پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP) چیست و چه کاربردهایی دارد؟ - گیگابلاگ

پلیمر تقویت شده با فیبر یا اف آر پی (FRP) چیست؟

پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP) در واقع نوعی از مواد مرکب یا کامپوزیت است که برخلاف مصالح سنتی ساخت وساز مانند فولاد که ایزوتروپ (همسانگرد) هستند، از ماهیتی آنیزوتروپی (ناهمسان گرد) برخوردار است. ویژگی های این پلیمر به جهت جایگیری فیبر ها بستگی دارد. این نوع از پلیمر دارای نسبت بالایی از مقاومت (استحکام) به چگالی و همچنین مقاومت بالایی در برابر خوردگی است.

از طرفی هم این فیبر ویژگی های الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی بسیار مناسبی دارد. علاوه بر این، این نوع از فیبر با توجه خاصیت شنماینده بودن و در کل ویژگی های مکانیکی خاصی که دارند، ممکن است که نرخ بارگذاری شرایط محیطی و دمایی آن ها را تحت تأثیر قرار دهد.

یکی از اهداف اصلی استفاده از فیبرهای مسلح شده در واقع تحمل بار در راستای طول فیبر و ایجاد مقاومت و سختی در یک جهت است. در بسیاری از سازه ها این پلیمرها جایگزین مصالح فلزی می شوند. عملکرد پلیمر تقویت شده با فیبر به عواملی همچون مواد سازنده، نسبت مواد سازنده، ظرفیت باربری الیافی که به منظور تقویت پلیمر استفاده شده است، نحوه جای گیری الیاف تقویتی و رفتار مواد سازنده در واکنش با یکدیگر بستگی دارد.

تاریخچه

• 1905 - ساخت اولین پلاستیک تقویت شده با فیبر توسط لئو بیکلند
• 1909 - ثبت اختراع پلاستیک تقویت شده با فیبر در انجمن شیمی آمریکا
• 1933 - فراوری کاملاً اتفاقی پشم شیشه توسط گیمز اسلایتر
• 1936 - فراوری فایبرگلاس توسط اوون کورنینگ
• 1936 - توسعه یک رزین مناسب جهت درک کردن فایبرگلاس با پلاستیک به منظور فراوری مواد مرکب یا کامپوزیت توسط دو پونت
• 1937 - فراوری اولین قایق با استفاده از مواد کامپوزیت توسط ری گرینی
• 1937 - پرواز اولین هواپیمای ساخته شده با پلاستیک تقویت شده با فیبر در آمریکا
• 1941 - معرفی اولین نمونه خودروی ساخته شده
• 1943 - اقدامات گسترده ای برای توسعه استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت هواپیما ها صورت گرفت.
• 1950- شروع ساخت فیبر کربن در اواخر دهه 1950
• 1960 - فراوری فیبر آرامید در انگلستان در اوایل دهه 1960
• 1970 - رواج استفاده از پلیمر در صنایع با افزایش فراوری آن
• 1990 - تحقیقات گسترده در مورد مقاوم سازی سازه ها با استفاده از پلیمر ها بعد از زلزله سال 1990
• 1980 - تحقیقات در مورد استفاده از پلیمر های تقویت شده در سازه های آسیب دیده

چرا باید از پلیمر تقویت شده با فیبر استفاده کرد؟

• پلیمر اف آر پی چگالی بسیار کمی دارند و متعاقب آن فضای کمی را اشغال می نمایند.
• با پیشرفت فناوری هزینه فراوری و اجرای این نوع از پلیمر ها پایین آمده است.
• از وزن و چگالی پایینی برخوردار هستند.
• پلیمر اف آر پی مقاومت کششی و مدول الاستیسیته بالایی دارد.
• این نوع از پلیمر مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد.
• پلیمر اف آر پی از خاصیت ضد اسیدی و خورندگی بالایی برخوردار است.
• این پلیمر از نفوذناپذیری مغناطیسی مناسبی برخوردار است.
• اجرای سریع و آسان

ترکیب پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP)

به طور کلی پلیمر مسلح شده با فیبر (FRP) به عنوان یک ماده مسلح شده از دو جز فیبر و رزین یا همان ماتریکس ساخته شده است که در ادامه به طور جداگانه به هر یک از آن ها پرداخته شده است.

فیبر

نوع فیبر انتخاب شده در واقع ویژگی های این نوع از پلیمر ها را کنترل می نماید. کربن، شیشه، آرامید و بازالت چهار نوع اصلی از فیبر هایی هستند که به طور گسترده در ساخت این نوع از پلیمر ها با فیبر مورد استفاده قرار می گیرند. نوع فیبر استفاده شده در فراوری پلیمر به طور عمده در نام گذاری آن مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان نمونه پلیمر تقویت شده با فیبر کربن یعنی نوعی از پلیمر که در مسلح سازی آن از کربن استفاده شده است. سختی و کرنش کششی دو مورد از مهم ترین ویژگی های هستند که در انواع مختلف فیبر متفاوت است.

ماتریکس

ماتریکس باید نیروها را میان رشته های فیبر پخش کند و از آن ها در برابر هرگونه آسیب محافظت کند. رزین های نوع ترموست که در واقع نوعی پلاستیک هستند که پس از فراوری و یک بار ذوب شدن و شکل گیری دیگر ذوب نخواهند شد، به طور گسترده در این زمینه مورد استفاده قرار می گیرد. وینیل استر و اپوکسی نیز دو نوع رایج از انواع ماتریکس ها هستند. اپوکسی در مقایسه با وینیل استر مزایای به مراتب بیشتری را در اختیار قرار می دهد اما متأسفانه استفاده از آن بسیار هزینه بر است.

انواع پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP)

پلیمرهای تقویت شده را به طور کلی بر اساس نوع فیبر استفاده شده در آن ها به چهار نوع اصلی تقسیم می نمایند که به ترتیب زیر هستند:

پلیمر تقویت شده با فیبر شیشه ای (GFRP)

فیبرهای شیشه ای به طور کلی از ترکیب ماسه سیلیسی، سنگ آهک اسیدفولیک و موادی دیگر به مقدار جزئی ساخته می شوند. در مرحله بعد از تشکیل این نوع از پلیمر، این ترکیب حرارت داده می گردد تا نهایتاً در 1200 درجه سانتی گراد ذوب گردد. ترکیب ذوب شده از حفرات کوچکی در یک صفحه پلاتینیومی عبور داده می گردد سپس رشته های شیشه را خنک می نمایند و در نتیجه فیبر هایی را شکل می دهند.

فیبر های شیشه ای به دلیل ویژگی های عایق الکتریکی بالا، مقاومت بالا در برابر رطوبت و ویژگی های مکانیکی بالا یکی از پرکاربردترین انواع فیبر در پلیمرهای تقویت شده هستند. اگرچه فیبر های شیشه ای مقاومت ضربه ای خوبی دارند اما در مقایسه با فیبر کربن و آرامید وزن بیشتری دارند.

پلیمر تقویت شده با فیبر کربنی (CFRP)

فیبرهای کربنی از مدول الاستیسیته بالایی برخوردار هستند. قابلیت تبدیل شدگی فیبر کربن تقریباً برابر با 0/3 تا 2/5 درصد است. هر چقدر که مقدار تبدیل شدگی کمتر باشد، در مقابل سختی فیبر کربن بیشتر خواهد بود. فیبر های کربن جاذب آب نیستند و مقاومت بسیار خوبی در برابر بسیاری از محلول های شیمیایی دارند. از طرفی هم مقاومت بالایی در برابر خستگی دارند و هیچ گونه خزش و وارفتگی را از خود نشان نمی دهند.

پلیمر تقویت شده با فیبر آرامید (AFRP)

آرامید در واقع مخفف اصطلاح پلی آمید آروماتیک است. مدول الاستیسیته این نوع از فیبر ها برابر با 70 تا 200 گیگاپاسکال و تبدیل شدگی نهایی آن ها نیز 1/5 تا 5 درصد است که بستگی به کیفیت آن دارد. آرامید انرژی شکست بالایی دارد. از طرفی هم نسبت به حرارت های بالا، رطوبت و تابش های فرابنفش حساس هستند و به همین دلیل هم است که به طور گسترده در کاربردهای مهندسی عمران مورد استفاده قرار نمی گیرند.

پلیمر تقویت شده با فیبر بازالت (BFRP)

این نوع از پلیمرهای تقویت شده با فیبر در واقع آینده این صنعت را مجسم می نمایند. خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی این نوع از فیبر ها در مقایسه با فیبر های شیشه های به مراتب بهتر است و از این رو هم عمدتاً به عنوان جایگزینی برای فیبرهای شیشه ای در نظر گرفته می شوند.

کاربردهای پلیمر تقویت شده با فیبر

• این پلیمر در بتن های پیش ساخته مورد استفاده قرار می گیرند و مقاومت در برابر خوردگی و شفافیت الکترومغناطیسی بتن را افزایش دهند.
• پلیمر کربن در لوله کشی ها و سازه های زیر آبی بسیار کاربرد دارند.
• جذب انرژی بالا توسط فیبرهای آرامید آن ها را برای استفاده در مسلح سازی سازه های مهندسی قرار گرفته در معرض بارگذاری های دینامیک و ضربه ای مناسب می سازد.
• پلیمر تقویت شده با فیبر کاربردهای گسترده ای در سازه هایی دارند که بایستی از لحاظ الکتریکی در شرایطی خنثی قرار داشته باشند.
• پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP) در عملیات های بهسازی لرزه ای به کار گرفته می گردد.
• صفحات و ورق های این نوع از پلیمر برای مقاوم سازی اعضای مختلفی از سازه ها مانند تیرهای بتنی، دال های بتنی، ستون های بتنی، دیوارهای بتنی، شمع ها، فونداسیون و لوله های بتنی مورد استفاده قرار می گیرند.

سخن آخر

پلیمر های مسلح شده (FRP) از ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بسیار منحصر به فردی برخوردار هستند و از این رو هم برای استفاده از آن ها در کاربردهای گسترده در صنعت ساختمان سازی به ویژه مقاوم سازی قسمت های مختلفی از سازه های بتنی بسیار جذاب به نظر می رسند. در سال های اخیر و با پیشرفته فناوری و پایین آمدن هزینه فراوری انواع پلیمر ها، استفاده از این مواد کامپوزیت بسیار افزایش یافته است.

راوه بلاگ: راوه بلاگ | با مجله صنعتی راوه همراه باشید