کیفیت لوله های پلیمری

آشنایی با کامپوزیتها  

در کاربردهای مهندسی، اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز   است. به عنوان مثال در صنایع هوافضا، کاربردهای زیر آبی، حمل و نقل و امثال آنها،   امکان استفاده از یک نوع ماده که همه خواص مورد نظر را فراهم نماید، وجود ندارد. به  عنوان مثال در صنایع هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی و UV خوبی داشته باشند و ....
از آنجا که نمی توان ماده‌ای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، باید به دنبال چاره‌ای دیگر بود. کلید این مشکل، استفاده از کامپوزیتهاست.
کامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. اگرچه کامپوزیتهای طبیعی، فلزی و سرامیکی نیز در این بحث می‌گنجند، ولی در اینجا ما تنها به کامپوزیتهای پلیمری می‌پردازیم.
در کامپوزیتهای پلیمری حداقل دو جزء مشاهده می‌شود :
1- فاز تقویت کننده که درون ماتریس پخش شده است.
2- فاز ماتریس که فاز دیگر را در بر می‌گیرد و یک پلیمر گرماسخت یا گرمانرم می‌باشد که گاهی قبل از سخت شدن آنرا رزین می‌نامند

تقسیم بندی‌های مختلفی در مورد کامپوزیتها انجام گرفته است که در اینجا یکی از آنها را آورده‌ایم:

خواص کامپوزیتها به عوامل مختلفی از قبیل نوع مواد تشکیل دهنده و ترکیب درصد آنها، شکل و آرایش تقویت کننده و اتصال دو جزء به یکدیگر بستگی دارد.
از نظر فنی، کامپوزیتهای لیفی، مهمترین نوع کامپوزیتها می باشند که خود به دو دستة الیاف کوتاه و بلند تقسیم می‌شوند. الیاف می‌بایست استحکام کششی بسیار بالایی داشته، خواص لیف آن (در قطر کم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نیرو توسط الیاف تحمل می‌شود و ماتریس پلیمری در واقع ضمن حفاظت الیاف از صدمات فیزیکی و شیمیایی، کار انتقال نیرو به الیاف را انجام می‌دهد. ضمناَ ماتریس الیاف را به مانند یک چسب کنار هم نگه می‌دارد و البته گسترش ترک را محدود می‌کند. مدول ماتریس پلیمری باید از الیاف پایینتر باشد و اتصال قوی بین الیاف و ماتریس بوجود بیاورد. خواص کامپوزیت بستگی زیادی به خواص الیاف و پلیمر و نیز جهت و طول الیاف و کیفیت اتصال رزین و الیاف دارد. اگر الیاف از یک حدی که طول بحرانی نامیده می‌شود، کوتاهتر باشند، نمی‌توانند حداکثر نقش تقویت کنندگی خود را ایفا نمایند.
الیافی که در صنعت کامپوزیت استفاده می‌شوند به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف)الیاف مصنوعی
ب)الیاف طبیعی
کارایی کامپوزیتهای پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آنها تعیین میشود. اغلب آنها دارای الیاف با مدول بالا هستند که در ماتریسهای پلیمری قرار داده شدهاند و فصل مشترک خوبی نیز بین این دو جزء وجود دارد.
ماتریس پلیمری دومین جزء عمده کامپوزیتهای پلیمری است. این بخش عملکردهای بسیار مهمی در کامپوزیت دارد. اول اینکه به عنوان یک بایندر یا چسب الیاف تقویت کننده را نگه میدارد. دوم، ماتریس تحت بار اعمالی تغییر شکل میدهد و تنش را به الیاف محکم و سفت منتقل میکند.
سوم، رفتار پلاستیک ماتریس پلیمری، انرژی را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش میشود که در نتیجه، رفتار چقرمگی در شکست را بهبود میبخشد.
تقویت کنندهها معمولا شکننده هستند و رفتار پلاستیک ماتریس میتواند موجب تغییر مسیر ترکهای موازی با الیاف شود و موجب جلوگیری از شکست الیاف واقع در یک صفحه شود.
بحث در مورد مصادیق ماتریسهای پلیمری مورد استفاده درکامپوزیتها به معنای بحث در مورد تمام پلاستیکهای تجاری موجود میباشد. در تئوری تمام گرماسختها و گرمانرمها میتوانند به عنوان ماتریس پلیمری استفاده شوند. در عمل، گروههای مشخصی از پلیمرها به لحاظ فنی و اقتصادی دارای اهمیت هستند.
در میان پلیمرهای گرماسخت پلیاستر غیر اشباع، وینیل استر، فنل فرمآلدهید(فنولیک) اپوکسی و رزینهای پلی ایمید بیشترین کاربرد را دارند. در مورد گرمانرمها، اگرچه گرمانرمهای متعددی استفاده میشوند، PEEK ، پلی پروپیلن و نایلون بیشترین زمینه و اهمیت را دارا هستند. همچنین به دلیل اهمیت زیست محیطی، دراین بخش به رزینهای دارای منشا طبیعی و تجدیدپذیر نیز، پرداخته شده است.
از الیاف متداول در کامپوزیتها می‌توان به شیشه، کربن و آرامید اشاره نمود. در میان رزینها نیز، پلی استر، وینیل استر، اپوکسی و فنولیک از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. در بخشهای بعدی، رزینها و الیاف و روشهای شکل دهی کامپوزیتها را مورد بحث قرار داده‌ایم.
منبع :

