الیاف شیشه و کاربرد های آن در صنعت کامپوزیت

انواع الیاف شیشه و استفاده های آن درصنعت کامپوزیت

معرفی الیاف شیشه:

الیاف‌های شیشه تارهای بسیار باریک از جنس شیشه با قطر ثابت (حدود 5 تا 25 میکرون) و طول نامحدود هستند.

تفاوت الیاف شیشه با پشم شیشه در این است که قطر تارها در پشم شیشه غیر یکنواخت و طول آن محدود است.

همچنین در پروسه تولید پشم شیشه به خاطر تفاوت در نوع سرد شدن، ساختمان شیشه شکننده است. این تفاوت به‌طوری است که از الیاف شیشه در بالا بردن مقاومت کششی و تقویت کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود ولی پشم شیشه را به عنوان عایق حرارتی مورد استفاده قرار می‌دهند.

البته استفاده از الیاف شیشه به عنوان عایق حرارتی نیز رواج دارد.

الیاف شیشه مشهورترین تقویت کننده مورد استفاده در صنعت کامپوزیت میباشد. و انواع مختلفی از آن بصورت تجاری وجود دارند.

ترکیبات شیمیایی این الیاف با هم متفاوت است و هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب است.

تقریباً ۹۰ درصد الیاف مورد استفاده در کامپوزیتهای مهندسی الیاف شیشه می‌باشد.

خصوصیات الیاف شیشه :

الیاف شیشه استحکام و سختی مناسبی دارد، خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند، مقاومت رطوبت و خوردگی مناسبی دارد و نسبتاً ارزان است.

الیاف شیشه بدلیل دارا بودن الاستیسیته عالی، دانسیته پایین، مقاومت در برابر شوکهای حرارتی، قیمت پایین و عایق الکتریکی در موارد ذیل مورد استفاده قرار می­گیرد:

صنایع عایق کاری، الکتریکی و صوتی، صنایع ورزشی، صنایع هوافضا، خودروسازی، ساخت نیروگاههای بادی، کشتی سازی، صنایع نظامی، صنایع ساختمان و شیمیایی و ….

این الیاف معمولا از ترکیب ۵۰ تا ۷۰ درصد سیلیکا و درصد کمتری از چندین نوع اکسید مختلف تشکیل شده اند. این الیاف بی رنگ هستند اما به علت شکست نور، سفید به نظر می رسند.

پرکاربرد ترین نوع این الیاف نوع E است که تقریبا  ۹۹ درصد از الیاف تولیدی از این نوع است.

ساختمان این الیاف یک شبکه سه بعدی از سیلیکون ، اکسیژن و دیگر اتم‌ها است که به صورت غیرمنظم در کنار هم قرار گرفته‌اند ، بنابراین ساختمانی آمورف (غیر کریستالی) و همسان دارند.

الیاف شیشه بر اساس نوع و مواد به کار رفته به انواع گوناگون تقسیم بندی می­شود.

انواع اشکال موجود الیاف شیشه :

1- بصورت نخ (yarn) :

رشته هایی که قطر یکسانی حدودا بین ۴ تا ۱۳ میکرون به هم پیچیده میشوند تا نخ تولید شود. نخها در وزن های متنوع با تکس ۵ الی ۴۰۰ در بازار ارائه میشوند . واحد نام گذاری وزنی آنها تکس (وزن به گرم به ازای ۱۰۰۰ متر طول) و یا معادل کاربردی آن دنیر (وزن به پوند به ازای ۱۰۰۰۰ یارد طول) می باشد.

2- بصورت رشته ای(Roving) :

اگر دسته ای از رشته ها با قطرهای مشابه ( ۱۳-۲۴ میکرون) را بهم نپیچیدند تا به صورت آزاد در کنار هم قرار بگیرند به آنها نیم تاب میگویند. نیم تاب ها در وزن های ۳۰۰ الی ۴۸۰۰ تکس در بازار ارائه می­شوند.

دو نوع از نیم تاب ها وجود دارند، نیم تابهای مستقیم و نیم تابهای مجتمع شده. نیم تاب های مستقیم از گردآوری مجموعه ای از رشته ها بعد ذوب بوجود می­آیند. اگر در فرآیند تولید، چند دسته رشته را به طور جداگانه کنار هم دسته بندی شوند.

نیم­تاب­های مجتمع شده تولید میشوند. رشته های این نیم تابها قطر کمتری نسبت به نیم تاب مستقیم دارند. این قطر کم در مجموع مساحت خیس شدگی را بالاتر می­برد. و رزین بیشتری در هنگام ساخت جذب میشود و باعث می­شود تا خواص مکانیکی کامپوزیت افزایش یابند. ساخت این نوع نیم تاب دشوارتر است که در نهایت قیمت آن را بالاتر می­برد.

3- بصورت پارچه‌ای دو جهته:

در انواع بافت‌ها  (ساده ، ساتینی و غیره)(woven)  الیاف دو جهته، با مقاومت بسیار بالا هستند که در آن ها الیاف در دو جهت عمود برهم صفر درجه و نود درجه قرار گرفته است. از ویژگی های بارز این دسته از الیاف علاوه بر مقاومت کششی بالای آن ها می توان به وزن کم و مقاومت در برابر انواع شرایط محیطی و محیط های اسیدی اشاره کرد.

امروزه از الیاف دو جهته در زمینه ها و صنایع مختلفی استفاده می شود از جمله ساخت قطعات خودرو و هواپیما، ساخت تجهیزات ورزشی، ساخت بدنه کشتی و… اما مهم ترین محل مصرف و کاربرد الیاف شیشه دوجهته در صنعت مقاوم سازی و آب بندی است که از این الیاف برای مقاوم سازی ساختمان ها و سازه های صنعتی، مقاوم سازی پل ها، مقاوم سازی لوله ها و مخازن فولادی و بتنی، بهسازی لرزه ای ساختمان ها و… استفاده می شود.

از الیاف شیشه دو جهته به دلیل مقاومت در برابر عوامل خورنده استفاده ی زیادی به عنوان پوشش­های حفاظتی در صنایع مختلف می شود، هم چنین این الیاف عایق الکتریکی بوده و از آن در زمینه ها مختلفی که نیاز به عایق های حرارتی با مقاومت و دوام بالا هستند استفاده می شود.

الیاف شیشه دو جهته با استفاده از رزین های مختلفی از جمله رزین اپوکسی، پلی اورتان و پلی استر به سطوح مورد نیاز چسبانده می شوند و تشکیل کامپوزیت GFRP می دهند.

ویژگی های الیاف شیشه دو جهته

• وزن کم
• مقاومت کششی بالا (کمتر از الیاف کربن)
• قیمت کمتر نسبت الیاف کربن
• ضریب انبساط حرارتی بسیار کم
• عایق الکتریکی
• مقاوم در برابر محیط های خورنده و …

کاربردهای الیاف شیشه دو جهته

کاربردهای الیاف شیشه دو جهته را می‌توان به شرح زیر لیست کرد:

• مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان ها
• مقاوم سازی سازه های صنعتی
• مقاوم سازی پل ها و سیلوها
• مقاوم سازی انواع لوله ها و مخازن
• آب بندی مخازن و پوشش  های صنعتی
• استفاده به عنوان پوشش در صنایع هوایی و هوافضا

مقایسه خصوصیات الیاف شیشه دو جهته با فولاد رایج ساختمانی

4- بصورت سوزنی و نمدی(CSM):

شکل دیگری از الیاف مورد استفاده می­باشند که continuous strandmat نمدهای الیاف پیوسته در آنها الیاف پیوسته با آرایش اتفاقی نمد درست می­شود. این شکل از الیاف برای قرار گرفتن در قسمتهای تیز و کنج قالب مناسبند و در این حالت الیاف آن نمی­شکنند.

برای ثابت نگاه شدن الیاف در کنار هم از بایندرbinder استفاده می کنند. بنابراین آرایش اتفاقی الیاف در نمد حفظ می­شود. انتخاب بایندر با توجه به کاربرد مواد انجام می گیرد و دوام یک قطعه کامپوزیتی میتواند متأثر از نوع بایندر باشد.

جهت ساخت قالبهای کامپوزیتی و استحکام قطعات از نمد الیاف شیشه (نمد سوزنی شیشه) استفاده میشود. این الیاف بصورت پراکنده و کاملا نامنظم در جهات اتفاقی روی هم قرار گرفته‌اند.

توجه :

بنابراین به قطعات استحکامی در همه جهات میدهند. در ساخت قایق‌ها و لنج‌ها، وان، پنل‌ها و … استفاده م­یشود.

بصورت نواری(UNI)  الیاف تک جهته یکی از انواع الیاف است که دارای وزن کم و مقاومت بالا بوده و جهت قرار گیری الیاف در آن در راستای صفر درجه است.

با توجه به مقاومت بالا و وزن کم الیاف تک جهته از آن ها در زمینه ها و صنایع مختلفی استفاده می­شود. بیشترین استفاده و کاربرد الیاف تک جهته در صنعت ساختمان است که از این الیاف برای مقاوم سازی ساختمان ها و سازه های صنعتی، مقاوم سازی انواع لوله ها و مخازن، حفاظت از اجزای مختلف در شرایط محیطی خورنده و … استفاده می گردد.

هم چنین از این الیاف در صنایع دیگری هم چون ساخت قطعات خودروها و هواپیماها، ساخت تجهیزات ورزشی و… استفاده های بسیاری می شود.

الیاف شیشه تک جهته در مقایسه با الیاف کربن تک جهته دارای مقاومت کمتری و در عین حال قیمت کمتری هستند که این امر موجب شده تا فروش الیاف شیشه بیشتر از الیاف کربن در بازارهای جهانی باشد.

ویژگی های الیاف شیشه تک جهته

• وزن کم
• مقاومت کششی بالا (کمتر از الیاف کربن)
• قیمت کمتر نسبت الیاف کربن
• ضریب انبساط حرارتی بسیار کم
• عایق الکتریکی
• مقاوم در برابر محیط های خورنده

کاربردهای فیبر شیشه در صنعت

کاربردهای فیبر شیشه تک جهته را می‌توان به شرح زیر لیست کرد:

• مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان ها
• مقاوم سازی سازه های صنعتی
• مقاوم سازی انواع لوله ها و مخازن
• استفاده در صنعت برق به عنوان مقاومت الکتریکی
• استفاده به عنوان پوشش در صنایع هوایی و هوافضا

5- بافت های 3 بعدی – پاراگلاس و پاراتانک paraglass – paratank

بصورت سه بعدی (ترکیبی از سوزنی ، پارچه‌ای زاویه‌‌دار و رشته‌ای)(پارابیم و پاراتانک و …)

این بافته­ های سه بعدی به آسانی با انواع رزین آغشته شده و به سادگی و سرعت به ارتفاع از پیش تعیین شده می­ رسند و ساختار ساندویچی یکپارچه (بعلت بافته شدن یکپارچه مغزی و لایه­ های دو طرف در فرآیند تولید) ایجاد می­کنند.

این ساختارهای سه بعدی علاوه بر ایجاد خواص مکانیکی بالا در سازه­ های کامپوزیتی، سبکی قابل توجهی نیز به این محصولات می­ بخشد. از دیگر مزایای این محصولات می توان به شکل­ پذیری آسان، فرآیند آسان و سریع و عدم جدا شدن لایه­ های دو طرف از مغزی اشاره کرد.

این محصول دارای ضخامت­ های 3 الی 22 میلی متر در دو نوع Paraglass و Paratankمی­ باشد که برای تولید ساختارهای ساندویچی در صنایع ساختمانی (مانند پانل­های جداکننده)، تولید مخازن (مخازن دو­جداره با امکان قرار دادن نمایشگر نشتی)، صنایع حمل و نقل (دریایی، هوایی و زمینی) و کاربرد­های بسیار متنوع دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.

شرکت Parabeam

زیر مجموعه Gamma Holding هلند و عضو گروه بین المللی Gamma Holding می­ باشد و بطور تخصصی به تولید بافته­ های سه بعدی الیاف شیشه در کشور هلند می­ پردازد.

بافته­ های سه بعدی از الیاف شیشه ­­ی شرکت Parabeam یکی از منحصربفردترین تقویت کننده­­ ها در سطح دنیا می­ باشد.

انواع مختلف الیاف شیشه :

این الیاف انواع مختلفی دارد که نوع آن وابسته به ترکیب درصد شیمیایی آن است. در واقع هر ترکیب درصد یک ویژگی خاص به الیاف می‌دهد . برای مثال می‌توان از موارد زیر نام برد :

• E-Glass الیاف از نوع عایق الکتریکی که گرفته شده از کلمه Electrical می‌باشد.
• همانطور که گفته شد بیشتر الیاف موجود در بازار از این نوع است. یکی از خواص اصلی این نوع الیاف رسانایی الکتریکی به همراه مقاومت کششی مناسب است که در کنار انعطاف پذیری این الیاف را برای ساخت در قطعات الکترونیکی به گزینه مناسبی تبدیل میکند. این الیاف به نسبت نوع A مواد قلیایی کمتری دارند در نتیجه مقاومت به اسید آنها کمی کمتر است اما استحکام کششی و فشاری خوبی دارند. فراوانی این الیاف آنها را به یکی از ارزان ترین نوع الیاف تبدیل کرده است.
• C-Glassالیاف با مقاومت شیمیایی خوب که گرفته شده از کلمه Chemical می‌باشد.
• برای حصول سطحی صاف و صیقلی و همچنین افزایش مقاومت به خوردگی و جلوگیری از تخریب قطعات در صنایع کامپوزیت و FRP، از الیـاف تیشـو به عنوان اولین لایه در سطح قطعه، استفاده می شود. این نوع الیاف به دلیل داشتن مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی و آب عموما به صورت تیشو استفاده میشودند. برای ایمن کردن مخازن و لوله های آبی که ممکن است در برابر خوردگی ناشی از مواد شیمیایی قرار بگیرند نیز استفاده از این الیاف توصیه میشود.
• S-glass الیاف با مقاومت مکانیکی بالا که گرفته شده از کلمهStrength می‌باشد.
• در صنعت هوافضا نسبت مدول بالا به وزن پایین ویژگیه مهمی محسوب میشود که این نوع الیاف با فراهم کردن این ویژگی به یکی از پرکاربردترین الیاف شیشه در صنعت هوافضا تبدل شده اند. این نوع الیاف محدوده استفاده دمایی زیادی دارند و بیش‌تر در صنایع هوا فضا و تحقیقات فضایی و هوایی برای پوشش موشک‌ها و قطعات هواپیمایی به کار می‌روند. این الیاف عملکرد حرارتی مناسبی دارند و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد. قیمت الیاف شیشه S خیلی بالا بوده. به همین دلیل فروش این نوع الیاف شیشه پایین می‌باشد.

• توجه :

• A-Glass الیاف با مقاومت اسید و باز خوب.
• درمواردی که نیاز به مقاومت در برابر اسید وجود دارد از این نوع الیاف استفاده میشود. در ساخت این نوع الیاف، مواد قلیایی به کار میرود که درصد مواد قلیایی موجود در آن‌ها بسیار زیاد است، امروزه از چرخه‌ی تولید خارج گردیده‌اند.
• D-Glass الیاف با ثابت دی الکتریک بالا که گرفته شده از کلمه Dielectric می‌باشد.
• دارای خواص دی الکتریک قوی برای کاربردهای الکتریکی
• ECR-Glass الیاف با مقاومت خوردگی بالا که گرفته شده از عبارتExtra Corrosion Resistance می‌باشد.
• تقریبا می­توان گفت مجموعه از خواص مناسب نوع E وC را فراهم می­کند به اضافه اینکه خواص دی الکتریک مناسب تری دارد یعنی هم مقاومت شیمیایی و هم رسانایی الکتریکی و همچنین به دلیل نداشتن بور برای محیط زیست نیز مناسب تشخیص داده شده است.

روش تولید الیاف شیشه:

1- آماده‌سازی مواد خام

بیش از نیمی از مواد اولیه مورد استفاده در ساخت الیاف شیشه، ماسه سیلیس است که قسمت اصلی هر نوع الیاف شیشه را تشکیل می‌دهد. سایر اجزاء شامل مقادیر ناچیز ترکیبات شیمیایی دیگر می‌باشند.

2- بخش اختلاط:

در اینجا مواد با هم مخلوط شده برای قسمت کوره آماده می‌شوند. اصطلاحاً به این توده مخلوط، Batch  گفته می‌شود.

3- کوره:

دمای کوره به اندازه کافی زیاد است تا ماسه و سایر اجزاء را ذوب کند و بصورت شیشه مذاب در آورد. سطح داخلی کوره با آجرهای مخصوصی ساخته شده است که در دوره‌های زمانی مشخص تعویض می‌شوند.

4- بخش Bushing :

شیشه مذاب روی سینی‌های پلاتینی مقاوم حرارتی متعدد، جریان پیدا می‌کند. در این سینی‌ها هزاران روزنه وجود دارد که بوشینگ نامیده می‌شوند.

5- تشکیل الیاف:

جریان شیشه مذاب از درون بوشینگ‌ها بیرون کشیده می‌شود و تا قطر معین نازک می‌شوند، سپس توسط آب یا هوا خنک می‌شوند تا الیاف‌ها تشکیل شوند.

6- آهار زنی:

الیاف مو مانند، با یک مخلوط شیمیایی مایع که Sizing نامیده می‌شود، پوشش داده می‌شوند. آهارزنی به دو علت اصلی انجام می‌شود:

• برای محفوظ ماندن الیاف از سایش به یکدیگر در طی فرآیند ساخت و کار
• به منظور حصول اطمینان از چسبندگی الیاف به رزین

خصوصیات الیاف شیشه:

• مقاومت شیمیایی:
• الیاف شیشه در مقابل مواد شیمیایی مقاوم بوده و باکتری، قارچ‌ها و دیگر جانوران بر الیاف تأثیری نمی‌گذارند.
• مقاومت در برابر رطوبت:
• این الیاف رطوبت را جذب نمی‌کند.
• خواص الکتریکی:
• الیاف شیشه به دلیل عایق بودن در برابر جریان برق، مناسب برای استفاده در ساخت اجزا و قطعات الکتریکی می‌باشد.
• خواص فیزیکی : مدول الاستیسیته و استحکام کششی بالا، انعطاف پذیری مناسب.

معایب الیاف شیشه:

• شکنندگی
• مقاومت خستگی نسبتاً پایین
• مدول نسبتاً پایین در مقایسه با دیگر الیاف
• حساسیت به سایش و سختی بالا

 کاربرد الیاف شیشه:

• افزایش مقاومت کششی و سطحی مصالح ساختمانی
• استفاده به‌عنوان مقاوم خوردگی در صنایع شیمیایی
• افزایش مقاومت بتن و سایر چسباننده‌های سازه‌ای
• تعمیر سطحی بتن و ترک‌های آن
• کمک به افزایش مقاومت ساختمان در برابر زلزله
• استفاده به‌عنوان عایق حرارتی، رطوبتی و صوتی
• بکارگیری در صنایعی مانند ساخت تجهیزات لوازم خانگی، تجهیزات ورزشی، ساخت اعضاء مصنوعی بدن، وسایل خودرو و …