ف مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری
در برخی کاربردها، الیاف معدنی به عنوان تقویت کننده پلیمرها استفاده می‌شوند. این الیاف به شرط برخورداری از نسبت طول به قطر۵۵ مناسب و چسبندگی کافی با زمینه پلیمری، خواص خوبی به پلیمر می‌دهند. الیاف معدنی به راحتی فرآورش می‌شوند، کمتر می‌شکنند و فرسایش کمی در تجهیزات تولید ایجاد می‌کنند. گاهی اوقات طبیعت شیمیایی این مواد می‌تواند ویژگی‌هایی چون مقاومت در برابر شعله را در کامپوزیت‌های پلیمری ایجاد کند.
علاوه بر محصولات طبیعی مانند ولاستونیت۵۶ و آزبست، الیاف معدنی محصولات مصنوعی مانند کربنات کلسیم ته نشین شده و سولفات کلسیم را نیز شامل می‌شوند. همچنین گاهی الیاف بر پایه اکسید آلومینیم (آلومینا) و بور به منظور ایجاد خواص ویژه در کامپوزیت بکار برده می‌شوند. این مواد نه تنها استحکام خوبی دارند، بلکه دارای خواص هدایت حرارتی و الکتریکی و مقاومت فرسایش نیز هستند[۶، ۲۷و۲۸].
در گذشته تنها دو محصول طبیعی معدنی آزبست و ولاستونیت از صرفه اقتصادی برخوردار بوده و به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرند که با مشخص شدن نتایج زیان‌بار استفاده از آزبست، همانگونه که قبلا اشاره شد، دیگر از این ماده در ساخت مواد کامپوزیتی استفاده نمی‌شود. اما ولاستونیت که نسبت به آزبست از خطر کمتری برخوردار است، در طبیعت بصورت سوزنی شکل یافت می‌شود. این ماده پس از استخراج، بصورت پودری سفید رنگ با نسبت‌های مختلف طول به قطر بدست می‌آید. بالاترین نسبت طول به قطر قابل دستیابی در الیاف ولاستونیت ۲۰ به ۱ است که باعث افت قابلیت استفاده از این ماده به عنوان تقویت کننده می‌گردد. با این وجود، با انجام برخی اصلاحات سطحی می‌توان چسبندگی این ماده را افزایش داد و با وجود پایین بودن نسبت طول به قطر و بویژه وقتی به همراه الیاف شیشه استفاده شود، ولاستونیت می‌تواند تلفیق خوبی از خواص با یک قیمت معقول را ارائه کند[۲۰و۲۱].
تعدادی از مواد معدنی می‌توانند به روش ته نشینی از محلول به صورت ذرات سوزنی شکل در آمده و به عنوان تقویت کننده‌های تجاری استفاده شوند. از جمله این مواد می‌توان به کربنات کلسیم تهیه شده به روش ته نشینی، سولفات کلسیم، اکسی سولفات و فسفات منیزیم اشاره نمود. نسبت طول به قطر این الیاف از ۱ به ۲۰ تا ۱ به ۱۰۰ متغیر است.
۲-۲-۵-۱- الیاف آلومینا
آلومینا با فرمول شیمیایی Al2O3 از دیدگاه نظری به عنوان یک ماده با استحکام بالا مطرح است. پیوندهای چند ظرفیتی اشتراکی قوی این ماده، موجب ایجاد بلور‌های محکم با مدول GPa 60 و مقاومت حرارتی بالا می‌شود. در عمل چندبلوری‌های۵۷ آلومینا به عنوان نوعی سرامیک مهندسی مرغوب شناخته می‌شوند. افزودن سایر اکسیدها می‌تواند به فرآورش، تراکم و کنترل اندازه ذرات کمک کند. بسط الیاف پیوسته آلومینا به دو دلیل کند است، اول آن‌که چگالی آن نسبتا بالا است و برای کاربردهایی که ویژه به سبکی نیاز است، جذاب نیست و دوم آن‌که آلومینا مانند شیشه دارای خواص ذوب و ریسندگی مذاب نیست و اصولا تهیه الیاف عاری از حباب از جنس آلومینا بسیار مشکل است[۲۹و۳۰].
۲-۲-۵-۲- الیاف بور
بور یک ماده مناسب برای ساخت الیاف با کارایی بالاست. اتم‌های سبک بور لایه‌های ظرفیتی متعددی داشته و به همین علت پیوندهایی با ظرفیت بالا ایجاد می‌نمایند. تولید تجاری الیاف بور، انحصارا به روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) 58 انجام می‌شود که کنترل فرایند در این روش بسیار مشکل است. در این روش فاز بخار بور روی رشته نازکی از یک فلز نسوز (معمولا تنگستن) به قطر ۱۲ میلی‌متر رسوب داده می‌شود. از هالید‌های بور و همچنین هیدرید‌های بور برای انتقال بور به بستر رشته‌ای استفاده می‌شود. در یک سیتم‌هالیدی، هیدروژن برای احیاء‌ هالید به بور استفاده می‌شود و در سیستم هیدریدی، از تخریب حرارتی در فشار پایین استفاده می‌شود[۳۰و۳۱].
قطر رشته‌های بر تولید شده به این روش در محدوده ۱۰۰ میکرون است و استحکام کششی آنها از ۲ تا ۴ گیگاپاسکال و مدول الاستیک آن‌ها در محدوده ۳۸۰ گیگاپاسکال قرار دارد. در مجموع این الیاف خواص بسیار جالبی ارائه می‌دهند اما به دلیل پیچیدگی‌های فرایند تولید، بسیار گران‌قیمت هستند.

۲-۳- انواع رزین‌های مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری
۲-۳-۱- رزین‌پلی‌استر
رزینهای پلیاستر غیر اشباع بهطور گستردهای در سراسر دنیا استفاده میشوند. زنجیر اصلی پلیمری این رزین دارای اتصالات استری است که از واکنش تراکمی یک ترکیب الکلی چند عاملی و یک اسید چند عاملی مانند گلیکول تهیه میشود. در مثال اخیر بهدلیل استفاده از یک اسید غیر اشباع، پیوندهای دوگانه در فواصل منظمی در زنجیر بوجود می‌آیند (شکل(۲-۸)). این پیوندهای دوگانه، سایتهای دارای امکان شبکهای شدن توسط استایرن هستند و میتوانند موجب سخت شدن رزین و پخت آن شوند. بنابراین با طراحی فرمول و کنترل اسیدهای اشباع و غیر اشباع، کاتالیستها، دما و زمان واکنش، مجموعه کاملی از رزینها را میتوان تولید نمود که برای کاربردهای مختلف مناسب باشند [۳۱و۳۲].

شکل (۲-۸) واکنش تشکیل رزین پلی استر غیر اشباع [۲۳]
پلی استر غیر اشباع با استایرن مخلوط می‌شود و میتواند از طریق پیوندهای دوگانه موجود در هر دو جزء، شبکه‌ای شود. معمولا به هنگام مصرف، رزین با استایرن مخلوط است و برای ساخت محصولات با کیفیت از این جنس، به سامانهای شامل اجزای زیر نیاز است:
– سیس
تم پخت به منظور شروع و تسریع واکنش شبکهای شدن، در دمای محیط یا دمای بالا
– عوامل کنترل جریان پذیری به منظور کنترل جریان رزین و جلوگیری از تراوش کردن رزین در لایه گذاری سطوح عمودی و ریخته گری رزین
– جاذب اشعه فرابنفش به منظور افزایش مقاومت در برابر نور خورشید
– پر کننده۵۹ (فیلر) به منظور کاهش جمع شدگی و قیمت و ایجاد خواصی چون مقاومت در برابر آتش
– رنگدانه (پیگمنت۶۰) به منظور رنگ دادن به قطعه و زیبایی آن
– تغلیظ کننده‌ها؛ به منظور تغلیظ عوامل شیمیایی و واکنشدهندهها
– عوامل آغشته سازی؛ به منظور بهبود آغشته سازی فیلرها و الیاف با رزین به منظور حصول چسبندگی مناسب
– رها ساز حباب؛ به منظور سهولت در خروج حباب از رزین و کاهش حفره در محصول نهایی
– رها ساز قالب؛ به منظور تسهیل جدا شدن قطعه از قالب و جلوگیری از تابیدگی و صدمه به سطح قطعه
رزینهای پلی استر در فرایندهای مختلفی از قبیل لایه گذاری دستی، پاشش رزین، RTM، ریختهگری، پالتروژن، SMC و BMC قابل استفاده‌اند[۳۲].
