مقالات نساجی

مروری بر خواص مکانيکی کامپوزيتهای بستر پليمری

هيبريد کنف - شيشه / پلی‌استر

دانلود نسخه دیجیتال مجله کهن

نویسنده : مهدی امامی قره‌حاجلو – دانشجوی دکتری مهندسی نساجی- دانشگاه یزد emami.gh@stu.yazd.ac.ir

چكيده

كامپوزيت‌هاي پليمري که دارای الياف تقويت‌كننده هستند، به علت خصوصيات كششي مناسب و نسبت استحكام به وزن بالا (در جهات خاص) بسيار مورد توجه قرار دارند. امكان قالب‌گيري ساده و آسان، مقاومت شيميايي، خواص فیزیکی و مکانیکی مورد تأیید در جهات مختلف، اتصال مناسب بستر به الياف و همچنين امكان استفاده در محدوده وسيعي از كاربردها، اين گروه ازكامپوزيت‌ها را به عنوان گروهي رايج مطرح ساخته است.

با اين وجود، مشخص شدن برخي خطرات زيست محيطي ناشي از استفاده از الياف معدني در كامپوزيت‌ها (كه در گذشته به عنوان رايج‌ترين نوع الياف مورد استفاده در ساخت كامپوزيت‌هاي پليمري مطرح بودند)، محققان را بر آن داشت تا امكان استفاده از انواع الياف طبيعي و تجديدپذير را در ساخت كامپوزيت‌هاي پليمري و همچنين تأثير استفاده از این الياف را بر خواص مكانيكي، مورد بررسي قرار دهند.

در اين تحقيق، خصوصيات كامپوزيت‌هاي پليمري مقاوم شده با الياف كنف به همراه الياف شيشه و پلي‌استر، مورد بررسي قرار گرفت. فاز تقويت‌كننده به دو صورت پارچه هيبريدي و همچنين لايه‌اي تك‌جهته درون بستر (ماتریس) پليمري قرار داده شد و در نهايت براي بررسي خصوصيات مكانيكي نمونه‌ها، آزمايش‌هاي كشش و خمش بر روي آن‌ها انجام گرفت.

نتايج نشان داد كه نمونه با مقاوم‌ساز اليافي كنف-شيشه كه به صورت لايه‌اي تك‌جهته در بستر قرار داده شده، بهترين خصوصيات مكانيكي را از خود بروز مي‌دهد. همچنين مشخص شد در شرايط يكسان، استحكام الياف مورد استفاده نسبت به نحوه قرارگيري آنها در بستر، نقش پررنگ‌تري در تعيين خواص مكانيكي كامپوزيت دارد.

کلمات کلیدی: کامپوزیت، فاز تقویت کننده، ماتریس، پارچه هیبریدی.

1- مقدمه

در كاربردهاي روزمره، اغلب به جزئیات خواص مواد نياز است. در صنايع هوافضا، كاربردهاي دریایي، حمل و نقل و امثال آنها، امكان استفاده از يك نوع ماده كه همه خواص مورد نظر را فراهم نمايد، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنايع هوافضا به موادي نياز است كه ضمن داشتن استحكام بالا، سبك بوده و داراي مقاومت سايشي مناسبي نيز باشند و همچنين در برابر اشعه فرابنفش مقاومت كنند. از آنجا كه نمي‌توان ماده‌اي يافت كه همه خواص مورد نظر را دارا باشد، بايد به دنبال چاره‌اي ديگر بود. كليد اين مشكل، استفاده از كامپوزيت‌ها است. كامپوزيتها موادي چند جزئي هستند كه خواص آنها در مجموع از هركدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنكه اجزاي مختلف، كارايي يكديگر را بهبود مي‌بخشند [1].

آیا میدانستید مجله نساجی کهن تنها مجله تخصصی فرش ماشینی و نساجی ایران است؟ نسخه پی دی اف آخرین مجلات از اینجا قابل دریافت است.

در كامپوزيتهاي پليمري حداقل دو جزء مشاهده مي‌شود كه عبارتند از: 1- فاز تقويت كننده يا مقاوم‌ساز  2- فاز بستر(ماتريس ) كه فاز ديگر را در بر مي‌گيرد و معمولاًيك ماده پليمري گرماسخت  يا گرمانرم  است كه گاهي قبل از سخت شدن آن‌را رزين  مي‌نامند[2].

مواد مركب (كامپوزيت‌ها) از ديدگاه‌هاي مختلفي دسته‌بندي مي‌شوند. معمول‌ترين انواع دسته بندي، بر اساس نوع بستر و همچنين بر اساس شكل فاز مقاوم‌ساز انجام مي‌گيرد. از ديدگاه نوع و جنس بستر، كامپوزيت‌ها به سه دسته كامپوزيت‌هاي با بستر فلزي ، كامپوزيت‌هاي با بستر سراميكي  و كامپوزيت‌هاي بستر پليمري  تقسيم مي‌شوند. [1و2].

