کاوش در قدرت مات نخ‌های شیشه‌ای کوتاه‌شده

درک ترکیب و فرآیند تولید الیاف شیشه‌ای اسپاگتی

الیاف شیشه‌ای اسپاگتی (CSM) چیست و چگونه تولید می‌شود؟

کامپوزیت شیشه‌ای از نوع Mat رشته‌ای کوتاه (CSM)، به‌عنوان یک ماده تقویت‌کننده عمل می‌کند که اساساً از الیاف شیشه‌ای کوتاه تشکیل شده است که به‌صورت تصادفی با یکدیگر ترکیب شده‌اند. این رشته‌های کوتاه معمولاً دارای طولی در حدود 25 تا 50 میلی‌متر هستند و با استفاده از یک ماده چسباننده شیمیایی کنار هم نگه داشته می‌شوند. فرآیند تولید با ذوب کردن شیشه و تبدیل آن به رشته‌های بلند آغاز می‌شود. سپس این رشته‌ها به قطعات کوچکی برش داده می‌شوند و با رزین‌های پلی‌استری یا آکریلیکی به‌منظور اتصال، پوشانده می‌شوند. در مرحله بعد، کارگران این الیاف کوچک را در قالب‌هایی به‌صورت فشرده چیدمان می‌کنند و با اعمال گرما و فشار، توزیع یکنواختی از ماده را در سطح فراهم می‌کنند. کاربرد گسترده CSM عمدتاً به خاطر قابلیت شکل‌پذیری خوب آن در قالب‌های پیچیده در فرآیندهای تولید است و همچنین خواص استحکامی یکنواختی را در مواد کامپوزیتی در هر جهتی فراهم می‌کند.

مواد و طراحی ساختاری کامپوزیت شیشه‌ای از نوع Mat رشته‌ای کوتاه

عملکرد CSM به دو مؤلفه کلیدی بستگی دارد: الیاف شیشه E و چسب‌های ترموست. E-glass که از 96-98% سیلیکا-آلومینا تشکیل شده است، عایول برقی و مقاومت قلیایی عالی ارائه می‌دهد. چسب که معمولاً از نوع رزین پلی‌استر یا آکریلیک با غلظت 3-5% است، در حفظ یکپارچگی فابریک قبل از لایه‌کنی نقش دارد و در حین اشباع رزین حل شده و چسبندگی قوی الیاف به رزین را تسهیل می‌کند.

نحوه تأثیر طول، جهت‌گیری و پیوند الیاف بر استحکام

روش رفتار الیاف تأثیر زیادی بر عملکرد مکانیکی مواد دارد. وقتی با الیاف بلندتر حدود ۵۰ میلی‌متری به جای الیاف استاندارد ۲۵ میلی‌متری کار می‌کنیم، معمولاً بهبودی در استحکام کششی در حدود ۱۵ درصد و گاهی حتی تا ۲۰ درصد مشاهده می‌کنیم. با این حال، استفاده از این الیاف بلندتر در مورد انعطاف‌پذیری هزینه‌هایی را به همراه دارد، به خصوص در قالب‌هایی با شعاع کم که کار با آن‌ها دشوار است. آرایش تصادفی الیاف باعث پخش تنش در تمام جهات می‌شود که به مواد کمک می‌کند تا در برابر ضربه مقاومت بهتری نشان دهند، در بعضی موارد این مقاومت ضربه‌ای می‌تواند تا ۳۰ درصد بهتر از پارچه‌های جهت‌دار باشد. کارهای اخیر منتشر شده در سال ۲۰۲۳ رفتار برشی کامپوزیت‌ها را بررسی کرده‌اند و چیزی جالب در مورد سازگاری رزین چسباننده کشف کرده‌اند. وقتی این سازگاری بهینه شود، استحکام بین‌لایه‌ای حدود ۱۸ درصد افزایش پیدا می‌کند، که به این معنی است که قطعات بسیار کمتر از هم در معرض تنش لایه‌لایه شدن قرار می‌گیرند. تمام این عوامل دلیل این موضوع را روشن می‌کنند که چرا CSM هنوز یک گزینه محبوب در صنایع مختلفی مانند قایق‌سازی، خودرو و بخش‌های مختلف تولیدی باقی مانده است که در آن‌ها هم استحکام و هم توانایی شکل‌دادن به فرم‌های پیچیده اهمیت زیادی دارد.

ارزیابی استحکام مکانیکی و عملکرد مات نایلونی شیشه‌ای کوتاه‌شده

استحکام کششی، ضربه‌ای و خمشی: داده‌ها و عملکرد در دنیای واقعی

مات نایلونی شیشه‌ای (CSM) تقویت‌کنندگی در چندین جهت ارائه می‌دهد و دامنه استحکام کششی آن بین 30 تا 50 مگاپاسکال و استحکام خمشی آن اغلب با لایه‌بندی مناسب از 60 مگاپاسکال فراتر می‌رود. قرارگیری تصادفی الیاف تنش را به‌طور نسبتاً یکنواختی در سراسر ماده پخش می‌کند، که این ویژگی آن را برای استفاده در مواردی مانند بدنه قایق‌ها و پنل‌های بدنه خودرو که توانایی تحمل ضربه مهم است، بسیار مناسب می‌کند. آزمایش‌های انجام‌شده توسط تولیدکنندگان نشان می‌دهد که CSM می‌تواند در هنگام برخورد ناگهانی، حدود 15 تا 25 درصد انرژی بیشتری نسبت به پارچه‌های تک‌جهته جذب کند. این خصوصیت از گسترش ترک‌ها در مناطقی مانند سطوح عرشه قایق یا پره‌های توربین‌های بادی جلوگیری می‌کند، چیزی که با توجه به شرایط سخت‌تری که این سازه‌ها در طول زمان با آن مواجه می‌شوند، اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است.

دوام در برابر تنش و قرارگیری در معرض عوامل محیطی

هنگامی که کامپوزیت‌های مبتنی بر CSM به مدت تقریباً 2000 ساعت متوالی در معرض بارش نمک قرار می‌گیرند، هنوز اکثراً خصوصیات استحکامی خود را حفظ می‌کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که حتی پس از گذشت پنج سال کامل در شرایط سخت از جمله قرار گرفتن مداوم در معرض نور فرابنفش، تغییرات رطوبت و نوسانات مکرر دما، از دست دادن کمتر از ده درصد از خصوصیات اولیه را تجربه می‌کنند. مقاومت در برابر خوردگی نیز در مقایسه با مواد فولادی معمولی بسیار قابل توجه است. در محیط‌هایی که خوردگی زیادی رخ می‌دهد، صفحات CSM در مقایسه با فلزات سنتی، با سرعتی معادل یک‌سوم خوردگی رخ داده در آن‌ها، دچار خوردگی می‌شوند. این موضوع آن‌ها را به گزینه‌های بسیار خوبی برای کاربردهایی مانند نگهداری مواد شیمیایی در مخازن یا ساخت سازه‌های دریایی که در آن‌ها آب شور به‌صورت مداوم به مواد حمله می‌کند تبدیل می‌کند. به دلیل دوام بسیار بالا و عدم تخریب سریع، این مواد کامپوزیتی به گزینه‌های محبوبی در بسیاری از محیط‌های صنعتی سخت‌گیرانه و دریایی تبدیل شده‌اند که در آن‌ها قابلیت اطمینان اهمیت بسزایی دارد.

مقابله با پارادوکس صنعتی: تغییرپذیری ناشی از توزیع تصادفی الیاف

چیدمان تصادفی الیاف در CSM باعث ایجاد تفاوت در استحکام در نواحی مختلف می‌شود که معمولاً حدود 12 درصد مثبت یا منفی است، بر اساس آزمایش‌های آزمایشگاهی. اما چیزی که این موضوع را جالب می‌کند این است که چگونه این ناهمگنی‌ها در واقع به توزیع بهتر بار کمک می‌کنند، بهتر از آنچه مواد بافته‌شده منظم می‌توانند دست یابند. تولیدکنندگان روش‌های بهتری برای لایه‌گذاری این مواد توسعه داده‌اند، مانند استفاده از روش‌های متراکم‌کننده غلطکی که باعث کاهش تغییرات ضخامت به کمتر از 5 درصد می‌شود. این موضوع به این معنی است که قطعات در حین تولید رفتار یکنواخت‌تری دارند در حالی که هنوز به راحتی می‌توان آنها را به اشکال پیچیده درآورد. شاید همین دلیل باعث شده است که بیشتر سازندگان قایق از CSM برای کار روی بخش‌های خمیده بدنه استفاده کنند، حتی اگرچه سازندگان هواپیما به مشخصات بسیار دقیق‌تری نیاز دارند. معامله بین انعطاف‌پذیری و دقت در کاربردهای دریایی بهتر عمل می‌کند، جایی که یکنواختی کامل همیشه لازم نیست.

مقايسه فيبرگلاس چاپ شده (CSM) و پارچه بافته شده براي کاربردهای کامپوزيتي

مات رشته‌ای خرد شده (CSM) و پارچه شیشه‌ای بافته‌شده در تولید مواد مرکب به دلیل ساختار متفاوت، نقش‌های متفاوتی ایفا می‌کنند. CSM از رشته‌های شیشه‌ای کوتاه به طول 25 تا 50 میلی‌متر تشکیل شده است که به صورت تصادفی قرار گرفته‌اند و با یک چسب مخصوص محلول در رزین به هم متصل شده‌اند. این ساختار انعطاف‌پذیری خوبی فراهم می‌کند و اجازه می‌دهد تا ضخامت به سرعت ایجاد شود، بنابراین برای شکل‌های پیچیده مانند بدنه قایق یا قطعات بدنه خودرو مناسب است. استحکام کششی آن معمولاً در محدوده 100 تا 200 مگاپاسکال قرار دارد. از سوی دیگر، پارچه بافته‌شده از رشته‌های پیوسته تشکیل شده که به صورت شبکه‌ای درآمده‌اند و خواص کششی بسیار بهتری با دامنه 300 تا 500 مگاپاسکال فراهم می‌کنند. این نوع ماده از نظر ابعادی پایدار است و برای سطوح مسطح یا قطعات دارای انحناء کم که اغلب در ساخت هواپیماها دیده می‌شوند، مناسب است. CSM تمایل بیشتری به کار با رزین‌های پلی‌استر یا استر وینیلی دارد، زیرا چسب‌های موجود با این مواد سازگاری بهتری دارند، در حالی که مواد بافته‌شده به طور طبیعی با سیستم‌های اپوکسی همراهی می‌کنند. زمانی که بودجه از استحکام در جهت خاصی اهمیت بیشتری داشته باشد، قیمت CSM در حدود 3 تا 5 دلار در متر مربع می‌تواند تا حدود 40 درصد هزینه را نسبت به گزینه‌های بافته‌شده کاهش دهد.

بهینه‌سازی سازگاری و اشباع رزین برای حداکثر استحکام

بهترین انواع رزین برای CSM: مقایسه پلی‌استر، استر وینیل و اپوکسی

در بررسی مقرون‌به‌صرفه بودن کاربردهای CSM، رزین پلی‌استر به‌عنوان گزینه‌ای اقتصادی برجسته می‌شود زیرا زمان پخت کوتاهی دارد و خوب با روش‌های قالب باز کار می‌کند. معایب آن چیست؟ مقاومت آن در برابر تنش‌های مکانیکی چندان خوب نیست و معمولاً استحکام کششی آن بین ۲۵ تا ۳۵ مگاپاسکال است و روند ترک‌خوردن آن زیاد است که این امر کاربردهای آن را محدود می‌کند. با بالا رفتن سطح عملکرد، رزین وینیل استر در مقاومت شیمیایی حدود ۳۰ درصد بهبود دارد و استحکام خمشی آن می‌تواند به ۱۰۴٫۷ مگاپاسکال برسد. این موضوع آن را برای قایق‌ها و مناطقی که در معرض مواد شیمیایی خورنده قرار دارند، مناسب می‌کند. در بالاترین سطح، رزین اپوکسی قرار دارد که استحکام کششی بسیار خوبی در حد ۳۲۸ مگاپاسکال دارد و جذب آب آن ۴۵ درصد کمتر از سایر گزینه‌ها است. اما نکته‌ای که باید توجه کرد این است که به‌دلیل گرانروی بالای آن، تولیدکنندگان به تجهیزات تخصصی مانند سیستم‌های تزریق خلأ یا قالب‌های فشاری نیاز دارند تا پوشش مناسبی در کل ماده ایجاد شود.

نسبت ایده‌آل رزین به فایبرگلاس برای کامپوزیت‌های با عملکرد بالا

دستیابی به نسبت صحیح رزین به فایبرگلاس برای استحکام و بهره‌وری از نظر وزنی ضروری است. یک محدوده بهینه 2:1 تا 3:1 بر اساس حجم، اطمینان از مرطوب‌شدن کامل را فراهم می‌کند، بدون اینکه مقدار اضافی رزین انباشته شود.

مناطق با رزین‌کم باعث ایجاد مناطق ضعیف و پر از الیاف می‌شوند، در حالی که رزین‌گذاری بیش از حد وزن را افزایش می‌دهد و مقاومت ضربه‌ای را 18–22% کاهش می‌دهد (سربان 2024).

جلوگیری از رزین‌گذاری بیش از حد و لکه‌های خشک در ورق‌های الیاف برشته شده

هنگام اعمال تدریجی رزین با استفاده از غلطک‌های فومی، مقدار هوای محبوس شده به‌طور قابل توجهی کمتر می‌شود و این امر باعث کاهش حفره‌های ناخواسته به کمتر از حدود ۲٪ در لایه‌های با کیفیت تولید شده توسط متخصصان می‌گردد. در واقع تکنیک غلطک زدن از پشت به‌مراتب بهتر از روش ساده مالیدن با قلم مو از نظر مرطوب‌سازی مناسب عمل می‌کند، حدود ۴۰٪ بهبود یا مشابه آن، و این موضوع زمانی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند که با اپوکسی‌های ضخیم‌تر که کار کردن با آن‌ها دشوارتر است، سروکار داریم. برای پروژه‌های بزرگ‌تر که شامل سطوح وسیعی می‌شوند، اعمال لایه‌ها یکی پس از دیگری به بهتر اجتناب از ایجاد نواحی خشک ناخوشایند بین لایه‌های CSM کمک می‌کند و ضخامت کلی را به‌طور یکنواخت حفظ می‌کند، معمولاً در محدوده نیم میلی‌متر با مقداری تغییر. بیشتر تولیدکنندگان دمای پخت را در محدوده ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد هدف قرار می‌دهند، زیرا این محدوده اجازه ایجاد پیوند عرضی کامل را می‌دهد بدون اینکه استرس حرارتی ناخواسته‌ای ایجاد شود، چیزی که قطعاً بر روی مدت زمان واقعی دوام این مواد در شرایط کاربردی تأثیر می‌گذارد.

کاربردهای کلیدی و بهترین روش‌های استفاده صنعتی از الیاف شیشه‌ای با فیبر کوتاه (CSM)

الیاف شیشه‌ای با فیبر کوتاه (CSM) یک ماده اولیه در صنایعی است که به مواد مرکب سبک و مقاوم در برابر خوردگی نیاز دارند. استحکام همگن و قابلیت شکل‌دهی آن، آن را برای استفاده در هندسه‌های پیچیده در بخش‌های دریایی، خودرو، ساختمان و انرژی تجدیدپذیر ایده‌آل می‌کند.

کاربردهای دریایی، خودرویی، ساختمانی و انرژی تجدیدپذیر

سازندگان کشتی‌ها از CSM برای تقویت بدنه کشتی‌ها، سکوها و دیوارهای مقاومی که باید در برابر خوردگی نمک‌آب دریا و همچنین نیروهای پویای گوناگون دریایی مقاومت کنند، استفاده می‌کنند. صنعت خودرو هم به این موضوع پی برده است و از مواد ساندویچی کامپوزیتی در صفحات درب، کاپوت و حفاظت از قسمت پایینی خودرو استفاده می‌کند. این مواد می‌توانند وزن خودرو را در حدود ۴۰٪ نسبت به قطعات فولادی سنتی کاهش دهند که در مصرف سوخت تأثیر بسزایی دارد. در پروژه‌های ساختمانی معمولی، CSM در سیستم‌های سقفی، لوله‌کشی صنعتی و واحدهای ماژولار پیش‌ساخته به دلیل مقاومت کششی چشمگیر و مقاومت غیرمنتظره‌اش در برابر آتش، کارایی بسیاری دارد. پره‌های توربین‌های بادی بزرگ هم به شدت به CSM متکی هستند، چون به ماده‌ای نیاز دارند که پس از چند سال ارتعاش و تنش مداوم دچار شکست نشود. بیشتر توربین‌های مدرن طوری طراحی شده‌اند که بیش از بیست سال بدون نیاز به تعویض کار کنند.

تکنیک‌های لایه‌بندی برای حداکثر کردن استحکام و حداقل کردن حفره‌ها

برای دستیابی به بهترین نتایج در کار با مواد کامپوزیتی، ایده خوبی است که پارچه CSM را با انواع بافته شده در یک الگوی تقریبی 2 به 1 ترکیب کنید. با دو لایه از پارچه CSM شروع کنید تا به پخش یکنواخت رزین در سراسر ماده کمک کند، سپس یک لایه بافته شده را در بالای آن اضافه کنید تا استحکام بیشتری در جهات خاص فراهم شود. هنگام استفاده از تکنیک‌های کیسه خلاء، اکثر متخصصان گزارش می‌دهند که تماس بین الیاف و رزین در حدود 95 تا تقریباً 100 درصد است، که واقعاً باعث کاهش قابل توجه حباب‌های هوا می‌شود. برای اشیاء دارای انحنا یا اشکال پیچیده، سعی کنید هر بار به اندازه حدود یک اینچ پوشش دادن لایه‌ها را به صورت شیب‌دار انجام دهید. این کار به جلوگیری از انباشتگی بیش از حد ماده در مناطق خاص و ایجاد انتقالات نرم و صاف در سطح به جای برجستگی‌ها و شیارها کمک می‌کند.

اشتباهات متداول در اجرا و روش‌های جلوگیری از آن‌ها

در واقع استفاده بیش از حد از رزین یکی از اشتباهات رایجی است که افراد هنگام کار با مواد کامپوزیتی مرتکب می‌شوند، زیرا این امر مانع اتصال مناسب الیاف به یکدیگر می‌شود. برای جلوگیری از این مشکل، رزین را به تدریج و نه دفعی روی متریال اعمال کنید. ابتدا حدود ۷۰٪ از مات را مرطوب کنید، سپس تقریباً پنج دقیقه صبر کنید تا رزین اضافی از بین برود و بعد از آن فرآیند مرطوب کردن را کامل کنید. بسیاری از افراد به دلیل اینکه در هنگام غلتاندن به طور یکنواخت عمل می‌کنند، با لکه‌های خشک مواجه می‌شوند. سعی کنید از غلبندهای دندانه‌دار ویژه با زاویه تقریبی ۴۵ درجه استفاده کنید تا رزین عمیقاً درون دسته‌های الیاف فرو برود. در پروژه‌های بزرگتر، برش مصالح CSM قبل از شروع کار به قطعات کوچک‌تر، مدیریت مواد را بسیار آسان‌تر کرده و در عین حال هم‌راستایی مناسب آن‌ها را در تمام مراحل فرآیند لایه‌گذاری حفظ می‌کند.

بخش سوالات متداول

کاربرد اصلی مات الیاف شیشه ای (Fiberglass Chopped Strand Mat) چیست؟

فایبرگلاس مات برش‌یافته عمدتاً به‌عنوان یک ماده تقویت‌کننده در صنایعی مانند کشتی‌سازی، خودرو، ساختمان و انرژی تجدیدپذیر به دلیل استحکام عالی و قابلیت شکل‌پذیری خوب استفاده می‌شود.

چرا در برخی کاربردها مات برش‌یافته (CSM) نسبت به مواد بافته شده ترجیح داده می‌شود؟

مات برش‌یافته به دلیل انعطاف‌پذیری، توانایی ایجاد ضخامت سریع و مقرون‌به‌صرفه بودن ترجیح داده می‌شود. این ماده به‌ویژه در دستیابی به اشکال پیچیده مفید است و اغلب نسبت به مواد بافته شده از نظر بودجه مناسب‌تر است.

طول و جهت‌گیری الیاف در مات برش‌یافته چگونه روی عملکرد آن تأثیر می‌گذارد؟

الیاف بلند استحکام کششی بهتری فراهم می‌کنند اما انعطاف‌پذیری را کاهش می‌دهند. جهت‌گیری تصادفی به توزیع یکنواخت تنش کمک می‌کند و مقاومت ضربه‌ای را افزایش می‌دهد.

کدام نوع رزین‌ها با مات برش‌یافته سازگاری بیشتری دارند؟

رزین‌های پلی‌استر، وینیل استر و اپوکسی به‌طور معمول با مات برش‌یافته استفاده می‌شوند و هر کدام سطوح مختلفی از مقرون‌به‌صرفه بودن و عملکرد را بسته به کاربرد ارائه می‌دهند.

مات برش‌یافته در شرایط محیطی سخت چگونه عمل می‌کند؟

CSM در برابر تنش و عوامل محیطی دوام بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد و حتی پس از مدت‌ها قرار گرفتن در معرض شوره‌پاشی، نور UV و نوسانات دما، خواص خود را به خوبی حفظ می‌کند.