ّFRP یا الیاف کامپوزیت های پلیمری Fiber Reinforced Polymer چیست

قبل از معرفی الیاف رایج در کامپوزیت های بلیمری FRP که با الیاف (FRP) تقویت شده اند بهتر است بدانید این الیاف از الیاف پیوسته آغشته شده در رزین پلیمری ساخته شده است.

در کامپوزیت های پلیمری الیاف دار، الیاف پیوسته دارای مقاومت و سختی بالا در کنار هم قرار داده شده و با استفاده از ماتریس پلیمری مدول-پائین به هم چسبانده می­شوند.

در مورد کامپوزیت­های FRP الیاف مسلح کننده، ستون فقرات مصالح را تشکیل داده و و مقاومت و سختی آن را در جهت الیاف تشکیل می­دهد.

ماتریس پلیمری برای ارضای چه کاربردهای لازم است؟

برای چسباندن الیاف به همدیگر و محافظت از سطح آن ها در مقابل خرابی­های ناشی از کار با آن­ها، ساخت و خدمت­رسانی کامپوزیت، برای پراکنده ساختن الیاف و جدانمودن آنها، برای انتقال تنش به الیاف.

ماتریس بایستی به لحاظ شیمیائی و حرارتی با الیاف سازگار بوده و در کنترل رفتار تنش-کرنش کامپوزیت و مقاومت آن­ها در برابر محیط­های خورنده نقش مهمی را ایفا نماید.

نوع ماتریس پلیمری همچنین بر مکانیزم خرابی و طاقت شکست Fracture Toughness کامپوزیت حاصله تاثیرگذار است.

فرایند تولید الیاف کامپوزیت های پلیمری FRP

معمول­ترین فرآیند تولید، فرآیند پالتروژن Pultrusion  است که در آن الیاف قبل از پخت Curing در یک  نوع رزین ، کشیده شده و  آغشته می­شوند.

چیدمان خاص الیاف یا ترکیب دو یا چند نوع از الیاف  تقویتی می تواند برای ایجاد خواص مکانیکی یکتای کامپوزیت  مورد استفاده  قرار گیرد.

علاوه بر این، برای بهبود خواص چسبندگی میلگردهای FRP در بتن، روش­های مختلفی را می­توان به کار گرفت که شامل تغییر شکل؛ پوشش ماسه، قالبگیری یک سطح دیگر بر روی میلگرد و یا ترکیبی از این­ها می­باشد.

آرماتور بتن FRP لازم نیست که دارای شکل‌های مشابه آرماتور فولادی باشد.

این آرماتور می­تواند به شکل میلگرد، میله، پروفیل و یا حتی قالب ماندگار باشد.

به لطف مقاومت بالا در برابر خوردگی، FRP به محافظت پوششی چندانی در مقایسه با فولاد نیاز ندارد و میتواند در برابر محیط‌های بسیار خورنده­تر قرار بگیرد.

با این ‌حال ماتریس پلیمری FRP مقاومت آن‌ها را در برابر آتش محدود می­نماید.

بایستی تأکید گردد که بسیاری از تولیدکنندگان درجات مختلفی از الیاف را برای کاربردهای متفاوت تولید نموده و با اصلاح روش­های تولید خواص کامپوزیت‌ها را بهبود می­بخشند.

آشنایی با الیاف کامپوزیت های پلیمری

الیاف کامپوزیت های پلیمری به علت مقاومت بالا، سختی بالا و کم­وزن بودن به کار می­روند.

به علت امتداد ترجیحی مولکول­ها در الیاف و نیز کم تر بودن نواقص آنها،  نسب به مصالح دیگری که از مواد آن نوع الیاف ساخته شده اند، قوی­تر هستند.

آنچه که از الیاف موجود در کامپوزیت از لحاظ سازه ای و کاربردی مورد انتظار است عبارتند از:

• مدول الاستیسیته بالا
• مقاومت نهائی بالا
• کش­آمدگی مناسب در گسیختگی کششی
• اختلاف کم در مقاومت بین تک تک الیاف
• پایداری ویژگی­ها طی کار و ساخت
• یکنواختی قطر و سطح الیاف
• طاقت و دوام بالا
• در دسترس بودن در شکل­های مناسب
• هزینه قابل قبول

انواع الیاف مورد استفاده در میلگردهای مسلح FRP

رایج­ترین الیاف مورد استفاده برای ساختن میلگردهای مسلح کننده از جنس FRP شامل شیشه، الیاف کربن و آرامید Aramid است.

اخیرا الیاف بازالت نیز به صورت تجاری در دسترس عموم قرار گرفته­اند.

تمامی این الیاف تا رسیدن به مقاومت نهائی تحت کشش از خود رفتار خطی نشان ­می­دهند و ناحیه تسلیم ندارند.

الیاف کربن و آرامید دارای خواص مکانیکی و حرارتی غیرهمسانگرد Anisotropic در جهات اصلی بوده ولی الیاف  شیشه همسانگرد هستند.