کاربرد کامپوزیتها در لوله های انتقال سیال

یکی از کاربردهای عمدة کامپوزیت‌ها، ساخت تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی می‌باشد. در این میان لوله‌های انتقال سیال، بزرگترین بخش تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی را به خود اختصاص می‌دهد. متن زیر برگرفته از سایت اینترنتی www.smithfiberglass.com در معرفی تکنولوژی لوله‌های کامپوزیتی می‌باشد

خوردگی مواد، سالیانه میلیون‌ها دلار هزینه در سراسر جهان بر جای می­گذارد. زیان‌های حاصل از خوردگی به‌طور میانگین 4 درصد تولید ناخالص ملی یک کشور را به هدر می‌دهد.

خوردگی یک پدیدة شیمیایی است که در اثر آن نواقصی در خواص فیزیکی و مکانیکی ماده ایجاد شده و سبب می­گردد تا قطعه مورد نظر به مرور زمان کارایی خود را از دست بدهد. مثال بارز خوردگی، زنگ‌زدگی فلزات در محیط­های نمناک و مرطوب است.

عمده­ترین ضعف فلزات جهت استفاده در محیط­های نمناک، اسیدی، نفتی و غیره، بروز خوردگی در آنهاست و از آنجاییکه اغلب لوله­های صنعتی از مواد فلزی همچون آهن و فولاد ساخته می‌شود، احتمال ظهور پدیدة خوردگی در آنها بالا می‌باشد. از طرفی رشد روز­افزون صنایع مختلف همچون نفت، گاز، پتروشیمی و غیره در مناطق مرطوب و محیط‌های خورندة جنوب کشور ما تقاضای فراوانی را برای تولید لوله­های مقاوم به خوردگی جهت انتقال سیال پدید آورده است.

استفاده ا زکامپوزیت‌ها

یکی از بهترین و موثرترین راه­های مقابله با پدیده خوردگی استفاده ا­زلوله­های کامپوزیتی به جای مشابه فلزی آنها می­باشد. سه خاصیت مهم کامپوزیت‌ها، آنها را به عنوان بهترین جایگزین نمونه­های فلزی و بتنی معرفی کرده است. این خواص عبارتند از :

1- سبکی وزن

2- مقاومت در برابر خوردگی

3- خواص مکانیکی عالی

علاوه بر خواص فوق، لوله­های کامپوزیتی از مزایای دیگری نسبت به نمونه­های فلزی بر­خوردارند که زمینه‌ساز استفاده روز­افزون از آنها شده است:

- عمر خدماتی بالا

- تعمیر و نگهداری کم

- به صرفه بودن از نظر هزینه نصب اولیه

وزن اندک قطعات کامپوزیتی از مزایای مهم استفاده از مواد مرکب است که در مورد لوله­ها به‌دلیل نیاز حیاتی به حمل و نقل و نصب آسان آنها بسیار حائز اهمیت است.

