بخشی از مقاله
چکیده
امروزه کامپوزیتها به عنوان مواد پیشرفته جایگاه خاصی در کاربردهای مختلف صنعتی ایفا می کنند. از خصوصیات عمده این مواد سبکی، نسبت ا ستحکام به وزن بالا، قابلیت ساخت قطعات به شکلهای پیچیده و مقاومت به خوردگی میبا شد. اما با وجود ا ستفاده و سیع این مواد، روشهای ساخت مدرن تر شامل روشهای قالب ب سته در ایران کمتر مورد توجه قرار گرفته ا ست. در این تحقیق سعی شده ا ست ضمن معرفی سه روش ساخت لایه چینی د ستی، کی سه خلاء و تزریق در خلاء، مزیتهای م شهود اولیه روش قالب ب سته مانند جلوگیری از انت شار گازهای سمی، ایجاد قطعات با دقت ابعادی و کیفیت سطوح بالا، تولید قطعات با یکنواختی توزیع الیاف و رزین و همچنین امکان ساخت قطعات پیچیده ارایه گردد. در بعد علمی نیز نمونههای ا ستاندارد بر پایه سه روش فوق ساخته شد و تحت آزمونهای ک شش و خمش سه نقطهای قرار گرفت.
م شاهده شد که روش ساخت تزریق در خلاء می تواند سبب ارتقای قابل ملاحظه خواص مکانیکی گردد. دلیل عمده این امر افزایش در صد حجمی الیاف ن سبت به رزین در این روش میبا شد. در این تحقیق جهت بهتر ن شان دادن قابلیت این روش ساخت، از رزین ونیلا ستر ا ستفاده شد که به لحاظ زمان ژل شدن و همچنین لزجت بی شترین م شکل را ن سبت به رزینهای ترمو ست اپوک سی و پلیا ستر ایجاد می کند. از الیاف شی شه نیز با توجه به کاربرد وسیع تر آن بهره گرفته شد. دستیابی به فناوری ساخت این نوع کامپوزیت به روش تزریق در خلاء برای اولین مرتبه در ایران با کسر حجمی بالای الیاف از دیگر دستاوردهای مهم این پژوهش میباشد که میتواند در جهت ارتقای صنعت داخلی در کاربردهای مربوطه مورد توجه قرار گیرد.
کلمات کلیدی: کامپوزیت ونیلاستر/الیاف شیشه، خواص مکانیکی، لایه چینی دستی، کیسه خلاء، تزریق در خلاء.
مقدمه
روشهای زیادی برای ساخت کامپوزیتها وجود دارد که در تقسیمبندی به شیوه قالب باز و بسته برخی از این روشها عبارتند از: لایه چینی د ستی، روش انتقال رزین، روش کی سه خلأ و روش تزریق در خلأ. روش انتقال رزین برای قطعات کوچک ب سیار منا سب عمل میکند در حالی که برای قطعات بزرگ مشکل ساخت قالب به وجود می آید که روش تزریق رزین در خلاء به علت استفاده از کیسه پلاستیکی به راحتی این مشکل را حل کرده است. بنابراین در ساخت قطعات بزرگ همواره از این روش میتوان استفاده کرد .[1] بیشتر تولیدات کامپوزیتی از طریق روش لایه چینی دستی است که به روشهای سنتی قالب باز نیز معروف هستند.
روش های لایه گذاری دستی و رزین پاشی جزء روشهای سنتی ساخت کامپوزیت میباشند. در این روشها به دلیل مصرف بالای رزین، آلودگیهای ایجاد شده از طریق تبخیر رزین بالا بوده و همین امر موجب آلودگی محیط کارگاه و به خطر افتادن سلامتی کارگران می شود. همچنین م صرف زیاد رزین، در صد وزنی بالای رزین را باعث شده و درنتیجه ا ستحکام نهایی مح صول پایین می آید. به همین دلیل روشهای قالب ب سته پی شنهاد و طراحی شد تا به م شکلات و نواقص موجود در روشهای سنتی پایان دهد .[2] روش تزریق به کمک خلأ به دلیل داشتن ویژگیهایی از قبیل کم هزینه بودن، تسریع در تولید، تولید محصول با کیفیت بالا، قابل پیش بینی بودن فرآیند و... در ساخت کامپوزیت، در سالهای اخیر مورد توجه پژوهشگران و صنعتگران قرار گرفته است.
