الیاف طبیعی

الیاف طبیعی

الیافی که از منابع طبیعی مانند معادن ، حیوانات و گیاهان به دست می‌آیند ، در گروه الیاف طبیعی قرار می‌گیرند. مصریان باستان از کامپوزیتهای الیاف طبیعی آجر ، ظروف سفالی و قایقهای کوچک می‌ساختند. یک قرن پیش تولید تقریباً تمام وسایل و بسیاری از محصولات فنی از الیاف طبیعی ساخته می‌شد. پارچه ، طناب ، کرباس و کاغذ از الیاف طبیعی مانند کتان ، شاهدانه ، سیسال و کنف ساخته می‌شد.

می‌توان الیاف طبیعی را به سه دسته معدنی ، حیوانی و گیاهی تقسیم نمود.

الف)الیاف معدنی: الیاف این گروه از سنگهای معدنی بدست می‌آیند. به عنوان نمونه می ‌توان به آزبست اشاره نمود. آزبست می‌تواند استحکام و سفتی کامپوزیت را بهبود ببخشد ولی استحکام ضربه را کاهش می‌دهد. علاوه بر این فرآیند آن مشکل است. امروزه استفاده از این الیاف بدلیل ایجاد سرطان ریه در طولانی مدت ، محدود و ممنوع شده است.

ب)الیاف حیوانی: الیاف به دست ‌آمده از ارگانیسم‌ های زنده ، الیاف حیوانی نامیده می‌شوند. به عنوان مثال ، پشم از گوسفند اهلی بدست آید. الیاف ابریشم را کرم ابریشم می‌سازد. ابریشم بر خلاف تمام الیاف طبیعی دیگر از قبیل پنبه ، کتان و پشم ، یک ساختار سلولی ندارد و روش ساخت آن ، شبیه الیاف مصنوعی می‌باشد. از الیاف حیوانی در ساخت کامپوزیتها استفاده نمی ‌شود.

ج)الیاف گیاهی: در بین الیاف طبیعی، الیاف گیاهی بیشترین کاربرد را در کامپوزیتها دارند.
▪ بر اساس اینکه از کدام قسمت گیاه گرفته شده‌اند، به سه دسته تقسیم می‌شوند:
۱) الیاف میوه: پنبه (cotton) نارگیل (coir) و kapok
۲) الیاف پوست یا ساقه: کتان ، کنف ، (jute ) ، بوته شاهدانه (hemp) و رامی
۳) الیاف برگ: سیسال (sisal) ، آناناس

الیاف طبیعی از قدیم در صنایع مختلف استفاده می‌شده‌اند و پتانسیل کاربرد در صنایع رو به رشد کامپوزیتهای مهندسی را دارا می‌باشند. اگر چه جایگزینی مستقیم الیاف شیشه با الیاف طبیعی به راحتی امکان پذیر نیست ، اما خواصی که این الیاف در مقایسه با شیشه از خود نشان می ‌دهند در بسیاری جهات موجب برتری آنها می‌شود:

۱) ‌دارای منابع تجدید شونده
۲) ‌امکان استحصال نامحدود
۳) فواید محیطی ناشی از ایجاد تعادل در تولید و مصرف گاز۲ CO
۴) سبکی
۵) بازیافت بهتر
۶) کاهش فرسایش ابزار
۷) بهبود بازگشت انرژی (recovery Energy Enhanced)
۸) کاهش ناراحتی‌های پوستی و تنفسی
۹) زیست تخریب بودن

b-۱,۴-Polyacetal ایزوتکتیک می‌باشد. سلولز جامد، یک ساختار میکروکریستالین با نواحی کریستالی و آمورف تشکیل می‌دهد.

چ) لیگنین: یک ترکیب حلقویِ بیشتر سه بعدی، با جرم مولکولی بالاست که فقط در مقادیر جزئی می‌تواند هیدرولیز شود. خواص مکانیکی آن به وضوح پایین‌تر از سلولز می‌باشد.

ح )پکتین: نام کلی هتروپلی ساکاریدهاست که اصولاً شامل اسید پلی‌گالاکتورُن می‌باشد. این ماده تنها پس از خنثی سازی جزئی با قلیا یا هیدروکسید آمونیم قابل حل در آب می‌باشد.

خ) واکس: ماده‌ای که می‌توان آنرا با ترکیبات آلی استخراج کرد ولی در آب غیر قابل حل است. agent coupling) و کوپلیمریزاسیون گرفت.

اصلاح سطح تاثیر مهمی درافزایش خواص کامپوزیت دارد. علاوه بر آن ممکن است حساسیت به رطوبت الیاف را به حداقل برساند و دوام کامپوزیت را بیشتر کند.

توجه همگانی به شرایط محیطی علاقه‌ مندی مجددی را در کاربرد الیاف طبیعی ایجاد کرده است. بازیافت و لحاظ شرایط محیطی برای معرفی کامپوزیتهای جدید به بازار از اهمیت روز افزونی برخوردار است.
قوانین محیط زیستی و فشار مصرف کننده، باعث شده است که تولید کنندگان مواد و قطعات ، اثرات محصولات خود در محیط زیست را در تمام مراحل کار بسنجند. این نکات باعث شده است در سالهای اخیر کارهای زیادی در ساخت مواد کامپوزیتی بر پایه منابع تجدید پذیر از جمله الیاف طبیعی انجام بگیرد. اخیرا صنعت خودرو سازی به کاربرد کامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان یک راه خدمت به محیط زیست و در عین حال رعایت مسایل اقتصادی، توجه جدی داشته است. کاربردهای دیگر نیز در صنایع ساختمان در حال پیدایش هستند.

شرایط آب و هوایی، عمر و فرآورش نه تنها بر ساختار الیاف، بلکه بر ترکیبات شیمیایی الیاف اثر می‌گذارد. اجزاء الیاف طبیعی عبارتند از سلولز، لیگنین، پکتین، واکس و مواد محلول در آب.

د) سلولز: بخش اصلی تمام الیاف گیاهی
باید توجه داشت که بدلیل حضور گروه های آبدوست در الیاف ، رطوبت تأثیر شدیدی روی کامپوزیتهای الیاف طبیعی دارد. خشک کردن الیاف به هنگام فرآیند ساخت اهمیت فراوانی دارد چرا که رطوبت روی الیاف به عنوان یک عامل جداساز در فصل مشترک الیاف و رزین عمل می‌نماید. به همین جهت تمام روشهای ساخت در دماهای بالا انجام می‌گیرد. وجود هرگونه رطوبت ، باعث کاهش استحکام و سفتی کامپوزیت می‌شود. اغلب الیاف گیاهی، ۱۰ درصد رطوبت اسمی دارند که پس از خشک کردن به ۱ درصد کاهش می‌یابد.

کیفیت فصل مشترک الیاف و رزین نقش مهمی در تعیین مقبولیت الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی دارد. به منظور بهبود چسبندگی الیاف و رزین ، روشهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی وجود دارد. برخی این روشها عبارتند از اصلاح توسط پلاسما و کرونا ، اصلاح توسط تخلیه الکتریکی ، جفت کننده‌های شیمیایی.

*سایر الیاف
در برخی کاربردها ذرات معدنی به عنوان تقویت کننده پلیمرها استفاده می‌شوند.
ذرات معدنی به شرط دارا بودن نسبت aspect (طول به قطرd/l) کافی و چسبندگی مناسب به ماتریس پلیمری ، خواص خوبی به پلیمر می‌دهند. این الیاف به راحتی فرآورش می‌شوند و کمتر می‌شکنند و فرسایش کمی در تجهیزات تولید ایجاد می‌کنند. گاهی اوقات طبیعت شیمیایی این مواد می‌تواند ویژگی‌هایی چون مقاومت شعله در پلیمر ایجاد می‌نماید.
علاوه بر محصولات طبیعی مانند ولاستونیت (wolastonite) و آزبست ، این الیاف شامل محصولات مصنوعی مانند کربنات کلسیمِ ته نشین شده و سولفات کلسیم نیز می‌باشد. همچنین گاهی الیاف بر پایه آلومینا و بر (boron) به منظور ایجاد خواص ویژه در کامپوزیت بکار برده می‌شوند. این سیستم‌ها نه تنها استحکام خوبی دارند ، بلکه دارای خواص هدایت حرارتی و الکتریکی و مقاومت فرسایش نیز می‌باشند.

در گذشته تنها دو محصول طبیعی ، دارای صرفه اقتصادی بود که آزبست و ولاستونیت نامیده می‌شوند. به دلیل شرایط زیست محیطی دیگر از آزبست به عنوان تقویت کننده استفاده نمی‌شود.

ولاستونیت در طبیعت بصورت سوزنی شکل وجود دارد و بیان شده که دارای سمیت کمی است. این ماده پس از استخراج بصورت پودری سفید رنگ با l/d ‌های مختلف بدست می‌آید. بالاترین نسبت aspect قابل دستیابی در این الیاف۲۰:۱ می‌باشد. این امر پتانسیل تقویت کنندگی این ماده را کاهش می‌دهد. با این وجود، محدوده‌ای از مصولات با انجام اصلاح سطح به منظور بهبود چسبندگی وجود دارد. علیرغم پایین بودنl/d، ولاستونیت می‌تواند تلفیق خوبی از خواص با یک قیمت معقول ایجاد نماید، بویژه وقتی به همراه الیاف شیشه استفاده شود.

تعدادی از مواد معدنی می‌توانند به روش ته نشینی از محلول به صورت ذرات سوزنی شکل در آیند و به عنوان تقویت کننده‌های تجاری استفاده شوند. از جمله این مواد می‌توان به کربنات کلسیم تهیه شده به روش ته نشین، سولفات کلسیم، اکسی سولفات و فسفات منیزیم اشاره نمود. نسبت
l/d این مواد بین ۱ :۲۰ تا۱:۱۰۰ می‌باشد.

* الیاف آلومینا:
در تئوری آلومینا می‌تواند به عنوان یک ماده با استحکام بالا مطرح باشد. پیوندهای چند ظرفیتی اشتراکی قوی این ماده موجب ایجاد کریستال‌های محکم با مدول شصت گیگاپاسکال و مقاومت حرارتی بالا می‌شود. در عمل پلی کریستالینهای آلومینا به عنوان یک سرامیک مهندسی مطرح هستند. افزودن سایر اکسیدها می‌تواند به فرآورش، تراکم و کنترل اندازه ذرات کمک کند. به دو دلیل بسط الیاف پیوسته آلومینا به کندی صورت می‌گیرد:
اول آنکه دانسیتهٔ آن نسبتا بالا خواهد بود و برای کاربردهایی که خواص ویژه اهمیت دارند، جذاب نیست. و دوم اینکه آلومینا، مانند شیشه دارای خواص ذوب و ریسندگی مذاب نیست و اصولا تهیه الیاف عاری از حباب

* الیاف بُر:
بُر یک ماده مناسب برای ساخت الیاف با کارایی بالاست. اتمهای سبک بُر چند ظرفیتی هستند و پیوندهای با ظرفیت بالا ایجاد می‌ نمایند و در عین حال دانسیته پایینی دارند. تولید تجاری الیاف بُر، انحصارا توسط روش (free‌-void) بسیار مشکل است. deposition بخار شیمیایی (Cvd =‌Deposition vapour chemical) انجام می‌گیرد.
بُر شکل deposite شده فاز بخار روی رشته نازکی از یک فلز نسوز (معمولا تنگستن) به قطر ۱۲mm است. رشته تنگستن به عنوان بستر deposition عمل می‌نماید. هم‌ هالید بُر و هم هیدرید بُر برای انتقال بُر به بستر رشته‌ای استفاده می‌شوند. در یک سیتم‌هالیدی، هیدروژن برای احیاء‌ هالید به بُر استفاده می‌شود. در سیستم هیدریدی، از تخریب حرارتی در فشار پایین استفاده می‌شود.
قطر رشته‌های بر صد میکرومتر می‌باشد و استحکام کششی آنها می‌تواند در محدوده ی دو تا چهار گیگاپاسکال و مدول آنها در حدود سیصد و هشتاد مگاپاسکال باشد. در مجموع می‌توان گفت این الیاف خواص بسیار جالبی دارند ولی گران قیمت هستند.