاومت خستگی پایین و سختی بالا می باشد [1].

شکل 1. کاربرد الیاف شیشه در صنایع مختلف [5]

انواع الیاف شیشه در صنعت

چند نوع الیاف شیشه که بیشترین استفاده را در کامپوزیت های پلیمری دارند، موارد زیر می یاشند:

1. E-glass

از این نوع الیاف به عنوان نوع عایق الکتریکی یاد می شود که از واژه Electrical ریشه می گیرد.

2. S-glass

از این نوع الیاف به عنوان مدل با استحکام بالا یاد می شود که از واژه Strength ریشه گرفته است.

3. C-glass

الیاف با مقاومت شیمیایی خوب که از کلمه Chemical   ریشه گرفته است.

4. M-glass

از این نوع الیاف به عنوان مدل با مدول بالا یاد می شود که از واژه Modulus ریشه گرفته است.

5. D-glass

این نوع از الیاف شیشه دارای ثابت دی الکتریک پایین بوده که ناشی از حضور بور تری اکسید در ترکیب آنها می باشد و نام آنها از واژه  Dielectric ریشه گرفته است. این نوع الیاف شیشه بیشتر در لوازم الکتریکی کاربرد دارد.

6. ECR-glass

از این نوع الیاف به عنوان مدل با مقاومت در برابر خوردگی عالی یاد می شود که از واژه Extra Corrosion Resistance ریشه گرفته است.

7. ARG-glass

این نوع از الیاف به طور ویژه در بتن استفاده می شوند و در ترکیب آنها از زیرکونیا در یک حد بهینه استفاده می شود.نام آنها از واژه Alkali-resistant glass ریشه گرفته شده است. در حقیقت این نوع از الیاف شیشه مقاومت در برابر ترکیبات قلیایی در آمیزه های سیمانی را افزایش می دهند.

انواع اشکال عرضه الیاف شیشه به صنعت:

• ROVING

رووینگ یک مجموعه ای از فیلامنت های پیوسته است و به طور عمده از الیافی با قطر 9 یا 12 میکرومتر تهیه می شوند.

• CHOPPED-STRAND

مت یا نمدهای تشکیل شده از رشته های خرد  و بریده شده در حقیقت ماده ای بافت نشده است که در آن رشته های الیاف شیشه از تیپ رووینگ با طول های 25-50 میلی متر بریده می شوند و در نهایت به صورتی تصادفی بر روی یک صفحه ای توزیع شده و با کمک یک ماده اتصال دهنده شمیایی به یکدیگر متصل شده و در کنار یکدیگر قرار می گیرند.

• WOVEN ROVING

این نوع از رووینگ ها به یکدیگر بافته شده تا یک پارچه سنگین زبر و  موج دار به هم بافته شده را برای کاربرد هایی که نیاز به یک ضخامت در یک سطح گسترده به صورت لایه-لایه  است را فراهم سازد.

• CONTINUOUS-STRAND MAT

از رشته های پیوسته خرد نشده از الیاف شیشه که بر روی یک صفحه پخش و در هم تنیده شده اند، تشکیل می شوند.

• SURFACING MAT

این نوع در حقیقت یک صفحه بسیار نازک شامل تنها یک رشته از  الیاف شیشه پیوسته و بلند می باشد که به طور عمده به عنوان لایه تقویت کننده در روش لایه گذاری دستی در قطعه سازی آمیزه ها به کار می رود.

• YARN

یارن و یا یال اسبی در واقع یک ترکیبی از رشته های به شکلی مناسب به یکدیگر بافته شده می باشد. رشته خارج شده از یک بوشینگ، در واقع ساده ترین شکل از الیاف شیشه پیوسته به صورت یارن و یا یال اسبی می باشد.

• FIBERGLASS YARN

این نوع از یارن ها به یکدیگر با استفاده از عملیات های بافتی استاندارد، بافته می شوند[2].

شکل 2. انواع اشکال عرضه الیاف شیشه به صنعت [7]

سهم انواع الیاف شیشه در بازار

الیاف شیشه کلاس ای (E-glass) بالاترین مصرف را در بین تمام الیاف داشته و در صنایع وسیعی همچون صنایع خودرو، بدنه شناورهای دریایی، صنایع ساخت و ساز شامل پل های متحرک و سازه های ضد زلزله و لوازم خانگی و …. بکاربرد دارند. دلیل استفاده گسترده از الیاف شیشه کلاس ای  قیمت پایین تر آن نسبت به دیگر الیاف شیشه است. الیاف شیشه کلاس اس (S-glass) که به صورت گسترده در صنایع هوافضا و موشک ها استفاده می شود، بالاترین استحکام کششی در بین تمام الیاف مصرفی را دارد. اگرچه به علت ترکیب و هزینه تولید بیشتر، قیمت نهایی محصول در الیاف شیشه کلاس اس بیشتر از کلاس ای است[2]. خواص مکانیکی انواع الیاف شیشه در جدول 1 دسته بندی شده اند.

جدول 1. خواص مکانیکی انواع الیاف شیشه [8]

فرآیند تولید الیاف شیشه

تولید الیاف شیشه شامل چند مرحله می باشد. مواد مختلف در فرمول الیاف شیشه در ابتدا به صورت خشک ترکیب شده و در یک کوره در دمای 1370 درجه سانتی گراد ذوب می شوند. شیشه ذوب شده از داخل یک تعدادی از روزنه ها از درون یک غلاف ازجنس پلاتینیوم عبور کرده و به سرعت کشیده می شود  تا به شکل فیلامنت به قطر تقریبی 10 میکرومتر در آیند.

شکل 3. فرآیند تولید الیاف شیشه [9]

قبل از آنکه الیاف به صورت یال و یا استرند جمع آوری بشوند،به صورت جدا جدا به وسیله یک پوشش محافظ به اصطلاح سایزینگ می شوند. این ماده پوشش دهنده در حقیقت یک ترکیبی از روان کننده ها که از سایش فیلامنت ها جلوگیری می کند و مواد آنتی استاتیک، می باشد. همچنین ممکن است درصدی از مواد بهبود دهنده چسبندگی بین الیاف و ماتریس پلیمری استفاده شوند [3].

شکل 4. فرآیند تولید الیاف شیشه [10]

در این مقاله با انواع الیاف شیشه و ترکیب مواد اولیه،خواص مکانیکی و فرم شکل ارائه آن ها به بازار آشنا شدیم. هم چنین فرآیند تولید و مزایا و معایب و نیز محل استفاده آنها بیان شد. در بخش های بعدی مقاله، به معرفی آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه پرداخته خواهد شد. در صورت داشتن هر گونه پرسش، در قسمت کامنت ها به تیم کارشناسان ما اطلاع دهید.

گردآورنده: رسول ریزان/ جمال الدین شاکری

منابع

1. GLASS FIBER REINFORCRED POLYPROPYLENE MECHANICAL PROPERTIES ENHANCEMENT BY ADHESION IMPROVEMENT
2. WWW.MATWEB.COM
3. COMPOSITES MANUFACTURING; MATERIALS, PRODUCT, AND PROCESS ENGINEERING.SANJAY
4. https://images.app.goo.gl/LB78zWzRARh3MCB48
5. https://images.app.goo.gl/sVhTaJmWaHozqG6t6
6. https://images.app.goo.gl/L1hLpPB7UWKMkMar5
7. https://extrudesign.com/different-types-of-glass-fiber/
8. https://images.app.goo.gl/f9giZLARjfyecQXu6
9. https://images.app.goo.gl/EwLKS6VvxXJVUfsX9
10. https://images.app.goo.gl/PmTRh74Vz6uVd2oW7