این فرآیند از دو مرحله کلی تشکیل شده ا ست. اولین مرحله، ساخت قالب و انجام چیدمان منا سب الیاف سپس تزریق رزین به داخل قالب ا ست. پس از آماده کردن قالب و قرار دادن الیاف و تجهیزات جانبی تزریق و اعمال خلأ در داخل قالب، رزین تحت شرایط مشخص به داخل مجموعه تزریق می گردد. در این مرحله نکته حائز اهمیت توجه به نقاط خلأ و تزریق است. تا در پایان رزین به صورت یکنواخت در الیاف توزیع گردد. پس از مرحله تزریق و با پایان یافتن آن فرآیند پخت رزین در داخل قالب آغاز میگردد. تحلیل این فرآیند به دلیل اینکه همزمان باید معادلات خواص حرارتی، شیمیایی و مکانیکی برر سی شود بسیار پیچیده و م شکل ا ست.
به همین منظور شبیه سازی فرآیند پخت رزین در داخل قالب و پی شبینی خواص مح صولات نهایی که باعث تولید قطعات با کیفیت بالا میگردد، بسیار قابل توجه است .[3] سایمینگتون و همکارانش [4] در سال 2008 در مقاله ای به مشکلات این روش و مزایای آن تا حدودی پرداختند و همچنین استحکام مواد ساخته شده در این روش را مورد بررسی قرار دادند. اتاس و همکاران [5] در سال 2011مقای سه ای بین پا سخ ضربه کامپوزیتهای ساخته شده به دو روش یکی با روش لایه چینی د ستی و دیگری با روش تزریق در خلآ انجام داده اند. که از کامپوزیتهای ساخته شده به روش تزریق در خلأ نتایج بهتری را گزارش کردند.
روش تزریق در خلأ در مقایسه با روشهای لایه گذاری دستی، کیسه خلأ، و دیگر روشها از مزایایی چون درصد حجمی بالای الیاف ،استحکام بالاتر، مصرف کمتر رزین، تمیزتر و سالم بودن روش، سبکتر بودن محصول، نسبت استحکام به وزن بالا، نامحدود بودن سایز، زمان نامحدود آماده سازی، توزیع یکنواخت رزین و دیگر مزایا، برخوردار است. این مزیتها باید سرعت حرکت به سمت ساخت سازههای پیچیده از روشهای سنتی به سمت روشهای قالب ب سته همچون تزریق در خلأ را بی شتر کند .[6] توبیاس [7] در مطالعهای دیگر به رفتار کششی و ضربهای کامپوزیتها پرداخته است. زابو و ژیگانی [8] رفتار کششی، خمشی و ضربهای کامپوزیتهای با الیاف کوتاه را مورد بررسی قرار دادند.بر این ا ساس در این پژوهش سعی شده ا ست ن سبت به معرفی قابلیتهای روش ساخت تزریق در خلاء به لحاظ بعد ساخت و همچنین ارتقای خواص مکانیکی بر مبنای طراحی آزمونهای استاندارد کشش و خمش اقدام گردد.
جنس زمینه و الیاف
الیاف مورد ا ستفاده در این پژوهش ساخت شرکت میتکس ک شور ترکیه می با شد. مطابق شکل 1 الیاف از نوع سه جهته و سه بعدی، از جنس شیشه نوع E و نسبت تراکم به وزن 835 گرم بر مترمکعب میباشد.زمینه - ماتریس - مورد ا ستفاده از نوع ونیلا ستر ساخت شرکت فراپل جم ایران میبا شد. مهمترین اجزا برای پخت ونیلا ستر در دمای محیط، متیل اتیل کتون پراکساید و نفتنات یا اکتات کبال ت است. از کاتالیزور متیل اتیل کت ون پراکس اید ب ه می زان 1 درص د وزنی و از شتاب دهنده نفتنات کبالت یک درصد، به میزان 1/1 درص د وزنی اس تفاده شد . از محل ول % 10 دیمتیل آنیلین نیز به عنوان شتاب دهنده کمکی، به ویژه در زمانی ک ه دم ای مح یط پ ایین است و یا قطعه از ضخامت کمی برخوردار است، به میزان 0/6 درصد وزنی استفاده گردید.