برخی خواص الیاف تقویتی یا الیاف کامپوزیت های پلیمری در جدول زیر خلاصه شده است.

برای آشنایی با پلیمر تقویت شده با الیاف می توانید مقاله آن را در ویکیپدیا مطالعه نمایید.

FRP چیست؟

FRP مخفف Fiber Reinforced Polymer  به معنای پلیمر تقویت شده توسط الیاف می­باشد.

یک نوع ماده‌ی نسبتا جدید است که مقاومت بالایی دارد، سبک وزن است و مسئله خوردگی ندارد.

این ماده بیش از 15 سال است که پدیدار شده و به عنوان یک ماده کاربردی در بسیاری از موارد از جمله کاربردهای مهندسی سازه‌ استفاده می‌شود.

استفاده از FRP برای کاربردهای مهندسی سازه طی 15 سال گذشته رشد سریعی داشته است.

این مورد می­تواند به دلیل کاهش مداوم هزینه، افزایش اطلاعات از خصوصیات اساسی کامپوزیت (که استفاده از آن در کاربردهای خاص و ویژه را بیشتر کرده­است) و کاهش ضریب ایمنی (safety factor) در پروژه­ها و نزدیک­تر شدن به مرز­های اطمینان باشد. همچنین FRP ها در مقایسه با مواد مرسوم از قبیل فلز و بتن مزیت­های بیشماری دارند.

محصولات ساخته شده با پلیمر تقویت شده توسط الیاف

محصولات FRP شامل میلگردها، مش­ها، ورقه­ها، کابل، نوار و تاندون­های پیش­تنیده و پروفیل­ها می­باشد.

انواع آن

FRP از دو جزء ماتریس پلیمری و الیاف تشکیل می­شود.

ماتریس پلیمری می‌تواند پلیمرهای ترموست (مانند رزین پلی استر، رزین فنولیک و رزین اپوکسی) یا ترموپلاست (مانند پلی پروپیلن، پلی اتیلن، پلی آمید و…) باشد که پر­مصرف ترین نوع ماتریس در صنایع مختلف رزین اپوکسی است.

الیاف نیز می­تواند از نوع شیشه، کربن، آرامید و بازالت باشد که بر همین اساس FRP ها یا پلیمر تقویت شده توسط الیاف را طبقه ­بندی می­کنند.

• الیاف شیشه یا آرماتور کامپوزیتی GFRP (Glass fiber-Reinforced Polymer)
• الیاف کربن CFRP (Carbon fiber-Reinforced Polymer)
• الیاف آرامید AFRP (Aramid Fiber-Reinforced Polymer)
• الیاف بازالت BFRP (Basalt Fiber-Reinforced Polymer)
• گچ مسلح و تقویت شده (Glass Fiber Reinforced Gypsum) GFRG 

انواع الیاف شیشه

فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛

• E-Glass: متداول‌ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی کم، که در صنعت ساختمان به کار می‌رود.
• Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حمله قلیائیها، که در تولید بتن الیافی به کار گرفته می‌شود.
• A-Glass: مقادیر زیاد قلیایی که امروزه تقریباً از رده خارج شده‌است.
• S-Glass: در تکنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به کار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد.

کاربردهای FRP

FRP را می‌توان برای ترمیم یا تقویت و بهسازی انواع سازه‌های بتنی با نصب بر روی سطح (دالها و تیرها، ستون‌ها، دیوارهای حمال، شناژها و فونداسیون) و در ساختمان‌های مسکونی، اداری و تجاری، ساختمان‌های صنعتی، تکیه‌گاه‌های ماشین‌الات و تأسیسات سنگین، سازه‌های آبی از قبیل سد، کانال، کالورت و غیره، پل‌های جاده‌ای و ریلی، مخازن و منابع آب و مایعات، سیلوها و برج‌های خنک‌کننده به کار برد.

الیاف کربن

الیاف کربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛

• الیاف کربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند.
  • تیپ I که تردترین آن‌ها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب می‌شود.
  • تیپIIکه مقاوم‌ترین الیاف کربن است؛
  • تیپ III که نرمترین نوع الیاف کربنی با مقاومتی بین تیپ Iو IIمی‌باشد.
• الیاف با اساس قیری (Pitch-based) که اساساً از تقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیافPAN ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیته کمتری نسبت به آن‌ها دارند. لازم است ذکر شود که الیاف کربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیط‌های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی کاملاً پایدار هستند.

الیاف آرامید

آرامید، یک کلمه اختصاری از آروماتیک پلی‌آمید است.

آرامید اساساً الیاف ساخته دست بشر است که برای اولین بار توسط شرکت DuPont در آلمان تحت نام کولار (Kevlar) تولید شد.

چهار نوع کولار وجود دارد که از بین آن‌ها کولار ۴۹ برای مسلح کردن بتن، طراحی و تولید شده‌است.