در میان کامپوزیتهای زمینه پلی استر، کامپوزیتهای پلی استر-شیشه به لحاظ حجم مصرف، بیشترین اهمیت را دارا هستند و نمونههای زیادی از آنها در زندگی روزمره وجود داشته و مورد استفاده قرار میگیرد. کامپوزیتهای پلی استری تا دمای حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد مقاومت خوبی دارند ولی با قرارگیری طولانی مدت در این دما به مرور دچار افت خواص میشوند. همچنین بعد از پخت، دچار انقباض (جمعشدگی۶۱) حدود ۵ تا ۸ درصد حجمی میشوند.
در بهکارگیری الیاف شیشه به همراه رزین پلی استر، باید از پوشانهای مناسب استفاده کرد تا از نفوذ رطوبت به فصل مشترک الیاف و رزین جلوگیری شود. به دلیل طبیعت قطبی ساختار پلیمری، کاربرد آنها در نزدیکی وسایل الکتریکی با فرکانس بالا محدودیت دارد [۳۲].
۲-۳-۲- رزینهای اپوکسی
رزینهای اپوکسی به عنوان رزینهای اپوکسید نیز شناخته میشوند. مهمترین ویژگی این رزینها برخورداری از بیش از یک گروه epoxy-2و۱ در ساختار مولکولی است. گاه ممکن است این گروه در بدنه زنجیره قرار بگیرد اما معمولا در انتها قرار دارد [۳۳].
در شرایط مناسب واکنش، گروه اپوکسی میتواند با اسیدها، انیدرید اسیدها، آمینها و الکل واکنش تراکمی به همراه جابجایی هیدروژن به گروه اتیلن اکسید، بدهد (شکل (۲-۹)). این واکنشها امکان افزایش طول زنجیر یا شبکهای شدن را بدون آزاد کردن مولکولهای کوچک مانند آب فراهم می‌کند. بنابراین محصولات اپوکسی در مقایسه با اکثر رزینهای گرما سخت، جمع شدگی کمتری در اثر پخت نشان میدهند[۳۳].
لازم به تذکر است که انواع مختلف و متعددی از رزینهای اپوکسی و محصولات شبکهای شده متنوعی وجود دارد. ساختار شیمیایی رزینهای اپوکسی شامل دو بخش اپوکسی و غیر اپوکسی است. بخش غیر اپوکسی ممکن است آلیفاتیک، سیلکوآلیفاتیک و یا هیدروکربن شدیدا حلقوی باشد. در عمل محصول واکنش بیس-فنل A و اپیکلروهیدرین اغلب رزینهای اپوکسی متداول را تشکیل میدهند که ۸۰ تا ۹۰ درصد سهم بازار را به خود اختصاص دادهاند [۳۳].

