การสำรวจความแข็งแรงของแผ่นไฟเบอร์กลาสแบบสับ (fiberglass chopped strand mat)

องค์ประกอบและคุณสมบัติโครงสร้างของแผ่นไฟเบอร์กลาสแบบสับ

องค์ประกอบและวัสดุของแผ่นไฟเบอร์กลาสแบบสับ (Chopped Strand Mat)

เส้นใยแก้วชนิด Chopped Strand Mat หรือเรียกย่อๆ ว่า CSM ผลิตโดยการรวมเส้นใยแก้วอี (E-glass fibers) ซึ่งพื้นฐานคือซิลิกาผสมกับแคลเซียมและอลูมิเนียมออกไซด์ รวมทั้งสารยึดเกาะโพลิเมอร์ต่างๆ เช่น โพลีเอสเตอร์หรือสไตรีน สิ่งที่ได้คือโครงสร้างผ้าไม่ทอ โดยเส้นใยแต่ละเส้นมีความยาวประมาณหนึ่งถึงสองนิ้ว ทำให้การเสริมแรงในเนื้อวัสดุสม่ำเสมอเป็นอย่างมาก ขณะทำการเคลือบเรซิน (laminate) สารยึดเกาะจะละลายลงในเรซิน ช่วยให้ชั้นต่างๆ ยึดติดกันได้ดีเยี่ยม โดยไม่ทำให้เสียเสถียรภาพทางเคมี นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้ผลิตจึงไว้วางใจใช้วัสดุชนิดนี้ในงานของตนเป็นอย่างมาก

การจัดเรียงเส้นใยแบบสุ่มและความแข็งแรงที่มีทิศทางหลายด้าน

เมื่อเส้นใยถูกจัดเรียงอย่างสม่ำเสมอในวัสดุ CSM เส้นใยจะช่วยกระจายแรงได้เท่ากันในทุกทิศทาง การวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Naval Architecture Review ในปี 2023 ยังได้แสดงให้เห็นสิ่งที่น่าสนใจอีกด้วยว่า CSM มีประสิทธิภาพสูงถึงประมาณ 94% ในการรับแรงดึงจากทุกทิศทาง ซึ่งถือว่าสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับผ้าทอแบบธรรมดา การกระจายแรงอย่างเท่าเทียมกันนี้หมายความว่าไม่มีจุดอ่อนที่ชี้ไปในทิศทางเฉพาะ นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมวัสดุนี้ถึงเหมาะสำหรับใช้ในสิ่งต่างๆ เช่น โครงเรือ (boat hulls) และภาชนะที่รับแรงดันซึ่งแรงกระทำมาจากหลายทิศทางพร้อมกัน และต้องป้องกันการขยายตัวของรอยร้าว

ความยาวของเส้นใยและชนิดของสารยึดเกาะมีผลต่อสมบัติเชิงกลอย่างไร

• ความยาวไฟเบอร์ : เส้นใยที่มีความยาว 50 มม. จะช่วยเพิ่มการไหลของเรซินและการปรับตัวให้เข้ากับแม่พิมพ์ ในขณะที่เส้นใยที่ยาวเกินกว่า 75 มม. จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงเฉือนระหว่างชั้น (interlaminar shear strength) ถึง 18% (Composite Materials Journal, 2022)
• ความเข้มข้นของสารยึดเกาะ แผ่นรองที่มีเนื้อสารยึดเกาะ 5% สามารถรับแรงดัดได้สูงกว่าแผ่นรองที่มีสารยึดเกาะ 3% ถึง 23% ก่อนที่จะเกิดการลอกชั้นโครงสร้าง ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงทนทานของโครงสร้างในระหว่างการจัดการและการบ่ม

คุณสมบัติทางกล: ความแข็งแรงดึงรั้ง ความแข็งแรงดัด และความแข็งแรงกระแทกของแผ่นใยแก้ว

ความแข็งแรงดึงรั้งของเส้นใยแก้วเสริมแรงในแผ่นใยแก้วแบบสับ

วัสดุ CSM โดยทั่วไปมีค่าความแข็งแรงแรงดึงอยู่ระหว่างประมาณ 80MPa ไปจนถึงประมาณ 300MPa รุ่นคอมโพสิตที่ถูกพัฒนาเป็นพิเศษสามารถบรรลุระดับสูงได้ถึง 305MPa เมื่อทดสอบในห้องปฏิบัติการ สิ่งที่ทำให้วัสดุนี้น่าสนใจคือการจัดเรียงเส้นใยที่กระจายตัวแบบสุ่มภายในเนื้อวัสดุ ซึ่งช่วยกระจายแรงที่ถูกกระทำให้ครอบคลุมพื้นที่มากขึ้น แทนที่จะรวมตัวกันอยู่ในจุดใดจุดหนึ่งที่มักจะเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดความเสียหาย มีการศึกษาเกี่ยวกับผลลัพธ์ที่เกิดจากการนำผ้าใยแก้วแบบ Chopped Strand Mat มาผสมผสานกับวัสดุเสริมแรงชนิดอื่นๆ ที่มีทิศทางเฉพาะมากกว่า ตามผลการวิจัยล่าสุดที่เผยแพร่โดยนากา คุมาร์และคณะในปี 2024 ระบุว่า ระบบที่รวมกันนี้ช่วยเพิ่มสมบัติแรงดึงได้เพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 18 เมื่อเทียบกับการใช้ CSM เพียงอย่างเดียว

ความต้านทานการงอและความต้านทานแรงกระแทก: สมบัติเชิงกลหลักของผ้าใยแก้ว

แผ่นเรซิน CSM มีความแข็งแรงในการดัดเหนือ 70 MPa และมีความต้านทานต่อแรงกระแทกอยู่ที่ประมาณ 96 J/m สิ่งที่ทำให้เกิดคุณสมบัติที่น่าประทับใจเหล่านี้คือ เส้นใยที่พันกันภายในวัสดุที่ทำงานร่วมกันในการดูดซับและกระจายแรงพลังงานไปทั่วโครงสร้าง เมื่อพูดถึงการเลือกสารยึดเกาะสำหรับแผ่นเรซินเหล่านี้ นักวัสดุศาสตร์ได้ค้นพบสิ่งที่น่าสนใจ โดยเฉพาะสารยึดเกาะโพลีไวนิล อะซิเตต (Polyvinyl Acetate - PVA) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับพลังงานได้มากขึ้นประมาณ 22 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับสารยึดเกาะที่ใช้สไตรีนแบบดั้งเดิม ตามที่ Sumesh และคณะได้เผยแพร่ผลการวิจัยในปี 2024 ที่ผ่านมา ซึ่งหมายความว่าผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดยใช้สารยึดเกาะ PVA จะมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นภายใต้สภาวะที่มีแรงกระทำอย่างต่อเนื่อง โดยที่แรงมีการเปลี่ยนทิศทางและความเข้มข้นอยู่ตลอดเวลา

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: CSM กับ Woven Roving ในด้านความแข็งแรงและความแข็งแกร่ง

• ความแข็งแรง cSM มีความแข็งแรงแบบอิสโทโทรปิก (isotropic strength) ในขณะที่ Woven Roving มีความเหนือกว่าในเชิงทิศทาง
• ความแข็ง woven Roving มีความแข็งแกร่งสูงขึ้น 40–50 เปอร์เซ็นต์ตามแนวเส้นทางรับแรงหลัก
• ประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่าย : CSM ลดแรงงานลง 60% บนพื้นผิวที่ซับซ้อน เนื่องจากจัดการง่ายขึ้น

แม้ว่าจะมีการทอแกนเดี่ยวที่ดีเยี่ยมในแอปพลิเคชันแบบแกนเดียว แต่ CSM มักถูกเลือกใช้สำหรับสนามแรงที่มีทิศทางหลากหลาย รูปแบบไฮบริดสามารถบรรลุถึง 92% ของความแข็งแกร่งสูงสุดของใยแก้วทอในขณะที่ลดต้นทุนวัสดุลง 35% (Biswas et al., 2024) ซึ่งเป็นทางเลือกที่สมดุลระหว่างประสิทธิภาพและเศรษฐกิจ

ความขัดแย้งในอุตสาหกรรม: อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง แม้จะมีการจัดวางเส้นใยแบบสุ่ม

CSM อาจดูยุ่งเหยิงในแวบแรก แต่จริงๆ แล้วให้ความแข็งแรงต่อน้ำหนักมากกว่า 8:1 ซึ่งดีกว่าเหล็กโครงสร้างแบบเดิมอย่างชัดเจนในส่วนที่น้ำหนักมีความสำคัญมากที่สุด เช่น เรือและเครื่องบิน เหตุผลคือ ไม่มีจุดอ่อนในทิศทางใดทิศทางหนึ่งอีกต่อไป เมื่อเรานำไปทดสอบความเครียด มันสามารถใช้งานได้นานกว่าประมาณ 19% เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้เส้นใยเรียงตรงแบบเดิม จากการวิจัยของ Hanan และผู้อื่นในปี 2024 เหตุผลที่เป็นเช่นนี้คือ เส้นใยถูกร้อยให้พันกันในสามมิติ สร้างเส้นทางหลายเส้นทางสำหรับการกระจายแรง ซึ่งช่วยให้ไม่มีการแตกหักแบบฉับพลัน

ความทนทานของแผ่นใยแก้วแบบ Chopped Strand Mat ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การกันน้ำและทนสารเคมีของแผ่นใยแก้ว

CSM ทำงานได้ดีมากในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและกัดกร่อน เนื่องจากมันไม่ดูดซับน้ำและมีความต้านทานต่อสารเคมีโดยธรรมชาติ เส้นใยแก้วจะผลักความชื้นออกไป ในขณะที่ส่วนประกอบเรซินแบบโพลีเอสเตอร์สามารถทนต่อสารเคมีที่รุนแรงต่างๆ ได้ รวมถึงกรด ด่าง และตัวทำละลาย แม้ในระดับที่เข้มข้น (ประมาณระดับ pH 12) ด้วยระบบป้องกันสองชั้นแบบนี้ CSM จึงถูกนำไปใช้บ่อยครั้งในงานต่างๆ เช่น ถังเก็บเชื้อเพลิงใต้ดินที่น้ำซึมเข้าไปทั่ว ชิ้นส่วนภายในโรงงานเคมีที่ต้องสัมผัสกับสารกัดกร่อนจำนวนมาก และชิ้นส่วนเรือที่ต้องเผชิญกับอากาศเค็มจากทะเลอย่างต่อเนื่อง

ความต้านทานต่อการกัดกร่อนในงานทางทะเลและอุตสาหกรรม

ต่างจากโลหะ CSM ไม่เกิดสนิมหรือปัญหาการกัดกร่อนแบบไฟฟ้าเคมี (galvanic corrosion) ทำให้มันเหมาะสำหรับนำไปใช้ในส่วนของเรือที่จมอยู่ในน้ำเค็ม แพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง และระบบบำบัดน้ำเสีย ความต้านทานต่อผลพลอยได้จากโรงกลั่นน้ำมันและสารเคมีทำความสะอาดอุตสาหกรรม ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาลง 30–50% เมื่อเทียบกับเหล็ก ทำให้เพิ่มมูลค่าตลอดอายุการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ความเสถียรทางความร้อนภายใต้อุณหภูมิที่สูงและการสัมผัสกับไฟ

CSM สามารถรักษารูปร่างไว้ได้แม้จะถูกความร้อนเป็นเวลานาน โดยปกติสามารถทนต่ออุณหภูมิได้ประมาณ 300 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 149 องศาเซลเซียส) สำหรับช่วงเวลาสั้นๆ ในกรณีที่เกิดเพลิงไหม้ วัสดุนี้สามารถทนต่อสภาพที่ร้อนกว่านั้นมากจนถึง 600 องศาฟาเรนไฮต์ (316 องศาเซลเซียส) แทนที่จะละลายหายไปเหมือนวัสดุทั่วไปในสถานการณ์คล้ายกัน CSM มีแนวโน้มที่จะค่อยๆ ไหม้เป็นถ่านโดยไม่สูญเสียความแข็งแรงมากนัก คุณสมบัตินี้ทำให้วัสดุนี้มีคุณค่าอย่างมากสำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่เสี่ยงต่อความเสียหายจากไฟไหม้ เช่น ภายในเครื่องยนต์รถยนต์ หรือบริเวณอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ต้องการการป้องกันความร้อนที่เหมาะสม ตามมาตรฐานการทดสอบ UL 94 ซึ่งวัดพฤติกรรมการติดไฟของสารต่างๆ ตัวอย่าง CSM จะหยุดการลุกไหม้เองภายในเวลาเพียง 10 วินาทีหลังจากไม่ได้สัมผัสกับเปลวไฟโดยตรงอีกต่อไป

ความสามารถในการเข้ากันได้กับเรซินและการแปรรูปเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดของวัสดุคอมโพสิต

ความสามารถในการเข้ากันได้กับเรซินของผ้าใยแก้วแบบตัด (Chopped Strand Mat)

CSM ทำงานได้ดีกับเรซินหลากหลายชนิด เนื่องจากเส้นใยแก้วเฉื่อยบวกกับสารยึดเกาะที่ละลายได้ในโพลีเอสเตอร์ ตัวเลขก็สนับสนุนเรื่องนี้เช่นกัน — เมื่อทุกอย่างถูกเปียกชุ่มอย่างเหมาะสม เราจะได้แรงยึดเกาะประมาณ 92% เมื่อเทียบกับวัสดุแบบทอ ตามรายงานใน Composite Materials Journal เมื่อปีที่แล้ว สิ่งที่ทำให้ CSM แตกต่างคือโครงสร้างเปิดที่ช่วยให้เรซินซึมลึกเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ดี แต่สิ่งที่น่าสนใจสำหรับผู้ผลิตคือ วิธีการละลายจะเปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับว่าพวกเขาใช้เรซินโพลีเอสเตอร์ชนิด orthophthalic หรือ isophthalic ส่วนต่างนี้ส่งผลต่อเวลาในการแปรรูป และอาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการผลิตในสภาพการใช้งานจริง

เรซินที่เหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานกับ Chopped Strand Mat (โพลีเอสเตอร์ เอพ็อกซี่)

เรซินโพลีเอสเตอร์มีส่วนแบ่งการตลาดสูงสุดในงาน CSM (75%) แต่การใช้เรซินประเภทเอพ็อกซี่กำลังเติบโตในภาคส่วนที่ต้องการสมรรถนะสูง ตัวเลือกหลัก ได้แก่:

• Orthophthalic polyester : ตัวเลือกประหยัดสำหรับถังเรือ ($18–$22/แกลลอน)
• ไวนิลเอสเตอร์ : มีความต้านทานต่อสารเคมีดีกว่าโพลีเอสเตอร์มาตรฐานถึง 35%
• ระบบอีพอกซี : ให้แรงดึงสูงขึ้น 15% แต่ต้องใช้เทคนิคการชุบด้วยเรซินที่แม่นยำ

ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า การใช้แผ่นใยแก้วไม่ถักทอ (CSM) ร่วมกับอีพอกซีสามารถลดการเกิดโพรงอากาศได้มากขึ้น 40% เมื่อเทียบกับโพลีเอสเตอร์ โดยดำเนินการที่ความชื้นสัมพัทธ์ต่ำกว่า 60%

อัตราส่วนเรซินต่อแผ่นใยแก้วที่เหมาะสมที่สุดสำหรับประสิทธิภาพสูงสุด

ประสิทธิภาพทางกลที่ดีที่สุดเกิดขึ้นที่อัตราส่วน 60:40 ระหว่างเรซินต่อเส้นใยตามน้ำหนัก โดยหากมีการเบี่ยงเบนจะส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างชัดเจน:

ช่วงอัตราส่วน	ความแปรปรวนของแรงดัด
55:45	-12%
60:40	เส้นฐาน
65:35	-9%

เรซินที่มากเกินไปจะเพิ่มน้ำหนักโดยไม่จำเป็น ในขณะที่เรซินที่น้อยเกินไปจะทำให้เกิดจุดแห้งซึ่งลดความแข็งแรงเฉือนระหว่างชั้นได้ถึง 30%

ประสิทธิภาพในการเปียกเส้นใย (Wet-out efficiency) และปัญหาการเกิดอากาศปิดกั้นในกระบวนการเคลือบชั้น (lamination)

การจัดวางเส้นใยแบบสุ่มในวัสดุ CSM อาจขัดขวางการไหลของเรซิน จึงจำเป็นต้องใช้เทคนิคการแปรรูปเฉพาะ

• การอิ่มตัวด้วยลูกกลิ้งแนวตั้งเพิ่มความเร็วในการเปียกเส้นใย (wet-out speed) ได้ถึง 25%
• การใช้ถุงสุญญากาศ (vacuum bagging) ช่วยควบคุมปริมาณช่องว่าง (void content) ให้อยู่ต่ำกว่า 1.5%
• การเคลือบชั้นแบบเป็นลำดับช่วยป้องกันการชะล้างสารยึดเกาะ (binder washout) ในชิ้นงานเคลือบที่มีความหนา

การควบคุมความหนืดของเรซินให้อยู่ในช่วง 300–500 cPs มีความสำคัญอย่างยิ่ง—ความหนืดที่สูงกว่าจะทำให้อากาศถูกกักไว้มากขึ้นถึง 2.3± เท่า เมื่อเทียบกับการทดลองเคลือบชั้นภายใต้สภาวะควบคุม

การประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมที่สำคัญ ซึ่งใช้ประโยชน์จากความแข็งแรงของวัสดุไฟเบอร์กลาสแบบ Chopped Strand Mat

การใช้งานในอุตสาหกรรมทางทะเล: การเสริมความแข็งแรงของตัวเรือและอายุการใช้งานยาวนานในน้ำเค็ม

วิศวกรมืออาชีพในอุตสาหกรรมทางทะเลใช้ CSM เพื่อเสริมโครงสร้างตัวเรือ โดยใช้คุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนและมีความแข็งแรงในหลายทิศทาง วัสดุนี้สามารถทนต่อแรงกระแทกจากคลื่นและการสัมผัสน้ำเค็มได้ดี มีน้ำหนักเบาช่วยเพิ่มความสามารถในการลอยตัว และไม่มีปัญหาสนิมกัดกร่อน งานวิจัยยืนยันว่า CSM รักษษาความแข็งแรงของโครงสร้างไว้ได้มากกว่า 15 ปีในสภาพแวดล้อมทางทะเล (2023) ซึ่งช่วยให้เรือมีความน่าเชื่อถือในระยะยาว

การใช้งานในยานยนต์และอากาศยาน: วัสดุคอมโพสิตที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรงสูง

ในอุตสาหกรรมขนส่ง CSM ถูกนำมาใช้ในแผงประตู แกนกันชน และชิ้นส่วนภายในเครื่องบิน ผลการวิเคราะห์วัสดุในปี 2024 พบว่าคอมโพสิตที่ทำจาก CSM ลดน้ำหนักของชิ้นส่วนลงได้ถึง 38% เมื่อเทียบกับเหล็กกล้า โดยยังคงความแข็งแรงเทียบเท่ากัน น้ำหนักที่ลดลงนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงในยานพาหนะ และเพิ่มความสามารถในการบรรทุกของเครื่องบิน ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายด้านความยั่งยืนระดับโลก

ความยืดหยุ่นและการปรับตัวเข้าแบบได้ดีในกระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตที่ซับซ้อน

ความสามารถในการปรับตัวของ CSM ทำให้วัสดุสามารถห่อหุ้มแบบจำลองที่มีรูปทรงซับซ้อนได้โดยไม่เกิดการย่นหรือบุ๋ม ช่วยให้ผู้ผลิตได้รับผลลัพธ์ที่ดีขึ้นในการผลิตสินค้า เช่น ใบพัดกังหันลม และแผ่นตัวถังรถจักรยานยนต์ ร้านค้าที่เปลี่ยนมาใช้ CSM สังเกตเห็นว่ากระบวนการวางชิ้นงานใช้เวลาน้อยลงประมาณ 27% เมื่อเทียบกับวัสดุทอแบบดั้งเดิม เนื่องจากไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับทิศทางของเส้นใยในระหว่างการติดตั้ง ความยืดหยุ่นในลักษณะนี้จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมร้านค้าจำนวนมากจึงเลือกใช้ CSM เมื่อต้องการสร้างต้นแบบดีไซน์ใหม่ ๆ หรือผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างแปลกตาเป็นจำนวนมาก สำหรับผู้ที่ต้องทำงานกับรูปทรงที่ซับซ้อนอยู่เป็นประจำ วัสดุชนิดนี้ทำงานได้ดีกว่าวัสดุทางเลือกอื่น ๆ ในทางปฏิบัติ

คำถามที่พบบ่อย

ไฟเบอร์กลาส Chopped Strand Mat (CSM) ประกอบด้วยอะไรบ้าง

CSM ประกอบด้วยเส้นใย E-glass ที่ผสมผสานกับสารยึดเกาะโพลิเมอร์ เช่น เรซินชนิดโพลีเอสเตอร์ หรือสไตรีน ซึ่งก่อตัวเป็นโครงสร้างผ้าที่ไม่ได้ทอ

การจัดเรียงเส้นใยแบบสุ่มช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลของ CSM อย่างไร

การจัดเรียงเส้นใยแบบสุ่มช่วยกระจายแรงได้สม่ำเสมอในทุกทิศทาง เพิ่มความแข็งแรงในหลายทิศทาง และป้องกันจุดอ่อน

ข้อดีหลักของการใช้ CSM ในงานด้านทะเลคืออะไร?

CSM มีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อน ให้ความแข็งแรงในหลายทิศทาง และมีความทนทานยาวนานในสภาพแวดล้อมน้ำเค็ม ทำให้เหมาะสำหรับการเสริมโครงเรือ

เหตุใด CSM จึงเป็นที่นิยมในกระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตที่ซับซ้อน?

CSM มีความสามารถในการปรับตัวได้ดีเยี่ยมบนแม่พิมพ์ที่ซับซ้อน กระบวนการปูวัสดุที่รวดเร็ว และไม่มีแนวโน้มการจัดเรียงตามทิศทาง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตต้นแบบและการผลิตจำนวนมาก