اليافي كه در صنعت كامپوزيت استفاده مي‌شوند به دو دسته تقسيم مي‌شوند كه عبارتند از: 1- الياف مصنوعي 2- الياف طبيعي[3و4]

كاربرد كامپوزيت‌هاي پليمري توسط خواص اجزاء آنها تعيين مي‌شود که اغلب آنها داراي اليافي با مدول بالا هستند و در بستر پليمري قرار داده شده‌اند و فصل مشترك خوبي بين دو جزء الیاف و بستر پلیمری وجود دارد. بستر پليمري دومين جزء عمده كامپوزيت‌هاي پليمري است. اين بخش عملكردهاي بسيار مهمي در كامپوزيت دارد. اولاً به عنوان يك چسب ، الياف تقويت كننده را نگه مي‌دارد و ثانياً تحت نیروی اعمالي تغيير شكل داده و تنش را به الياف منتقل مي‌كند.

علاوه بر آن، رفتار پلاستیک  بستر پليمري، انرژي را جذب كرده و كاهش تمركز تنش را در پي دارد كه در نتيجه آن، رفتار چقرمگي  شكست را بهبود مي‌بخشد. تقويت كننده‌ها معمولاً شكننده هستند و رفتار پلاستيك بستر مي‌تواند موجب تغيير مسير ترك‌هاي موازي با الياف شده و از شكست الياف واقع در يك صفحه، جلوگيري کند [1-4].

 

2- انواع الیاف مورد استفاده در كامپوزيت‌هاي بستر پليمري

2-1-الياف شيشه

الياف شيشه مشهورترين تقويت كننده مورد استفاده در صنعت كامپوزيت است و انواع مختلفي از آن به صورت تجاري وجود دارند كه برخي از مهم‌ترين آن‌ها عبارتند از: الياف شيشه نوع E ، الياف شيشه نوع S ، نوع ECR  و الياف شيشه نوع AR . تركيب شيميايي اين الياف با هم متفاوت است و انتخاب هر يك از اين انواع، بر اساس كاربرد صورت مي‌گيرد [3و6].

2-2-الياف كربن

اگرچه اكثر الياف مورد استفاده در صنعت كامپوزيت از جنس شيشه هستند، ولي مدول آن نسبتاً پايين است. در سال‌هاي اخير تلاشهاي زيادي انجام گرفته است تا تقويت كننده‌هاي جديدي با تبديل حرارتي الياف آلي به الياف كربن ساخته شود. الياف حاصل به سرعت كاربرد وسيعي در كامپوزيت‌هاي بستر فنوليكي به منظور استفاده در عايق‌هاي ضد ضربه صنايع نظامي پيدا كرد. مشخصه الياف كربن سبكي، استحكام و سفتي بالا است. الياف كربن از تجزيه حرارتي  الياف آلي در يك محيط خنثي بدست مي‌آيند[6].

2-3-الياف آرامید

الياف آراميد كه در حدود سالهاي 1970معرفي شد، تركيب آلي حلقوي از كربن، هيدروژن، اكسيژن و نيتروژن است كه دانسيته كم و استحكام كششي بالا در اين الياف، موجب تشكيل يك ساختار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه با سفتي حدود نصف الياف كربن، گردید. الياف آراميد در ابتدا به منظور جايگزيني فولاد در تايرهاي راديال ساخته شدند که بعدها كاربردهاي ديگري پيدا كردند.

جليقه ضد گلوله از موفقيت‌آميزترين كاربردهاي الياف آراميد است. نام هاي تجاري مختلفي براي الياف آراميدي انتخاب شده است. شرکت دوپونت  نام‌هاي کولار و نومکس را براي اين الياف انتخاب کرده است [7]. در جدول 1 خصوصيات مكانيكي برخي انواع مختلف الياف مورد استفاده در كامپوزيت‌هاي بستر پليمري با هم مورد مقايسه قرار گرفته‌اند[3].

کامپوزيتهای بستر پليمری

2-4-الياف طبيعي

اليافي كه از منابع طبيعي مانند معادن، حيوانات و گياهان بدست مي‌آيند، در گروه الياف طبيعي قرار مي‌گيرند. مصريان باستان از كامپوزيت‌هاي الياف طبيعي آجر، ظروف سفالي و قايقهاي كوچك مي‌ساختند. يك قرن پيش، تقريباً تمام وسايل و بسياري از محصولات فني از الياف طبيعي ساخته مي‌شد. پارچه، طناب، كرباس و كاغذ از الياف طبيعي مانند كتان، شاهدانه، سيسال و كنف ساخته مي‌شوند. الياف طبيعي را مي‌توان بر اساس منشأ آن‌ها به سه دسته معدني، حيواني و گياهي تقسيم نمود [8و9].

 

3-رزین‌هاي مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌هاي بستر پليمري

3-1- رزین‌هاي سنتتیک

رزين‌پلي‌استر، رزين های اپوكسي، رزين های ‌وينيل‌استر، رزين های فنوليك، پلي ايميدها، پلی اتر اتر کتون و … .

3-2- رزين هاي طبيعي 

بدليل نگراني هاي زيست محيطي و امكان پايان ذخاير نفتي، اخیراً ساخت كامپوزيت هاي با زمینه رزين هاي طبيعي از منابع تجديدپذیر، اهميت يافته است که این موضوع به كم كردن وابستگي صنايع كامپوزيت به مشتقات نفتی کمک شایانی کرده است. از این رو، محققین علاقه زيادي به تحقيق و توسعه پليمرهاي حاصل از منابع تجديدپذیر كشاورزي به جاي هيدروكربن ها دارند. اخیراً تلاشهايي براي استفاده از روغن سويا  براي توليد كامپوزيت هاي زيست تخريب پذير، ارزان و سبك انجام گرفته است.

خواص رزين هايی بر پايه روغن سويا ميتواند توسط تغییرات ژنتيكي تغییر یابد که این امر توسط برخی شرکتهای صنعتی در حال انجام است. امروزه با كاربرد الياف كنف، كتان، سيسال و ساير الياف طبيعي با رزين‌هاي طبيعي، امكان ساخت كامپوزيتهاي كاملاً زيست تخريب پذير وجود دارد [10].

4- کامپوزیتهای زمینه پلیمری با الیاف طبیعی

عدم امكان بازيافت و قيمت بالا، همواره به عنوان دو معضل عمده گسترش كامپوزيت‌هاي پليمري در دنيا مطرح بوده است. اما امروزه استفاده از الياف طبيعي در ساخت كامپوزيت‌ها نويدبخش افق روشني براي صنعت كامپوزيت است. اين الياف به راحتي به چرخه طبيعت برمي‌گردند و از قيمت بسيار پايين‌تري برخوردار هستند.

كامپوزيت‌هاي مقاوم شده با الياف طبيعي مصرفي در قطعات خودروها علاوه بر داشتن خواص مكانيكي مناسب، از رفتار شكست بسيار خوبي نیز برخوردار هستند. اين كامپوزيت‌ها به صورت غيرناگهاني و تدريجي مي‌شكنند و همچنين در حين تصادفات، با استفاده از این الیاف امکان ایجاد لبه‌هاي تيز و برنده كه منجر به صدمه زدن به سرنشينان خودرو می شود، کاهش مییابد.

 

4-1- مزایا و محدودیتهای استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیتهای زمینه پلیمری

کامپوزیتهای زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی، دارای مزایای متعددی هستند که مهم‌ترین آنها عبارتند از:

منابع تجديد شونده (نامحدود)، وزن و چگالی کم، كاهش فرسايش ابزار ساخت، زيست تخريب پذیری، قیمت پایین، نداشتن مضرات شیمیایی در شرایط کار، بهبود بازگشت انرژي، فوايد محيطي ناشي از ايجاد تعادل در توليد و مصرف گاز CO2 .

با این وجود، یکی از معایب الیاف طبیعی، دمای پائین  در فراوری این الیاف است (20 درجه سانتیگراد) که این مسئله بخاطر تخریب حرارتی و یا خروج گازهای فرار از مواد لیگنوسلولزی است که می‌تواند روی خواص الیاف اثر بگذارد. دیگر محدودیت الیاف طبیعی، جذب رطوبت بالای آنها است. جذب رطوبت توسط این الیاف باعث کشیدگی الیاف می‌شود که خود برهم‌زننده ثبات ابعادی کامپوزیت خواهد بود [7و10].

 

4-2- ناسازگاری الیاف طبیعی و پلیمر

يكي از معايب عمده الياف گياهي، سازگاري كم آنها با بسترهاي پليمري و چسبندگی پایین آنها به بستر است که منجر به افت خواص مكانيكي مي‌شود. ساختار و خواص سطح مشترک بین پرکننده و پلیمر، نقش عمده‌‌ای در تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی مادة مرکب حاصل ایفا می‌کند. سطوح پرکننده می‌توانند به شدت متغیر باشند و در نتیجه اثر متقابل با بستر پلیمر را به شدت تغییر دهند [11و14].

 

4-3- اصلاحات با روش‌های فیزیکی

در این روش ها سطح الیاف مورد اصلاحات فیزیکی قرار می گیرد. تخلیه الکتریکی ، پلاسما  و کورونا مهم ترین روش‌های اصلاح فیزیکی هستند. در این عملیات با تغییر دادن بر روی ساختار و خواص سطح الیاف موجبات بالا رفتن سازگاری میان پلیمر و الیاف فراهم می‌گردد [12و13].

4-4- اصلاحات با روش های شیمیایی

در این مورد از روش‌هایی مانند قلیایی  کردن و استفاده از عاملهای جفت کننده  استفاده می‌شود. روش قلیایی که شیوه ای موثر در اصلاح سطح الیاف است و هزینه پایینی دارد. همچنین این روش واکنش پذیری سلولز نسبت به مواد شیمیایی مختلف را افزایش داده و بوسیله محدود نمودن تورم نواحی کریستالی، امکان ترکیب مجدد ساختار سلولز را فراهم میسازد. به علاوه با کاهش زاویه خمیدگی میکروفیبریل های سلولزی، استحکام الیاف را افزایش می دهد[12و13].

 

5- کامپوزیتهای هیبرید کنف- پلی‌استر/شیشه

در این تحقیق به بررسی رفتار مکانیکی کامپوزیت هیبریدی چندلایه و پارچه‌ای که به کمک الیاف طبیعی و مصنوعی تولید شده، پرداخته شده است. در صنايع کامپوزیت، الیاف شیشه و الياف پلي‌استر به علت دسترسي آسان و خصوصیات مناسب مکانیکی، از پرکابردترین انواع الیاف هستند. با اين وجود، با هدف استفاده از مواد طبیعی و دوستدار محیط زیست در صنعت کامپوزیت، این الیاف با الیاف طبیعی مانند کنف ترکیب گردید که این الیاف به صورت تک جهته، الیاف کوتاه، همه جهته و پارچه‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌است.

5-1- ساخت و آماده‌سازي الياف و نمونه‌هاي كامپوزيت

براي ساخت كامپوزيت مورد آزمون، از چيدمان چندلایه الیاف تک جهته و همچنين بافت پارچه‌ای استفاده شد و نمونه‌ها به صورت تركيبي از الياف كنف-پلي استر و كنف-شيشه ساخته شدند. براي بافت پارچه جنس نخ تار از کنف و نخ پود از پلی‌استر /شیشه بود و از دستگاه گلیم بافی سنتی با ماکو استفاده شد که دستگاه مورد نظر در شکل 1 نشان داده شده است. نمونه پارچه بافته شده در شکل 2 نمایش داده شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

رفتار پارچه با توجه به خصوصیات مواد اولیه، تراکم نخ های تار و پود و شرایطی که نخ‌ها در لابلای هم قرار گرفته‌اند، متفاوت خواهد بود. الیاف کنف-شیشه/پلی استر با طول10 متر با قطر‌های مشخص انتخاب شده و از طریق ترازوی دیجیتالی با دقت 00001/0 کیلوگرم وزن گردید. اطلاعات مربوط به اندازه‌گيري‌هاي جرم و چگالي اين الياف در جدول 2 قيد شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

از رزين با مشخصات ارائه شده در جدول 3 و بر اساس استاندارد ASTM D4052 براي ساخت بستر پليمري نمونه‌هاي كامپوزيتي استفاده شد. برای تهیه نمونه كامپوزيتي با مقاوم‌ساز پارچه‌ای، پارچه بر روی شیشه واکس خورده قرار گرفته و صاف شد. سپس رزین و سخت‌كننده  (هاردنر) با یکدیگر مخلوط و تا دمای80 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شدند.

کامپوزيتهای بستر پليمری

رزین آماده شده با دقت در یکنواخت بودن ضخامت، بر روی پارچه ریخته شده و سپس با کمک ابزار كاملاً در تمام سطح و درون بافت پارچه نفوذ داده شد. در مرحله بعد، پارچه دیگری بر روی پارچه قبلی قرار داده شده و عملیات آغشته‌سازی مجدداً تكرار شده و به این ترتیب یک نمونه با مقاوم‌ساز پارچه‌ای دو لایه ساخته شد. لازم به ذکر است که به منظور تهیه نمونه‌هایي با کیفیت مناسب، در حين ساخت وزنه‌هایی بر روی قالب قرار داده شد. در نهايت پس از 12 ساعت قالب باز شده و نمونه به صورت یک صفحه با ابعاد 40 × 50 سانتی‌متر بدست آمد. در شكل 3 نحوه آغشته‌سازي پارچه با رزين نشان داده شده است.

برای انجام آزمایش‌های کشش و خمش از دستگاه اعمال نيرو با نام تجاريSANTAM  STM150  و مشخصات ذکر شده در جدول 4 استفاده شد. نماي كلي دستگاه در شكل 4 نشان داده شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

کامپوزيتهای بستر پليمری

5-2- نتايج آزمايش كشش

آزمايش كشش بر اساس استاندارد ASTM D3039 انجام گرفته و نتايج آن در اين بخش ارائه شده است. همه نمونه‌ها در ابعاد 2 × 25 سانتي‌متر تهيه شده و تحت اعمال بار كشش قرار گرفتند. نمودار تنش-كرنش اين نمونه‌ها در شکل 5 نشان داده شده‌ است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

کامپوزيتهای بستر پليمری

در جدول 5 هر يك از خصوصيات مكانيكي نمونه‌های تولیدی آمده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

5-3- مقايسه و تحليل نتايج تست كشش

در شكل 6 نمودار مقايسه‌اي تنش-كرنش نمونه‌هاي A و B ارائه شده‌است. با توجه به اين شكل واضح است كه مدول يانگ و استحكام كششي نمونه حاوي الياف شيشه بيشتر از نمونه حاوي الياف پلي‌استر است كه اين نتيجه با توجه به خصوصيات كششي برتر الياف شيشه، منطقي است.

لازم به ذکر است كه با توجه به نوع مقاوم‌ساز كه در اين نمونه‌ها به صورت پارچه بافته شده است و از آنجا كه بخشي از تنش اعمالي به نمونه به الياف كنف وارد مي‌شود، سهم هريك از الياف شيشه و پلي‌استر در تحمل تنش نسبت به حالتي كه تنش تنها به اين الياف وارد شود، كمتر است. به همين علت تفاوت در خصوصيات كششي نمونه‌هاي A و B نسبت به تفاوت ميان خصوصيات كششي الياف شيشه و پلي‌استر، كمتر است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

نكته ديگري كه مي‌توان با توجه به نمودار‌هاي تنش-كرنش نمونه‌هاي A و B دريافت، وقوع شكست در هر دو نمونه است. از آنجا كه در كامپوزيت‌هاي پليمري، رفتار شكست ماده بيشتر تحت تأثير بستر قرار دارد و با توجه به آن‌كه در اين نمونه‌ها رزين مورد استفاده خصوصيت شکنندگی دارد، وقوع شكست در اين نمونه‌ها طبيعي است. البته بايد توجه داشت كه خصوصيات مكانيكي كامپوزيت تا قبل از وقوع شكست، نسبت به خصوصيات مكانيكي بستر افزايش چشمگيري نشان مي‌دهد.

از اين رو مي‌توان دريافت كه استفاده از مقاوم‌ساز در كامپوزيت‌هاي مورد بررسي، خصوصيات مكانيكي و استحكام كامپوزيت را افزايش مي‌دهد اما تأثير چنداني بر نوع شكست نمونه‌ها ندارد. در نمودارهای ستونی در شكل 7 تفاوت‌هاي خصوصيات مكانيكي نمونه‌هاي A و B با جزييات بيشتري قابل مشاهده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

در شكل 8 نمودار مقايسه‌اي تنش-كرنش براي نمونه‌هاي C و D نشان داده شده است. همان‌گونه كه پيشتر مورد اشاره قرار گرفت، در اين نمونه‌ها فاز مقاوم‌ساز به صورت لايه‌اي تك‌ جهته و با درصد حجمي %25 درون بستر قرار گرفته‌است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

همان‌گونه كه در این نمودار مشاهده می‌شود، میزان جابجایی تا نقطه زوال در نمونه لایه‌ای C بسيار بیشتر از نمونه D است اين امر شکنندگي بيشتر نمونه D را تاييد مي‌كند. با توجه به قرارگيري الياف مقاوم‌ساز به صورت لايه‌اي در بستر پليمري، مي‌توان گفت كه نتايج در نمونه‌هاي C و D كمتر از نمونه‌هاي A و B تحت تأثير الياف كنف قرار مي‌گيرند. بنابراين نقش خصوصيات مكانيكي الياف كنف و شيشه در اين نمونه‌ها بارزتر خواهد بود و به همين علت است كه خصوصيات مكانيكي در اين دو نمونه نسبت به مقايسه انجام گرفته در نمونه‌هاي A و B تفاوت بيشتري دارد.

اين تفاوت مخصوصاً در استحكام نهايي كشش نمونه‌ها بارزتر است كه علت آن خواص كششي برتر الياف شيشه نسبت به الياف پلي‌استر است. (كه در اين نمونه‌ها بدون درگيري با الياف كنف تحت اعمال نيرو قرار مي‌گيرند). در بستر كرنش شكست نيز مجدداً توجه به اين نكته ضروري است كه وجود ساختار نيمه بلوري در الياف شيشه، احتمال وقوع فرايند لغزش را افزايش داده و منجر به افزايش ميزان كرنش نمونه حاوي اين الياف نسبت به نمونه حاوي الياف پلي‌استر گرديده است. براي درك بهتر تفاوت خصوصيات مكانيكي، در شكل 9 نمودارهای ستوني اين دو نمونه ارائه شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

 

در شكل 10 نمودار مقايسه‌اي تنش-كرنش تمامي نمونه‌ها نشان داده شده است. همانگونه كه در اين شكل مشاهده مي‌شود، ميزان جابجايي تا قبل از زوال در نمونه حاوي الياف شيشه به صورت لايه‌اي تك جهته (نمونه C)، از ساير نمونه‌ها بيشتر است و پس از اين نمونه، به ترتيب نمونه‌هاي B، A و D قرار مي‌گيرند. همين ترتيب در مورد ساير خصوصيات مكانيكي از قبيل استحكام كششي، مدول يانگ و ميزان انرژي جذب‌شده نيز صادق است.

خواص برتر نمونه C به وضوح به علت وجود الياف شيشه به عنوان فاز مقاوم‌ساز و همچنين نحوه قرارگيري اين الياف به صورت لايه‌اي تك جهته است. در صورت فرو رفتن الياف در هم به صورت بافت پارچه، الگوي اعمال تنش به الياف تا حدي دستخوش تغيير مي‌شود. به اين ترتيب كه اتصال و درگيري الياف با هم باعث تجزيه المان‌هاي نيرو و اعمال آن در جهت الياف تار و پود پارچه مي‌گردد. اين امر در پارچه بافته شده با الياف كنف و الياف شيشه، باعث انتقال بخشي از نيرو به الياف كنف مي‌گردد و بدين ترتيب باعث افت مقاومت كششي كامپوزيت مي‌شوند.