شکل (۲-۹) واکنش تشکیل رزین اپوکسی [۲۲]
قبلا رزین اپوکسی تقریبا تنها به عنوان پوشش سطح استفاده میشد. قبل از جنگ جهانی دوم، بالا بودن هزینههای تولید بیس فنل A و اپی کلروهیدرین مانع از تجاری شدن کاربرد رزین اپوکسی شده بود. تلاشهای بعدی و ابداع روشهای تولید جدید، موجب مقبولیت اقتصادی این رزینها شد. در حال حاضر نیمی از رزینهای تولید شده در کاربردهای روکش سطح استفاده میشوند. باقیمانده در صنایع الکتریکی و الکترونیک، هوا فضا و ساختمان و سایر کاربردها، استفاده میشوند. بر حسب میزان تولید، مصرف اپوکسی حدود یک دهم پلی استر است [۳۴و۳۵].
اپوکسی گروههای عاملی فعال زیادی دارد و میتواند در حضور عوامل پخت و سختکنندهها۶۲ (هاردنرها)، یک ساختار شبکهای را تشکیل دهد. خواص محصولات پخت شده اپوکسی به عوامل زیر بستگی دارد:
– نوع اپوکسی
– نوع و مقدارهاردنر
– میزان شبکهای شدن
– طبیعت و حجم مواد افزودنی
در بازار عوامل پخت متنوعی با ویژگیهای طول عمر، انعطاف، پخت سریع و سمیت کم وجود دارند. ساختار مولکولی و خواص رزین پخت شده، بستگی به طبیعت سیستم پخت دارد. اگر چه سیستمهای پخت مختلفی وجود دارد، ولی در کل میتوان آنها را به دو گروه آمینها و انیدریدها تقسیم کرد.
رزینهای اپوکسی و عوامل پخت تنها اجزاء یک فرمولاسیون نیستند. برای برخی کاربردها، ممکن است اپوکسی اصلاح نشده دارای خواص نامطلوبی از قبیل ویسکوزیته بالا، قیمت زیاد و مقاومت به ضربه پایین باشد. بنابراین باید در اغلب موارد توسط موادی چون رقیق کننده، چقرمه کننده، فیلر و تقویت کننده همراه شود. انتخاب صحیح رزین، هاردنر و سایر افزودنیها اجازه میدهد که خواص مورد نظر تامین شود. این تنوع عامل عمده رشد پایه اپوکسیها در مدتهای طولانی است.
علاوه بر این ساختار متنوع، اپوکسیها دارای ویژگیهای ذیل نیز هستند:
– مقاومت شیمیایی عالی (بویژه در محیطهای قلیایی)
– چسبندگی خوب به مجموعه ای از بسترهای مختلف
– استحکام کششی، فشاری و خمشی بسیار بالا
– پایین بودن جمع شدگی پخت
– پایداری ابعادی
– عایق عالی الکتریسیته
– دوام بالا در پیری و شرایط سخت محیطی
– قابلیت پخت در دماهای مختلف
– مقاومت خستگی ممتاز
– بی بو و بی مزه
چند لایههای رزین اپوکسی از اهمیت فوق العادهای در صنایع هواپیماسازی برخوردارند. بسیاری از قطعات ساختاری از جنس الیاف کربن و رزین اپوکس
ی جایگزین آلیاژهای فلزی مرسوم شده و نتایج مطلوبی نیز در پی داشتهاند. همچنین از این رزین به همراه الیاف آرامید، در ساخت موتور راکت و کپسولهای تحت فشار به روش رشته پیچی استفاده میشود.
علاوه بر آن رزینهای اپوکسی بطور وسیعی به همراه الیاف و ساختارهای لانه زنبوری برای ساخت ملخ هلی کوپتر استفاده میشود. رزینهای اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن و آرامید در ساخت قایقهایی که در آنها ضمن حفظ وزن، استفاده بیشتر از فضا در استحکام یکسان مورد نظر است، بجای کامپوزیتهای پلی استر-شیشه استفاده می‌شوند. همچنین کامپوزیتهای آرامید-اپوکسی در کلاهخودها و جلیقههای ضد گلوله، جایگزین فولاد شدهاند [۱-۳، ۳۴و۳۵].
۲-۳-۳- رزینهای ‌وینیل‌استر
وینیل استرها محصول واکنش رزینهای اپوکسی با اسیدهای غیر اشباع اتیلنی هستند. بجز برخی حالات خاص، معمولا رزینهای وینیل استر یک انتهای غیر اشباع دارند که میتواند واکنشهای شبکهای شدن و پلیمریزاسیون زنجیرهای وینیل استر را انجام دهد یا به همراه استایرن کوپلیمر شود. همان‌گونه که در شکل (۲-۱۰) مشاهده می‌شود، اکثر وینیل استرهای مرسوم با استریفیکاسیون یک رزین دی اپوکسید با یک اسید مونوکربوکسیلیک غیر اشباع، ساخته میشوند و میتوان آنها را به تنهایی با واکنش رادیکال آزاد پخت نمود و یا در مونومری مانند استایرن حل نمود و رزین مایع بدست آورد [۳۴].

شکل (۲-۱۰) واکنش تشکیل رزین وینیل استر [۲۴]
رزینهای وینیل استر خواص چقرمگی و مقاومت شیمیایی بسیار بهتری نسبت به رزینهای پلی استر دارند. زنجیر اصلی اپوکسی سازنده وینیل استر، موجب پیدایش چقرمگی و ازدیاد طول کششی بالاتر میشود. جرم مولکولی رزینهای وینیل استر به انتخاب نوع اپوکسی بکار رفته بستگی دارد. به این دلیل، استحکام کششی، ازدیاد طول، نقطه نرمی و واکنش پذیری رزین نهایی توسط جرم مولکولی و ساختار اولیه تعیین میشود. این موضوع، باعث میشود که طراحی این رزینها بر اساس کاربردهای مختلف، انجام گیرد.
رزینهای وینیل استر در مقایسه با پلی استرهای غیر اشباع مقاومت شیمیایی خوبی دارند. بخشی از این ویژگی مربوط به عدم حضور پیوندهای استری در زنجیره اپوکسی است. اتصالات اجزاء پلیمر، توسط پیوندهای فنیل استری انجام میگیرد. این اتصالات درمقایسه با اتصالات استری در برابر اکثر محیطهای شیمیایی بویژه در شرایط قلیایی شدید، مقاومت خوبی دارند. اتصال استری تنها در انتهای زنجیر وینیل استر وجود دارد. این امر امکان حملات عوامل شیمیایی را به حداقل می‌رساند [۳۴و۳۵].
۲-۳-۴- رزینهای فنولیک
رزینهای فنولیک از واکنش تراکمی فنولها و فرمآلدهید تهیه میشوند. مکانیزم واکنش بین فنل و فرمآلدهید هنوز بطور کامل شناخته نشده است. با این وجود، این مشخص است که واکنش آغازین از طریق فعال شدن حلقه بنزنی با گروههای هیدروکسیل همچون متیلول صورت میگیرد (شکل ۲-۱۱). در واکنش فنل-فرمآلدهید سه مرحله اصلی وجود دارد که عبارتند از [۳۶]:
مرحله A: اغلب محصولات اولیه تراکم، الکلها هستند. رزین در این مرحله، گرمانرم است و در حلالهای غیر آلی (معدنی) حل میشود.
مرحله B: در این مرحله پیشرفت بیشتر واکنش تراکمی و شبکهای شدن جزئی به همراه افزایش جرم مولکولی و ویسکوزیته و کاهش انحلال اتفاق میافتد. در این حالت رزین پخت کامل نشده و گرمانرم است و ممکن است ذوب شود اما در نهایت و به هنگام سرد شدن، سخت و شکننده خواهد بود.
مرحله C: میزان پلیمریزاسیون و شبکهای شدن بسیار زیاد است. در این مرحله رزین غیر قابل ذوب و انحلال خواهد بود.
این

متن کامل پایان نامه ها در سایت sabzfile.com

Leave a comment

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *