تقویت کامپوزیت ها با استفاده از الیاف با کارایی بالا

ترجمه: آزاده موحد

به گزارش سرویس اطلاع‌رسانی نساجی امروز، در حالی که اجزای تقویت شده با الیاف کربن در صنعت هوا فضا و مسابقات اتومبیل رانی فرمول یک بسیار مورد توجه هستند، سهم الیاف شیشه در بازار از نظر حجمی 90 درصد و از نظر ارزشی بیشتر از 75 درصد می باشد.

سایر الیاف که دارای کاربردهای خاص و ویژه ای هستند عبارتند از پارا آرامیدها، UHMWPE(پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار زیاد) و بازالت. علاقه به کتان و سایر الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده کامپوزیت ها نیز در حال بیشتر شدن است.

الیاف شیشه

الیاف فیلامنتی شیشه می توانند حاوی ترکیبی از شن سیلیس، کربنات سدیم، سنگ آهک، کائولینیت و دولومیت باشند. این ترکیب پس از ذوب شدن در کوره در دمای تقریبی c°1500 به شیشه مذاب با ویسکوزیته یکنواخت تبدیل می شود. شیشه مذاب سپس از درون یک بوشینگ چند حفره ای مقاوم در برابر حرارت کشیده می شود و شیشه از درون حفره های آن بیرون می آید و فیلامنت های نازک شکل می گیرد.

قطر فیلامنت ها بین 5 تا mµ 30 متغیر است. فرایندهای آهارزنی مختلفی روی این فیلامنت ها انجام می شود تا در حین بافندگی آسیبی به آن ها وارد نشود. آهارزنی همچنین بر میزان چسبندگی الیاف شیشه به رزین های مختلف تاثیرگذار است و در نتیجه خصوصیات و کیفیت الیاف مورد استفاده در موارد مختلف به انجام فرایندهای بیشتر بر روی آن ها بستگی دارد.

تولید کنندگان مطرح الیاف فیلامنتی شیشه در جهان عبارتند از کمپانی های Owens Corning، China Jushi Group، Chongqing Polycom International Corporation، Johns Manville، Nippon Electric Glass، Şişecam Group و Taishan Glass Fiber.

در طول دو سال گذشته ظرفیت تولید الیاف شیشه افزایش چشمگیری داشته است برای مثال کمپانی Owens Corning در فرانسه و هند گسترش پیدا کرده است و کمپانی های Jushi و Johns Manville کارخانجات جدیدی را در آمریکا احداث کرده اند. کمپانی Şişecam Group نیز کارخانه جدیدی را در ترکیه تاسیس کرده  و کمپانی Taishan نیز در هند سرمایه گذاری هایی انجام داده است.

بزرگ ترین بازارهای مقصد برای الیاف شیشه بازارهای حمل و نقل، ساخت و ساز، لوله و مخزن است. علاوه بر آن الیاف شیشه مهم ترین و رایج ترین تقویت کننده در عرصه انرژی های بادی به شمار می رود.

توربین های بادی

الیاف شیشه به صورت های مختلفی از منسوجات در بخش های گوناگون توربین بادی نظیر پره ها، دکل و غیره و همچنین ناسل(پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج) به کار می روند. 

پیتر گئورگ، مشاور ارشد در کمپانی انگلیسی اف ام جی می گوید: "الیاف شیشه از الیاف کربن سنگین تر است و سختی الیاف کربن را نیز ندارد ولی در عوض مقاومت آن در برابر ضربه بیشتر بوده و ازدیاد طول تا حد پارگی آن هم بزرگ تر است. این الیاف بسته به نوع شیشه، قطر فیلامنت، ساختار شیمایی روکش و شکل الیاف دارای خواص و کارکردهای مختلفی می باشند."

او اضافه کرد: "اندازه و کارایی یک توربین بادی با افزایش طول پره ها بیشتر می شود. سختی پره ها باید همواره به اندازه ای باشد که به برج ضربه وارد نکند. این امر از طریق طراحی توربین با پره های ضخیم تر و استفاده از مواد اولیه ای نظیر کربن به جای شیشه و مورفولوژی مواد اولیه برای مثال استفاده از پارچه های چندمحوری به جای تاری پودی ممکن می شود. هر اقدامی به ویژه استفاده از کربن گران قیمت باید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد چون هدف نهایی تامین کارایی با هزینه کمتر است. 

کاربرد در صنعت هوافضا

در مواردی نظیر بال یا بدنه ایرباس های جدید یا هواپیماهای بوئینگ تنها می توان از ساختارهای بر پایه کربن گران قیمت و با کارایی بالا و دارای مهندسی پیشرفته استفاده کرد. 

الیاف کربن ماده اولیه ای است که از الیاف بسیار ظریف با قطر حدود mm010/0-005/0 تشکیل می شود و بیشتر آن را اتم های کربن تشکیل می دهد. این اتم ها درون بلورهای میکروسکوپی به یکدیگر متصل هستند و کم و بیش در راستای محور الیاف قرار می گیرند.به گزارش سرویس اطلاع‌رسانی نساجی امروز، این هم ترازی بلورها باعث می شود الیاف به نسبت سایز خود بسیار مستحکم باشند.

حداقل 90 درصد الیاف کربن را کربن تشکیل می دهد که از پیرولیز کنترل شده-فرایند ترموشیمیایی ترکیبات آلی در دماهای بالا و بدون حضور اکسیژن-به دست می آید.

واژه الیاف گرافیت در مورد الیافی به کار می رود که محتوای کربن آن بیش از 99 درصد باشد.

الیاف کربن یک ماده اولیه غیرایزوتوپ است که یعنی تمامی الیاف در هنگام اعمال نیرو باید در یک جهت قرار بگیرند در غیر این صورت بر کارایی آن ها تاثیر منفی گذاشته می شود. چوب نیز یک ماده غیرایزوتوپ است در حالی که آلومینیوم و مس نیستند.

استحکام مخصوص الیاف کربن بسیار بالاتر از سیلیکون کربید، آرامیدها، آلیاژهای آلومینیوم و فولاد است و دانسیته آن نیز بسیار کمتر از فولاد می باشد و در نتیجه برای مواردی که نیاز است وزن ماده اولیه کم باشد، ایده آل است. به همین خاطر است که استفاده از کربن در بخش هوا فضا بسیار موفقیت آمیز بوده است.

گئورگ می گوید: "در صنعت هوا و فضا بالا بودن نسبت استحکام به وزن تمامی مواد اولیه الزامی است. برای حداکثر شدن اثربخشی الیاف گران قیمت مورد استفاده در این بخش نظیر کربن و آرامیدها از پارچه های چندمحوری و تک جهته که الیاف به کار رفته در آن مستقیم و غیرمجعد است، استفاده می شود. مهندسی پارچه ها به گونه ای است که فاکتورهای اصلی و مهم مورد نیاز در این بخش را از نظر استحکام، دوام، مقاومت در برابر آتش و خستگی تامین کند.

یکی از مزایای مهم استفاده از کامپوزیت های در صنعت هوا فضا در مقایسه با مواد اولیه متداول به جز نسبت استحکام به وزن بالا، کاهش هزینه های مربوط به تعمیر و نگهداری است چون در مجموع پایداری و دوام این مواد بیشتر از مواد اولیه رایج است."

ظرفیت تولید کربن

بر اساس گزارش اخیر انجمن صنایع آلمان، ظرفیت جهانی تولید الیاف کربن در سال 2019 از نظر تئوری، 159000 تن بوده است که حدود 90 درصد آن به ده تولیدکننده برتر این الیاف اختصاص داشته است. 

کمپانی ژاپنی Toray با ظرفیت تقریبی 50000 تن در صدر تولیدکنندگان الیاف کربن قرار دارد و ظرفیت آن نیز پس از مالکیت کمپانی Zoltek در سال 2014 روز به روز بیشتر شده است.