باید به این نکته توجه دا شت که با ن سبتهای فوق، دمای محیط نباید کمتر از 15 درجه سانتیگراد با شد. برای پخت مجدد رزین ونیلا ستر جهت کاهش منومر ا ستایرن باقیمانده و افزایش خواص مکانیکی میتوان این رزین را به مدت 2 ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد و پس از آن به مدت یک ساعت در دمای 120 درجه سانتیگراد قرار داد. زمان ژل شدن رزین ونیلا ستر برای در صدهای م شخص شده از کاتالیزور و شتاب دهنده بین 10 تا 30 دقیقه میباشد. البته این زمان به شدت با دمای محیط تغییر میکند.
روش ساخت لایهچینی دستی
در این تحقیق سه نوع روش ساخت جهت تولید نمونههای کامپوزیتی ونیلاستر/الیاف شیشه به منظور مقایسه قابلیتهای این روشها به کار گرفته شده است. در زیر به اختصار به این سه روش اشاره میگردد.روش لایه گذاری دستی ساده ترین و اصلی ترین روش تولید قطعات کامپوزیتی است. این روش در ابتدا برای تولید تعداد قطعات کم طراحی شد، اما اینک برای تولید انبوه نیز به کار میرود. اگر چه توسعه فرآیند تزریق رزین در خلاء، باعث تولید سریع تر قطعات بزرگ شده است، اما لایه گذاری دس تی مناس ب ت رین فرآیند تولید قطعات کامپوزیتی میباشد. روش لایه گذاری دستی از مراحل مختلفی تشکیل شده است که این مراحل شامل واکس زدن سطح قالب، اعمال فیلم جداکننده، اعمال لایه ژلی، اعمال رزین و قراردادن لایهها به میزان مورد نیاز و در صورت نیازاعمال لایه محافظ میباشد.
دو مرحله اولیه واکس زدن و اعمال فیلم جهت نچسبیدن قطعه به قالب و راحت جدا شدن آن انجام میگردد. به تفکیک دربارهی وسایل و ابزار مورد نیاز این روش اشاره میگردد.جهت لایه گذاری، بهتر است الیاف را قب ل از آن در ابع اد مورد نظر بریده و آماده نمود. مقدار رزین لازم را با وزن کردن دقی ق آن م یت وان مش خص کرد. لایه ای یکنواخت از رزی ن روی لای ه واکس اعم ال م یش ود و س پس الی اف روی آن خوابانده شده و به کمک غلطک دستی، الیاف فشار داده میشوند. رزین بالا آمده و الیاف را آغشته میکند. در این حالت الیاف سوزنی حالت پارچهای خودرا از دست میدهند.
تا قبل از آغشته شدن کامل الیاف به رزین، نباید رزین دیگری به آن اضافه کرد زیرا این امر ممکن است سبب حبس حبابهای هوا بین لایه واکس و لایه اول ش ود. برای لایههای بعدی نیز به همین صورت عمل میشود تا ضخامت مورد نظر ب هدس ت آید. اگر ضخامت زیاد مورد نیاز باشد، باید بعد از اعمال چهار لایه رزین و چهار لایه الیاف صبر کرد تا رزین تا حدودی ژل یا سخت شود و سپس لایههای بعدی را اعمال کرد. این امر به خاطر جلوگیری از حرارت زیاد ناشی از واکنشهای پخت است که ممکن است اثرات نامطلوبی از جمله تغییر رنگ، تنشهای داخلی، جداشدن زودهنگام قطعه از قالب را موجب شود. همچنین باید از فاصله انداختن زیاد بین لایه گذاریها اجتناب کرد. اگر صاف بودن سطح دیگر قطعه نیز مهم باشد، میتوان در آخرین مرحله از یک لایه بافت شیشه استفاده کرد.
ساخت به روش کیسه خلاء
کیسه خلاء جزء روشهای ساخت قالب بسته و به عنوان یک روش نیمه صنعتی و مدرن محسوب میگردد. قطعات تولیدی به این روش از کیفیت بهتری نسبت به قطعات تولی د شده به روش دستی برخوردار میباشند. این بهبود ناشی از ک اهش ه وای ح بس ش ده در قطعات تولیدشده به روش قالبگیری کیسهای است. در روش کیسه خلاء، اعمال خلاء روی قطعه تا پخت کامل قطعه ادامه مییابد. در این روش کسرحجمی الیاف نسبت به روش لایه چینی دستی بیشتر میشود. در این روش میتوان از لایه گذاری به روش دستی استفاده کرد. بعد از لایه گذاری، معمولاً یک سری مواد و لایهه ای ج انبی دیگ ر ب ر روی آن ق رار میگیرد که هر یک از این لایهها و مواد دارای کارایی خاص میباشد.
پس از اعمال این لایهها و مواد جانبی روی لایهگذاری، همه مواد داخل یک کی سه قرار می گیرد و اطراف آن به کمک درزگیرها م سدود می شود. در ادامه در مورد هر یک از مواد جانبی توضیحات مختصری داده شده است. این روش در قالب و واکس زدن قالب همچنین لایه چینی الیاف و آغشته کردن آنها با رزین، با روش لایه چینی د ستی م شترک ا ست. در شکل 2 یک نمونه کامپوزیت در حال ساخت به روش کی سه خلاء قابل م شاهده است.لایه توزیع کننده در بین دو لایه محافظ و کیسه خلاء قرار میگیرد. وظیفه اصلی این لایه توزیع مناسب و یکنواخت رزین بر سطح الیاف میباشد. این لایه از یک پارچه با حفرههای درشت ساخته شده است.
علت وجود این حفرهها حرکت سریعتر رزین و همچنین نفوذ کردن رزین به لایههای زیرین میباشد . این لایه روی الیاف لایهگ ذاری شده ق رار م یگی رد و بع د از آن پارچه توزیع کننده گذاشته میشود. پس از تکمیل فرآیند، این لایه محافظ بر روی سطح باقی میماند. لایههای محافط برای نگهداری بهتر سطح کامپوزیت در مقابل دست خوردن و ایجاد خراش تا قبل از عملیات بعدی نظیر اتصال یا پخت مجدد روی سطح قطعه باقی میماند. لایه محافظ باید نفوذپذیر باشد تا هنگام فرایند، رزین از طریق آن عبور کند. جنس این پارچهها معمولا داکرون است. خمیر درزگیر مادهای است که برای آببند کردن کیسه خلاء در اطراف قطعه بین قالب و کیسه خلاء قرار میگیرد. این خمیر باعث میشود بین قالب و کیسه محیطی بسته ایجاد شود. از این رو میتوان خلاء لازم برای خروج رزین اضافی از کامپوزیت در حال ساخت را ایجاد کرد.
پمپ خلاء برای ایجاد خلاء استفاده میشود. این پمپ با استفاده از یک راهگاه به قالب و لولههای توزیع مخصوص متصل میشود. باید دقت کرد که اطراف راهگاه با ا ستفاده از خمیر درزگیر به خوبی آب بندی شده با شد. هرچه پمپ خلاء، ف شار را بی شتر کاهش دهد، رزین ا ضافی بی شتری از کامپوزیت در حال ساخت خارج می شود و این امر باعث افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت حا صل می شود. لولههای توزیع مت صل به راهگاه خلاء میباشند و در زیر کیسه خلاء قرار میگیرند. پس از لایهگذاری و اعمال تمام موارد جانبی، کیسه خلاء بر روی لایهها و قالب قرار میگیرد و یک محیط مسدود ایجاد میکند. اطراف کیسه به کمک درزگیر به طور کامل آب بندی میشود. جنس کیسه باید به گونهای باشد که از نشت هوا جلوگیری کند و قابلیت استفاده در دمای حداقل 100 درجه سانتیگراد را داشته باشد. همچنین از تله رزین برای جلوگیری از ورود رزین اضافی به پمپ خلاء استفاده میشود.
