مشخصات الیاف ‏FRP را بشناسیم !

آشنایی با پلاستیک تقویت شده با الیاف

کامپوزیت‌هایی از نوع پلاستیک تقویت شده با الیاف (FRP)، انقلابی در بخش تولید ایجاد کرده‌اند. در بسیاری از کاربردهای تجاری، صنعتی و شهری، کامپوزیت‌های FRP در مقایسه با مواد فلزی، کارایی بالایی از خود نشان داده‌اند. این کارایی را می‌توان از جنبه‌هایی چون کاهش وزن محصول و همچنین کاهش هزینه‌ها‌ بررسی کرد. صنایع ساخت و ساز، انرژی، هوافضا و سایر بخش‌های حیاتی زندگی امروزی، در حال درک و بهره‌گیری از مزایای FRP در زمینه‌ی تولید بخش‌ها و قطعات قابل اعتماد مورد نیاز خود هستند.

کامپوزیت‌هایی از نوع پلیمر تقویت شده با الیاف (FRP) نیز در کاربردهای متنوعی به کار برده می‌شوند. خواص مکانیکی محصولات FRP، مزایای منحصر به فردی را برای موارد مصرف آن‌ها فراهم می‌کند. انواع کاربرد یا موارد مصرف کامپوزیت‌های FRP، عموما در رابطه با انجام قالب گیری یک جسم یا مکان تعریف می‌شود. مواد کامپوزیت FRP دارای خواص مکانیکی ویژه‌ای از جمله مقاومت در برابر ضربه، استحکام بالا، سختی زیاد، انعطاف پذیری بالا و قابلیت حمل بار هستند.

هنگام طراحی انواع مصالح یا محصولات FRP، مهندسان از نرم افزاری تحت عنوان مواد مرکب پیچیده استفاده می‌کنند. این نرم افزار خواص شناخته شده‌ی کامپوزیت مورد نظر را محاسبه می‌کند و مشخصات الیاف FRP را تعیین می‌کند. آن دسته از آزمایش‌های رایجی که برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی کامپوزیت‌های FRP به کار گرفته می‌شوند عبارتند از: تعیین میزان سختی برشی، مشخص کردن میزان کشش، آزمایشات مربوط به مدول انعطاف‌پذیر و تست ضربه.

مبانی و مشخصات الیاف FRP

به هر ترکیبی که بیش از یک ماده‌ی اولیه‌ی پیچیده با خواص بسیار متفاوت در ساخت آن نقش داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود. یکی از مشخصات الیاف FRP این است که غالبا پیوند و ترکیب همه‌ی این مواد تشکیل دهنده، محصولی را به دست می‌دهد که به تنهایی از هر یک از مواد ورودی قوی‌تر، تطبیق پذیرتر و بادوام‌تر است. یک کامپوزیت FRP از یک رزین پلاستیکی یا ماتریس پلیمری و یک فیبر تشکیل شده است.

مشخصات الیاف FRP بسته به ویژگی‌هایی که محصول هدف باید داشته باشد، ممکن است هر چیزی را شامل شود. از شیشه گرفته تا مصالح کف‌سازی بازیافتی. رزین الیاف را پشتیبانی کرده و دربرمی‌گیرد. همچنین قابلیت انتقال نیرو بین الیاف را نیز فراهم کرده و سبب می‌شود الیاف در صورت قرار گرفتن در معرض شرایط محیطی مانند باران، حشرات، گرما و باد، عایق‌گونه عمل کند. الیاف نیز به نوبه‌ی خود، سفتی و پشتیبانی ساختاری بالایی را برای پلاستیک‌های انعطاف پذیر فراهم می‌نماید. همچنین از دیگر مشخصات الیاف frp این است که نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیت را فوق العاده بالا می‌برد. کامپوزیت‌هایی از نوع پلاستیک تقویت شده با الیاف، با نام‌های دیگری مانند کامپوزیت‌های پلیمر تقویت شده با الیاف، کامپوزیت‌های تقویت کننده‌ی الیاف و یا کامپوزیت‌های الیافی نیز معرفی و شناخته می‌شوند. اما در واقع همه‌ی آن‌ها – فارغ از این که به چه عنوانی خوانده شوند – به یک ماده و یک مفهوم واحد اشاره می‌کنند.

تفاوت بین ویژگی‌های فولاد و ویژگی‌های الیاف FRP

برخلاف فولاد، یکی از ویژگی‌های الیاف frp این است که نسبت به خوردگی ناشی از کلرید حساس نیستند. زیرا ذاتا غیرخورنده و غیرفلزی هستند.  همین ویژگی می‌تواند به طور قابل‌توجهی مقاومت در برابر خوردگی را در سازه‌ها افزایش دهد. در مقایسه با فولاد سنتی، FRP سبک وزن‌تر است و استحکام بالاتری نیز دارد. این در حالی است که ویژگی‌های مکانیکی آن خاصیت الاستیکی خطی دارد. این خاصیت برجسته، مشکلات حالت تسلیم شدهگی فلز را رفع نموده و منجر به کاهش نرخ تغییر شکل نسبی و نرخ ازدیاد طول می‌شود.

علاوه بر این، مدول الاستیک FRP معمولا کمتر از فولاد است (به جز برخی از CFRPها که مدول بالایی دارند). کامپوزیت‌های FRP را می‌توان به عنوان تقویت کننده‌ همراه  با بتن در اشکال مختلفی استفاده کرد. این اشکال می‌توانند شامل میلگرد، میله، لوله، ورق، رکاب تیر، صفحه، رووینگ، پارچه و پارچه‌های مشبک باشند. به خصوص، میلگردهای FRP را می‌توان به عنوان جایگزین وعده داده شده برای میلگردهای فولادی به کار برد. میله‌هایی که توسط فرآیند pultrusion، از الیاف رزین ترموست آغشته شده، تولید می‌شوند.

مشخصات الیاف FRP از لحاظ مکانیکی

در بازار هزاران نوع کامپوزیت وجود دارد که برای اهداف مختلف از آن‌ها استفاده می‌شود. این طیف اجزای ساختاری ساخت و سازها را دربرگرفته و تا اجزای فضاپیماها در امور مربوط هوافضا گسترش یافته است. طراحان و تولیدکنندگان در سراسر بخش‌های صنعتی هر روز بیشتر از گذشته به استفاده از  FRP در طیف گسترده‌ای از کاربردها روی می‌آورند. دلیل این گرایش به استفاده‌ی فراگیر را می‌توان در مزایا و برتری‌های الیاف frp به وضوح دید.

در این‌جا برخی از مهم‌ترین مشخصات الیاف frp آورده شده است:

• سبک وزن بودن در مقایسه با اکثر فلزات
• مقاومت در برابر خوردگی
• قدرت تحمل بالا در مقابل ضربات سنگین
• خاصیت عایق الکتریکی
• خاصیت نصب آسان
• نیاز کم به تعمیرات و نگهداری
• دوام فوق‌العاده استثنایی
• هزینه نسبی کمتر در مقایسه با مواد رقابتی

مقاله ” نکات کلیدی در خصوص هزینه اجرای الیاف FRP ” اطلاعات مفیدی را در رابطه به قیمت فروش یا خرید و همچنین نصب انواع الیاف FRP را ارائه می‌دهد.

• خاصیت ضدآب
• نفوذناپذیری در برابر رطوبت، موریانه‌ها، قارچ‌ها و رشد باکتری‌ها
• قابلیت بازیافت به صورت بسیار ساده و راحت
• دارای عمر طولانی

تشریح مزایا و برتری‌های مشخصات الیاف frp

• • سبک وزن بودن در مقایسه با اکثر فلزات : همان طور که اشاره کردیم ازجمله ویژگی‌های الیاف frp که آن را به یکی از قوی‌ترین مواد تجاری موجود تبدیل کرده است، وزن پایین آن می‌باشد. همچنین سختی این ماده به استفاده کنندگان از آن این امکان را می‌دهد تا از قطعات و ورقه‌های نازکی از این محصول استفاده شود در عین حالی که مزایای آن ثابت و پابرجا می‌ماند. سختی این ماده را می‌توان با استفاده از مواد هسته‌ی ساختاری و بدون افزایش قابل ملاحظه‌ای در وزن آن به دست آورد.
  • مقاومت در برابر خوردگی : از دیگر مشخصات الیاف frp این است که بر خلاف فلزات از معایب خوردگی یا زنگ زدگی رنج نمی‌برند. مواد ساخته شده از FRP عمر طولانی‌تری در محیط‌های خورنده دارند. همچنین در محیط‌های مرطوب یا حتی غوطه‌ور در آب شیرین یا آب شور نیز بسیار خوب عمل می‌کنند. در نتیجه، قطعات ویژه‌ی معماری FRP، اغلب می‌توانند هزینه‌های نگهداری طولانی ‌مدت را در مقایسه با بسیاری از مصالح سنتی کاهش دهند.

• خاصیت عایق الکتریکی : یکی دیگر از مشخصات الیاف frp این است که دارای خواص عایق الکتریکی بسیار عالی نیز می‌باشد. این مواد به طور معمول از لایه‌های متعدد فایبرگلاس، بافته شده و با رزین‌های مختلف اشباع می‌شوند. سپس تحت فشار و گرما فشرده می‌شوند تا یک کامپوزیت ترموست تولید کنند.
• دوام فوق‌العاده استثنایی : این ویژگی از میان مشخصات الیاف frp آن را به یکی از قوی‌ترین و بادوام‌ترین مواد در کل جهان تبدیل کرده است. برخلاف چوب که در اثر قرار گرفتن در معرض رطوبت پوسیده می‌شود، حشرات می‌توانند آن را بجوند و از بین ببرند و یا کپک می‌زند، این ماده هیچ کدام از این معایب را ندارد.
• نیاز کم به تعمیر و نگهداری : اگر شرایط و محدودیت‌های استفاده از FRP در حین اجرا و نصب آن رعیت شوند، عمر مفید محصولات FRP تقریبا 100 سال است و عموما در طول این بازه‌ی زمانی نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند. از سوی دیگر سطوح بتن تقویت شده‌ای که با این ماده قابل مقایسه هستند، معمولا پس از 15 تا 20 سال و یا حتی زودتر از این مدت، در اثر قرار گرفتن در معرض شرایط آب و هوایی سخت یا مواد شیمیایی خورنده، شروع به تخریب می‌کنند و خواص خود را از دست می‌دهند.
• قابلیت بازیافت به صورت بسیار ساده و راحت : یکی از برترین و طبیعت دوستانه‌ترین مشخصات الیاف frp این است که ترموپلاستیک‌های FRP را می‌توان به راحتی ذوب و در نتیجه بازیافت کرد. این در حالی است که بازیابی الیاف در پروسه‌ی بازیافت محصولات FRP ترموست، بسیار دشوارتر است. این دشواری به دلیل ماهیت پیوند متقابل ماتریس رزین می‌باشد.
• خاصیت ضدآب : FRP کاملا ضد آب است. این ماده نیز درست مانند سایر مصالح ساختمانی نرخ کمی از آب را جذب می‌کند. اما در مقایسه با چوب یا هر چیز مشابه دیگری، مقدار جذب در این ماده کم‌تر است.

برخی از کاربردهای رایج مواد FRP عبارتند از:

مشخصات الیاف frp به گونه‌ای است که در طیف بسیار وسیعی از صنایع و امور شهری و بین شهری می‌توان آن‌ را به کار برد و از مزایای متنوع آن بهره‌مند شد. الیاف FRP و ویژگی‌های منحصر به فردش سبب شده تا سیستم FRP جایگزینی برای راهکارهای مقاوم سازی سنتی باشد. جایگزین به عنوان مثال استفاده در حمل و نقل، در برخی کاربردها جایگزین چوب، ساخت نیمکت، ساخت پیاده‌روها، ساخت عرشه، ساخت انواع نرده‌ها، راهروها، رمپ‌ها، تجهیزات نظامی، تجهیزات دریایی، شکل‌دهی بتن با قابلیت استفاده مجدد، ساخت و ساز، کفپوش، سقف، سرویس بهداشتی، آلاچیق، کاربردهای مقاوم سازی و … از دسته کاربردهای FRP هستند. همان‌طور که نشان داده شد، پلاستیک تقویت شده با الیاف طیف وسیعی از کاربردها در صنعت خودرو و هوانوردی را پوشش می‌دهد. از آن‌ها همچنین می‌توان در صنعت ساخت و ساز برای تقویت تیرها، ستون‌ها و دال‌های مورد استفاده در ساختمان‌ها و پل‌ها استفاده کرد. مقاله “ اثرات FRP در تقویت ستون‌های بتن‌آرمه ” مکانیزم ستون مسلح به FRP را در شرایط مختلف بررسی و مورد بحث قرار داده است.

انواع رایج FRP

الیاف شیشه : هنگامی که شیشه با ماتریس که به عنوان یک عایق خوب عمل می‌کند ترکیب می‌شود پشم شیشه یا پلاستیک‌های تقویت شده‌ی شیشه محور را تشکیل می‌دهد. پلاستیک‌های تقویت شده با شیشه، برای صنعت برق ایده‌ آل هستند. زیرا میدان مغناطیسی ندارند و در برابر جرقه‌های الکتریکی مقاومت بالایی دارند. این مواد در منیفولدهای ورودی موتور گنجانده شده‌اند. از این رو در آن‌ها 60 درصد کاهش وزن را نسبت به منیفولدهای آلومینیومی ریخته‌گری شاهد هستیم. الیاف‌های شیشه‌ای همچنین کیفیت سطح و آیرودینامیک بهبود یافته‌ای را ارائه می‌دهند.

از دیگر مشخصات الیاف frp شیشه‌ای این است که می‌توان در پدال‌های گاز و کلاچ اتومبیل‌ها مورد استفاده قرار بگیرند. زیرا می‌توان آن‌ها را به صورت واحد قالب‌گیری کرد. جهت گیری الیاف به گونه‌ای است که در برابر تنش‌های احتمالی خاص، دوام و ایمنی را افزایش می‌دهد. با این حال پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه‌ای به اندازه‌ی مواد تقویت شده با فیبر کربن، قوی یا سفت و شکننده نیستند و همچنین می‌توانند قیمت بالایی نیز داشته باشند.

فیبر کربن : مواد مبتنی بر الیاف کربن دارای ویژگی‌هایی چون استحکام کششی بالا، مقاومت شیمیایی، سختی زیاد و قابلیت تحمل دما هستند. اتم‌های کربن کریستال‌هایی را تشکیل می‌دهند که در امتداد محور فیبر قرار دارند. این خاصیت با افزایش نسبت استحکام به حجم، به تقویت مواد کمک می‌کند. از پلاستیک‌های تقویت شده با فیبر کربن به عنوان نمونه در کالاهای ورزشی، گلایدرها و میله‌های ماهیگیری استفاده می‌شود. پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربنی (CFRP) در سکان‌های ایرباس A310 قرار داده شده‌اند و تعداد قطعات مورد نیاز برای ساخت آن را تا 95 درصد کاهش داده‌اند. در واقع قطعات قالب‌گیری شده‌ی ساده، هزینه‌های تولید و هزینه‌های عملیاتی را کاهش داده و 25 درصد سبک‌تر از ورق‌های آلومینیومی هستند که به طور سنتی از آن‌ها استفاده می‌شد و مصرف سوخت بیشتری داشتند.

بررسی ویژگی‌های الیاف FRP در سایر اشکال آن

فیبر آرامید : آرامیدها دسته‌ای از پلی آمیدهای مصنوعی هستند که از مونومرهای معطر (مولکول‌های حلقه‌ای شکل) تشکیل شده‌اند. این مولکول‌ها مقاومت گرمایی بالایی از خود نشان می‌دهند. به همین دلیل از آن‌ها در لباس‌های ضد گلوله و ضد آتش استفاده می‌شود.

فیبر بازالت : الیاف بازالت (BF) دارای خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری نسبت به فایبرگلاس است. علاوه بر این فیبر بازالت به طور قابل توجهی ارزان‌تر از الیاف کربن است. در آزمایشی اثر دما بر کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف بازالت (BFRP) مورد بررسی قرار گرفته و نتیجه از این قرار است: در آن افزایش استحکام ساکن و افزایش عمر فرسودگی در حداکثر تنش مشخص، همراه با کاهش دما مشاهده شده است.

فیبر کولار : خواص حرارتی کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف کولار (KFRCs) توسط هیبریداسیون آن با الیاف شیشه یا کربن افزایش می‌یابد. اگرچه تحقیقات کمتری در مورد هیبریداسیون الیاف کولار (KFs) با الیاف طبیعی صورت گرفته است.. KFRCها استحکام ضربه‌ای بالا و درجه‌ی بالایی از خواص کششی را از خود نشان می‌دهند. اما به دلیل ماهیت ناهمسانگردی که دارند، در مقایسه با همتایان شیشه‌ای و فیبر کربنی خود، دارای استحکام فشاری پایینی هستند.

سخن پایانی در رابطه با مشخصات الیاف FRP

در جمع‌بندی مشخصات الیاف frp باید گفت که استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) در مقاوم سازی، به عنوان یک ماده‌ی کامپوزیتی متشکل از الیاف دارای مقاومت کششی بالا که توسط یک رزین اپوکسی به سطح چسبانده شده‌اند یا در زمینه‌ای از رزین پلیمری تعبیه شده‌اند، یک روش تقویتی قدرتمند برای سازه‌های بتنی می‌باشد. در دهه‌ی گذشته، استفاده از چنین پلیمرهایی به عنوان تقویت کننده به سرعت در کاربردهای تقویت سازه در مهندسی ساخت و ساز گسترش یافت. از این رو توسعه دادن این مواد کامپوزیتی اهمیت زیادی برای مهندسان دارد.