از صفر تا صد کامپوزیت FRP و کاربرد آن

پلیمر تقویت شده با الیاف یا کامپوزیت FRP از ترکیب انواع رزین و چسب FRP مانند رزین اپوکسی  و الیاف کربن، الیاف شیشه و الیاف آرامید به دست می آید. کامپوزیت FRP ماده‌ای بسیار مقاوم است و در عین مقاوم بودن وزن کمی نیز دارد. امروزه استفاده از الیاف FRP در کاربردهایی همچون مقاوم سازی ساختمان افزایش چشمگیری داشته تا جایی که پیش بینی می‌شود تا پایان سال 2026 میلادی، بازار این محصول در جهان به 109 میلیارد دلار در سال برسد. 

در این مقاله با همیاری کارشناسان شرکت پلی می و با هدف ارائه تعریف مشخص و روشنی از الیاف FRP،  اهمیت و کاربرد این الیاف را بررسی می‌کنیم.

کامپوزیت FRP چیست؟

پلاستیک تقویت شده با الیاف یک ماده کامپوزیتی است که از یک قسمت رزین با یک فیبر تقویت کننده که خود آن انواع مختلفی همچون الیاف کربن، فیبر شیشه و الیاف آرامید دارد به دست می‌آید.

از آنجایی که پلاستیک ها پلیمر هستند، با اصطلاح پلیمر تقویت شده با الیاف نیز آشنا خواهید شد. ممکن است با مخفف GFRP یا CFRP نیز برخورد کنید. اینها به ترتیب مخفف پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه و پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن هستند که یک نوع خاص از کامپوزیت FRP می باشد.

استفاده از الیاف در خانه‌سازی به دست بشر قرن‌ها است که انجام می‌شده به عنوان مثال، در کشور ما ایران سالها از الیاف گیاهی مانند کاه داخل ملات چسبنده گلی استفاده میشده که چسبندگی و مقاومت مکانیکی بیشتر ساختمان را به همراه داشته است. اما اولین پلیمر کاملا مصنوعی به نام باکلیت در سال 1907 توسط شیمیدان آمریکایی لئو باکلند ساخته شد. مدت کوتاهی پس از اختراع این ماده الیاف آزبست به عنوان تقویت کننده به باکلیت اضافه شد. به این ترتیب اولین نمونه از پلیمر تقویت شده با الیاف به شکل امروزی ساخته شد.

اگرچه باکلیت یک محصول پر کاربردی بود، اما کمی بعد در دهه 1930 انقلاب اصلی در تولید الیاف رخ داد جایی که Games Slayter و Dale Kleist پیشگام تکنیک های جدیدی برای تولید الیاف شیشه ارزان و فراوان بودند. این الیاف با پلیمرهای جدیدی که در اوایل دهه 1940 توسعه یافته شد، ترکیب شدند تا فایبرگلاس ایجاد شود. این کامپوزیت جدید، مقرون به صرفه بود و ساخت آن آسان بود و به گسترش سریع استفاده از FRP کمک کرد. فایبرگلاس (GFRP) امروزه پرکاربردترین نوع کامپوزیت FRP است.

در بالا به الیاف شیشه اشاره شد که رایج ترین الیاف مورد استفاده در کامپوزیت FRP هستند. با این حال، همه الیاف شیشه یکسان نیستند. شیمیدانان فرمول‌های مختلفی را برای الیاف شیشه و حتی تکنیک‌های مختلف تولید بسته به کیفیت مطلوب محصول نهایی توسعه داده اند. به عنوان مثال، بعضی از ساختار و فرمول الیاف شیشه به منظور عایق حرارتی طراحی و ساخته می‌شوند و برخی دیگر برای مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی.

یکی دیگر از انواع الیاف که در حال پیشی گرفتن از محصولات دیگر می‌باشد، فیبر کربن است. این الیاف به جای شیشه از زنجیره‌های بلند اتم کربن ساخته شده است. الیاف کربن معمولا کمی قوی‌تر، محکم تر و سبک تر از الیاف شیشه هستند.

برای کاربردهای تخصصی، گاهی از الیاف آرامید نیز استفاده می شود. شاید نام این الیاف را با نام تجاری کولار (Kevlar) شنیده باشید. این الیاف سخت علاوه بر استفاده در جلیقه ضد گلوله، در صنایع هوافضا و خودرو نیز کاربرد دارد.

مزایای استفاده از الیاف FRP چیست؟

دارا بودن خصوصیاتی نظیر وزن کم، مقاومت بالا و ضخامت کم، کامپوزیت FRP را برای تولید کنندگان در بسیاری از صنایع جذاب می کند.

عملکرد اصلی الیاف تقویت کننده افزایش استحکام است. با این حال، الیاف می توانند مزایای بسیاری دیگر را نیز اضافه کنند. آنها می توانند خاصیت ارتجاعی را افزایش دهند، که به معنای ظرفیت خم شدن کامپوزیت بدون تغییر شکل دائمی است. همچنین آنها می توانند مقاومت در برابر ضربه و سایش را افزایش دهند. الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌‌ها مانند الیاف کربن و الیاف شیشه می‌توانند دوام و مقاومت در برابر عوامل محیطی مانند گرما، رطوبت و مواد شیمیایی را افزایش دهند. آنها می توانند به ایجاد ماده‌ای کمک کنند که نسبت به وزن آن بسیار قوی باشد.

نتیجه فرآیند تقویت یک ماتریس پلاستیکی با انواع مختلف الیاف تقویت کننده مانند فیبر کربن و یا فیبر شیشه، ایجاد مواد فوق العاده قوی، سبک، بادوام و مقاوم در برابر خوردگی است. صنایع زیادی همچون مهندسی عمران و بالاخص مقاوم سازی ساختمان وجود دارد که ترکیبی از این خواص در آنها بسیار مفید است.

کاربری اصلی الیاف FRP در چه حوزه‌ای است؟

به طور خلاصه کاربرد اصلی الیاف FRP عبارتند از:

• مقاوم سازی سازه با کامپوزیت FRP

 کاربردهای زیادی در این حوزه برای الیاف FRP وجود دارد که استحکام بالا و وزن کم همراه با دوام بالا مد نظر است. سیستم‌های کامپوزیت FRP با موفقیت برای مقاوم سازی ساختمان ها، پل ها، مخازن، تونل‌ها و لوله‌های استفاده شده است. هزینه بالاتر مواد FRP با کاهش هزینه نیروی کار و سرعت بالای اجرا جبران می شود و آنها را نسبت به تکنیک‌های مقاوم سازی سنتی مقرون به صرفه تر می سازد. در نتیجه، استفاده از کامپوزیت FRP برای تقویت و مقاوم‌سازی در بین مهنسین عمران نسبت به تکنیک‌های مقاوم‌سازی مرسوم، مانند مقاوم سازی با ژاکت بتنی و مقاوم سازی با ژاکت فولادی، محبوبیت بیشتری پیدا کرده است.

• نقش کامپوزیت FRP در صنعت هوافضا و خودرو

ساخت جت‌های مسافربری به طور فزآینده‌ای بر کامپوزیت ها برای اجزای سبک تر مانند بال هواپیما متکی است. استفاده از کامپوزیت FRP در بدنه هواپیما می تواند مصرف سوخت را کاهش داده و در عین حال مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشند. بعلاوه در صنعت خودرو سازی نیز به خاطر مزیت سبک وزن بودن و دوام بالا، الیاف FRP جایگاه خود را پیدا کرده است تا جایی که امروزه برندهایی مانند BMW و PORSHE از این محصولات در بدنه خودروها استفاده می کنند.

• ساخت تجهیزات ورزشی با کامپوزیت FRP

از کامپوزیت FRP به دلیل نسبت قدرت به وزن فوق‌العاده‌اش، می توان در ساخت انواع تجهیزات ورزشی از تخته موج‌سواری گرفته تا چوب گلف و راکت تنیس استفاده نمود.