برای درک این مطلب کافی است بدانیم که یک لوله کامپوزیتی در مقایسه با نمونة فلزی خود تنها 20 درصد وزن آن را دارد.

مواد استفاده درساخت لوله­های کامپوزیتی:

هر قطعه کامپوزیت، حداقل از دو نوع ماده متفاوت ساخته می­شود. مادة نخست الیاف تقویت­کننده، که نقش اصلی استحکام دادن به لوله را بر عهده دارند و دیگری رزین زمینه که به عنوان نگهدارنده الیاف مورد استفاده واقع می­گردد .

الیافی که عموماً در ساخت لوله­های کامپوزیت به کار می­روند، الیاف شیشه (fiber glass) هستند. قیمت اندک و مقاومت عالی این الیاف در برابر مواد خورندة مختلف، فایبرگلاس را به عنوان بهترین انتخاب در مقابل سایر الیاف تقویت­کننده معرفی کرده است. لوله‌های ساخته شده از الیاف شیشه نسبت به انواع محیط‌های خورنده مقاوم می‌باشد.

رزین‌هایی که به طور متداول در ساخت لوله­های کامپوزیت به کار می­روند، اپوکسی، وینیل­استر و پلی­استر ایزوفتالیک می‌باشند. تمام رزین‌های فوق طی فرآیند­های پخت لوله، مقاومت لازم در برابر دما، فشار و خوردگی را به‌دست می­آورند.

مقاومت در برابر خوردگی یک لوله کامپوزیتی، علاوه بر جنس الیاف و نوع رزین مورد استفاده، به موارد دیگری همچون نوع فرآیندهای تولید و بهینه‌سازی بعد از شکل‌دهی اولیه نیز بستگی دارد. بطور مثال پس از تولید یک لوله، نوع و ضخامت ماده‌ای که جهت محافظت بیشتر در سطوح داخلی لوله روکش می­شود، تأثیر زیادی بر نحوه عملکرد و عمر لوله دارد.

اغلب جهت جلوگیری از فساد ناشی از تابش اشعه ماوراء بنفش خورشید و مواد شیمیایی موجود در خاک و هوا، جدار خارجی لوله­ها نیز به مواد محافظ آغشته می­شود. فشار قابل تحمل لوله­ها نیز بسته به ضخامت لوله، نوع رزین مورد مصرف و فرآیند ساخت استفاده شده، از 7 تا 270 آتمسفر متغیر است.

فرآیندهای ساخت لوله­های کامپوزیت:

عموماً دو روش ساخت لوله­های کامپوزیت وجود دارد:

1- روش پیچش الیاف

فرآیند پیچش الیاف فرآیندی است که در آن الیاف از پیش آغشته به رزین می­شوند، سپس الیاف خیس به دور استوا­نه­ای که تحت چرخش محوری است با زاویه مشخصی پیچیده می‌شوند. تکرار این عمل شکل لوله را فراهم می­آورد. لوله­هایی که توسط این فرآیند ساخته می­شوند، قابلیت تحمل فشارهای تا حدود 270 را نیز دارا می­باشند. شکل 1 بیانگر فرآیند پیچش الیاف است:



2- روش ریخته­گری گریز از مرکز

فرایند ریخته­گری گریز از مرکز، فرآیندای است که در آن، الیاف شیشه به‌صورت خرد شده و یا بافت‌های تکه‌تکه، در داخل یک لوله فولادی که بر روی بلبرینگی قرار دارد و به موتوری متصل است، قرار می­گیرند. وقتی که لوله با سرعت زیاد دوران می­کند همزمان رزین درون لوله بر روی الیاف اسپری می‌شود و آنها را خیس می­کند. نیروی گریز از مرکز ناشی از دوران لولة فولادی، هوا را از لابلای رزین و الیاف بیرون کشیده و حاصل آن یک لولة بدون حباب با هدایت گرمایی بالا و خواص مناسب می­باشد. شکل 2 بیانگر فرایند ریخته­گری گریز از مرکز است: