کامپوزیت های پیشرفته

پلی وینیل کلراید (PVC)

پلی وینیل کلراید (PVC) یکی از متداول ترین انواع پلاستیک های خانواده ی وینیل است. PVC یک ماده با گستره ی مدول، صلبیت و انعطاف پذیری گسترده است. یکی از مزیت های اصلی این ماده، روشی است که این ماده اجزای ترکیبی را می پذیرد. برای مثال، PVC می تواند با استفاده از انواع مختلف نرم کننده ها مخلوط شده و به صورت محصولی نرم در آید. در این حالت ماده ی حاصله بسیار نرم و انعطاف پذیر است. بدون پلاستیسایزر، PVC سخت و صلب است و می تواند ماشین کاری شود. در این حالت، مقاومت در برابر اسید، الکل، مواد قلیایی، روغن ها، و بسیاری از هیدروکربن ها، بالاست. این ماده در گستره ی اشکال و رنگ های مختلف، موجود می باشد. استفاده های نمونه وار از این ماده شامل قطعات اکسترودری، سیم ها، عایق های کابلی و انواع اشکال فومی شکل، می باشد. این ماده همچنین به صورت فیلم های انعطاف پذیر و صفحه نیز موجود می باشد. PVC و کوپلیمرهای استاتی، می توانند با استفاده از محلول های حاوی حلال های کتونی، به هم متصل شوند. متیل اتیل کتون یکی از متداول ترین حلال های مورد استفاده در روش تثبیت حلال برای کوپلیمرهای پلی وینیل کلرید با وزن مولکولی پایین و متوسط است. کوپلیمرهای با وزن مولکولی بالا نیازمند سیکلوهگزان یا تتراهیدروفوران به عنوان حلال در روش تثبیت حلال می باشند. فرمولاسیون های زیر برای اتصال دهی PVC انعطاف پذیر به خودش، استفاده می شود.
این مواد همچنین برای PVC صلب نیز استفاده می شود.
مهاجرت پلاستیسایزر از مواد وینیلی به خط اتصال می تواند منجر به تخریب استحکام اتصال گردد. چسب ها باید از لحاظ قابلیت مقاومت در برابر پلاستیسایزر، مورد ارزیابی قرار گیرند. PVC می تواند با انواع مختلفی از پلاستیسایزرها، مورد استفاده قرار گیرند. یک چسب مناسب برای یک فرمولاسیون PVC معین، ممکن نیست با فرمولاسیون PVC دیگر، همخوانی داشته باشد. چسب های رابر نیتریلی مقاومت بالایی در برابر پلاستیسایرز دارند و اغلب یک چسب ترجیح داده شده برای اتصال دهی قطعات PVC است. یک مقایسه بر روی کارایی چندین اتصال PVC ایجاد شده با چسب، در جدول 1 آورده شده است.  