دومین تولیدکننده بزرگ الیاف کربن در سال 2019 کمپانی SGL Carbon با ظرفیت 15000 تن می باشد و پس از آن نیز کمپانی های Mitsubishi Chemical، Teijin (Toho Tenax)، Hexcel، Formosa Plastics، Solvay (Cytec)، Zhongfu-Shenying، Jiangsu Hengshen و DowAska قرار می گیرند. 

افزایش ظرفیت

در حال حاضر با وجود نیاز به سرمایه گذاری های عظیمی که برای گسترش ظرفیت تولید الیاف کربن نیاز است، تولید 44100 تن دیگر از این الیاف توسط چند کمپانی مهم برنامه ریزی شده است.

کمپانی Toray همچنان به گسترش کارخانجات تولیدی خود مشغول است و از طریق کسب مالکیت واحدهای تولید کامپوزیت کربن به دنبال ادغام و یکی شدن می باشد. کمپانی های دیگری نظیر Teijin، Hexcel و Zhongfu-Shenying نیز اعلام کردند که ظرفیت تولید خود را گسترش داده اند.

کمپانی DowAksa نیز با سرمایه 545 میلیون دلاری در حال احداث کارخانه ای با ظرفیت 13400 تن در ترکیه است که در سال 2023 فعالیت خود را آغاز خواهد کرد.

کمپانی Hyosung در کره جنوبی اعلام کرده که در حال انجام یک سرمایه گذاری بلند مدت به مبلغ 828 میلیون دلار است که ظرفیت تولید الیاف کربن آن تا سال 2028، 24000 تن خواهد بود. محرک کمپانی هیوسانگ برای این اقدام رشد تقاضا برای حمل و نقل هیدروژن و گاز طبیعی است چون مخازن ذخیره کردن این گازها از کامپوزیت های الیاف کربن ساخته می شود. نخستین خط تولید هیوسانگ به زودی شروع به کار خواهد کرد. 

تاکنون بلندپروازانه ترین طرح مربوط به کمپانی چینی Kangde Group بوده که اعلام کرده برای احداث یک کارخانه تولید الیاف کربن با ظرفیت تولید سالانه 66000 تن مبلغ 3/7 میلیارد دلار سرمایه گذاری کرده است.

این ظرفیت تولید معادل تقریبا 44 درصد بازار جهانی فعلی می باشد و کارخانه فوق را با فاصله زیادی از کارخانه Toray که در حال حاضر تولید کننده برتر الیاف کربن در جهان است، پیش خواهد انداخت.

در فاز اول دو خط تولید الیاف کربن و چندین ساختمان زیربنایی  به صورت هم زمان ساخته می شوند که طبق جدول زمانی ساخت آن ها باید تا سال 2023 تکمیل شود.

وجود بی نظمی در امور مالی در کمپانی مادر  و همچنین اختلافات حقوقی، سرعت اولیه این ساخت و سازها را تحت الشعاع خود قرار داده که احتمالا باعث می شود اعداد و ارقام ارایه شده در این پروژه غیرواقعی به نظر برسد.

الیاف طبیعی

در نهایت کنفدراسیون کتان و کنف در اروپا(CELC) که یک سازمان کشاورزی-صنعتی می باشد که حدود 10000 کمپانی مختلف فعال در عرصه های مختلف تولید و حمل و نقل الیاف طبیعی را گرد هم آورده است، گزارش می کند که الیاف طبیعی با موفقیت وارد بازار کامپوزیت ها شده اند و این روند همچنان نیز ادامه دارد.

استفاده از کتان و کنف به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت ها باعث بهره برداری از ویژگی های مفید آن ها می شود از جمله رفتار ماده در برابر خستگی و زیست تجزیه پذیری. 

علاوه بر خصوصیات فوق باید به وضعیت کشت الیاف طبیعی هم اشاره کرد. تولید کتان در اروپا باعث جذب حدود 250000 تن دی اکسید کربن در سال می شود که معادل دی اکسید کربنی است که یک ماشین سدان با اندازه معمولی پس از 62000 بار رانندگی دور دنیا تولید می کند.

الیاف کربن همچنین در مقایسه با الیاف شیشه دارای سختی مخصوص بالاتری است و از نظر میرایی لرزش و عایق بودن نیز از شیشه بهتر است.