کامپوزيتهای بستر پليمری

علاوه بر آن، تجزيه نيروي اعمال شده در جهت تار و پود بافت، باعث مي‌شود تا بخشي از نيرو در جهت عرضي به الياف شيشه اعمال شود. به علت ضعف الياف شيشه در برابر نيروهاي اعمالي عرضي، مقاومت كلي در برابر تنش افت خواهد كرد. اين مطلب را با مقايسه نتايج حاصل از تست كشش نمونه‌هاي B و C (كه هر دو حاوي الياف شيشه بوده اما در نمونه‌ B الياف شيشه با الياف كنف درگير هستند) مي‌توان به وضوح دريافت. با اين وجود، با توجه به برتري چشمگير خواص كششي الياف شيشه در مقايسه با الياف پلي استر، خصوصيات مكانيكي نمونه مقاوم شده با پارچه هيبريدي كنف-شيشه نسبت به نمونه‌هاي حاوي الياف پلي‌استر همچنان بالاتر است.

در ميان نمونه‌هاي مورد بررسي، ضعيف‌ترين خصوصيات را نمونه مقاوم‌شده با لايه‌هاي پلي استر (نمونه D) نشان داده است كه بيانگر تأثير مثبت تركيب الياف پلي‌استر و كنف به صورت بافت در نمونه A، بر خواص مكانيكي كامپوزيت است. اين نتيجه بيانگر اين نكته است كه در مورد الياف ضعيف پلي‌استر، تركيب با الياف كنف (كه خصوصيات بهتري نسبت به الياف پلي‌استر دارند) و به تبع آن تغيير الگوي توزيع تنش در الياف و كاهش نقش الياف پلي‌استر در مقاومت در برابر تنش، منجر به بهبود خواص كششي مي‌شود حال آن‌كه در مورد الياف قوي شيشه، اين موضوع برعكس بوده و تغيير الگوي توزيع تنش، نقش الياف قوي‌تر شيشه را در مقاومت ماده كمرنگ مي‌كند و منجر به افت خصوصيات مكانيكي كامپوزيت حاصل در مقايسه با كامپوزيت تقويت شده با الياف شيشه لايه‌اي و تك‌جهته مي‌شود. براي درك بهتر تفاوت خصوصيات مكانيكي نمونه‌ها، در شكل 11 خصوصيات اندازه‌گيري شده به صورت نمودارهاي ستوني مقايسه‌اي ارائه شده‌اند.

کامپوزيتهای بستر پليمری

5-4- آزمایش خمش و نتایج آن

انجام آزمايش خمش سه نقطه‌اي بر اساس استاندارد ASTM D790 انجام گرفته است كه بر اساس آن نمونه‌ها بايد با ابعاد 25×2 سانتي‌متر تهيه شوند. خروجي دستگاه تست در اين آزمايش نيز به صورت نمودار نيرو-جابجايي است كه با برخي محاسبات، به نمودار تنش-كرنش تبديل شده و داده‌هاي مربوط به تست خمش از آن استخراج مي‌شود. در اين نمونه، فاز مقاوم‌ساز به صورت بافت پارچه هيبريدي با تار كنف و پود الياف پلي‌استر در بستر رزين قرار گرفته‌است. نمودار تنش-كرنش خمشي اين نمونه‌ها در شکل 12 نشان داده شده‌ است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

 

در جدول 6 هر يك از خصوصيات خمشی نمونه‌های تولیدی آمده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

5-5- مقایسه و تحلیل نتایج آزمایش خمش

در این بخش ابتدا نتایج مربوط به نمونه‌های مقاوم شده با پارچه هیبریدی با هم و همچنین نتایج نمونه‌های مقاوم شده با الیاف به صورت لایه‌ای نیز با هم مورد مقایسه قرار گرفته‌اند و سپس تمامی نمونه‌ها به صورت مقایسه‌ای مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

شکل 13 نمودار تنش-کرنش خمشی مقایسه‌ای نمونه‌های A و B را نشان می‌دهد. همانگونه که در این شکل مشاهده می‌شود، نمونه مقاوم شده با پارچه هیبریدی کنف-شیشه به وضوح خواص مکانیکی برتری نسبت به نمونه مقاوم شده با پارچه هیبریدی کنف-پلی‌استر از خود نشان می‌دهد که این امر با توجه به خصوصیات برتر الیاف شیشه نسبت به الیاف پلی‌استر، منطقی به نظر می‌رسد.

کامپوزيتهای بستر پليمرینکته‌ای که در این زمینه باید مورد توجه قرار گیرد، نحوه اعمال تنش به الیاف شیشه و الیاف پلی‌استر موجود در پارچه در حین اعمال با خمشی است. با توجه به جهت‌گیری این الیاف نسبت به راستای اعمال نیرو، نیروی خمشی اعمالی به نمونه به صورت نیروی کششی بر این الیاف اعمال می‌شود. در این میان با توجه به خواص کششی برتر الیاف شیشه نسبت به الیاف پلی‌استر، بدیهی است که نمونه حاوی الیاف شیشه مقاومت بیشتری از خود نشان دهد.