تفاوت میان فایبرگلاس و فیبرکربن چیست؟

فایبرگلاس و فیبر کربن دارای ویژگی های مشترک و در عین حال دارای تفاوت‌هایی نیز هستند که ممکن است آن را برای کاربردهای خاص مناسب تر کند. در این بخش به طور مجزا برخی از تفاوت های کلیدی بین فایبرگلاس و فیبر کربن توضیح داده شده است.

• وزن و استحکام

 فیبر کربن یک ماده بسیار قوی است و چگالی کمتری نسبت به آلومینیوم دارد، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر دمای بالا و هدایت الکتریکی مانند مس دارد. مزیت آن داشتن وزن و چگالی جرمی پایین است. فیبر کربن از نظر الکتریکی و حرارتی بسیار رسانا است و همچنین خواص مکانیکی بالایی دارد. وزن کربن حدود 70 درصد فایبرگلاس است. فیبر کربن نیز مقاومت الیاف بیشتری نسبت به فایبرگلاس نشان می دهد. این به بخش کربن کوچکتر و سبک تر اجازه می دهد تا مقاومت یک بخش فایبرگلاس بزرگتر و سنگین تر را داشته باشد.

• سفتی و چقرمگی

 فیبر کربن علاوه بر اینکه از فایبرگلاس قوی تر است، مستحکم تر نیز می باشد. این استحکام اضافی می تواند بسیار مفید باشد و به سازندگان اجازه می دهد تا نیازهای سختی بسیار دقیق تری را برآورده کنند. با این حال، این افزایش سفتی لزوما به این معنی نیست که فیبر کربن انتخاب بهتری برای همه کاربردها است. از طرف دیگر فایبرگلاس، با ماهیت نسبتا انعطاف پذیر، انتخاب بسیار بهتری برای کاربردهایی است که دارای الگوهای انعطاف‌پذیر بالا هستند. فیبر کربن که نسبتا سفت است، ممکن است برای چنین کاربردهایی مناسب نباشد. فایبرگلاس عموما مقاوم‌تر از فیبر کربن در نظر گرفته می‌شود، زیرا ماهیت انعطاف‌پذیرتر آن را قادر می‌سازد تا تنش های مکانیکی و دینامیکی را راحت‌تر تحمل کند.

• انبساط حرارتی

در مقایسه با موادی مانند فولاد و آلومینیوم، فایبرگلاس دارای ضریب انبساط حرارتی نسبتا کمی است، به این معنی که در نتیجه تغییرات دما به میزان قابل توجهی بزرگتر نمی شود. فیبر کربن از این نظر دارای خاصیت قابل توجهی است: در واقع دارای ضریب انبساط حرارتی منفی است. در نتیجه، فیبر کربن با کاهش دما منبسط می شود.

• صرفه اقتصادی و بهینه سازی

 فایبرگلاس نسبتا مقرون به صرفه تر است. تولید الیاف کربن با رشته‌های بلند فرآیندی زمان‌بر و دشوار است که طبیعتا فیبر کربن را گران‌تر می‌کند. در همین راستا، طیف وسیع‌تر استفاده از فایبرگلاس به رقابتی‌تر بودن قیمت آن کمک به سزایی می‌کند.

در نهایت، هم فایبرگلاس و هم فیبر کربن خواص منحصر به فردی از خود نشان می دهند. نیازها و پارامترهای یک محصول را به دقت در نظر بگیرید تا بهترین مواد را برای نیازهای خود انتخاب کنید.

از کدام رزین در ساخت FRP استفاده کنیم؟

جهت ساخت کامپوزیت FRP، انواع رزین مانند رزین اپوکسی، رزین پلی استر و یا رزین وینیل استر برای انتخاب وجود دارد. بنابراین از آنجایی که هر رزین می‌تواند بر استحکام، دوام، طول عمر و هزینه کامپوزیت FRP تأثیر بگذارد، انتخاب صحیح بین رزین‌های مختلف در ساخت کامپوزیت FRP مهم است.

رزین‌ها ترکیبات شیمیایی و خواص فیزیکی متفاوتی دارند. قبل از تصمیم گیری برای انتخاب و خرید رزین برای یک کاربرد خاص، ایده روشنی از خواسته های خود داشته باشید. به عنوان مثال، مقاومت در برابر آتش، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و غیره. درک نقاط قوت هر رزین به شما کمک می کند تا لیست عوامل مهم عملکرد مواد مورد نیاز از محصول نهایی را محدود کنید تا به انتخاب شما کمک کند.

در ادامه به بررسی سه رزین پوکسی، پلی استر و وینیل استر می پردازیم:

• رزین اپوکسی

رزین اپوکسی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. رزین اپوکسی سرعت انقباض کمی داشته و همچنین می توان سرعت پخت رزین اپوکسی را با استفاده از سخت کننده ها و/یا کاتالیزورها برای دستیابی به نتیجه مطلوب کنترل کرد.

با استفاده از ویژگیها و خصوصیات زیر رزین اپوکسی شناخته می شود این ویژگی ها شامل:

• مقاومت در برابر دمای بالا
• تاب آوری خوب در محیط‌های شیمیایی
• مقاومت در برابر خوردگی
• عایق خوب در برابر الکتریسیته
• مقاومت خوب در برابر رطوبت
• مقاومت بالا در برابر تنش‌ها و نیروهای مکانیکی
• عدم انقباض پس از عمل آوری

• رزین وینیل استر

رزین وینیل استر برای کاربردهایی در اولویت هستند که در آن دوام طولانی مدت یک نیاز است. رزین وینیل استر را می توان بسیار مؤثرتر از برخی پلی استرها کشیده و به مواد هسته متصل کرد و برای لایه لایه شدن ممکن است مشکل کمتری داشته باشد. در مقایسه با برخی از پلی استرها، استرهای وینیل نسبت به دما و رطوبت حساسیت کمتری دارند.

• رزین پلی استر

پلی استر پرمصرف ترین رزین در صنعت ساخت کامپوزیت است، زیرا 75 درصد از کل رزین های مورد استفاده در فرآیند پالتروژن را تشکیل می دهد.

رزین های پلی استر ایزوفتالیک مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند. بنابراین، آنها یک گزینه محبوب برای استفاده در کاربردهایی هستند که در محیط های بسیار خورنده و خشن اجرا می شوند. در مقابل، رزین های پلی استر عمومی دارای مقاومت متوسطی در برابر رطوبت هستند و در ساخت محصولاتی که در محیط‌های کمتر خورنده استفاده می شوند، کاربری بیشتری دارد.

مطلب پیرامون انواع و اقسام الیاف FRP و کاربرد آن بسیار زیاد است و در رابطه با آن می‌توان مطالب بسیاری عنوان کرد و با وجود استفاده روزافزون این محصول می‌توان شاهد حضور الیاف FRP در گستره بزرگ تری از زندگی روزمره باشیم.

محصولات کامپوزیت FRP را چگونه تهیه کنیم؟

نه تنها برای دست اندرکاران و کسانی که این مقاله را می‌خوانند بلکه برای کلیه افرادی که با محصول الیاف FRP آشنا هستند این سئوال پیش می آید که از کجا می توان محصولات مورد نیاز کامپوزیت FRP مانند الیاف کربن و الیاف شیشه، ورق و لمینت کربن و انواع رزین و چسب FRP مانند رزین اپوکسی را با قیمت مناسب تهیه نمود؟ شرکت پلی می به پشتوانه کادر فنی و مختصص خود در راستای کمک به مشتریان و کارفرمایان گرامی انواع محصولات کاپوزیت FRP را از معتبرترین برندها تامین می کند. به منظور خرید محصولات کامپوزیت FRP می توانید به وبسایت این شرکت به آدرس www.polyme.ir مراجعه فرمایید.