الیاف شیشه Fiber Glass

اولین فعالیت صنعتی در طی سالهای 1870 میلادی با استفاده از جت بخار و ضایعات سرباره کوره ها برای ساخت پشم معدنی اختراع گردید که بصورت عایق میتوانست مورد استفاده قرار گیرد .
از جمله مهمترین کشورهای بنیانگذار روش فوق ، آلمانیها در سال 1840 و ایرلندیها در سال 1870 میلادی بودند .فعالیتهای انجام شده در سال 1897 به تولید موفقیت آمیز پشم سنگ با استفاده از بخار منجر گردیده و در سال 1929 چند شرکت آمریکایی عایق پشم شیشه را از سنگ یا سرباره تولید نمودند.
تکنولوژی الیاف شیشه مدرن ، در فاصله زمانی بین سالهای 1935 و 1940 بوجود آمد . فرآیند تولید فعلی الیاف شیشه در مقایسه با فرآیندهای ابتدائی، پیشرفتهای چشمگیری داشته است . در حال حاضر این فرآیند، از طریق ذوب مواد اولیه درکوره های مقاومتی با دمای بالا و از طریق تزریق رزینها جهت بالا بردن استحکام و انعطاف پذیری الیاف به شکلهای مختلف پیوسته و غیر پیوسته انجام می پذیرد.

تعریف علمی
بر خلاف سایر مواد پلیمری که از ساختمانی زنجیره ای برخوردارند، شیشه از ساختمان شبکه ای برخوردار میباشد . با وجود این، مقاومت الیاف شیشه ای بسیار زیاد، حدود دو برابر مقاومت و استحکام دیگر الیاف غیر فلزی است . در صورتی که بخواهیم " شیشه " را تعریف کنیم باید گفت : جسم حاصل از ذوب مواد معدنی که به حالت سخت خنک گردیده است بدون آنکه کریستال شده باشد .

ترکیب مواد لازم برای تهیه " الیاف شیشه ای " به قرار زیر است

کاربرد الیاف شیشه بعنوان یک ماده مؤثر مهندسی مبتنی بر 3 خصوصیت مهم است :

الف – قطر کوچک نسبت به اندازه دانه های آنها یا واحد ساختاری ریز . این امر باعث می شود که بخش بیشتری از استحکام نسبت به حالتی که به شکل توده ای است ، بدست آید . این نتیجه مستقیم " اثر اندازه " است، بدین معنا که اندازه کوچکتر موجب نقص کمتر در ماده خواهد شد .

ب – نسبت طول به قطر زیاد (پارامتر L/D). که این امر سبب می شود که بخش عمده اعمال شده از طریق شبکه به الیاف قوی و سخت منتقل گردد.

ج – درجه انعطاف پذیری کاربرد بسیار بالا که مشخصه مدول بالای ماده و قطر کوچک آن است . این انعطاف پذیری کاربرد روشهای مختلف برای ساخت مواد کامپوزیت باالیاف شیشه را امکان پذیر می سازد .

ترکیب مواد لازم برای تهیه " الیاف شیشه ای " به قرار زیر است

-C- Glass شیشه های كلسیم- بروسیلیكات به علت پایداری شیمیایی در محیطهای خورنده اسیدی استفاده می گردند.

-A- Glass شیشه های سودا- آهك- سیلیكات در جایی كاربرد دارند كه مقاومت، ماندگاری و مقاومت الكتریكی خوب E- Glass موردنیاز نمی باشند.

- S- Glass شیشه های منیزیوم- آلومینو سیلیكات كه در لایه های پارجه ای یا در تقویت سازه های كامپوزیتی كاربرد دارند كه نیاز به استحكام بالا و پایداری در دماهای خیلی بالا و مقاومت در برابر اسید حس میشود.

-E- Glass شیشه های آلومینا-كلسیم- بوروسیلیكات با حدأكثر درصد وزنی قلیایی 2% برای مصارف عمومی مقاومت و مقاومت الكتریكی بالا مورد نیاز می باشد.

خصوصیات الیاف شیشه :

1) مقاومت شیمیایی: الیاف شیشه در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مانند اسیدها مقاوم بوده و از بین نمیرود ، همچنین قارچها ، باکتریها، و جانوران موذی نمیتوانند بر آن تأثیر بگذارند .

2) مقاومت در برابر رطوبت: الیاف شیشه رطوبت را جذب نمیکند ، بنابراین نه متورم میشود و نه کش می آید و نه مختط می شوند . این الیاف در محیط های مرطوب نیروی مکانیکی خود را حفظ می کنند .

3) خواص الکتریکی: از آنجائیکه الیاف شیشه عایق هستند برای استفاده در اجزاء الکتریکی ایده آل میباشند و در جاهائیکه دی الکتریکهای قوی و ثابتهای دی الکتریک پایین لازم است ، قابل استفاده می باشد.

4) خواص فیزیکی: در بعضی موارد کاربردی معمولاً ترکیبی از خواص فیزیکی باید مورد استفاده قرارگیرد . برای مثال کامپوزیتهای هوافضایی در جایی استفاده می شوند که استحکام بالا مورد نظر است ، از سوی دیگر در مدارهای چاپی و بردها با ترکیبی از خواص الکتریکی و پایداری بالای الیاف شیشه مورد نیاز است .

5) مقاومت حرارت: یکی دیگر از مزیتهای الیاف شیشه مقاومت حرارتی خوب آنهااست . بدلیل طبیعت غیر آلی خود قابل احتراق نبوده و انبساط حرارتی پایین و هدایت حرارتی بالایی دارند .

6) استحكام كششي: الیاف شیشه استحکام کششی بالاتری نسبت به دیگر الیاف نساجی دارند و الاستیسیته کاملی نیز دارند یعنی ازدیاد طول آنها متناسب با نیروی اعمال شده می باشد و با برداشتن نیرو به حالی اولیه خود بازمیگردند .

1 – مت (MAT) پارچه ای از الیاف بافته شده

یکی از منسوجات بافته از الیاف شیشه می باشد که خود به گروههای مختلفی تقسیم شده و هر کدام کاربرد مخصوصی دارند مانند مت های تولید شده از الیاف ریز ( مورد استفاده در بدنه قایقها و کشتیها و بدنه وسایل نقلیه و مخازن ) ، مت های تولید شده از رشته های پیوسته ( برای قالبگیری فشاری ) ، تیشوی یکنواخت ، مت روکش دار .

2 – تیشو (ROOFING MAT)

این محصول که در اروپا تیشو نامیده میشود از رشته های ریز ریز شده الیاف شیشه و رزینی بنام اوره فرم آلید و رزینهای دیگر تهیه می شود . تیشو را بهمراه تیر برای ایجاد یک پوشش مناسب برای پشت بام منازل یا به همراه P.V.C برای تولید FLOORING FOAMED جهت کف ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرد .

3 – روینگ (ROVING)

روینگها از قرار گرفتن رشته های الیاف شیشه به صورت موازی و کنار هم و بدون تاب ساخته میشوند . روینگ را با توجه به مصارف نهایی آنها تغییر میدهند . از عوامل قابل تغییر در رشته الیاف شیشه می توان ظرافت رشته ها ، تعداد رشته ها، ابعاد و وزن بسته ها را نام برد .

مصارف روینگ :

الف – در قالبگیری باز
ب – قابل بافته شدن و تولید پارچه
ج – برای تولید مواد کامپوزیتی که شکل محدب دارند مانند سیلندرها، قطعات مخروطی
د – تولید لوله
ه – بصورت قطعه قطعه درامده و در قالبگیری فشاری استفاده شود.

4 – مت های ترکیبی (COMBINATION MATS)

کاربرد در انواع ساختمان کشتی و کرجی .

5 – نخهای شیشه ای (YARN)

این نخها بصورت دوکهایی بسته بندی شده ، برای تولید : الف – طناب و ریسمان سنگین جهت آب بندی صنعتی و موتور اتومبیل ب – لاستیک وسایل نقلیه ج - پارجه های کامپوزیت با کیفیت بالا برای بدنه هواپیما – پارچه های ضد آتش و .....

6 – رشته های ریز شده (CHOPPED STRANDS)

موارد کاربرد :

الف – برای تقویت مواد پلاستیکی ترموپلاست
ب – در تهیه خمیر قالبگیری
ج – بجای الیاف آسیاب شده

7 – الیاف آسیاب شده (MILLED FINER)

موارد کاربرد :

الف – برای مصارف الکتریکی
ب – در قالبگیری فشاری جهت تقویت تركیبات شیمیایی گوناگون كه در زیر توضیح داده شده براساس استاندارد ASTM C 162 برای بدست آوردن ویژگی ها و خواص و كاربردهای مختلف ایجاد شده است

تار(filament)		پارچه(woven roving)		الياف كوتاه(chopped strand)
Roving رشته		نمد الیاف کوتاه csm		پارچه Fabric
الیاف کوتاه Choppend Strand		نمد الیاف بلند csm		تیشو

فرآیند های ساخت کامپوزیتها

1) لایه گذاری دستی(Hand Lay up) :

در این روش پس از اعمال ماده رها ساز قالب و پاشش ژل کت برای بدست آمدن یک سطح ظاهری مناسب، الیاف روی قالب قرارگرفته و رزین بطور دستی روی آن اضافه شده و توسط قلم مو پخش و توسط غلطک هواگیری می شود . در این روش امکان آغشته سازی الیاف بارزین قبل از قرار گیری در قالب نیز وجود دارد. براساس طراحی قطعه کامپوزیت، لایه گذاری برای رسیدن به ضخامت مورد نظر ادامه یافته و معمولاً پخت یاسفت شدن رزین در این روش در دمای محیط انجام می شود و در صورت تمایل به تسریع در سفت شدن از انواع کاتالیزورها یا شتابدهنده ها استفاده می شود . معمولاً در این روشها از الیاف شیشه به شکل مت یا پارچه استفاده می شود.

2) پاشش رزین(Spray up) :

در این فرآیند پاشش رزین همراه با خرد شدن الیاف روی قالب صورت می گیرد. این عمل توسط یک اسپریر تفنگی (Spray Gun) که ورودی آن الیاف رووینگ و رزین و کاتالیست ها می باشد، انجام و حبابهای هوا توسط غلطک خارج می گردد. در این روش نیز فرآیند لایه گذاری تارسیدن به میزان طراحی شده انجام و سفت شدن قطعه در دمای محیط و یا با اعمال حرارت انجام می گیرد.

3) کشش الیاف یا پالتروژن(Pultrusion) :

پالتروژن فرآیند پیوسته ای برای تولید انواع مقاطع کامپوزیت است . در این روش الیاف رووینگ از یک حمام حاوی رزین عبور داده شده و سپس وارد یک قالب گرم شده و توسط دستگاه کشش و پس از عبور از قالب به بیرون کشیده می شوند . در این فرآیند امکان تولید مقاطع مشابه پدیده اکستروژن در پلاستیکها وجود دارد.

4) پیچش الیاف (Filament Winding) :

این روش مناسب ترین روش برای تولید قطعات مدور همچون لوله و مخازن استوانه ای است . در این فرآیند بسته به نوع تکنولوژی، الیاف شیشه به شکل رووینگ به همراه مت یا پارچه و یا همراه الیاف خرد شده پس از عبور از حمام رزین حول یک قالب پیچیده و همزمان یا بعد از پایان عملیات، پخت قطعه صورت می گیرد. زاویه قرارگیری الیاف رووینگ، روش اضافه شدن الیاف خرد شده و اعمال عامل مسلح کننده مت یا پارچه بستگی کامل به نوع تکنولوژی کاربردی دارد.

5) روشهای قالب گیری (Molding) :

در این روش که خود شامل روشهای مختلفی چون قالبگیری صفحه ای (SMC) و قالبگیری توده ای (BMC) می باشد ، برعکس روشهای قبل مقوله قرارگیری ماتریس والیاف در محیط بسته قالب صورت می گیرد و لذا از سطح صاف تری برخوردار می باشند.

6 ) روش تزریق رزین (RTM) :

در این فرآیند ابتدا الیاف در یک قالب با دوکفه نر و ماده قرار گرفته و سپس رزین و کاتالیست ها از طریق منافذ موجود، وارد قالب می شود . در این روش هوای محبوس بطرف خروجی حرکت کرده و از آن خارج می شود . در ضمن امکان پخت کنترل شده نیز در این روش وجود دارد.