معرفی كامپوزیت‌ها و نانو کامپوزیت‌ها و کاربردها

[*mishi* 11,920]

حدود 20 سال است که کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف FRP در کاربردهای الکتریکی مصرف می شوند . این مواد در ساخت قطعات گوناگون صنعت برق به کار می روند ؛ از جمله لوله های عبور کابل ، سیستم های حمل کابل در تونل ها و پل ها ، تیرهای انتقال برق ، بازوهای عرضی ( کراس آرم ها ) ، مقره ها ، برج های ارتباطی و جز آن .

لوله کامپوزیتی عبور کابل

یکی از موارد کاربرد کامپوزیت در صنعت برق ، ساخت لوله های عبور کابل است . لوله های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه GRP را می توان در ترکیب با اتصالات و متعلقات ویژه ای به کاربرد و آن ها را به شکل یک سیستم عبور کابل چندلایه و چند ردیفی شکل داد . این لوله ها برای کابل های شبکه برق شهری و کابل های مخابراتی زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرند . علاوه بر این در موارد زیر نیز کاربرد دارند :

1) برای کابل هایی که از زیر ریل جرثقیل های سقفی و یا راه های اصلی شهری عبور می کنند .

2) برای کابل هایی که از روی پل ها و رودخانه ها عبور می کنند . به ویژه برای کابلهایی که از روی پل عبور می کنند ، به کارگیری لوله های GRP ، بار وارده بر پل را کاهش داده و ساخت و ساز پل را تسهیل خواهد کرد .

سیستم حمل کابل کامپوزیتی

سیستم های حمل کابل کامپوزیتی ، یک محصول سازه ای برای حل بسیاری از مشکلات مهندسی و طراحی در شبکه های برق رسانی و مخابراتی هستند که برای نگهداری کابل های گرانبها و اغلب حساس و استراتژیک در دراز مدت قابل اعتمادند . این سیستم ها ویژگی های منحصربه فردی دارند که آن ها را قادر به تحمل بسیاری از محیط های خورنده می کند ؛ به ویژه شرایطی که مواد سنتی در آن ها عمر کاری مفید و اقتصادی ندارند . این محصولات از رزین های گرما سخت تقویت شده با شیشه و به نحوی طراحی و ساخته می شوند که یکپارچگی سازه ای آنها با انواع فولادی و آلومینیمی رقابت می کند ؛ با این تفاوت که مشکلات خوردگی ، سنگینی وزن و هدایت الکتریکی آنها را ندارند .

این محصولات در برابر اسیدها ، نمک ها ، قلیاها و محدوده وسیعی از محیط ها و مواد شیمیایی خورنده که بر آلومینیم و فولاد گالوانیزه اثرات شدیدی دارند ، مقاومند . حتی محصولات آلومینیمی یا فولادی پوشش داده شده نیز ممکن است به علت خراش های کوچک ایجاد شده حین نصب یا پس از آن ، در معرض آسیب باشند .

این محصولات در مقایسه با فولاد یا آلومینیم ، دارای نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی هستند درحالی که یکپارچگی سازه ای مشابهی با آنها دارند .

پروفیل های کامپوزیتی پالترود شده که در این سیستم ها به کارگرفته می شوند دارای وزن مخصوصی حدود یک چهارم فولاد و یک سوم آلومینیم هستند که این امر حمل و نقل و برپا کردن آن ها را تسهیل می کند . برخلاف فولاد زنگ نزن این قطعات را می توان در محل و با وسایل دستی برید و سوراخ کرد . از آنجاییکه سینی و نردبان های این سیستم نارسانا هستند ، از بابت انتقال برق به سیستم حمل کابل از کابل های آسیب دیده هیچ نگرانی وجود ندارد . علاوه بر آن احتیاجی به جلوگیری از خوردگی الکترولیتی در شرایط ویژه نیست . ویژگی های نارسانایی و مغناطیسی نبودن به معنی سیستم حمل کابل ایمن ترند .

در بزرگترین پروژه مهندسی انجام شده با سرمایه خصوصی – تونلی که بریتانیا را به اروپا متصل می کند – بیش از 63/3 هزارتن FRP پالترود شده ، 1260کیلومتر کابل الکتریکی و فیبر نوری را بر روی خود نگه داشته اند . این کابل ها ، روشنایی ، تهویه و ارتباطات درون تونل را کنترل می کنند . کابل های 25 کیلو ولتی تأمین کننده انرژی قطارها نیز با این کامپوزیت های پالترود شده حمل می شوند . این محصولات با شرایط زیر سازگارند :

· محدوده دمایی 5 تا 40 درجه سانتی گراد

· رطوبت 100 درجه

· سرعت باد km/h 359

· پاشش مداوم آب نمک و حتی غوطه وری در آن

· نصب آسان

· حداقل تعمیرات

· هزینه کلی کمینه

· مقاومت در برابر بارگذاری استاتیک کابل ها

بازوهای عرضی کامپوزیتی

هر تیر انتقال برق فشار متوسط ( 20 و 33 کیلوولت ) از سه قسمت اصلی یعنی تیر ، بازوهای عرضی و مقره ها تشکیل شده است . بازو های عرضی معمولا ً از جنس فولاد ساخته می شوند . با این وجود در بعضی از کشورها نظیر آمریکا ، استرالیا ، کانادا و بخشهایی از اروپا این محصولات از مواد کامپوزیتی ساخته می شوند . به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی به جای نمونه فلزی دارای برتری هایی است ؛ از جمله :

· کاهش وزن : سنگینی وزن بازوهای عرضی فلزی ( حدود 20 کیلوگرم ) یکی از مشکلات شرکتهای انتقال و توزیع برق است . در مناطقی که به دلایل گوناگون از جمله ناهمواری سطح زمین ، امکان استفاده از ماشین های بالابر در آن ها وجود ندارد ، حمل بازوهای عرضی فلزی تا بالای تیر بسیار سخت و خطرناک است ؛ درصورتی که کامپوزیت ها وزن نسبتا ً کمی دارند و حمل آنها آسان است .

· مقاومت در برابر خوردگی : بازوهای عرضی فلزی در آب و هوای مرطوب و خورنده ، عمر نسبتا ً کمی دارند . یکی از برتری های مواد کامپوزیت ، مقاومت بسیار مناسب آنها در برابر خوردگی است که این مواد را برای این مناطق مطلوب می سازد .

· نارسانایی الکتریکی : کامپوزیت ها را می توان به صورت موادی عایق طراحی کرده و ساخت . این ویژگی خطر برق گرفتگی و اتصال کوتاه را کاهش می دهد . شاید بتوان با به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی از کاربرد مقره های حامل کابل – که در واقع نقش عایق را بین کابل و پروفیل بازی می کنند – جلوگیری کرد .

· زیبایی : در ساخت بازوهای عرضی فلزی همیشه محدودیت هایی وجود دارد که طراح را مجبور به استفاده از قطعات استاندارد نبشی می کند . با به کارگیری کامپوزیت ها می توان به سراغ طرح هایی رفت که علاوه بر بهینه بودن ، زیبا نیز باشند .

· عمر بیشتر : عمر بازو های عرضی کامپوزیتی حدود سه برابر طول عمر نمونه فلزی است . به دلیل عمر بیشتر و عدم نیاز به تعویض و تعمیر در کامپوزیت ها ، هزینه های تعویض و نگهداری حذف خواهند شد .

· کاهش تداخلات امواج رادیویی : امواج رادیویی بدون هرگونه انحراف و شکست از کامپوزیت ها عبور می کنند .

· کاهش افت توان خط : به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی از نشت جریان الکتریکی از خط به سمت پایه ها تا حدودی جلوگیری می کند و به این ترتیب میزان افت توان خط کاهش خواهد یافت .

علاوه بر موارد فوق با به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی می توان از طرح هایی استفاده کرد که یکپارچه بوده و نیازی به سوار کردن قطعات برروی هم نباشد .

تیرهای کامپوزیتی

به کارگیری تیرهای کامپوزیت FRP ، موضوع جدیدی در خدمات برق رسانی نیست ، با این وجود تیرهای انتقال برق FRP پالترود شده 21 تا 24 متری داستان دیگری است . تیرهای FRP با یک سوم وزن تیرهای چوبی ، نضف وزن تیرهای فولادی و تنها یک دهم وزن تیرهای بتنی ، انتخاب بسیار جذابی برای اغلب شرکتهای خدماتی برق رسانی هستند .

شرکت آمریکایی بریستول تنسی الکتریک سیستم BTES به تازگی 144 تیر FRP را در دو خط انتقال نصب کرده است . شرکت استرانگ ول Strongwell Corp واقع در ایالت ویرجینیا این تیرهای FRP پالترود شده SE 28 را با بیشترین ظرفیت ممان اینرسی در مقطع پایینی طراحی و برای جایگزینی تیرهای چوبی ، فولادی و بتنی در خطوط انتقال برق تولید کرده است . شرکت های خدمات برق رسانی در حال کشف برتری های تیرهای SE 28 ، نسبت به تیرهای ساخته شده از مواد سنتی هستند . تیرهای SE 28 شرکت استرانگ ول ، سبک ، محکم و دارای ویژگی های هدایتی خیلی کمی هستند . این تیرها همچنین در برابر خوردگی ، پوسیدگی ، پرتوهای فرابنفش ، نفوذ آب ، حشرات و دارکوب ها مقاومت بسیار بالایی دارند .

به عقیده دکتر مایکل برودر ، مدیر عامل شرکت BTES ، تیرهای کامپوزیتی SE 28 ، در مقایسه با تیرهای چوبی ، با گذشت زمان استحکامشان را از دست نمی دهند و تقریبا ً به هیچ گونه ترمیم و تعمیری احتیاج ندارند . او هم چنین به ویژگی های الکتریکی تیرهای FRP و تحمل ضربه و بار ناشی از بادهای شدید توسط آن ها اشاره می کند .

منبع: فصلنامه كامپوزيت ( شماره 12 )

[*mishi* 11,920]

صنعت كامپوزیت یكی از صنایع رو به رشد در عرصه مواد مهندسی است. امروزه به خاطر مزایایی كه كامپوزیت ­ها نسبت به فلزات دارند ، توسعه زیادی پیدا كرده­اند. از جمله می­توان به كاربرد قطعات كامپوزیتی در صنعت خودرو اشاره كرد.

اكثر قطعاتی كه در خودرو كاربرد دارند فلزی هستند ، اما فلزات محدودیت ­هایی دارند كه راه را برای استفاده از قطعات كامپوزیت در صنعت خودرو باز كرده است. كامپوزیت­های مورد استفاده در صنعت خودرو بیشتر از نوع كامپوزیت ­های زمینه پلیمری هستند. این كامپوزیت ‌ها از مواد ترمو­ست (گرما­سخت) و ترمو پلاستیک (گرمانرم) تشكیل شده­ اند كه توسط الیاف شیشه تقویت می ­شوند.

* مزایا و صرفه ­جویی ­ها

به علت مزایایی كه قطعات كامپوزیتی نسبت به قطعات فلزی دارند و صرفه ­جویی ­هایی كه در اثر استفاده از آن ها ایجاد می­ شود ، هر روز قطعات بیشتری از خودرو به قطعات كامپوزیتی تبدیل می­شود. در فلزات امكان ریخته­ گری با ضخامتهای كم وجو ندارد. اگر با ورق نیز به شكل ­دهی قطعه پرداخته شود ، دور­ ریز زیاد دارد و ضایعات را زیاد می كند. در صورتی كه برای كامپوزیت ­ها این محدودیت وجود ندارد و به خاطر قدرت سیلان بالا می­ توانند تمام قالب را پر كرده و شكل قطعه مورد نظر را كامل كنند.

در زیر به بعضی از مزایا و صرفه ­جویی ­های ناشی از استفاده از مواد كامپوزیت در صنعت خودرو ، اشاره شده است:

1- سبکی:

این قطعات به خاطر وزن مخصوص كم دارای وزن كمتری نسبت به قطعات فلزی هستند. وزن تا حدود نصف و حتی بیشتر كاهش پیدا می­كند. طبیعتاً این كاهش وزن در كاهش مقدار سوخت و استفاده از موتورهایی با قدرت كمتر و كوچک تر موثر خواهد بود. این مساله باعث صرفه ­جویی در مصرف سوخت و در نتیجه كاهش آلودگی می­گردد.

۲- خواص مكانیكی بالا:

به همان نسبت كه وزن قطعات كم می شود ، مقاومت مكانیكی آنها در ابعاد مختلف افزایش می یابد و به­ طور متوسط در تمام خواص مكانیكی خواص بهتری نسبت به فلزات از خود نشان می­ دهند. این مسئله باعث افزایش عمر قطعات خواهد شد.

3- مقاومت در برابر خوردگی:

بر خلاف فلزات تاثیر مواد نمكی و شیمیایی و اكسید شدن در قطعات كامپوزیتی كم است یا اصلاً وجود ندارد كه باعث صرفه ­جویی در هزینه­ های نگهداری و افزایش عمر قطعات می ­شود و استفاده از قطعات در محیط­ های مرطوب را برای مدت طولانی فراهم می ­نماید.

4- سرمایه­ گذاری كم:

بر خلاف قطعات فلزی برای تولید قطعات با استفاده از كامپوزیت­ها سرمایه­­­گذاری كمتری لازم است. به­طور مثال اگر برای تولید یک قطعه از فلز چند قالب لازم باشد ، برای تولید همان قطعه با كامپوزیت ، از یک یا دو قالب بیشتر استفاده نمی ­شود.

5- سهولت تولید:

این قطعات را می ­توان با ماشین آلات كمتر و با سهولت بیشتری نسبت به فلزات و با تعداد بیشتری تولید كرد.

* روشهای تولید

با توجه به­ نوع قطعه و خواص مورد نظر ، در قطعات كامپوزیتی با زمینه پلیمر ، روش ­های مختلفی برای تولید وجود دارد. در زیر به شرح بعضی از آن­ ها پرداخته­ شده است:

1) روش های دستی (Hand Lay-up): كه روش پیچیده ­ای نیست و تیراژ پایین دارد. این روش برای قطعات ساده كه انتظار بالایی از نظر خواص مكانیكی از آن ها نداریم استفاده می­ شود ، مانند شناورها ، قایق ها، گلدانها و اتاقكها.

2) روش (RTM (Resin Transfer Molding: در این روش یک قالب رزینی وجود دارد كه پارچه­ ای از فایبرگلاس در آن قرار می ­گیرد و سپس رزین تزریق می گردد. این روش از دقت و صافی سطح بیشتری نسبت به روش دستی برخوردار است. ولی چون فشار بالا نیست به هم پیوستگی كمتری نسبت به روش SMC دارد. RTM نسبت به روش دستی به سرمایه­گذاری بیشتری نیاز دارد.

3) روش: (SMC (Sheet Molding compound: در این روش ابتدا مواد ترموست (گرماسخت) با الیاف شیشه تقویت شده و سپس بصورت ورق در می آید و سپس تحت گرما و فشار در قالب پرس شده و شكل می گیرد.

4) روش (GMT (Glass Matt reinforced Thermoplastic: در این روش مواد ترمو پلاستیک (گرمانرم) با پارچه ­ای از فایبر گلاس مسلح شده و تحت فشار شكل می ­گیرند.

5) روش (FW (Filament Winding: این روش عمدتاً برای تولید قطعات مدور استفاده می شود كه به صورت پیوسته تولید می ­شوند ، مثلاٌ برای تولید لوله ­ها، به دور هسته­ ای استوانه­ ای ، فایبر گلاس آغشته به رزین پیچیده می ­شود و بعد مواد تحت گرما حالت نهایی به خود می گیرند.

6) روش (BMC (Bulk Molding Compound: توده ­ای از خمیر كه شامل مواد پلیمری و فایبرگلاس می­باشد ، تحت فشار به قالب تزریق می شود.

7) روش (LFT (Long Fiber Thermoplastic: در این روش مواد ترمو پلاستیک با الیاف شیشه در داخل اكسترودر مخلوط می ­شوند و پس از خروج از اكسترودر تحت فشار ، قطعه شكل نهایی را به خود می­گیرد.

روش­ های SMC و GMT بیشتر در ساخت قطعات در صنعت خودرو كاربرد دارند. امروزه تمام بدنه خودرو از روش SMC تولید می ­شود. به ­طور مثال می ­توان به خودرو رنو مدل spas اشاره كرد كه تمام بدنه آن كامپوزیتی است. سپرها ، سینی زیر موتور ، قطعات زیر خودرو (Under body cover) ، سقف خودور ، قاب چراغ­ ها ، سینی جا چراغی ، جای فن و غیره از جمله قطعاتی هستند كه معمولاٌ از كامپوزیت ­ها ساخته می ­شوند.

[*mishi* 11,920]

خلاصه :

اين گزارش به معرفي اجمالي نانوکامپوزيت هاي پليمري مي پردازد. سيليکات هاي لايه اي تا به امروز بيشترين کاربرد را در ساخت نانوکامپوزيت ها داشته اند اخيرا به شدت از نانولوله هاي کربني نيز در ساخت اين نانوکامپوزيت ها استفاده مي شود. از انواع رزين هاي مورد استفاده به عنوان زمينه ناوکامپوزيت ها رزين هاي ترموپلاستيک و ترموست مي باشد. در حال حاضر از موضوعات بسيار با درجه اهميت بالا در تحقيقات مطالعه فصل مشترک فاز تقويت کننده مانند نانولوله ها و فاز زمينه مانند پليمرها مي باشد.

مواد و توسعه مواد از پايه‌هاي تمدن و فرهنگ انسان مي‌باشد. بشر حتي دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري كرده است. مثل عصر سنگي، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتي)،‌ عصر سيليكون و عصر سيليكا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . اين نشان مي‌دهد كه مواد چقدر براي ما اهميت دارد. ما همواره در كوششيم كه از دنياي اطراف خود آگاهي داشته باشيم و آن را بهبود دهيم و ببينيم دنياي ما از چه چيزي ساخته شده است.

عصر جديد با شناخت يك ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلكه با بهينه‌كردن و مشاركت‌دادن تركيبي از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنياي نانومواد و هيجانات همراه آن،‌ فرصت‌هاي استثنايي براي توليد انقلاب در مواد كامپوزيتي بوجود آورده است.

كامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحكام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است كه در ساخت هواپيماها به كار مي‌رود. با ظهور و به‌كارگرفتن نانوتكنولوژي، كامپوزيت‌هاي پليمري بسيار جذاب‌تر خواهند شد.

فرصت‌هاي نانوكامپوزيت‌هاي پليمري

 

تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي و يا معدني بسيار مرسوم مي‌باشد. برخلاف تقويت‌كننده‌هاي مرسوم كه در مقياس ميكرون مي‌باشند، در كامپوزيت‌هاي نانوساختاري فاز تقويت‌كننده در مقياس نانومتر مي‌باشد. توزيع يكنواخت اين نانوذرات در فاز زمينه پليمري باعث مي‌شود فصل مشترك فاز زمينه و فاز تقويت‌كننده در واحد حجم، مساحت بسيار بالايي داشته باشد. براي مثال مساحت فصل مشترك ايجاد شده با توزيع سيليكات لايه‌اي در پليمر بيشتر از 700 خواهد بود. علاوه بر اين فاصله بين ذرات فاز نانومتري تقويت‌كننده با اندازه ذرات قابل مقايسه خواهد بود. براي مثال براي يك صفحه با ضخامت nm 1 فاصله بين صفحات در حدود 10 نانومتر در فقط 7 درصد حجمي از فاز تقويت‌كننده مي‌باشد. اين مورفولوژي از ويژگي‌هاي ابعاد نانومتري مي‌باشد.

هم از جنبه تجاري و هم از جنبه نظامي، ارزش نانوكامپوزيت‌هاي پليمري فقط به خاطر بهبود خواص مكانيكي نمي‌باشد. در كامپوزيت‌ها كارايي مورد نياز، خواص مكانيكي، هزينه و قابليت فرآوري از موضوعات بسيار مهم مي‌باشد. نانوكامپوزيت‌هاي پليمري بر اين محدوديت‌ها غلبه كرده است. براي مثال پيشرفت سريع نانوكامپوزيت‌هاي پليمر- سيليكات لايه‌اي را درنظر بگيريد. تلاش‌هاي ده سال اخير باعث شده است كه مدول كششي و استحكام اين كامپوزيت‌ها دوبرابر شود، بدون اينكه مقاومت به ضربه آنها كاهش يابد. مثلاً براي تعداد زيادي رزين‌هاي ترموپلاستيك مثل نايلون و اولفين و همچنين رزين‌هاي ترموست مثل اورتان، اپوكسي و سيلوگزان با افزايش مقدار كمي مثلاً 2% حجمي از سيليكات لايه‌اي مي‌توان به اين خواص رسيد.

اخيراً جنرال موتورز و شركايش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمت‌هاي خارجي اتومبيل از نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه اولفين ترموپلاستيك و تقويت‌كننده سيليكات لايه‌اي استفاده كرده‌اند.

يك نانوكامپوزيت اولفيني با 5/2% سيليكات لايه‌اي بسيار مستحكم‌تر و سبكتر نسبت به ذرات مرسوم تالك كه در ساخت كامپوزيت‌‌هاي مرسوم به كار مي‌رود، مي‌باشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقويت‌كننده در يك نانوكامپوزيت اولفيني مي‌توان كاهش وزني درحدود 20% را بدست آورد.

علاوه بر اين مقدار مواد مصرفي نيز نسبت به كامپوزيت‌هاي مرسوم كاهش خواهد يافت. اين مزايا باعث خواهد شد كه تأثيرات مثبتي بر مسائل زيست ‌محيطي و بازيافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است كه استفاده از نانوكامپوزيت‌هاي پليمري با لايه هاي سيليكاتي در صنايع خودرو آمريكا باعث صرفه‌جويي در مصرف 5/1 ميليارد ليتر گازوئيل در طول عمر خودرو توليدشده در يك سال خواهد شد و درنتيجه چيزي در حدود 10 ميليارد پوند دي‌اكسيد كربن كمتر نشر خواهد يافت.

باتوجه به گسترده‌بودن پليمرها و رزين‌ها و همچنين نانومواد تقويت‌كننده و كاربردهاي فراوان آنها موضوع نانوكامپوزيت هاي پليمري بسيار گسترده مي‌باشد.

در توسعه مواد چند جزئي چه در مقياس نانو و يا ميكرو سه موضوع مستقل بايد مورد توجه قرار گيرد: انتخاب اجزاء، توليد، فرآوري و كارايي

در مورد نانوكامپوزيت‌هاي پليمري هنوز در اول راه مي‌باشيم و باتوجه به كاربرد نهايي آنها زمينه‌هاي بسياري براي توسعه آنها وجود دارد.

دو روش اساسي توليد اين نانوكامپوزيت‌هاي پليمري "روش‌هاي درجا" و روش " ورقه‌اي کردن " Exfoliation) ) مي‌باشد. در روش درجا فاز تقويت‌كننده در زمينه پليمري توسط روش‌هاي شيميايي و يا جداسازي فازها توليد مي‌شود. زمينه پليمري به عنوان محلي براي تشكيل اين اجزاء مي‌باشد. به عنوان مثالي از اين روش ها مي‌توان تجزيه و يا واكنش شيميايي مواد پيش‌سازه در زمينه پليمري را نام برد.

در حال حاضر ورقه‌اي‌كردن لايه‌هاي سيليكاتي و نانوفايبرها/ نانولوله‌هاي كربني توسط صنايع بسياري مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. همچنين مؤسسات دولتي و دانشگاهي بسياري بر روي اين موضوع كار مي‌كنند. درباره اين موضوع در ادامه صحبت خواهيم كرد.

سيليكات‌هاي لايه‌اي

 

سيليكات‌هاي لايه‌اي (آلومينوسيليكات‌هاي 2 به 1، فيلوسيليكات‌ها، رس‌هاي معدني و اسمكتيت‌ها) تا به امروز بيشترين كاربرد را در تحقيقات نانوكامپوزيت‌هاي پليمري داشته است. سيليكات‌هاي لايه‌‌اي ويژگي هاي ساختاري مانند ميكا و تالك دارد و از آلومينوسيليكات‌هاي هيدراته تشكيل شده است. در شكل (1 ) ساختار كريستالي آنها را مشاهده مي‌كنيد.

نيزوهاي واندروالس در بين لايه‌ها كه حامل كاتيون‌ها مي‌باشند ( M + ) لايه‌ها را كه توسط پيوند كووالانسي به هم متصل‌اند را از هم جدا مي‌سازد. اين لايه‌ها ضخامتي در حدود 96/0 نانومتر دارند.

نانولوله هاي کربني

 

برخلاف تحقيقات 25 ساله بر روي توزيع سيليكات‌هاي لايه‌اي در پليمرها، تحقيقات در زمينه توزيع نانولوله‌هاي كربني در پليمرها بسيار جديد مي‌باشد. نانولوله‌هاي كربني در حين افزايش و بهبود خصوصيات فيزيكي و مكانيكي پليمرها باعث مي‌شوند كه خواص الكتريكي و گرمايي رزين‌ها نيز بهبود يابد. قطر اين نانولوله‌ها مي‌تواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهي (طول به قطر) بيشتر از 100 يا حتي 1000 باشد. مانند سيليكات‌هاي لايه‌اي ماهيت غيرهمسانگردي اين لوله‌ها باعث مي‌شود كه در کسر حجمي کمي از نانولوله ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيت‌ها پيدا شود.

نانولوله‌هاي كربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند. نانولوله‌هاي تك‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. علت علاقه به نانولوله‌هاي كربني تك‌ديواره و تلاش براي جايگزين‌كردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوري و تأييدات آزمايشگاهي بر خصوصيات عالي مكانيكي و رسانايي الكتريكي آنها مانند فلزات مي‌باشد.

رقابت بر روي توسعه روش‌هاي ساخت با هزينه كم، فرآوري نانولوله‌هاي كربني تك‌ديواره و همچنين پايداري خصوصيات اين نانولوله‌ها در حين فرآوري پليمر- نانولوله، از موانعي هستند كه سرعت پيشرفت در توليد نانوكامپوزيت‌هاي پليمري پرشده با نانولوله‌هاي كربني را محدود كرده‌اند.

برعكس در دسترس‌بودن و تجاري‌بودن نانولوله‌هاي كربني چندديواره باعث شده است كه پيشرفت‌هاي بيشتري در اين زمينه داشته باشيم. تاحدي كه محصولاتي در آستانه تجاري‌شدن توليد شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌هاي كريني چندديواره (جايگزين Carbon-black ) در پودرهاي رنگ استفاده شده است.

استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود كه رسانايي الكتريكي در مقدار كمي از فاز تقويت‌كننده حاصل شود و كاربرد آنها در پوشش‌دادن قطعات اتومبيل مي‌باشد.

يكي ازمعايب نانولوله‌هاي چندديواره نسبت به تك‌ديواره‌ اين است كه استحكام‌دهي آنها كمتر مي‌باشد زيرا پيوندهاي صفحات داخلي ضعيف مي‌باشند. در هر حال، درحال حاضر كاربردهايي كه باعث استفاده از نانولوله‌ها در تقويت‌دادن پليمرها مي‌شود، بهبود خواص گرمايي و الكتريكي مي‌باشد تا بهبود خواص مكانيكي. بنابراين كاربرد نانولوله‌هاي كربني چندديواره بسيار زياد مي‌باشد.

از نظر نظامي نيز فراهم‌كردن هدايت الكتريكي، و يا الكتريكي در فيلم‌ها و فايبرهاي پليمري فرصت‌هاي انقلابي بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته‌هاي الكتريكي-مغناطيسي گرفته تا كامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازهاي آينده.

چالش‌ها

 

در نانوكامپوزيت‌هاي پليمري هدف نهايي، توزيع يكنواخت فاز تقويت‌كننده نانومتري مي‌باشد. اساساً 4 روش براي توليد نانوكامپوزيت‌هاي يكنواخت وجود دارد: فرآوري محلولي، پليمريزاسيون درجا، فرآوري مزوفازها و فرآوري مذاب. تحقيقات بسياري در مورد اين فرآيندها براي بررسي پارامترهاي كنترل‌كننده مورفولوژي نانوكامپوزيت‌ حاصله با اين روش‌ها وجود دارد.

عملگري سطحي و عناصر نانويي به‌كاررفته در پليمرها بايد به گونه‌اي باشد كه نرخ پليمريزاسيون و محل شروع پليمريزاسيون قابل كنترل باشد. زيرا درحين پليمريزاسيون ممكن است عناصر نانويي تقويت‌كننده آگلومره شوند.

نقطه كليدي در تمام اين فرآيندها مهندسي فصل مشترك بين پليمر و نانوذره مي‌باشد. براي اين فرآيندها عموماً از سورفكتانت‌ها استفاده مي‌شود. براي مثال از مولكول‌هايي كه بصورت يوني با سطح نانوذرات پيوند داشته باشند (در سيليكات‌هاي لايه‌اي) استفاده مي‌شود و درمورد نانولوله‌هاي كربني از پليمرهايي كه بصورت فيزيكي به آنها متصل مي‌شوند استفاده مي‌شود. اين بهسازي‌هاي سطحي باعث مي‌شوند كه عكس‌العمل بين فصل مشترك‌ها بهبود يابد. بيشترين تلاش‌ها در حال حاضر بر روي بهسازهايي شده است كه باعث مي‌‌شود توزيع نانوذرات تسهيل يافته و بصورت يكنواخت توزيع شوند.

در حال حاضر موضوعات با درجه بالاي اهميت در تحقيقات عبارتند از: درك دقيق و عميق از منطقه فصل مشترك‌ فاز تقويت‌كننده و پليمر، وابستگي خصوصيات فصل مشترك به شيمي سطح نانوذره، آرايش اجزاء و ارتباط بين منطقه فصل مشترك و خصوصيات نانوكامپوزيت‌ها. همچنين درك كلي از ارتباط مورفولوژي و خصوصيات حاصله در رفتار مكانيكي، گرمايي و مقاومتي بسيار كم مي‌باشد.

[*mishi* 11,920]

برای تبدیل منابع كم ارزش می توان الیاف چوب را با رزین های ترمو پلاستیك تركیب كرده كه حاصل كامپوزیت چوب پلاستیك (WPC) نام دارد. محققان مشغول بهینه كردن كارآیی مواد كامپوزیت، وارسی اثرات فرآیند ها و بهبود كارآیی مهندسی و مقاومت آن هستند. رزینهای ترمو پلاستیك از جمله پروپیلن، پلی اتیلن، پلی استیرن و .... هنگام گرم شدن نرم و هنگام خنك شدن سخت می شوند. این خاصیت به مواد دیگری همچون چوب اجازه می دهد كه با آنها مخلوط شوند و محصولات كامپوزیتی را حاصل كنند. چوب پلاستیك های (WPCs) حاصل به راحتی قابل شكل دهی و بازیافت هستند. چوب پلاستیكها معمولآ 30 تا 60 درصد پر كننده ی چوب یا تقویت كننده دارند. پودر چوب از تراش چوب در فرآیندهای صنعتی نظیر تراش تهیه می شود. با اینكه فرآوری الیاف چوب نسبت به پودر چوب سخت تر است اما الیاف چوب می تواند به كامپوزیت های با خواص بالاتری منتهی شوند و بیشتر به عنوان تقویت كننده عمل می كنند تا پر كننده.

الیاف چوب از هر دو منبع بازیافتی و استفاده نشده در دسترس هستند. منابع بازیافتی شامل تخته ها، الوار خراب و روزنامه های قدیمی هستند. چوب حاصل از درختان با قطر كم بهتر می توانند در این دسته مورد استفاده قرار گیرد. افزودنی هایی نیز معمولآ در ساخت (WPC) ها مورد استفاده قرار می گیرند. افزودنی ها موادی هستند كه به مقادیر كم و برای بالا بردن خواص مختلف به كار می روند. برای مثال مواد نرم كننده خواص ظاهری سطحی را بهبود می بخشند، ماده فیت كننده و چسبان، چسبندگی بین چوب و پلاستیك را افزایش می دهند. دیگر افزودنی ها شامل رنگدانه، تثبیت كنند ها، عوامل حباب زا، و رزین های ترموپلاستیك می باشند.

روند تهیه و ساخت چوب پلاستیك ها (WPC):

گردش مواد در ابتدا با مواد خام اولیه آغاز شده و به مخلوطی از مواد كه توسط دستگاهها و تجهیزاتی مثل اكسترودر تهیه می شوند، منتهی می گردد. فرآوری مواد در طی ساخت چوب پلاستیك ها شامل ورود مواد خام، تبدیل آنها به مواد خام كوچكتر و مناسب برای فرآیند، خشك كردن، ذخیره سازی و .... می باشد.

خشك كردن چوب ها:

رطوبت موجود در چوب ها، تاثیر چشم گیری در اجرای فرآیند و كیفیت محصول نهایی دارد و به هرحال برای خروج آب گاهی اوقات احتیاج به تجهیزات اضافی خواهد بود. برخی از روش های خشك كردن عبارتند از:

- پیش گرم كننده ها (Preheaters)

- مخلوط كنند ها با شدت و توان بالا

- خشك كردن با هوای گرم (net air dryers)

- كوره چرخان (rotary furnace)

فرآیندهایی كه پس از خشك كردن و آماده سازی چوب برای تبدیل آن به چوب پلاستیك صورت می گیرند عبارتند از:

تركیب مواد اولیه، اكستروژن، قالب گیری تزریقی و كش رانی.

نكته مهم آنجاست كه فرآیندی خاص كه برای تولید محصولی مشخص مورد نیاز باشد، مد نظر نیست. بسیاری از شركت ها در دنیا به دلایل مختلف اقدام به خرید چوب پلاستك ها بصورت دانه می كنند. در مقابل شركت های دیگری نیز همواره در پی بهبود و كم هزینه تر كردن ساخت (WPC) از مواد خام اولیه هستند. هر یك از مراحل پردازش فوق در زیر به تفصیل شرح داده شده است.

تركیب مواد:

تركیب مواد، نخستین مرحله از مراحل ساخت صنعتی (WPC) است. در این مرحله الیاف چوب ها و مواد افزودنی در پلیمر مذاب محبوس می شوند تا یك مخلوط همگن تولید كنند. روش های متعددی برای تركیب مواد وجود دارد. می توان از سیستم های نیمه پیوسته یا پیوسته استفاده كرد. مزیت سیستمهای نیمه پیوسته آن است كه پارامتر های سیستم از جمله دما،تنش و .... راحت تر كنترل می شوند. معمولآ یك اكسترودر برای تركیب مواد استفاده می شود. مواد خام اولیه می توانند.بصورت پیوسته وارد اكسترودر شوند یا اینكه الیاف چوب به پلاستیك مذاب اضافه گردند. به منظور خروج رطوبت از مخلوط، بخشی از اكسترودر تحت خلا قرار می گیرد.

مواد مخلوط شده می توانند بطور مستقیم به محصول نهایی تبدیل شوند یا اینكه به دانه های ریزی تبدیل شده و بعدآ مورد استفاده قرار بگیرند. یك خط تولید محصولات بصورت دانه ای ظرفیت تولیدی معادل 4500-9000 كیلوگرم در ساعت را دارد. دانه های چوب پلاستیك می توانند با میزان معینی از الیاف با توجه به كاربرد مورد نظرشان تولید شوند، همانطور كه پیشتر ذكر شد بسیاری از شركت ها اقدام به به خرید دانه های چوب پلاستیك می كنند. مزیت اصلی این كار اینست كه هزینه خرید، بسیار كمتر از خرید دستگاهها و تجهیزات اولیه تولید چوب پلاستیك ها از مواد خام اولیه هستند.

اكستروژن:

فرآیند اكستروژن در خط تولید چوب پلاستیك ها، خود دارای مراحل زیر است:

- آماده سازی مواد خام

- تركیب مواد

- اكسترود كردن

- خنك سازی

- پایان

به منظور ساخت چوب پلاستیك ها به اكستروژن به منظور ذوب مواد اولیه و مخلوط كردن آنها با الیاف چوب نیاز است. پس از این مرحله اكسترود در مخلوط مذاب را از درون صاف كننده به بیرون هدایت می كنند. فرآیند اكستروژن باید به تولید مخلوطی كاملآ یكنواخت منتهی گردد و درضمن نباید به الیاف چوب صدمه ای وارد كند. اشكال مختلفی از اكستروژن وجود دارد كه برای ساخت چوب پلاستیك ها استفاده می شوند كه در ادامه مورد بررسی قرار می گیرند:

اكسترودرهای تك پیچ : (تك مارپیچی)

بطور خلاصه می توان از مزایا و معایب این نوع اكسترودرها موارد زیر را ذكر نمود:

مزایا:

- تكنولوژی پیشرفته

- هزینه كم تجهیزات

معایب:

- ضعف در اختلاط

- قیمت بالای مواد خام

- سرعت پایین خروجی

- احتیاج به سرعت خشك كن

- ذوب پلیمر همراه با الیاف، خطر آسیب الیاف را در پی دارد.

اكسترودرهای دو مارپیچه مختلف الجهت:

زمانی كه حجم تولیدی زیاد مد نظر باشد، از این نوع اكسترودرها استفاده می شود. عیب این اكسترودرها اینست كه تنش بالای ایجاد شده، كنترل سیستم را نسبت به سیستمهای مارپیچی همسو، مشكل تر می كند.

اكسترودرهای دو مارپیچی:

این روش برای تولید محصول نهایی چوب پلاستیك ها كاربرد دارد و قادر است فشار بالای مورد نیاز برای اكستروژ« را فراهم سازد. از اینرو برای ساخت پروفیل های PVC پنجره نیز از آن استفاده می شود.

مزایا و معایب این سیستم را نیز می توان در موارد زیر گنجاند:

مزایا:

- تكنولوژِی پیوسته

- تنش پایین

معایب:

- لزوم وجود سیستم خشك كننده

- حمل و نقل مواد

- ذوب پلیمر همراه با چوب خطر آسیب به الیاف را بالا می برد.

- لزوم مخلوط كردن

- هزینه بالای عملیاتی

اكسترودرهای مخروطی شكل:

بنابر نظر بسیاری از محققان این نوع اكسترودرها، طبق دلایل زیر، بهترین طرح برای اكسترودر WPC ها هستند:

- كم بودن سطح مورد نیاز برای یك محدودۀ خروجی معین

- چرخ دنده های قوی و یاتاقان های بزرگ، اكسترودرهای مخروطی شكل را به وسایل مناسب در فشار بالا تبدیل كرده است.

- محدوده فعالیتی بالای این نوع اكسترودرها سبب شده است كه بتوانند به راحتی از عهده تولید خروجی های متنوع مورد نیاز با وجود پراكندگی در مواد اولیه ورودی برآیند.

- قطر بزرگ مارپیچ در قسمت ورودی خوراك و افزایش فشار در راستای مارپیچ اكسترودرهای مخروطی شكل را برای مواد با دانسیته ظاهری پایین مثل چوب، بسیار مناسب كرده است.

نكات مهم در مورد این سیستم را می توان در مواد زیر خلاصه كرد:

- توانایی پردازش چوب ها با درصد رطوبت بالا(بالای 8%)

- اختلاط خوب پلیمر و الیاف چوب

- كاهش هزینه خشك كردن و عمیات اختلاط

معایب:

- احتیاج به سیستم های جانبی زیاد كه هزینه های بسیاری را شامل می شود.

- سرعت بالای مارپیچ

- ذوب پلیمر همراه با الیاف

منبع: نشریه P.E.T

[محمــد 4,415]

Carbon Fibers and Their Composites

 

الیاف کربن و کامپوزیت آنها

 

بصورت لاتین

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[*mishi* 11,920]

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

 

[*mishi* 11,920]

مواد و توسعة آنها از پايه‌هاي تمدن به شمار مي‌روند. به طوري که دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سيليکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر مي‌بريم. عصر جديد با شناخت يک مادة جديد به وجود نمي‌آيد، بلکه با بهينه کردن و ترکيب چند ماده مي‌توان پا در عصر نوين گذاشت. دنياي نانومواد، فرصتي استثنايي براي انقلاب در مواد کامپوزيتي است.

