اخبار و مطالب روز نساجی

کامپوزیت‌ها: انواع، پردازش و کاربرد آن‌ها

Composites: Types, Processing and Application

1- کامپوزیت چیست؟
کامپوزیت‌ها می‌توانند جایگزین مناسبی برای آلومینیوم، تیتانیوم و فولاد در کاربردهای خاص باشند، زیرا دارای خواص ویژه‌ای از جمله وزن سبک، خواص عملکردی خوب، کربن کم و نیاز به انرژی کم هستند. کامپوزیت‌ها به کامپوزیت‌های نساجی، کامپوزیت‌های سبز، بیو کامپوزیت‌ها و کامپوزیت‌های ترکیبی دسته‌بندی می‌شوند. در بین انواع کامپوزیت‌ها، کامپوزیت‌های سبز به دلیل سازگاری با محیط‌زیست، پایداری و کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر بودن در محیط‌های مختلف، بدون برجای‌گذاشتن هیچ‌گونه باقیمانده سمی، موردتوجه قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، آژانس‌های نظارتی دستورالعمل‌ها و قوانین سخت‌گیرانه‌ای را برای توقف تولید موادی که برای محیط‌زیست خطرناک هستند، وضع کرده‌اند. چندین پژوهش جهانی در صنعت کامپوزیت‌ها با استفاده از فناوری‌های مختلف پردازش فعالیت می‌کنند. این پژوهش‌های کلیدی در حال همکاری با محققان برای یافتن راه‌های جدید برای بهبود کیفیت مواد و ظرفیت تولید و درعین‌حال کاهش قیمت محصول هستند. بازار کامپوزیت به‌سرعت درحال‌رشد است و انتظار می‌رود از سال 2017 تا 2025 رشد 10 درصدی داشته باشد. رهبران بازار کامپوزیت آمریکا، آسیا و اقیانوسیه، اروپا، خاورمیانه و آفریقا هستند.
 

کامپوزیت‌های پلیمری در کاربردهای مختلفی مانند خودروسازی، هوافضا، ساخت‌وساز و بسته‌بندی استفاده می‌شوند و بازار آن‌ها به‌شدت درحال‌رشد است. الیاف مصنوعی مانند شیشه و کربن به‌عنوان عوامل تقویت‌کننده در کامپوزیت‌های پلیمری برای افزایش عملکرد کامپوزیت‌ها مورداستفاده هستند. بااین‌حال، ترکیبی از یک یا دو کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف می‌تواند به‌عنوان کامپوزیت‌های ترکیبی شناخته شوند.

2- طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها
به‌طورکلی کامپوزیت‌ها چهار نوع هستند که عبارت‌اند از:
1) کامپوزیت‌های نساجی
2) بیو کامپوزیت‌ها
3) کامپوزیت‌های سبز
4) کامپوزیت‌های هیبریدی
در ادامه به بررسی کامپوزیت‌های فوق پرداخته می‌شود.

1) کامپوزیت‌های نساجی
کامپوزیت‌های نساجی (کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف) به دلیل خواص منحصربه‌فرد خود در چند دهه اخیر موردتوجه ویژه‌ای در کاربردهای مختلف قرار گرفته‌اند. انواع مختلفی از تقویت‌کننده‌ها در کامپوزیت‌های پلیمری، مواد نساجی هستند، به‌ویژه اگر کامپوزیت پلیمری با تقویت‌کننده‌های لیفی مانند الیاف و یا منسوجات تقویت شود. تقویت‌کننده‌های لیفی از زمان پیدایش کامپوزیت‌ها مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این تقویت‌کننده‌ها شامل الیاف (کوتاه و بلند)، نخ و پارچه است. پارچه‌ها به ساختارهای بافته شده، بی بافت و حلقوی طبقه‌بندی می‌شوند. علاوه بر این، کامپوزیت‌های نساجی را می‌توان باتوجه‌به کاربرد نهایی موردنظر آنها تولید کرد. در میان انواع تقویت‌کننده‌های نساجی، پارچه بافته شده ترجیح داده می‌شود، زیرا کار با این دسته از مواد راحت‌تر بوده و از استحکام کششی خوبی در هر دو جهت تاروپود برخوردار هستند.
الیاف طبیعی توسط مصریان باستان به‌عنوان یک ماده تقویت‌کننده در کامپوزیت‌ها استفاده می‌شد. آنها گل نیل را با کاه مخلوط می‌کردند تا آجرها را بسازند و پس از پختن آنها در آفتاب، آجرهای محکم‌تری تولید می‌کردند. الیاف پایه مانند کنف، کتان، رامی ، بامبو، سیزال ، الیاف برگ، الیاف بذر، الیاف چمن یا الیاف چوب برای ساخت کامپوزیت‌ها درگذشته مناسب بودند. امروزه کامپوزیت‌های نساجی معمولاً به دلیل نسبت استحکام به وزن و سختی به وزن بالا استفاده می‌شوند.


2) بیو کامپوزیت‌ها
مواد بیو کامپوزیت با ترکیب ماتریس پلیمری و الیاف طبیعی تولید می‌شوند که ویژگی‌های متمایز خود را دارند. پس از ترکیب آنها، مواد حاصل از خواص برتر در مقایسه با ماتریس پلیمری منفرد و الیاف طبیعی برخوردار هستند و برای کاربردهای فنی مختلف مناسب هستند. ماتریس پلیمری ساختار و شکل ماده را فراهم می‌کند، درحالی‌که الیاف طبیعی عملکرد (کششی، خمشی، ضربه‌ای و غیره) بیو کامپوزیت‌های حاصل را بهبود می‌بخشند. امروزه بیو کامپوزیت یک زمینه جدید در حال ظهور است؛ بنابراین انواع مختلف پلیمرها به‌عنوان ماتریس‌های تقویت شده با الیاف طبیعی موردمطالعه قرار می‌گیرند. پلیمرها از سوخت‌های فسیلی، منابع زیستی و ترکیبی از هر دو، سنتز می‌شوند. پلیمرهای مصنوعی شامل پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن ، پلی‌وینیل ، فنولیک  و پلی‌استایرن  هستند. اکثر مواد بیو کامپوزیت تا به امروز از پلیمرهای مصنوعی برای طیف وسیعی از کاربردها به دلیل هزینه تولید پایین، پردازش آسان، وزن سبک و قالب‌گیری در اشکال مختلف ساخته شده‌اند. پلیمرهای مصنوعی تقویت شده با الیاف طبیعی به طور گسترده دربسته بندی و کاربردهای خودرو استفاده می‌شوند.

3) کامپوزیت‌های سبز
توسعه کامپوزیت‌های سبز ساخته شده از مواد 100٪ زیستی یک زمینه تحقیقاتی مهمی بوده است. این مواد دارای چندین مزیت از جمله هزینه کم، تجزیه زیستی قابل‌قبول، چگالی کم و استحکام ویژه بالا هستند که آنها را در بین مواد با کارایی بالا قرار می‌دهد. نیروی محرکه توسعه کامپوزیت‌های 100% سبز، توجه روزافزون به کاهش اثرات منفی زیست‌محیطی ناشی از پلیمرهای مصنوعی و عدم تولید کامپوزیت‌های مبتنی بر پلیمرهای مصنوعی که ناشی از منابع محدود سوخت فسیلی می‌شوند، است. امروزه افزایش عملکرد کامپوزیت‌های الیاف طبیعی مانند کتان، سیزال، کناف، پنبه، کنف و آگاو  که برای تولید کامپوزیت‌های سبز استفاده می‌شوند، موردتوجه است. این مواد به‌وفور در دسترس و قابل‌تجدید هستند. محصولات جانبی کشاورزی مانند باگاس نیشکر، ساقه ذرت نیز به‌عنوان تقویت‌کننده در کامپوزیت‌های سبز استفاده می‌شوند.


4) کامپوزیت‌های هیبریدی
کامپوزیت‌های هیبریدی به کامپوزیت‌هایی گفته می‌شود که از دو یا چند نوع الیاف یا پرکننده برای تقویت یک پلیمر منفرد یا یک یا چند الیاف یا پرکننده برای تقویت یک ترکیب پلیمری استفاده می‌شوند. کامپوزیت‌های هیبریدی در مقایسه با کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده منفرد، خواص کششی بهتری دارند. در مورد ماتریس پلیمری تقویت‌شده با پرکننده‌های مختلف، یک پرکننده معایب پرکننده دیگر را تکمیل می‌کند، یعنی یک نوع پرکننده در کامپوزیت هیبریدی می‌تواند گران باشد و دارای مدول کششی بالا باشد، درحالی‌که نوع دیگر می‌تواند ارزان باشد و مدول کششی پایینی داشته باشد. بااین‌حال، در مورد کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف مصنوعی و طبیعی، ترکیب الیاف مصنوعی به کاهش جذب رطوبت و افزایش خواص مکانیکی آن کامپوزیت کمک می‌کند، درحالی‌که الیاف طبیعی باعث کاهش ردپای کربن و قیمت محصول نهایی می‌شود. خواص کامپوزیت‌های هیبریدی به عوامل مختلفی بستگی دارد. این عوامل شامل بارگذاری الیاف، جهت‌گیری الیاف، پراکندگی الیاف، ابعاد الیاف و چسبندگی سطحی بین الیاف و ماتریس یا ماتریس‌های پلیمری است. هیبریداسیون را می‌توان با ترکیب الیاف مصنوعی و مصنوعی، الیاف مصنوعی و طبیعی، الیاف طبیعی و طبیعی و ترکیب نانو پرکننده‌ها مانند نانورس، نانولوله‌های کربنی، ورق‌های گرافیت و نانوذرات اکسید فلزی در کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده انجام داد و یک کامپوزیت هیبریدی تولید کرد.

3- فراوری و تولید کامپوزیت‌ها
تکنیک‌های زیادی برای فراوری و تولید کامپوزیت‌های پلیمری وجود دارد. این روش‌ها شامل ریخته‌گری با حلال، ترکیب مذاب، قالب‌گیری فشاری، قالب‌گیری تزریقی، فرایند اکستروژن و غیره است. انتخاب یک روش پردازش برای تولید کامپوزیت خاص، بستگی به کاربرد موردنظر، نوع پلیمر و تقویت‌کننده مورداستفاده دارد. در ادامه به بررسی روش‌های فراوری و تولید کامپوزیت‌ها پرداخته می‌شود.

1) روش ریخته‌گری حلال
این روش به طور گسترده برای تهیه بیو کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود و به مقادیر کمی از ماتریس پلیمری و تقویت‌کننده نیاز دارد. در این روش یک پلیمر در یک سیستم حلال مناسب حل می‌شود. پس از انحلال، تقویت‌کننده برای تهیه یک مخلوط همگن اضافه می‌شود. هنگامی که یکنواختی به دست آمد، حلال یا با تبخیر یا رسوب حذف می‌شود تا یک فیلم تشکیل شود. این روش به توزیع یکنواخت و پراکندگی خوب تقویت‌کننده در یک ماتریس پلیمری کمک می‌کند.

2) روش ترکیب مذاب
تاکنون، روش ترکیب مذاب به‌عنوان رایج‌ترین روش برای فراوری صنعتی بیو کامپوزیت‌ها بوده است. این فرایند شامل اختلاط مستقیم ماتریس پلیمری و تقویت‌کننده است. در این روش، هم پلیمر و هم تقویت‌کننده با یکدیگر مخلوط، فشرده و پخت می‌شوند و در نهایت از یک سیستم پرفشار عبور داده می‌شوند. از یک رویکرد بالابه‌پایین برای تجزیه تقویت‌کننده تجمعی در طول اختلاط استفاده می‌شود. این فرایند در توسعه بیو کامپوزیت‌های تقویت شده با تقویت‌کننده‌های اندازه نانو و میکرو کاربرد بیشتری دارد. پراکندگی تقویت‌کننده، با استفاده از تنش‌های برشی بالا همراه با انتشار تقویت‌کننده در دماهای بالا در کل ماتریس پلیمری به دست می‌آید.

3) قالب‌گیری فشاری
این تکنیک شامل قالب‌گیری مواد نیمه‌تمام شده با اعمال حرارت تحت‌فشار تا تولید محصول نهایی است. معمولاً بسته به پلیمر مورداستفاده، این روش در فشارها و دماهای مختلف انجام می‌شود. این تکنیک مزایای خوبی مانند قالب‌گیری مقدار زیادی از مواد نیمه‌تمام شده، تکرارپذیری بالا، زمان فراوری کم و هزینه تولید کم را ارائه می‌دهد.

4) قالب‌گیری تزریقی
این تکنیک با تزریق یک پلیمر مذاب به داخل قالب، ماده‌ای را تولید می‌کند تا ماده موردنظر طراحی ساختاری موردنیاز را تشکیل دهد. در این روش ابتدا، نمونه (گرانول‌های رزین و الیاف کوتاه) در یک بشکه گرم شده قرار می‌گیرند و هنگامی که گرانول‌ها ذوب می‌شوند، ماده مذاب را تزریق کرده و آن را به داخل محفظه قالبی شکل منتقل می‌کنند تا مواد در آنجا خنک و جامد شوند و درنهایت ماده کامپوزیتی موردنظر تشکیل شود. این تکنیک مزایای متعددی از جمله ساخت هندسه پیچیده سازه، هزینه کار کم، امکان استفاده از مواد بازیافتی و تولید در مقیاس صنعتی را به همراه دارد.

5)  فرایند اکستروژن
فرایند اکستروژن به طور گسترده در صنایع پلاستیک مورداستفاده قرار می‌گیرد و به‌عنوان فرایندی با دمای بالا و کوتاه‌مدت برای تولید گرانول، مواد نیمه‌تمام و تمام شده (کاملاً آماده شده) در نظر گرفته می‌شود. در این روش فراوری از یک اکسترودر تک و یا دو مارپیچ استفاده می‌شود. اکسترودرهای تک مارپیچ برای ذوب، مخلوط‌کردن و همگن کردن مواد استفاده می‌شوند.
فرایند اکستروژن، معمولاً برای اختلاط پلیمرهای خالص با سرعت عملیاتی متوسط در مدت‌زمان کوتاه و در مواقعی که پیش‌آغشته‌سازی مواد اولیه لازم نیست، ترجیح داده می‌شود. معایب اکسترودرهای تک مارپیچ عملکرد ضعیف تحت‌فشار بالا و تولید کمتر در مقایسه با اکسترودرهای دو مارپیچ است. از طرف دیگر اکسترودرهای دو مارپیچ قادر به تولید مواد گلوله مانند با مخلوط‌کردن دو یا چند ماده حساس به حرارت و برش را دارند.

6) قالب‌گیری کامپوزیت‌های مایع
قالب‌گیری کامپوزیت مایع مانند قالب‌گیری انتقال رزین و قالب‌گیری تزریقی رزین به کمک خلأ برای ساخت ورقه‌های کامپوزیتی در طی چندین دهه استفاده شده‌اند و هنوز هم مورداستفاده قرار می‌گیرند. این تکنیک‌ها مزایای ترکیبی از کیفیت بالا، تکرارپذیری آسان و تمیز بودن، مقیاس‌پذیری، انعطاف‌پذیری و همچنین کاهش ترکیبات آلی فرار را ارائه می‌دهند. این تکنیک‌ها از اختلاف فشار بین فشار خلأ و فشار محیطی برای فشرده‌سازی و محکم کردن پریفرم  (مواد از پیش آغشته شده) در برابر قالب و رزین به داخل پریفرم استفاده می‌کنند. کامپوزیت‌های تولید شده با این تکنیک‌ها در صنایع دریایی، هوافضا، دفاعی و خودروسازی کاربرد دارند.

4- کاربرد کامپوزیت‌های نساجی
مواد کامپوزیتی مدت‌هاست که در زمینه‌های مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا، زیرساخت‌های عمرانی، تولید کالاهای بادوام و در صنایع دفاع به دلیل خواص بهبود یافته‌شان مورداستفاده قرار گرفته‌اند. در زیر برخی از کاربردهای کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف ذکر شده است.

الف) هوافضا
کامپوزیت‌ها اولین‌بار در طی جنگ جهانی دوم در هواپیماهای نظامی مورداستفاده قرار گرفتند و از آن زمان تاکنون انواع مختلفی از کامپوزیت‌ها ساخته شده و در صنایع هوافضا مورداستفاده قرار گرفته است. مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف به دلیل خواص مختلف بهبودیافته مانند وزن سبک، استحکام بالا، توانایی مقاومت در برابر دماهای بالا و انبساط حرارتی، به مواد محبوبی برای ساخت هواپیما و فضاپیما تبدیل شده‌اند.


ب) زیر ساخت‌های عمرانی
کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف به دلیل خواص برتر مانند خواص حرارتی و مکانیکی بالا، مقاومت در برابر خوردگی عالی و نسبت مقاومت به وزن بالا، به‌عنوان مواد قرن بیست و یکم به بازار عرضه می‌شوند. در چند دهه اخیر، کاربردهای کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف پیشرفته برای ساختمان‌های عایق صدا، بزرگراه‌ها و پل‌ها، عرشه و سازه‌های دریایی، قطب‌های تأسیساتی، تجهیزات در برداشت انرژی‌های تجدیدپذیر، خطوط لوله و همچنین کامپوزیت‌های طبیعی برای تولید تجهیزات سبز موردمطالعه قرار گرفته‌ است.

پ) ورزشی
خواص بهبودیافته مواد کامپوزیتی نه‌تنها در زمینه‌های خودروسازی، هوافضا و سایر زمینه‌های صنعتی بلکه در تجهیزات ورزشی نیز کاربرد دارد. به‌منظور دستیابی به تجهیزات ورزشی با خواص بهبودیافته، الیاف شیشه و کربن عمدتاً با کامپوزیت‌های زمینه پلیمری تقویت می‌شوند و وسایل ورزشی را تولید می‌کنند.

ت) زیست‌پزشکی
در چند سال اخیر، بخش پزشکی به استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف برای کاربردهای مختلف مانند اجزای اسکنرهای تصویربرداری تشدید مغناطیسی و کاناپه‌های اشعه ایکس، اسکنرها، ابزارهای جراحی و دستگاه‌ها علاقه پیدا کرده است. آنها همچنین می‌توانند در پروتزهایی مانند فنرها و ارتزهایی  مانند قدامی پا، کفی‌های اصلاح‌کننده پا و بریس‌ها  استفاده شوند. خاصیت رادیولوسنت  ایمپلنت‌های پلی اترترکتونی  تقویت شده با الیاف کربن، امکان تصویربرداری رادیوگرافیک بدون مصنوع را در مقایسه با ایمپلنت‌های فلزی سنتی فراهم می‌کند. پروتزهای کامپوزیتی تقویت شده  با الیاف همچنین دارای مزایایی مانند درمان کم تهاجمی خوب، زیبایی و توانایی اتصال به دندان‌های پایه را ارائه می‌کنند.

ث) دفاع
امروزه وجود جنگ مدرن در هوا، زمین و دریا نیازمند صرفه‌جویی در وزن، حفاظت و استفاده از مواد با استحکام بالا است. کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا، سفتی، چقرمگی و انعطاف‌پذیری طراحی در مقایسه با سایر مواد مهندسی، بهترین مواد برای این اهداف هستند. کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف در بخش‌های دفاعی در هواپیماهای نظامی، سیستم‌های زمینی، پهپادها، کشتی‌های دریایی و سلاح‌ها استفاده می‌شوند. رایج‌ترین ماده تقویت‌کننده در کاربردهای دریایی، الیاف شیشه نوع E است.

♦ منابع مرتبط :

www.textileblog.com ►

Fibers to Smart Textiles: Advances in Manufacturing, Technologies, and Applications Edited by Asis Patnaik and Sweta Patnaik
    Natural Fiber Textile Composite Engineering By Magdi El Messiry
   Advanced Textile Engineering Materials Edited by Shahid-ul-Islam and B.S. Butola
    Design and Manufacture of Textile Composites Edited by A. C. Long

♦ لینک اشتراک گذاری :

https://B2n.ir/nassajyar1362►

♦ مطالب پیشنهادی :

- کامپوزیت‌های نساجی

- کاربردهای نانوکامپوزیت‌های سلولزی بر پایه پنبه

- احیای مجدد مجموعه سیستم های کامپوزیتی درنیر

- قابلیت پرسولیز در بازیافت کامپوزیت الیاف شیشه

- کامپوزیت های تقویت شده در نساجی برای کاربردهای پیشرفته

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.