کامپوزیت های پلیمری

کلمات کلیدی:
ماتریس، ترموست، استحکام، چقرمگی


هر ماده‌ای که از بیش از یک جزء تشکیل شده باشد کامپوزیت است. در اطراف شما، کامپوزیت‌های زیادی وجود دارند. بتن یک کامپوزیت است که از سیمان، شن و سنگ تشکیل شده است و اغلب برای تقویتش میل‌گرد‌هایی در آن تعبیه می‌شود. شاید اولین کامپوزیت ساخته‌ی دست بشر کاه‌گل است. این ماده کامپوزیت است، چرا که از بیش از یک جزء تشکیل شده است (کاه و گل)، و نکته‌ی جالب اینجاست که خواص آن هم از کاه و هم از گل خالص بهتر است.

در این صفحه می‌خواهیم بیشتر در مورد کامپوزیت‌های پلیمری صحبت کنیم. منظور از کامپوزیت‌های پلیمری کامپوزیت‌هایی است که از پلیمرها، و یا پلیمر همراه با انواع دیگری از مواد ساخته شده است. اما بطور خاص قصد داریم در مورد کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف بحث کنیم. این دسته موادی هستند که در آن لیفی از جنس یک ماده در ماده‌ای دیگر (پلیمر) جاسازی می‌شود. اما چرا این کار را می‌کنیم؟

خشک

در ایجا بهتر است درباره ی یکی از اولین کامپوزیت های تقویت شده پلیمری ساخته شده به دست بشر صحبت کنیم. مدت ها پیش مردم جنوب و مرکز آمریکا از لاتکس لاستیک طبیعی، پلی‌ایزوپرن، برای ساخت اشیایی مثل دستکش و چکمه استفاده می کردند. آنها همچنین از این ماده برای بازی هایشان، که چیزی شبیه چیزی شبیه به بسکتبال مدرن امروز بود، توپ های لاستیکی درست می کردند. اما عیب دستکش، چکمه و یا بارانی که از لاستیک طبیعی خالص ساخته شود در این است که پوشیدنش بسیار دشوار است. اما در اواسط قرن ۱۹ میلادی فردی به نام چالز مکینتاش ( Charles Macintosh ) به یک ایده ی بسیار جالب رسید…

او دو لایه از پارچه کتان را در لاستیک طبیعی، یاهمان پلی ایزوپرن، جاسازی کرد و ساندویچ سه لایه ای مثل چیزی که در سمت چپ می بینید درست کرد (کتان از یک پلیمر طبیعی به نام سلولز ساخته شده است). این ایده برای پوشاک ضد آب بسیار خوب است چون در حالی که لاستیک، آنها را ضد آب می کند، لایه کتانی پوشیدنشان را راحت می نماید. امروزه در انگلستان به بارانی، “مکینتاش” ( Mackintosh ) یا به اختصار “مک” ( Mack ) هم گفته می شود.

پس در اینجا یکی از دلایل ساخت کامپوزیت‌ها را فهمیدید: برای ساخت موادی که خواص هردو ماده تشکیل دهنده‌اش را داشته باشد. در این مورد مقاومت در برابر آب پلی‌ایزوپرن و راحتی کتان را باهم ترکیب کردیم.

کامپوزیت‌های جدید معمولاً از دو ماده تشکیل می‌شوند، لیف و ماتریس. لیف معمولاً از جنس الیاف شیشه است، البته گاهی کولار، الیاف کربن، یا پلی‌اتیلن هم ممکن است به کار رود. ماتریس هم معمولاً یک ترموست مانند رزین اپوکسی، پلی‌دی‌سیکلوپنتادی‌اِن یا پلی‌ایمید است. لیف به منظور محکم کردن ماتریس در آن تعبیه می‌شود. کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف دو مزیت دارند. اولاً استحکام خوبی دارند و ثانیاً بسیار سبک هستند. آنها معمولاً از فولاد محکم‌ترند اما وزن مخصوص بسیار کمتری دارند. یعنی می‌توان با استفاده از کامپوزیت‌ها اتومبیل‌های سبک‌تر، و به تبع آن کم‌مصرف‌تر تولید نمود، که این به معنی آلودگی کمتر محیط‌زیست است.

الیاف چه‌کار می‌کنند

یکی از کامپوزیت‌های رایج تقویت شده با الیاف، فایبرگلاس است. ماتریس آن از واکنش پلی‌استر، که دارای باند دوگانه‌ی کربن-کربن روی زنجیر اصلی‌اش است، و استایرن ساخته می‌شود. مخلوط استایرن و پلی‌استر را روی توده‌ای از الیاف شیشه می‌پاشیم.

استایرن و باند دوگانه پلی‌استر به روش پلیمریزاسیون وینیلی رادیکال آزاد برای تشکیل رزین شبکه‌ای شده واکنش می‌دهند. الیاف شیشه در داخل آن گیر می‌افتند و به عنوان تقویت کننده عمل می‌کنند.

 

در فایبرگلاس الیاف در هیچ جهت مشخصی کشیده نشده‌اند. آنها بصورت توده‌ای در هم پیچیده هستند، مانند شکل سمت چپ که می‌بینید. اما می‌توانیم کامپوزیت‌های محکم‌تری را با منظم کردن الیاف در یک جهت خاص بسازیم، الیاف جهت دار تاثیر خارق العاده‌ای برکامپوزیت می‌گذارند.

وقتی که یک کامپوزیت را در راستای الیاف بکشید، بسیار محکم است. اما با کشیدن آن در جهت عمود بر الیاف، به هیچ وجه محکم نیست.

این پدیده همیشه بد نیست، زیرا گاهی نیاز داریم که کامپوزیت تنها در یک جهت محکم باشد، چرا که در برخی مواقع قطعه‌ای که می‌سازید قرار است تنها در یک جهت تحت کشش قرار می‌گیرد.

اما گاهی به استحکام در بیش از یک جهت نیاز داریم. بنابراین خیلی ساده الیاف را در بیش از یک جهت قرار می‌دهیم. اغلب این کار را با استفاده از یک پارچه‌ی بافته شده از الیاف برای تقویت کامپوزیت انجام می‌دهیم.

ماتریس چه‌کار می‌کند؟

در مورد اینکه الیاف چه کاری را برای ماتریس انجام می‌دهند صحبت کردیم، اما ماتریس برای لیف چه کار می‌کند؟ چرا الیاف را بصورت تنها استفاده نمی‌کنیم؟ اول از همه، ماتریس الیاف را کنار هم نگه می‌دارد. یک دسته الیاف شُل چندان بکار نمی‌آید. همچنین اگر الیاف سخت و محکم باشند، شکننده هم هستند. ماتریس می‌تواند انرژی ایجاد شده در اثر فشار را با تغییر شکل، جذب کند. باید گفت، ماتریس به کامپوزیت چقرمگی می‌دهد. و نکته‌ی آخر این که در حالی که الیاف استحکام کششی خوبی دارند (یعنی وقتی آنها را می‌کشید محکم هستند)، معمولاً استحکام فشاری بدی دارند. چون هنگام کوبیدن، خم می‌شوند. ماتریس به کامپوزیت استحکام فشاری می‌دهد.

اگر دوست دارید بیشتر درباره‌ی مفهوم استحکام و چقرمگی و تفاوت این دو بدانید، صفحه‌ای را که درباره‌ی خواص مکانیکی پلیمرها است، نگاه کنید.

الیاف مناسب

تمام الیاف یکسان نیستند. تمام آنها نکات مثبت و منفی دارند. شیشه معمول‌ترین لیف است. چرا؟ چون ارزان است. اما ممکن است عجیب به نظر بیاید که چگونه شیشه با وجود این که به راحتی می‌شکند، به عنوان تقویت‌کننده به کار برده می‌شود. حقیقت این است که به دلایلی، وقتی شیشه بصورت الیاف ریسیده می‌شود رفتار کاملاً متفاوتی از خود نشان می‌دهد. الیاف شیشه محکم و انعطاف‌پذیرند.

کفش‌های شیشه‌ای سیندرلا را در نظر بگیرید! آنها مسلماً از شیشه‌ی یک تکه ساخته نشده بودند. بلکه از مواد کامپوزیتی مقاوم شده با الیاف درست شده بودند. تصور کنید. کفش‌های شیشه‌ای؟ اولین باری که سیندرلا پایش را بر روی سنگ‌های ورودی کاخ شاهزاده‌ی داستان می‌گذاشت، آن کفش‌ها حتماً می‌شکستند. اما کفش‌هایی که از کامپوزیت مقاوم شده با الیاف ساخته شده باشند، یقیناً باید به اندازه‌ی کافی محکم باشند.

البته الیاف مقاوم‌تری نیز وجود دارند. گاهی اوقات شیشه به اندازه کافی محکم و چقرمه نیست. برای بعضی قطعات، مثل قطعات هواپیما، که تحت فشار زیادی قرار می‌گیرند، نیاز به الیاف بسیار محکم‌تری دارید. زمانی که قیمت مطرح نباشد، می‌توانید از الیاف محکم‌تر ولی گرانقیمت‌تری مانند کولار، الیاف کربن یا اسپکترا استفاده کنید. لیف کربن معمولاً از کولار محکم‌تر است. چرا که می‌تواند بدون شکست نیروی بیشتری را تحمل کند. اما کولار نسبت به الیاف کربن چقرمه‌تر است. به این معنی که می‌تواند بدون شکستن انرژی بیشتری را جذب کند و همچنین می‌تواند برای جلوگیری از شکست، کمی بیشتر از لیف کربن کشیده شود. اسپکترا که نوعی پلی‌اتیلن محسوب می‌شود، چقرمه‌تر و محکم‌تر از الیاف کربن و کولار است.

ماتریس مناسب

برای کاربردهای مختلف، ماتریس‌های متفاوتی مورد نیاز است. زمانی که می‌خواهیم در هزینه صرفه‌جویی کنیم موادی که خواص حداقلی را دارند، به کار می‌بریم. سیستم‌های پلی‌استر/استایرن اشباع نشده که قبلاً در موردشان صحبت کردیم، یکی از این مثال‌ها است. آنها برای کاربردهای عمومی مناسبند. بدنه شورلت کُروِت از کامپوزیت‌هایی با ماتریس پلی‌استر غیر اشباع به همراه الیاف شیشه ساخته شده است. اما این ماتریس چند مشکل دارد. آنها هنگام پخت جمع می‌شوند، به راحتی آب را جذب می‌کنند و مقاومت ضربه‌ای پایینی دارند. به علاوه مقاومت شیمیایی خوبی هم ندارند.

سیستم ارزان دیگر، رزین‌های وینیل استر است. اولین گام برای تهیه رزین‌های وینیل استر واکنش دادن یک دی‌اپوکسید با آکریلیک‌اسید یا متاکریلیک‌اسید است:

سپس گروه‌های وینیل پلیمریزه می‌شوند و یک رزین شبکه‌ای شده به دست می‌آید. گاهی از الیگومر‌های بزرگتری مانند این استفاده می‌شود:

که این‌ها هم به همان روش گفته شده، یعنی با پلیمریزه شدن گروه‌های وینیلی پخت می‌شوند. رزین‌های وینیل‌استر نسبت به پلی‌استر غیراشباع برتری‌هایی دارند. آنها به آن اندازه آب جذب نمی‌کنند، و هنگام پخت خیلی دچار جمع‌شدگی نمی‌شوند. به علاوه مقاومت شیمیایی بالایی دارند. همچنین به علت وجود گروه‌های هیدروکسی، چسبندگی خوبی به شیشه دارند.

اما هیچ کدام از این دو ماده، یعنی پلی‌استر غیراشباع و وینیل استر، برای کار در دماهای بالا مناسب نیستند. برای دماهای بالا نیاز به ماتریسی مانند رزین‌های اپوکسی داریم. برای ساخت آنها مانند ساخت رزین وینیل‌استر از دی اپوکسید شروع می‌کنیم. اما در این جا با آکریلیک‌اسید واکنش نمی‌دهیم. بلکه آن را با دی‌آمین سخت می‌کنیم. گروه‌های اپوکسید با دی آمین واکنش می‌دهند و کل سیستم شبکه‌ای می‌شود.

به علت وجود گروه‌های هیدروکسیل، رزین‌های اپوکسی هم می‌توانند چسبندگی مناسبی به الیاف شیشه داشته باشند، اما خواصی دارند که با ماتریس‌های ارزان‌تر به دست نمی‌آیند. آب را جذب نمی‌کنند، هنگام پخت خیلی دچار جمع‌شدگی نمی‌شوند، و در دماهای بالاتر نیز می‌توانند به کار روند (در برخی موارد بالای ۱۶۰ درجه سانتیگراد).

اما برای کار در دماهای بسیار بالا چه باید کرد؟ گزینه‌های مختلفی وجود دارد. پلی‌ایمیدها مقاومت حرارتی خوبی دارند، ولی آب زیادی جذب می‌کنند که باعث تجزیه شدنشان می‌شود. پلی‌بنزوکسازول‌ها مقاومت دمایی خوبی دارند ولی فرآیند کردن آنها عملاً غیر ممکن است. برخی نیز علاقه‌مند به ماتریس‌های هیدروکربنی هستند. تحقیقات در این زمینه هنوز در حال انجام است.

بیشترین علاقه‌مندی در صنایع هوا فضا وجود دارد. امروزه ساخت هواپیماهایی که بتواند از توکیو تا لس‌آنجلس را در مدت سه ساعت پرواز کند، بسیار مورد توجه است. این هواپیما هنگام حرکت به مدارهای پایینِ خارج از جو زمین وارد می‌شود. در نتیجه مجبور است مجدداً وارد اتمسفر شود که در اثر ورود به آن گرمای زیادی بر روی سطح هواپیما ایجاد خواهد شد. برای ساخت چنین هواپیماهایی نیاز به کامپوزیت‌های پیشرفته‌ای است که بتوانند در برابر این گرمای شدیدی مقاومت کند.

1 دیدگاه