 

 

 

کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن به‌آساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيت‌هاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته مي‌شود.

براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي‌ و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.

نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت‌کننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود.

بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند. کامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار مي‌روند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيت‌هاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.

تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي مي‌شوند و ماتريس پليمري مي‌تواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمال‌شده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويت‌کننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير مي‌کند. ماتريس پليمري همچنين مي‌تواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي مي‌توانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.

کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود.

 

 

 

نانوکامپوزيت¬‌هاي نانوذره‌اي

در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند.

 

نانوکامپوزيت‌هاي نانو‌لوله‌اي

نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولوله‌اي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.

تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره‌ و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)

اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت‌ بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند.

استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده‌!

 

 

 

نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر

نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رُس‌هاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايه‌لايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.

معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ًچيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد.

امتياز ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتش‌گيري در اين نانوکامپوزيت‌هاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت مي‌شوند.

اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشين‌هاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده مي‌شود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌اي بهبود پيدا مي‌کند که از جمله مي‌توان در آنها به موارد زير اشاره کرد:

 

1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش

2. افزايش استحکام مکانيکي

3. افزايش مقاومت گرمايي

4. کاهش قابليت اشتعال

5. کاهش وزن لاستيک

 

نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله

محققان توانسته‌اند سخت‌ترين مادة شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌هاي کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولوله‌هاي کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيته‌اند. با يکپارچه کردن اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست خواهد آمد.

اين کامپوزيت مي‌تواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس مي‌تواند نانولوله‌هاي کربني را در مقابلِ ازهم‌گسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي، وقتي نمايشگر را فقط از نانولوله‌هاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند.

اين کامپوزيت همچنين در رديابي‌هاي زيستي کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌هاي زيستي مي‌چسبند و به عنوان حسگر عمل مي‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار مي‌کند.

تنها چيزي که در اين تحقيقات واضح نيست اين است که الماس و نانولوله‌هاي کربني چگونه محکم به هم مي‌چسبند؟

 

 

 

جديدترين خودرو نانوکامپوزيتي

اين خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزيتي در قسمت‌هاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبک‌تر از نمونه‌هاي مشابه قبلي است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت مي‌کند.

 

 

 

توپ تنيس نانوکامپوزيتي

شرکت ورزشي ويلسون، يک توپ تنيس دولايه به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن حدود چهار هفته است ــ در حالي که توپ‌هاي معمولي عمر مفيدشان در حدود دو هفته است ــ ولي از نظر خاصيت ارتجاعي و وزن تفاوتي بين اين دو مشاهده نمي‌شود. علت مهم و اصلي دوام توپ‌هاي نانوکامپوزيتي، وجود يک لاية پوشش نانوکامپوزيتي به ضخامت 20 ميکرون به عنوان پوستة داخلي است که باعث مي‌شود هواي محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالي‌که توپ‌هاي معمولي از جنس لاستيک و در برابر هوا نفوذپذيرند.

 

الياف نانو، تحولي در صنعت نساجي

امروزه ساخت کامپوزيت‌هاي تقويت‌شده به وسيلة نانوالياف پيشرفت چشمگيري کرده است. ليفچه‌هاي کربنيِ جامد و توخالي با چند ميکرون طول و دو تا بيش از صد نانومتر قطر خارجي خلق شده‌اند که مصارفي در مواد کامپوزيت و روکش دارند.

يکي از دانشجويان کارشناسي ارشد دانشکدة مهندسي نساجي دانشگاه اميرکبير، دستگاه توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي کرده و ساخته است. اين دستگاه در *****اسيون مايعات، گازها و مولکول‌ها، امور پزشکي مانند مواد آزادکنندة دارو در بدن، پوشش زخم، ترميم پوست، نانوکامپوزيت‌ها ، نانوحسگرها، لباس‌هاي محافظ نظامي و... کاربرد دارد.

 

مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيت‌هاي سبک‌وزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌هاي فضايي.

سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازه‌هاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستم‌هاي دروني، اجزاي موتور راکت‌ها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.

 

در مصارف نظامي نيز کامپوزيت‌ها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر همچون ناپيدايي در رادار مي‌شوند.

کامپوزيت‌هاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شده‌اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه‌جويي در سوخت را به همراه دارد.

علاوه بر اين، نانوکامپوزيت‌ها به محصولاتي همچون بسته‌بندي غذاها راه يافته‌اند تا سدي بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نيتروژن درونِ بسته يا مقابله با اکسيژن بيروني).

همچنين خواصّ تعويق آتش‌گيريِ کامپوزيت‌هاي سيليکات نانوذره‌اي، مي‌تواند در رختِ خواب‌، پرده‌ها و غيره کاربردهاي بسياري پيدا کند.

[The Idealist 1,526]

سنتز و تعیین مشخصات لاتکس نانوکامپوزیت پلی(‌استیرن- کو- بوتیل‌آکریلات)- خاک رس به روش پلیمرشدن رادیکالی انتقال اتم در جا در محیط ریز‌امولسیون: استفاده از فعال‌کننده تولید‌شده با انتقال الکترون

مؤلف/مؤلفان: مهدی سلامی کلجاهی; , ; لیلا حاتمی;, ; وحید حدادی اصل;, ; حسین روغنی ممقانی;, ; لیلا احمدیان علم;, ;

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

بررسی اثر کیتوسان و نانوهیدروکسی آپاتیت بر خواص فیزیکی و شیمیایی ریزگوی های نانوکامپوزیتی بر پایه ژلاتین- کیتوسان- نانوهیدروکسی آپاتیت

مؤلف/مؤلفان: شاداب باقری خولنجانی;, ; حمید میرزاده;, ; محمد عترتی خسروشاهی;, ;

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

بررسی اثر کیسه خلاء تنها و سامانه پخت اتوکلاو بر خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت های فنولی

مؤلف/مؤلفان: میراسد میرزاپور;, ; حسن رضایی حقیقت;, ; ابراهیم زنجیریان;, ;

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

اثر شرایط اختلاط بر خواص فیزیکی و مکانیکی آمیزه‫های نانوکامپوزیتی بر پایه‫ NBR/PVC/Nanoclay

مؤلف/مؤلفان: غلامرضا بخشنده, ; قاسم نادری, ; میرحمید رضا قریشی, ; لاستیک , ; الناز اسمی‫زاده، , ;

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

شبیه‌سازی فرایند ساخت پولتروژن کامپوزیت شیشه- پلی‌استر

مؤلف/مؤلفان: محمود مهرداد شکریه, ; اشکان محمود اقدمی, ;

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

مطالعه خواص و عملکرد عایق کامپوزیتی بر پایه رزین اپوکسی- الیاف پنبه

مؤلف/مؤلفان: امیر مسعود رضادوست, ; مریم حاجی حسینی, ; وحیده شاهدی‌فر, ; ایرج امیری امرایی, ;

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

بررسي اثر وجود افزودني پليمري بر شکل شناسي و کارايي لايه هاي غشاي نانو***** کامپوزيتي بر پايه پلي اتر سولفون

مؤلف/مؤلفان: مهدی باریکانی, ; جلال برزین, ; عادل سروش, ;

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[The Idealist 1,526]

بررسی اثر نوع سازگارکننده بر خواص نانوکامپوزیت پایه الاستومر SBR - نانورس اصلاح شده

مؤلف/مؤلفان: حسین نازکدست, ; میترا توکلی, ; علی اصغر کتباب, ;

 

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[*mishi* 11,920]

اهمیت تکنولوژی کامپوزیت در توسعه صنعت خودروسازی جهان، موضوعی است که در طی مطالب وگفتگوهای گذشته به آن اشاره شده است. در کشور ما نیز به علت تحولات جهانی در صنعت خودرو، توجه به این تکنولوژی افزایش یافته است. اما هنوز استفاده از قطعات کامپوزیتی در صنایع خودروسازی کشور بیشتر جنبه تقلیدی دارد تا استفاده آگاهانه و هدفمند. به همین دلیل برخی از کارشناسان از جمله آقای مهندس قاسمی مدیر امور مهندسی عملیات شرکت مهرکام­پارس و مهندس ادیب از کارشناسان آن شرکت، معتقدند استفاده از کامپوزیت در صنعت خودروی کشور ما جذابیت خود را از دست داده و گزینه مناسبی نمیباشد. در زیر خلاصه­ای از نظرات ایشان آورده شده است:

مهندس قاسمی، مدیر امور مهندسی عملیات شرکت مهرکام پارس معتقد است کامپوزیت­ها گزینه­ای مناسب برای توسعه صنعت خودروسازی کشور ما نیستند. وی می­گوید: " کامپوزیت با اهداف کلانی که ما در صنایع خودرو به دنبال آن هستیم، یعنی پیشرفت و رسیدن به سطح قابل رقابت با شرکتهای خودروسازی خارجی، سنخیتی ندارد و نیاز واقعی صنعت خودرو ما در حال حاضر کامپوزیت نیست. آینده کامپوزیت ­در خودروسازی ایران معلوم نیست حتی ممکن است ظرف 5 سال آینده استفاده از کامپوزیت­­ها محدودتر از این هم شود؛ به عنوان مثال اوایل داشبوردهاSMC بودند اما در حال حاضر از ABSساخته می­شوند. قطعه تقویتی سپر خودرو سمند نیز درحال حاضر GMT است در حالی که قبلا از ناودانی ساخته می­شد و ارزانتر بود. تنها مزیت GMT سبک بودن آن است و از نظر طول عمر و دوام در مقایسه با فولاد ضعیف­تر است."

 

وی در ادامه با اشاره به دنباله­روی صنعت خودروسازی ما از خودروسازان جهان می­گوید: "صنعت خودروی ما دنباله­روی خوبی از دنیا داشته و کورکورانه هم که شده سعی دارد پا­به­پای دنیا حرکت کند، ببیند و اجرا کند. اما توسعه تکنولوژیهای نوینی نظیر تکنولوژی کامپوزیت در ایران بسیار زمانبر است زیرا راهی است که کشورهای پیشرفته حدود 20 سال پیش شروع کرده­اند و حال به نتیجه رسیده­اند. ممکن است ظرف چند سال آینده تکنولوژی برتر و جدیدی جایگزین شود در حالی که ما هنوز در اول راه هستیم و باید این روش را نیز رها کنیم و به دنبال آن تکنولوژی جدید برویم."

 

مهندس قاسمی با اشاره به قدیمی ­بودن تکنولوژی­های موجود در کشور می­افزاید: "در کشورهای بزرگ صنعتی بعد از استفاده بهینه و بهره­برداری از دستگاه آنها را از رده خارج می­کنند و وقت و هزینه صرف تعمیر و نگهداری آن نمی­کنند بلکه آنرا به کشورهایی نظیر کشور ما می­فروشند."

 

وی یکی دیگر از مشکلات عمده صنعت کامپوزیت را تهیه مواد اولیه می­داند که باید عمدتا از خارج کشور وارد شوند و تولیدکنندگان داخلی قادر به تولید آن نیستند.

 

مهندس ادیب، ار کارشناسان شرکت مهرکام پارس نیز در تأیید صحبت­های مهندس قاسمی می­گوید: "پرداختن به بحث استفاده از کامپوزیتها در صنعت خودرو امروز جذابیت خود را از دست داده است. بعنوان مثال با اینکه تا چند سال قبل استفاده از کامپوزیتهای SMC وGMT در کاربردهای اتاقک موتور(Under-the-hood) از مقبولیت خاصی برخوردار بودند، امروزه بدلیل حجم سرمایه­گذاری بالا، بالا بودن دورریز مواد و غیره جایگاه خود را بشدت از دست داده­اند و تکنولوژی­های رقیب مانند آمیزه­کاری مستقیم(Direct-compounding) جای آنها را گرفته­اند. امروزه به ندرت می­توان در توسعهخودروهای جدید، قطعات کامپوزیتی به مفهوم متداول آن را یافت و سمت و سوی صنعت خودرو در زمینه استفاده از کامپوزیتها به موارد خاص سوق پیدا کرده است." وی با اشاره به اینکه تکنولوژی برتر دنیا در زمینه کامپوزیت، تکنولوژی ترکیبی (HybridTechnology) می­باشد، می­گوید: "در این تکنولوژی یک تقویت کننده (Insert) فلزی را در داخل قالب قرار می­دهند و پلیمر مذاب را روی آن تزریق می­کنند. قیمت ارزانتر، کاهش وزن و عدم نیاز به جاسازی محل مونتاژ قطعات از مزایای این روش است."

 

مهندس ادیب، اما مشکل اصلی را گرانی تکنولوژی­های جدید می­داند که انتقال آنها را مشکل می­کند: "از سوی دیگر این تکنولوژی تنها در کشورهایی تولید می­شود که دارای پیشینه زیادی در این زمینه می­باشند و صحبت کردن از تولید این تکنولوژی در ایران به این زودی­ها امکان پذیر نیست."

 

در انتها مهندس قاسمی ضمن تأکید بر لزوم همکاری دانشگاه و صنعت می­افزاید: "ما تنها از دستاوردهای کشورهای دیگر استفاده می­کنیم و تولید تکنولوژی نداریم و یا اگر داریم بسیار محدود است. شاخص­های مورد نیاز برای رشد و توسعه تکنولوژی را جایی تعیین می­کنند که پایه­های تکنولوژی در آنجا رشد کرده و محکم شده است. در کشور ما که در آغاز راه است تعیین شاخص­ها بر عهده دانشگاه است."

[*mishi* 11,920]

[TABLE=class: TEXT]

[TR]

[TD]1. مقدمه

پلي پروپيلن يکي از پلاستيک‌هاي عمومي است که با توجه به قيمت مناسب و روش‌هاي نسبتاً آسان توليد و دارا بودن خصوصياتي همچون دانسيته پايين، پايداري حرارتي بالا و مقاومت مناسب در برابر خوردگي، به ميزان وسيع در بسياري از کاربردها استفاده مي‌شود. اما خواص مکانيکي نه چندان مناسب آن، سبب شده که قبل از مصرف به روش‌هايي، آن را تقويت کنند. از طرف ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس/ پليمر، در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي بهبود فوق‌العاد‌ه‌اي يافته‌اند كه اين مسئله طي سال‌هاي اخير، توجه زيادي را به منظور استفاده هاي تجاري از آنها، به خود جلب کرده است. همچنين نانوذرات رس به عنوان يكي از فيلرهاي مورد استفاده در ماتريس‌‌هاي پليمري ترمو پلاستيک، مورد توجه بسياري قرار گرفته و هدف اصلي بسياري از مقالات و تحقيقات انجام شده در اين مورد، در واقع افزايش ميزان سختي اين پليمرها، بوده است [2و8]. استفاده از ذرات رس در ماتريسPP منجر به بهبود بسياري از خواص، از جمله افزايش مقاومت و مدول کششي و سختي ديناميکي، افزايش سرعت کريستاليزاسيون، بهبود خاصيت بازدارندگي شعله و کاهش نفوذپذيري آب، گازها (مثل اکسيژن و دي‌اکسيد کربن)، هيدروکربن‌ها (مثل بنزين، متانول و حلال‌‌هاي آلي)و افزايش دماي تغيير شکل (HDT) مي گردد [8]. تحقيقات نشان داده است كه خواص نانوکامپوزيت‌هاي پليمري و تقويت‌کننده‌هاي سيليکاتي (ذرات رس) به مورفولوژي ذرات رس پراکنده در ماتريس پليمري بستگي داشته و رفتار بازدارندگي شعله اين نانوکامپوزيت‌ها نيز به انباشتگي لايه‌‌هاي نانوذرات بر روي سطح نمونه در حال سوختن، ايجاد يک پوسته محافظ غير آلي، وابسته است. اگر چه نشان داده شده است که تمام اين خواص، از جمله خاصيت بازدارندگي شعله، به ميزان توزيع ذرات بستگي ندارند؛ اما آشکارا مي‌توان دريافت که بهترين تقويت اثر به وسيله نانوذرات رس (به خصوص از جنبه مکانيکي) را مي‌توان با بهبود پراکندگي لايه‌‌هاي سيليکاتي معدني در بين ماتريس پليمري به دست آورد، زيرا با افزايش ميزان توزيع، ذرات به عنوان واحد‌هاي مجزا عمل کرده و سطح ويژه فيلر را حتي تا 700 مترمربع/ گرم افزايش مي‌دهند. [4،8و14] چنين سطح مشترک زيادي در واحد حجم، سبب تماس کسر بالايي از ذرات با ماتريس شده و با افزايش سطح تماس دو فاز، خواص نهايي کامپوزيت شديداً تحت تأثير قرار مي‌گيرد [1و8].

 

[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD] آناليز DSC روي نانوذرات نشان داده است که اين مواد به عنوان عامل هسته‌گذاري براي پيشروي کريستاليزاسيون پليمر عمل مي‌کنند. در حقيقت هنگامي که پنج درصد نانوذرات رس به PP اضافه مي‌شود، Tc (دماي شروع کريستاليزاسيون) از 2/118 به 2/121 درجه سانتيگراد افزايش مي‌يابد و باعث افزايش فاز کريستالين در هيبريد نهايي مي‌گردد؛ البته اين مقدار تا هشت درصد براي حالتي که سريعاً در مدت 30 دقيقه سرد مي‌شود و تا 6/14 درصد براي هنگامي که به صورت عادي در 16 ساعت سرد مي‌شود، متغير است. نتايج نشان داده كه وابستگي عجيبي بين ميزان فاز کريستاله شده (که در اثر هسته‌گذاري نانوذرات رس در ماتريس PP به وجود آمده) و مدول الاستيک نانوکامپوزيت وجود دارد. اصلي که در نانوکامپوزيت‌‌هاي خاک رس/ پليمر براي ايجاد شرايط فوق رعايت مي‌شود، اين است که نه تنها دانه‌‌هاي رسي را از هم جدا مي‌کنند، لايه‌‌هاي هر دانه را نيز تفکيک مي‌کنند تا از خواص مکانيکي فوق‌العاده هر لايه نيز به‌طور مؤثر بهره‌برداري شود؛ زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزاران لايه تشکيل شده است. براي اين منظور مواد اصلاح‌کننده سطحي مي‌توانند براي اصلاح ذرات رس به‌کار برده شوند و آنها را آلي دوست کرده تا به خوبي در بين ماتريس پليمري پراکنده شوند.

[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD] [TABLE=class: text]

[TR]

[TD=align: center] [/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=align: center]شکل1. اثر اصلاح‌کننده در تهيه نانوکامپوزيتPP[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=align: center] 2 فرآوري ذرات رس با سازگار كننده انيدريد مالئيك

استفاده از يک سازگارکننده، يعني يک ماده شيميايي که قادر به سازگار نمودن پليمر و نانوذرات باشد، اين امکان را به وجود مي‌آورد تا روش قرارگيري نانوذرات در حالت مذاب به عنوان بهترين روش اميدبخش مثلاً براي تهيه نانوکامپوزيت پلي پروپيلن، پذيرفته شود. در اين روش، نياز به استفاده از حلال‌ها و فرايند‌هاي اختصاصي نيست و يک روش شکل‌گيري که هم با محيط و هم مصرف‌کننده سازگار بوده و به هيچ يک زيان نرساند، فراهم مي‌شود [5]. البته ذکر اين نکته مهم است که فرايند‌هاي اصلاح سطحي و سازگارکنندگي، دو روش مختلف، مستقل و در عين حال مکمل يکديگرند که براي حل مشکل امتزاج‌پذيري ضعيف بين PP و نانوذرات رس پذيرفته شده، و به صورت مراحل موازي براي غلبه بر اين مشکل، يکسان عمل مي‌کنند [5و8]. ناسازگاري بين PP و مونت موريلونيت در حقيقت، هم به علت طبيعت ترموديناميکي و هم طبيعت فيزيکي آنهاست. اولين مانع براي تشکيل يک هيبريد مناسب، اين است که توده‌‌هاي لايه‌ها، در مونت موريلونيت اوليه (طبيعي) خيلي پايدار بوده، و تمايلي به رسيدن به حالت بي‌نظمي که براي تشکيل يک نانوکامپوزيت پلي پروپيلن خوب مورد نياز است را ندارند. دومين مانع براي حصول ساختار لايه‌لايه‌اي مطلوب، نيز مناسب نبودن طبيعت شيميايي PP غير قطبي، براي برقراري پيوند با صفحات قطبي MMT، است، به‌طوري که حداقل آنها را در يک نظم سازگار غير ترموديناميکي نگه دارد، است. اگر چه اين امکان وجود دارد که اصلاح سطحي، فاصله بين دو لايه از MMT را افزايش داده و سطح سيليکات را در يک روش آلي اصلاح کند (شکل 1)

[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=width: 99%] . اما اين کار به تنهايي براي سازگار کردن ماتريس و پرکننده کافي نيست و به وارد کردن يک سازگارکننده قطبي به درون سيستم PP نياز است[5و8]. گروه قطبي اضافه شده به زنجير آب‌گريزPP براي آب‌دوست نمودن آن، ايندريد مالئيک است. واحد تکراري‌اي که معمولاً براي نشان دادن زنجير حاصل نشان داده مي‌شود در شكل (2) آمده است[8]. مطابق اين فرمول، گروه‌هاي ايندريد مالئيک بايد به صورت تصادفي با زنجير PP، گرافت يا کوپليمريزه شوند؛ اما اغلب به‌وسيله فرايند اکستروژن، واکنشي با يک آغازگر پراکسيدي که باعث تشکيل يک راديکال آزاد به‌وسيله زنجير PP مي‌شود، به دست مي‌آيد؛ اين راديکال، محل فعالي است که گروه انيدريد مالئيک به آن حمله مي‌کند. البته ذکر اين نكته ضروري است که بيش از يک گروه نيز توان واكنش با يک زنجير PP شکسته شده، را دارد و اين باعث توليد يک ديمر و يا حتي تريمر مي‌شود. از اين رو، در مخلوط دوتايي ساده‌اي از PP و خاک رس آلي، وظيفه پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک، ايجاد پيوند بين دو ماده مختلف است؛ قسمت هيدروکربني مولکول، تمايل دارد در ماتريس پلي پروپيلن نگه داشته شود؛ در حالي که اتم‌هاي اکسيژن در حلقه ايندريد مالئيک مي‌توانند به‌وسيله کشش الکترواستاتيکي که يک پيوند هيدروژني قوي بين آنها ايجاد مي‌کند، به گروه‌هاي هيدروکسيلي خاک رس که پيش‌بيني مي‌شود به فرآيند لايه‌لايه‌اي شدن کمک کند، وصل شوند. شکل (3) طرحي از فرايند توزيع خاک رس را نشان مي‌دهد [7و8و11]. به نظر مي‌رسد که وزن مولکولي پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک نيز بر بعضي از خواص مکانيکي NCP، مؤثر باشد. Svoboda، با آزمايش‌هايي روي درجه‌‌هاي مختلف سازگارکننده‌ها، دريافت که مقاومت کششي و مقاومت ضربه‌اي، در حقيقت به وزن مولکولي پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک بستگي دارد و به ويژه، بهترين خواص عمومي، به‌وسيله نمونه‌اي که بيشترين وزن مولکولي را داراست، نشان داده شده است [8و11]. از طرف ديگر، پراکندگي چنين سازگار‌کننده سنگيني، به خصوص هنگامي که در غلظت بالا از آن استفاده گردد، مانع نفوذ مولکول‌هاي PP از توده پليمري مي‌شود؛ در حالي كه در صورت استفاده از وزن مولکولي پايين پلي پروپيلن گرافت شده با انيدريد مالئيک، توزيع، بهتري حاصل مي‌شود[8 و11].

3. نتيجه گيري

بهترين تقويت اثر به وسيله نانوذرات رس را مي‌توان با بهبود پراکندگي لايه‌‌هاي سيکيکاتي معدني در بين ماتريس پليمري و افزايش خاصيت چسبندگي بين ذرات و ماتريس PP به دست آورد. براي افزايش ميزان توزيع ذرات به طوري كه هر يك از آنها به عنوان واحد‌هاي مجزا عمل کرده و سطح ويژه فيلر و در نتيجه سطح تماس ذرات با ماتريس PP افزايش يابد، اصلاح سطح ذرات به وسيله مواد مناسب، لازم است و اگر خاصيت چسبندگي بين ذرات و PP كافي نباشد، اين عمل به تنهايي نمي‌تواند خواص پليمر را در حد مورد نياز بهبود بخشد. به همين دليل استفاده از يك ماده سازگاركننده، مانند انيدريد مالئيك كه به عنوان مكمل اصلاح سطحي عمل كند ضروري به نظر مي‌رسد؛ ضمن اين كه ارتباط تنگاتنگ و آشکاري بين ميزان تفرق و پراکندگي نانوذرات رس و نسبت PPgMA/NC در نانوکامپوزيت PP وجود دارد.

[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

[660187622 12]

سپاسگزارم

 

[mim-shimi 25,686]

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

مواد اولیه : الیاف، رزین ها و دیگر پرکنندهها

 

لوله های FRP با استفاده از تقویت کننده های الیاف شیشه، رزین های گرما سخت، مواد linerviel و انواع دیگر افزودنی ها ساخته می شوند. الیاف تقویت کننده معمولن از جنس الیاف شیشه E است . مشخصات اسمی الیاف شیشه E عبارتند از سفتی کششی در حدود 72400 مگا پاسکال، استحکام کششی در حدود 3450 تا 3800 مگا پاسکال و درصد افزایش طول در حدود 4 تا 5 درصد. انواع دیگری از الیاف در این رده عمومی وجود دارند که نیازهای گوناگون مقاومت به خوردگی را برطرف می کنند اما الیاف شیشه E تا حدودی تمام بازار را تحت سلطه خود درآورده است. الیاف تقویت کننده دیگری برای کاربردهای ویژه و شرایط خورنده منحصربه فرد وجود دارد مانند FCR ، C ، AR و جز آن.

الیاف تقویت کننده بسته به فرآیند ساخت لوله و تحمل بار مورد نیاز ، تغییر می کنند . الیاف تک جهته تابیده شده ، الیاف کوتاه ، تقویت کننده های رشته ای ، نمد ، الیاف بافته شده و انواع دیگر الیاف درساخت لوله های FRP کاربرد گسترده ای دارند.

 

درصد وزنی الیاف به طراحی محصول نهایی وابسته خواهد بود. جهت الیاف ، شیوه چیدمان لایه ها روی هم و تعداد لایه های تقویت کننده ، ویژگی های مکانیکی، سفتی و استحکام واقعی لوله را تعیین می کند . رزین مورد استفاده در ساخت لولۀ FRP ویژگی های خاص خود را دارد. درحالی که ویژگی های استحکام و سفتی رزین چندین بار کم تر از الیاف است ، رزین نقش اساسی را ایفا می کند . رزین های گرما سخت گروه عمده ای هستند که در ساخت لوله FRP به کار می روند. رزین به عنوان چسب عمل کرده و الیاف را در ساختار لایه ای محصول پخت شده به هم متصل می کند.

 

رزین در برابر خوردگی ناشی از عبور گازها و سیالات از درون لوله مقاومت می کند . مشخصات فیزیکی و شیمیایی رزین ، مقاومت حرارتی که به شکل یک مشخصه که دمای انتقال شیشه ای ، Tg ، نامیده می شود و ویژگی های روش ساخت نقشی کلیدی در طراحی لوله ایفا می کنند . درحالی که رزین های پلی استر ، وینیل استر و اپوکسی قصد تسلط بر بازار لوله های FRP را دارند ، رزین های دیگری نیز وجود دارند که مقاومت به خوردگی منحصر به فردی ایجاد می کنند . پلی استرها اغلب برای تولید لوله هایی با قطر زیاد استفاده می شوند . وینیل استرها مقاومت به خوردگی بیشتری معمولا ً در برابر مایعات خورنده قوی مانند اسیدها و سفیدکننده ها دارند . رزین اپوکسی معمولا ً برای لوله هایی با قطر کم تراز 750 م

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

لی متر و فشارهایی در حدود 8/20 مگا پاسکال تا 6/34 مگا پاسکال استفاده می شوند .

 

طراحی و تولید لوله های FRP اغلب به اجزای افزودنی نیز نیاز دارد. بیشترین افزودنی ها به شکل دهی رزین های گرما سخت کمک می کنند و همچنین ممکن است برای تکمیل واکنش های شیمیایی و پخت چند لایی مورد نیاز باشند . کاتالیزورها و سخت کننده ها در این دسته قرار می گیرند. پرکننده ها ممکن است به علت مسایل اقتصادی و یا افزایش کارایی استفاده شوند. بعضی از لوله ها به ویژه لوله های گرانشی به شدت به سفتی خمشی بالایی نیاز دارند.

در مورد لوله های زیر خاک، سفتی خمشی با عامل EI اندازه گیری می شود که حاصل ضرب سفتی چندلایی کامپوزیتی E و ممان اینرسی سطح مقطع لوله I است

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

سفتی چندلایی E را می توان با تغییر جهت الیاف و افزایش حجم الیاف و موارد دیگر افزایش داد

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

از آنجایی که ممان اینرسی I با توان سوم ضخامت دیوار نسبت دارد ؛ هرگونه کوششی برای افزایش ضخامت دیواره ، ممان اینرسی را به طور چشمگیری افزایش می دهد. در نتیجه بعضی از لوله های گرانشی با افزودن ش

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

در مرحله تولید ساخته می شوند. افزایش شن مایۀ افزایش ضخامت دیواره و در نتیجه افزایش ممان اینرسی و افزایش عامل EI می شود. این کار افزایش سفتی با استفاده از ماده نسبتن ارزان مانند شن نامیده می شود . بنابراین شن می تواند یک افزودنی مهم در ساخت لولۀ FRP باشد.

 

چندین روش برجسته درصنعت

لوله های FRP به دو روش اصلی ساخته می شوند: ریخته گری گریز از مرکز و پیچش الیاف . با این وجود روش های بسیار متغیر و بهبود یافته ای در این سالها ایجاد شده است . در روش ریخته گری گریز از مرکز، الیاف درون یک لولۀ فولادی قالب قرار داده می شوند . مواد تقویت کننده خشک هستند و در این مرحله به رزین آغشته نمی شوند . لایه چینی ویژه مواد در لوله فولادی به وسیله مهندس طراح و با توجه به کارآیی نهایی مورد نیاز، مشخص می شود. هنگامی که الیاف در سر جای خود قرار گرفتند ، لوله فولادی با سرعت بالایی آغاز به چرخیدن می کند. رزین مایع در مرکز لوله پاشیده می شود و با توجه به نیروی گریز از مرکز، تقویت کننده خشک را آغشته می کند . پوسته کامپوزیتی در حال چرخش با استفاده از گرما به لوله ای با سطح داخلی و خارجی صاف تبدیل می شود. سطح داخلی، اغلب یک سطح هموار و غنی از رزین است.

 

روش شرح داده شده، روش ریخته گری گریز از مرکز معمولی و متداول است . الیاف بافته شده، پارچه و نمدهای سوزنی از مواد ساختاری این روش هستند. درصد وزنی الیاف دراین روش ساخت، معمولا ً بین 20 تا 35 درصد است. می توان با استفاده از بافت های متراکم تر با افزایش سرعت چرخش برای دست یابی به فشردگی بیشتر به درصد وزنی الیاف بالاتری دست یافت.

 

برای ساخت لوله های گرانشی با قطرهای زیاد که سفتی لوله یک عامل بحرانی است و به سختی حاصل می شود، اغلب اوقات از روش بهینه شده ای به نام ریخته گری گریز از مرکز Hobas استفاده می شود . روش Hobas شبیه به ریخته گری گریز از مرکز معمولی است، افزون براین که برای افزایش عامل E، شن نیز به مواد اولیه افزوده می شود. این روش اغلب در قطرهای بزرگ تر از 500 میلی متر استفاده می شود و شن بخش عمده ای از سازه خواهد شد. درصد وزنی الیاف حدود 20 درصد است . درصد وزنی رزین 35 درصد و مقدار شن 45 درصد وزنی است.

 

بنابراین درصد بالای شن باعث افزایش سفتی مقطع I می شود ولی سفتی الاستیک E را افزایش نمی دهد . به خاطر اینکه شن یک ماده ساختاری نیست، از لولۀ Hobas به عنوان لوله گرانشی استفاده می شود نه لوله فشاری. در فرآیند پیچش الیاف، پوسته ای پیرامون یک سنبه چرخان با قطری برابر با قطر داخلی لوله به طور پیوسته پیچیده می شود و به طور کلی در این روش، تغییراتی ایجاد شده است. در فرآیند پیچش الیاف دو جهته یا مارپیچی ، الیاف تحت زاویه و به صورت مارپیچی روی سنبه پیچیده می شود ، تا هنگامی که تمام سطح پر شود و تعداد لایه های درست روی هم چیده شود. زاویه پیچش معمولا ً در محدوه زاویه بهینه تئوری و بین 55 تا 75 درجه است. طراحی ، زاویه پیچش مناسب را مشخص می کند. این روش بیشترین سفتی E و استحکام را ایجاد می کند؛ چون الیاف پیوسته هستند نه بریده شده و می توان به درصد وزنی الیاف 60 تا 80 درصد رسید.

 

یک نسخه بهینه شده این روش، روش پیچش الیاف پیوسته Drostholm است که برای ساخت لوله های پیوسته نوآوری شده است . در این روش یک سنبه انعطاف پذیر به کار می رود که پس از پخت لوله و حرکت لوله به جلو به جای اول خود برمی گردد . به خاطر اینکه در این روش لایه چینی به صورت کاملا ً مارپیچی امکان ندارد ، پیچش الیاف به صورت حلقه ای 90 درجه انجام می شود و بین لایه های محیطی الیاف کوتاه پاشیده می شود ، ممکن است پرکننده های شنی و الیاف نمدی نیز به کار روند . درهر حال الیاف محیطی بریده شده ساختار اولیه هستند.

درصد وزنی الیاف در این روش بین 45 تا 70 درصد است. در حالت ثابت بودن طول لوله که از پیچش الیاف به صورت محیطی به همراه الیاف کوتاه استفاده می شود، این فرآیند پیچش حلقوی کوتاه Chop-Hoop Winding نامیده می شود. ممکن است از شن نیز در این روش استفاده شود. با این کار درصد وزنی الیاف نیز به 45 تا 65 درصد کاهش می یابد.

ممکن است بر سر این که کدام یک از این روش ها بهینه است، بحث باشد. با این وجود بحث های فنی کلیدی معمولا ً پیرامون اثر افزایش شن بر روی ویژگی های مکانیکی چند لایی کامپوزیت FRP است. اثرات دراز مدت تحمل بار و رفتار خزشی در حضور پرکننده شنی در سالهای اخیر مورد توجه بوده است.

 

ملاحظات طراحی و محیطی

طراحی لوله های FRP با توجه به موضوعات هیدرولیکی و شارجریان انجام می شود؛ چون این مسایل از ملاحظات اساسی در طراحی مؤثر جریان گاز و سیال در سیستم های لوله کشی هستند . لوله های FRP برتری های قابل توجهی نسبت به مواد مرسوم مانند لوله های فلزی و بتنی دارند . به عنوان مثال ، هموار بودن سطح داخلی لوله FRP باعث کاهش مقاومت سیال و انرژی لازم برای جریان یافتن سیال در داخل لوله می شود . به دلیل مقاومت لوله FRP در برابر خوردگی، با گذشت زمان و استفاده از لوله ، سطح داخلی هموار باقی مانده و مقاومت در برابر خوردگی نیز نقش اساسی در لوله های FRP بازی می کند .

گستره دمایی در طراحی لوله های FRP به نوع کاربرد و نوع ماده ای که در درون لوله جریان خواهد داشت بستگی دارد . لوله های زیرزمینی برای دمای ثابتی که میانگین دمای محیط پیرامون آن ها با توجه به شرایط محلی است ، طراحی می شوند . لوله های سطح زمین چون تحت شرایط باد ، باران ، برف و پرتوهای فرابنفش قرار می گیرند گستره دمایی وسیع تری دارند. در هر دو حالت گستره دمایی براساس آب و هوا و شرایط منطقه ای که لوله در آن نصب می شود تثبیت می شود . این شرایط معمولن از محدوده 20 تا 65 درجه سانتی گراد خارج نمی شود. در حقیقت به جز در موارد اندک، محدوده دمای کاری معمولا ً بین 20 تا 55 درجه سانتی گراد قرار دارد.

با این وجود توجه به دمای سطح داخلی لوله مهم است چون معمولا ً سیال یا گاز در دماهای بالایی بین 52 تا 150 درجه سانتی گراد در داخل لوله جریان می یابد. رزین و لایه آستر درونی اغلب اوقات بر اساس نوع ماده خورنده عبوری از درون لوله و دمای فرآوری آن برگزیده می شود. لوله های FRP را می توان برای بسیاری از کاربردها ساخت

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

طراحی لوله FRP هم چنین به شدت ، تحت تأثیر محدوده فشار کاری است ؛ در حالی که بیشتر لوله ها طی عمر کاری خود در معرض فشار داخلی مثبت قرار دارند . بار خلأ نیز می تواند به عنوان یکی از فاکتورهای طراحی لوله ، به ویژه در مورد لوله های زیرزمینی مورد توجه قرار بگیرد . در مورد لوله های گرانشی زیرزمینی ، لوله های FRP اساسا ً بر مبنای سفتی مورد نیاز و با توجه به شرایط خاک، عمق دفن و فشار خارجی طراحی می شوند.

 

با این وجود، اگرچه لوله های گرانشی در رده های متفاوت سفتی طراحی می شوند ولی این طراحی به گونه ای است که لوله بتواند در محدوده فشار روزانه که به وسیله کاربر نهایی مشخص می شود، به طور موفقیت آمیزی کار کند . دور از انتظار نیست که حتی یک لوله گرانشی FRP هنگام کار تحت فشارهای حدود 8 مگا پاسکال قرار بگیرد . در حقیقت لوله های گرانشی نیز برای تحمل خوب بارهای طولانی مدت طراحی می شوند. لوله های فشاری درواقع بنابر شرایط تحمل بارهای فشاری بلند مدت برای کار پیوسته در خط طراحی می شوند. در نتیجه، لوله های فشاری FRP اساسا ً برای تأمین استحکام طراحی می شوند تا سفتی؛ چون در شرایط بارگذاری کوتاه مدت و بلند مدت بارهای فشاری، بسیار مورد توجه هستند.

 

بارهای خارجی می توانند به صورت بارهای ناشی از دفن لوله لوله های زیرزمینی ، بارهای خمشی و یا تماسی ، لوله های سطح زمین و یا بارهای حاصل از ترافیک لوله های زیرزمینی باشند . بسیاری از این بارها ممکن است در کارآیی بلند مدت لوله FRP بحرانی باشند و محاسبه جابه جایی ها و تنش های چندلایی تحت بار برای تضمین یک پارچگی سازه در طول عمر مفید مورد انتظار مهم است . بسیاری از راهنماهای طراحی و استانداردها ، طراحی لوله های FRP را از طریق این گونه محاسبات و تأییدیه ها کنترل می کنند.

 

در برخی از کاربردها که قابلیت اشتعال، دود، مقاومت در برابر آتش و سمی بودن مهم هستند، مقاومت در برابر شعله می تواند از اصول طراحی باشد. از جمله مکان هایی که این مسایل مورد توجه هستند، سکوهای نفتی دور از ساحل است. تولید کننده ها می توانند از رزین های گوناگون مقاوم در برابر شعله و یا لایه های خارجی مقاوم، برای این منظور استفاده کنند.

 

منبع: فصلنامه كامپوزیت