همچنین میزان کرنش حداکثر تا قبل از شکست نیز در نمونه حاوی الیاف شیشه بیشتر است. بنابراین به نظر می‌رسد خصوصیات نمونه حاوی الیاف شیشه در برابر تنش خمشی، تا حدی شبیه رفتار شکست نرم باشد.

اگر به شیب خط در ناحیه الاستیک توجه شود، ملاحظه می‌شود که نمودار نمونه پارچه کنف- شیشه، دارای شیب خط بیشتری نسبت به نمودار نمونه پارچه کنف-پلی‌استر است که این شیب خط گویای سفتی خمشی بیشتر این نمونه نسبت به نمونه A است که این پدیده نیز با توجه به خصوصیات الیاف شیشه و همچنین راستای مؤلفه نیروی اعمالی به آن، قابل توجیه است. برای درک بهتر تفاوت‌های این دو نمونه، در شکل 14 نمودارهای ستونی مقایسه‌ای خصوصیات این دو نوع الیاف ارائه شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

شکل 15 نمودار تنش-کرنش مقایسه‌ای نمونه‌های C و D را نشان می‌دهد. این شکل بیانگر تفاوت چشمگیر خصوصیات مکانیکی نمونه مقاوم‌شده با الیاف شیشه لایه‌ای با نمونه حاوی الیاف پلی‌استر لایه‌ای است که با توجه به مطالب ارائه شده در مورد نمونه‌های تست کشش، کاملا منطقی به نظر می‌رسد.

کامپوزيتهای بستر پليمری

همانطور که انتظار می‌رود، نمونه حاوی الیاف شیشه به صورت لایه‌ای مقدار سفتی خمشی به مراتب بیشتری نسبت به نمونه حاوی الیاف لایه‌ای پلی‌استر دارد که مسلماً در نتیجه استحکام کششی بالاتر الیاف شیشه است. مجدداً بر این نکته تاکید می‌شود که با توجه به جهت الیاف شیشه در این نمونه نسبت به جهت اعمال نیروی خمشی، الیاف شیشه تحت تنش کششی قرار خواهند گرفت که این امر باعث می‌شود انرژی بیشتری برای گسیختگی آن‌ها نیاز باشد و به تبع آن سفتی خمشی نمونه افزایش یابد.

برای درک بهتر تفاوت خصوصیات خمشی این دو نمونه، نمودارهای ستونی مقایسه‌ای مربوط به داده‌های حاصل از نمودار تنش-کرنش این نمونه‌ها در شکل 16 ارائه شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

در شکل 17 یک نمودار تنش-کرنش خمشی مقایسه‌ای برای تمامی نمونه‌ها نشان داده شده‌است که با توجه به آن می‌توان دریافت که مطابق انتظار خواص خمشی نمونه C (نمونه تقویت شده با استفاده از لایه‌های یک در میان الیاف تک‌جهته کنف و شیشه)، از سایر نمونه‌ها برتر است.

در تحلیلی مشابه با آنچه در مورد نمونه‌های تست کشش ارائه شد، می‌توان علت این برتری را در نقش مستقیم الیاف شیشه در نمونه C در تحمل تنش خمشی اعمالی دانست. چرا که در این نمونه الیاف قوی شیشه اولاً بدون درگیری با سایر الیاف و خطر تغییر الگوی تنش اعمالی و ثانیاً از جهت طولی تحت بار اعمالی قرار می‌گیرند و بدین ترتیب حداکثر میزان کارایی خود در نقش تقویت‌کنندگی را ارئه خواهند داد.

کامپوزيتهای بستر پليمری

علاوه بر آن، همانگونه که انتظار می‌رود در زمینه اعمال تنش خمشی نیز استحکام بالای الیاف شیشه به عنوان عامل غالب، رفتار خمشی نمونه را تحت کنترل دارد. بدین ترتیب به نظر می‌رسد برتری نسبی نمونه تقویت شده با پارچه هیبریدی کنف-شیشه بر نمونه تقویت شده با لایه‌های یک در میان الیاف کنف و پلی‌استر، منطقی باشد که نتایج نیز بر این موضوع صحه می‌گذارد.

در نهایت برای تسهیل امکان مقایسه داده‌های مربوط به نمونه‌های مختلف، در شکل 18 نمودارهای ستونی مقایسه‌ای خصوصیات خمشی تمامی نمونه‌ها ارائه شده است.

کامپوزيتهای بستر پليمری

6- نتیجه‌گیری

همانگونه كه در بخش‌هاي گذشته بیان شد، نمونه كامپوزيت‌هاي پليمري، از ديدگاه مقاومت كششي و خمشي مورد بررسي قرار گرفتند. تفاوت نمونه‌ها علاوه بر نوع الياف مورد استفاده، در نحوه قرارگيري الياف در بستر پليمري می‌باشد. بدين ترتيب كه در ساخت كامپوزيت‌ها از الياف در قالب دو نوع پارچه و همچنين لايه‌هاي يك‌ در ميان استفاده شده است. با توجه به نتایج بدست آمده و تحلیل آن‌ها و همچنین با مقایسه نتایج این تحقیق با سایر منابع موجود، موارد زیر را می‌توان به عنوان نتایج این تحقیق بیان کرد:

1- در نمونه‌های کامپوزیتی تقویت شده با الیاف پارچه، نمونه‌هایی که در بافت پارچه آن‌ها از الیاف شیشه استفاده شده‌است نسبت به نمونه‌های حاوی الیاف پلی‌استر، خواص کششی و خمشی برتری دارند.

2- در مورد نمونه‌های تقویت شده با الیاف لایه‌ای، نقش الیاف شیشه در ارتقا خواص مکانیکی کششی و خمشی به مراتب پر رنگ‌تر از نقش الیاف پلی‌استر است.

3- هرچند در ظاهر به نظر می‌رسد که بافت الیاف به صورت پارچه می‌تواند منجر به بهبود عملکرد کامپوزیت تولید شده با الیاف کنف گردد، اما نتایج نشان می‌دهد که این حالت تنها در مواردی که از الیاف ضعیف‌تر از کنف در کنار آن استفاده می‌شود، صحیح است و در مورد الیاف با خصوصیات بالاتر از کنف، بافت الیاف به صورت پارچه منجر به افت خواص نسبت به حالتی که الیاف به صورت تک‌جهته و لایه‌ای استفاده می‌شوند، می‌گردد که علت آن نیز تغییر الگوی اعمال تنش در الیاف با خصوصیات بالاتر است.

4- استحکام الیاف بیش از نحوه قرارگیری آنها  بر خواص نهایی کامپوزیت تاثیر می‌گذارد. بدان معنا که هرچند الیاف بافته شده نسبت به الیاف تک‌جهته با جنس یکسان استحکام کششی و خمشی پایین‌تری دارند، اما در مقایسه با الیاف تک جهته از جنس ضعیف‌تر، نقش پررنگ‌تری در تعیین خواص نهایی کامپوزیت خواهند داشت.

 

7- مراجع

[1] صدوق ونینی،سید علی، تکنولوژی مواد مرکب، انتشارات جهاد دانشگاهی صنعتی امیرکبیر، چاپ اول، بهار 1385.

[2]بهشتی،محمدحسین، رضادوست،امیرمسعود، پلاستیک‌های تقویت شده (کامپوزیت‌ها)، انتشارات پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، چاپ اول، زمستان 1384.

[3]موسوی شوشتری،احمد، توانایی،محمدعلی، فرهنگ تشریحی علوم و تکنولوژی الیاف، انتشارات جهاد دانشگاهی صنعتی امیرکبیر، چاپ اول، تابستان 1384.

[4] Jawaid,M., Abdul Khalil,H.P.S., “Cellulosic/synthetic fibre reinforced polymer hybrid composites: A review”, Carbohydrate Polymers, Volume 86, Issue 1, p 1-18, 1 August 2011.

[5] Ochola,R.O., Marcus,K., Nurick,G.N., Franz,T., “Mechanical behavior of glass and carbon fibre reinforced composites at varying strain rates”, Composite Structures, Volume 63, Issues 3-4, p 455-467, February-March 2004.

[6] Ramakrishna, S., Huang, Z-M., V Kumar, G., WBatchelor, A., Mayer, J., “An Introduction to Biocomposites”, Imperical College Press, Cambridge, England, 2004.

[7] محمدی،حسین، تحلیل و بررسی شیمی و فیزیک الیاف، انتشارات فیزیک‌دانان جوان، چاپ اول، پاییز 1384.

[8] La Mantia,F.P., Morreale,M., “Green composites: A brief review”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 42, Issue 6, p 579-588, June 2011.

[9] Abdul Khalil,H.P.S., Bhat,A.H., IreanaYusra,A.F., “Green composites from sustainable cellulose nanofibrils: A review”, Carbohydrate Polymers, In Press, Corrected Proof, Available online 31 August 2011.

[10] Campilho, R.D.S.G., “Natural fiber composites”, Taylor & Francis Group, Abingdon,England, 2016.

[11] Bledzki,A.K., Gassan,J., “Composites reinforced with cellulose based fibres”, Progress in Polymer Science, Volume 24, Issue 2, p 221-274, May 1999.

[12] Ku,H., Wang,H., Pattarachaiyakoop,N., Trada,M., “A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites”, Composites Part B: Engineering, Volume 42, Issue 4, p 856-873, June 2011.

[13] Satyanarayana,K.G., Sukumaran,K., Kulkarni,A.G., Pillai,S.G.K., Rohatgi,P.K., “Fabrication and properties of natural fibre-reinforced polyester composites”, Composites, Volume 17, Issue 4, p 329-333,October 1986.

[14] Ratna Prasad,A.V., Mohana Rao,K., “Mechanical properties of natural fibre reinforced polyester composites: Jowar, sisal and bamboo”, Materials & Design, Volume 32, Issues 8-9, p 4658-4663,September 2011.

اشتراک رایگان سالانه مجله کهن

جهت دریافت اشتراک رایگان سالانه مجله نساجی و فرش ماشینی کهن در فرم زیر ثبت نام کنید

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

دکمه بازگشت به بالا