بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از الیاف در کامپوزیتها با پایههای پلیمری مختلف به دلیل ویژگیهای خاص این مواد در حال گسترش است. الیافهای متنوعی تا به حال در این مطالعات مورد استفاده قرار گرفتهاند که از کاربردیترین الیافها میتوان به الیافهای شیشه و کربن اشاره کرد, به دلیل خواص فیزیکی مناسب و در دسترس بودن, در این مطالعه نیز از این دو الیاف استفاده شده است.الیافها در زمینههای پلیمری مختلفی مورد استفاده قرار گرفتهاند که در این خصوص میتوان از رزینهای پلی استر و اپوکسی نام برد. استفاده از الیاف در زمینههای لاستیکی به دلیل رفتار منحصر به فرد این دست پلیمرها کمتر مورد مطالعه قرار گرفتهاند.
موانع اصلی که در این دست کامپوزیتها به چشم میخورد چسبندگی ضعیف الیاف به زمینه پلیمری و شکست الیاف هنگام ترکیب با لاستیک است. بدین منظور در این مطالعه از لاستیک طبیعی - NR - به عنوان زمینهی پلیمری استفاده شده است. جهت جلوگیری از شکست الیاف و افزایش چسبندگی الیاف به زمینهی پلیمری در این مطالعه راهکارهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است که نهایتا استفاده از رزین کومارون به عنوان افزودنی در پایه پلیمر و همچنین استفاده از شرایط خاص و جدیدی که جهت ترکیب الیاف و زمینه پلیمری طراحی شده است منجر به نتایج قابل قبولی شده است.
علاوه بر پایه پلیمر و نوع الیاف, طول و درصد وزنی الیاف سایر متغیرهای این مطالعه را تشکیل میدهند و تاثیر هر یک از متغیرها بر روی استحکام کششی, درصد ازدیاد طول, برگشت پذیری, مانایی فشاری, ترک پیچشی قابل تحمل و زمان پخت نمونهها مورد بررسی قرار گرفته است.در این مطالعه مشاهده شد که درصدهای پایین الیاف سبب بهبود شرایط در آزمونهای مانایی فشار و برگشت پذیری میشود, افزایش زمان پخت نمونهها و کاهش ترک پیچشی قابل تحمل در نمونهها با افزایش میزان الیاف در نمونه مشاهده میشود. همچنین افزودن الیاف کربن به نمونه سبب افزایش استحکام کششی میشود, درصدهای پایین الیاف کربن سبب افزایش درصد ازدیاد طول در نمونه میشود و میتوان تاثیر مثبت افزودن الیاف به روش جدید را به وضوح مشاهده کرد.
واژگان کلیدی: کامپوزیت، NR، الیاف کربن، الیاف شیشه
-1مقدمه
لاستیکها دستهی خاصی از پلیمرها هستند که دارای خواص ویژهای از جمله الاستیسیتهی بالا، انعطاف پذیری بالا، درصد ازدیاد طول مناسب و ... هستند. این امر سبب شده تا لاستیکها در دامنهی وسیعی از قطعات مانند تایرها، شلنگها، نوار نقاله، آبندهای مکانیکی و بسیاری از تجهیزات پیشرفته مکانیکی مورد استفاده قرار گیرند.با توجه به وسعت قطعات لاستیکی استفاده شده در صنایع مختلف از نظر وزن، ابعاد و خواص مکانیکی و شیمیایی و با در نظر گرفتن رفتار منحصر بفرد این نوع پلیمر، رسیدن به محصولی با خواص مناسب با توجه به شرایط کارکرد از اهمیت خاصی برخوردار است.
بسیاری از خواص مکانیکی لاستیک ها با یکدیگر رابطه ی عکس دارند و با بهبود یکی از خواص مکانیکی خاصیت دیگری را از دست میدهیم؛ به عنوان مثال معمولا با افزایش استحکام کششی لاستیک درصد ازدیاد طول این ماده کاهش مییابد، حتی لاستیکهای مقاوم به مواد شیمیایی مانند EPDM، NBR، NEOPRENE نسبت به لاستیک های طبیعی - NR - از خواص مکانیکی به مراتب پایینتری برخوردار هستند و یا در صورت داشتن خواص مکانیکی مناسب قیمت بسیار بالایی دارند، این مشکل را میتوان به وسیلهی تقویت لاستیکها اصلاح کرد. تقویت کردن در اغلب موارد به وسیلهی تقویت کنندههایی مانند دوده و سایر افزودنیها به لاستیک خام اولیه صورت میگیرد، در صورتی که الاستومر هنوز هم به تقویت بیشتری نیاز داشته باشد میتوان از الیافها کمک گرفت، شاید شناخته شدهترین قطعات تقویت شده به این روش تایر اتومبیل، کمربندها و شلنگها باشند.
این ترکیب - الیاف و الاستومر - نوعی کامپوزیت به حساب میآید. کامپوزیتها به عنوان دسته شناخته شدهای از مواد هستند که تحقیقات بسیاری در جنبههای مختلف در مورد آنها صورت گرفته است اما هنوز به صورت جامع به کامپوزیتهای با زمینه لاستیک پرداخته نشده است و این مواد مانند رزینهای اپوکسی یا پلی استر مورد مقایسه و تحقیق قرار نگرفته اند که این امر میتواند دلایل متفاوتی داشته باشد، به عنوان مثال محاسبه دشوار مدول یانگ لاستیکها در مقایسه با رزینها و یا رفتار خاص این دست پلیمرها در تست کشش و همچنین شرایط ویژه پخت لاستیک و ترکیب شدن لاستیک و الیاف از نظر چسبندگی بررسی این کامپوزیتها را دشوار میکند.
رسیدن به محصول مناسب با این روش مستلزم مطالعات و آزمایشات زیادی میباشد که باید کلیهی ابعاد و پارامترهای مرتبط با محصول را پوشش دهد و تاثیر هر یک از متغیرها بر خواص محصول را بررسی کند. از جمله پارامترهای تاثیر گذار میتوان به نوع الیاف، طول الیاف و درصد وزنی الیاف ترکیب شده با لاستیک اشاره کرد.تقویت به وسیله الیاف به بهبود استحکام ماده و در بعضی موارد به افزایش چقرمگی کمک میکند، همچنین سبب ثبات ابعادی در قطعه میشود و از دفرمگی قطعه جلوگیری میکند، از دیگر مزایای این روش میتوان به افزایش مقاومت در برابر خزش اشاره کرد و در نهایت میتوان به بهبود رسانایی با استفاده از الیافهای رسانا در بعضی کاربردهای خاص اشاره کرد - S. Varghese,1994 -
لازم به ذکر است در این کامپوزیتها زمینه لاستیکی نه تنها به عنوان یک چسب محافظ بلکه به عنوان انتقال دهنده تنش به الیاف عمل میکند - - L. A. Goettler,1986استفاده از الیاف نایلون 66 در پایه پلیمر NBR در درصدهای وزنی مختلف کاهش زمان پخت و برگشت پذیری را با افزایش درصد الیاف نشان میدهد، افزایش استحکام کششی از 5 - MPa - به 20 - MPa - با افزایش درصد وزنی الیاف از 0 به 20 درصد در کامپوزیت و کاهش درصد ازدیاد طول از 500 درصد به نزدیک 150 درصد با همان افزایش میزان الیاف از دیگر نتایج این مطالعه بوده است. افزودن الیاف نایلون 66 به NBR با افزایش مانایی فشار و سختی و همچنین کاهش برگشت پذیری کامپوزیت همراه بوده است . - S.Mohseniyan,2010 -
الیاف کربن را میتوان به عنوان بهترین تقویت کننده در کامپوزیتها نام برد. با توجه به قیمت بالای این الیاف استفاده از الیاف کربن بازیافت شده در کامپوزیتهای با زمینه پلیمر در مطلعات مختلفی به چشم میخورد. پس از تمیز کردن الیاف بازیافتی با نیتریک اسید الیاف و پلیمر به وسیله اکسترودر در درصدهای مختلفی از الیاف ترکیب میشوند که این امر سبب افزایش استحکام کششی، انعطاف پذیری، رسانایی حرارتی، بهبود مقاومت در برابر آب، افزایش تافنس، افزایش مقاومت در برابر ضربه و بهبود مقاومت در برابر خزش میشود. با افزایش درصد الیاف در کامپوزیت اکثر خواص مکانیکی ذکر شده افزایش مییابند، به عنوان مثال با افزایش میزان الیاف تا 25 درصد استحکام کششی از کمتر از 50 - MPa - به 150 - MPa - خواهد رسید.
همچنین با افزایش میزان الیاف تا 15 درصد شاهد بهبود مقاومت در برابر ضربه در کامپوزیت خواهیم بود که افزایش بیشتر الیاف - بالاتر از 15 درصد - مقاومت کامپوزیت در برابر ضربه دچار افت خواهد شد - - Chen,2013استفاده از الیاف کربن جهت تقویت الاستومرها روشهای متعددی دارد، یکی از این روشها لایه گذاری دستی میباشد. استفاده از لایههای الیاف کربن جهت تقویت لایههای لاستیک نئوپرن یکی از مطالعات انجام شده در این زمینه میباشد، در این مطالعه از 5 لایه الیاف کربن به ضخامت 1 میلی متر و 4 لایه لاستیک نئوپرن به ضخانت 5 میلی متر استفاده شده است، لایههای الیاف بین لایههای لاستیک در زوایای 0، 45 و 90 درجه قرار گرفتند و برای ایجاد چسبندگی از رزین اپوکسی بر روی سطح الیاف استفاده شده است.
استحکام کششی نمونه به 32,77 - MPa - رسیده است، این در حالتی است که استحکام کششی نئوپرن استفاده شده در این مطالعه 8,2 - MPa - است. این افزایش 4 برابری استحکام کششی نتیجه مطلوبی به نظر میرسد البته در این روش یکی از مهمترین خواص قطعات لاستیکی یعنی خاصیت الاستیک از بین رفته است - Kueseng,2013 - استفاده از الیاف کربن و شیشه در قطعات لاستیکی در حال گسترش است و در عین حال مشکلات زیادی در استفاده از این کامپوزیت در قطعات صنعتی وجود دارد. یکی از بزرگترین مشکلات در این دست کامپوزیتها احتمال شکست الیاف در هنگام ترکیب است که رفع این مشکل میتواند کمک زیادی به افزایش خواص مکانیکی این کامپوزیتها بکند. همچنین بهبود شرایط چسبندگی بین الیاف و پلیمر دارای اهمیت خاصی است که در این مطالعه سعی در بهبود این امر شده است. طی بررسیهای انجام شده برخی از خواص بسیار مهم قطعات لاستیکی چون مانایی فشاری و برگشت پذیری در این دست