کامپوزیت ها

کامپوزیت های ساختاری مدرن مخلوطی از دو یا چند ماده است. یکی از این اجزا، عموماً از الیاف تقویت کننده (پلیمری یا سرامیکی) تشکیل شده است. جزء دیگر در حقیقت از بایندر رزینی و یا زمینه ای تشکیل شده است که طبیعت پلیمری دارد. الیاف در واقع نسبت به زمینه مستحکم تر است.
این کامپوزیت ها عموماً ارتوروپیک هستند (دارای خواص مختلف در دو جهت مختلف می باشند). وقتی الیاف و تقویت کننده به صورت کامپوزیت در می آید، این مواد هم موجودیت منفرد و هم خواص نهایی خود را حفظ می کنند. کامپوزیت منتج شده از لایه هایی از الیاف و زمینه ی چسبنده تشکیل شده است. بدین وسیله، خواص مناسبی در یک یا چند جهت ایجاد می شود. الیاف تقویت کننده می توانند به صورت پیوسته و یا کوتاه باشند. الیاف تقویت کننده ی متداول برای این کامپوزیت ها، عبارتند از:
• شیشه
• پلی استر
• گرافیت
• آرامیدها
• بور
• سیلیکون کاربید
• سیلیکون نیترید، سیلیکا، آلومینا، و آلومینا- سیلیکا
کامپوزیت های الیاف شیشه متداول ترین نوع از این کامپوزیت هاست. به هر حال، تقویت کننده های گرافیتی، آرامیدی و سایر تقویت کننده ها، کاربردهایی را در هوافضا پیدا کرده اند و از آنها همچنین در تولید ادوات ماهیگیری، راکت ها تنش و چوب گلف، استفاده می شود.
زمینه ی رزینی می توانند همچنین از نوع ترموست و یا ترموپلاست باشند. رزین های ترموست مانند اپوکسی ها، پلی ایمیدها، پلی استر، فنولیک ها و ... در کاربردهایی استفاده می شوند که خواص فیزیکی و مقاومت در برابر عوامل محیطی، مهم باشد. پلی کامپوزیت های پلی استر و اپوکسی بخش عمده ی بازار کامپوزیت های ترموست را به خود اختصاص داده اند. از بین این دو کامپوزیت، پلیی استرها، بیشتر استفاده می شوند. کامپوزیت های تقویت شده با الیاف شیشه، فایبرگلاس (FRP) نامیده می شوند. فایبرگلاس ها بوسیله ی روش های لایه به لایه و اسپری و یا قالب گیری فشاری، تولید می شوند. کامپوزیت های با زمینه ی ترموپلاست عموماً در جاهایی استفاده می شود که حجم تولید بالا باشد و ملاحظات مربوط به هزینه ها، مهم باشد (مثلا صنعت اتومبیل و پانل های دکوراسیونی). کامپوزیت های بر پایه ی رزین ترموپلاست، می توانند از پلی ایمید، پلی اتر سولفون و پلی اتر اتر کتون تشکیل شده باشند و یا از پلیمرهای ارزان قیمت تر مانند نایلون، استال و پلی کربنات تشکیل شوند. در عمل، تمام ترموپلاست ها، در گریدهای تقویت شده با الیاف، مورد استفاده قرار می گیرند.
کامپوزیت های تقویت شده با رزین معمولاً به عنوان کامپوزیت های متداول و پیشرفته، شناخته می شوند. کامپوزیت های متداول معمولاً حاوی الیاف شیشه و یا الیاف معدنی می باشند و برخی اوقات در آنها از الیاف کربن نیز استفاده می شود. این الیاف به صورت رندوم جهت دهی شده اند. کامپوزیت های متداول معمولاً به صورت اشکال صفحه ای، میله ای و تیوبی، تولید می شوند. روش های بسیاری برای فرآوری این کامپوزیت ها، وجود دارد. این کامپوزیت ها می توانند با روش بافت، لایه به لایه، اسپری الیاف بریده، روش قالب گیری انتقال رزین و کش رانی، تولید می شوند.
کامپوزیت های پیشرفته در حقیقت کامپوزیت هایی هستند که اغلب در کاربردهای خاص استفاده می شوند؛ مثلا در ساخت بدنه ی هواپیما. این کامپوزیت ها دارای خواص فوق العاده ای نسبت به کامپوزیت های معمولی هستند. این مواد اغلب از رزین ها و الیاف با کارایی بالا تولید می شوند. ساخت و جهت گیری این الیاف به گونه ای انجام می شود که الزامات مربوط به طراحی، در نظر گرفته شود. ساختارهای کامپوزیتی پیشرفته معمولاً در اشکال خاص ساخته می شوند. یک کامپوزیت پیشرفته می تواند به نحوی طراحی شود که وابستگی جهتی استحکام و سفتی، تطبیق شود و بتوان بر بارهای محیطی، غلبه کرد.
کامپوزیت های ترموست بوسیله ی اتصال دهی با چسب و یا اتصال های مکانیکی، به هم متصل می شوند. کامپوزیت های ترموپلاست را می توان با استفاده از روش های جوشکاری گرمایی، چسب، یا اتصال مکانیکی به هم متصل کرد. این کامپوزیت ها همچنین می تواند با ترکیب اتصال مکانیکی و چسب به هم اتصال یابند. بسیاری از تولیدکننده ها نسبت به استفاده از چسب در کاربردهایی که اتصال ها تحت تنش های بزرگ قرار می گیرند، سوء ظن دارند. اتصال های مکانیکی باید به اندازه ای بزرگ باشند که از جدا شدن و از بین رفتن اتصال، جلوگیری شود. اتصال دهی مواد کامپوزیتی مشکلات خاصی را دارد که این مشکلات در مورد سایر مواد مشاهده نمی شود.

اتصال دهی کامپوزیت ها با چسب ها

در اتصال دهی کامپوزیت ها، چسب ها دارای مزیت ها و محدودیت های خاص خود می باشند. این مسائل در جدول 2 آورده شده است. یک مزیت قابل توجه این است که اتصال دهی با چسب ها، نیازمند این نیستند که کامپوزیت را سوراخ کاری و یا ماشین کاری کرد. این فرایندها موجب بریده شدن الیاف تقویت کننده می شود و بدین صورت خواص کامپوزیت افت می کند. یک لبه ی برشی همچنین موجب می شود تا رطوبت و سایر مواد شیمیایی وارد کامپوزیت شود و موجب تضعیف خواص کامپوزیت شود.
بیشتر چیزی که ما در مورد اتصال دهی مواد کامپوزیتی می دانیم، در حقیقت از طریق آزمایش های انجام شده در صنعت هوایی بدست آمده است. مطالعه های اولیه بر روی چسب ها، آماده سازی سطحی، آماده سازی نمونه ی آزمایش و طراحی اتصال ها، که در برنامه ی PABST انجام شده است، اعتبار مربوط به جنبه های مختلفی از اتصال دهی در هواپیماها را ایجاد کرده است و روش های قابل قبولی برای انتقال بار میان کامپوزیت ها و فلزات و سایر اجزا، ارائه کرده است. F-18 Hornet یک مثال های جالب توجه در زمینه ی اتصال دهی با چسب می باشد. باله های هواپیما به بدنه چسب شداست. شکل 1 نشاندهنده ی دیاگرامی از اتصال باله ها می باشد: کامپوزیت های الیاف کربن در این تصویر قابل مشاهده است.
این پیکربندی بار را به صورت تدریجی کاهش می دهد.

انواع چسب های مورد استفاده برای کامپوزیت ها

چسب هایی که نتایج مناسبی در اتصال زمینه ی رزینی ایجاد می کند، ممکن است در اتصال دهی کامپوزیت حاوی این رزین نیز مناسب می باشد. سه چسب اغلب برای اتصال دهی کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند. این چسب ها، عبارتند از: اپوکسی ها، اکریلیک ها و یوریتان ها. چسب های پلی استری اغلب برای کامپوزیت های بر پایه ی پلی استر، استفاده می شود. جدول 3 توصیف کننده ی چسب های تجاری موجود می باشد که برای اتصال دهی قطعات کامپوزیتی، به خدمت گرفته می شوند. تولیدکننده ها همواره در حال کار بر روی بهبود خواص چسب ها می باشند.
اپوکسی ها در زمانی استفاده می شوند که بخواهیم کامپوزیت های بر پایه ی اپوکسی تولید کنیم زیرا این مواد از لحاظ شیمیایی قرابت دارند و خواص فیزیکی خوبی دارند. چسب های عمل آوری شده در دمای اتاق، اغلب برای اتصال دهی کامپوزیت های ساختاری بزرگ استفاده می شود. با استفاده از این بخش ها، نمی خواهیم از ابزارهای اتصال دهی گران قیمت و همچنین ادوات عمل آوری در دماهای بالا، استفاده کنیم. به هر حال، اپوکسی های عمل آوری شده در دمای اتاق، نیازمند زمان های عمل آوری طولانی تر هستند، بنابراین، آنها برای تولید سریع قطعات، مناسب نمی باشد. برخی از مواد کامپوزیتی دما پایین تر به حرارت مورد نیاز برای عمل اوری بسیاری از اپوکسی ها، حساس می باشند. اپوکسی ها بسیار سخت و ترد هستند و نمی توان از آنها برای اتصال دهی کامپوزیت های انعطاف پذیر، استفاده کرد.
چسب های پلی یوریتانی همچنین برای اتصال دهی مواد کامپوزیتی استفاده می شوند. این مواد برای اتصال دهی کامپوزیت های انعطاف پذیر، مناسب می باشند زیرا پلی یوریتان ها اتصال های انعطاف پذیری ایجاد می کنند. این مواد به سرعت در دمای اتاق عمل آوری می شوند. در حقیقت، فرمولاسیون های خاص از این مواد به سرعت بیشتری عمل آوری می شوند ولی این فرایندها نیز نیازمند مخلوط سازی، اندازه گیری و ادوات خاص می باشد. هزینه ی یک چنین ادواتی نمی تواند به گونه ای است که نمی توان از آنها در کاربردهای ارزان قیمت استفاده کرد. چسب های یوریتانی پیش و پس از عمل آوری، نسبت به رطوبت حساس می باشد.
چسب های آکریلیکی ترموست همچنین برای اتصال دهی کامپوزیت ها، استفاده می شوند اما این چسب ها، اندکی صلب هستند. اکریلیک ها به سرعت در دمای اتاق، عمل اوری می شوند. این چسب ها بر روی زیرلایه های بدون عمل آوری نیز می چسبند و نیاز به ادوات مخلوط سازی و اندازه گیری اندکی هستند. این چسب ها عمر استفاده ی طولانی دارند. به هر حال، اکریلیک ها از خود مونومرهای بوداری ساتع می کنند که آتش گیر هستند. این مواد ددر دماهای پایین، مقاومت به ضربه ی پایینی دارند و ممکن است در داخل آنها تنش هایی ایجاد شود. این تنش ها به دلیل شرینکیج بالا در زمان عمل آوری، ایجاد می شود.
چسب های ساختاری که به طور متداول برای کامپوزیت ها استفاده می شوند، دو دو شکل هستند. یکی فیلم های نیمه جامد حالت B و دیگری خمیرهای تیکسوتروپ. چسب های لایه ای ریخته گری می شوند و بر روی پارچه های حامل اکسترود می شوند. این مواد می توانند به سهولت عمل آوری شوند و در ناحیه ی اتصال اعمال شوند. نیازی به مخلوط سازی، اندازه گیری و یا پراکنده سازی جزء مایع در این چسب ها، وجود ندارد. فیلم های نیمه جامد حالت B با اعمال حرارت، به طور اندکی مایع می شوند و سپس به حالت غیر محلول در می آیند. چسب های اپوکسی ، پلی ایمیدی، اپوکسی- نایلونی، اپوکسی- فنولیکی و نیتریل- فنولیکی به صورت فیلم های حالت B موجود می باشد.
چسب های خمیری نیز به صورت سیستم های چسب تک جزئی و دو جزئی، موجود می باشند. این مواد در کاربردهایی استفاده می شود که فشار نمی تواند اعمال شود. برخی از خمیرهای دو جزئی بعد از مخلوط سازی با مواد مناسب، در دمای اتاق، عمل آوری می شوند. چسب های اپوکسی، یوریتانی و اکریلیکی به صورت چسب های خمیری موجود می باشند.
چسب های غیر ساختاری که به طور متداول برای اتصال دهی کامپوزیت ها، استفاده می شوند، عبارتند از چسب های بر پایه ی رابر و یا چسب های ذوبی. چسب های بر پایه ی رابر عموماً در جاهایی استفاده می شود که استحکام برشی بالا مورد نیاز نباشد. البته این چسب ها، مقاومت به پوسته ای شدن بالایی دارند. عموماً این چسب هابه صورت محلول و در حالت چسب های تماسی، موجود می باشند. این چسب ها پیش از اتصال دهی، بر روی هر دو زیرلایه پوشش داده می شود. در این حالت اجازه داده می شود تا چسب ها خشک شود و به صورت چسبنده در آید. سپس این قطعات به دقت بر روی هم جفت می شود. این چسب ها در صنایع با نرخ تولید بالا مانند صنعت مبلمان مورد استفاده قرار می گیرد. یک گستره ی وسیع از فرایندهای کاربردی با استفاده از این چسب ها، مقدور می باشد زیرا چسب های ذوبی به صورت پودر، گرانول و یا توده ای موجود می باشند.

منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie