الیاف طبیعی

الیافی كه از منابع طبیعی مانند معادن، حیوانات و گیاهان بدست می آیند، در گروه الیاف طبیعی قرار می گیرند. مصریان باستان از كامپوزیتهای الیاف طبیعی آجر، ظروف سفالی و قایقهای كوچك می ساختند. یك قرن پیش تولید تقریباً تمام وسایل و بسیاری از محصولات فنی از الیاف طبیعی ساخته می شد. پارچه، طناب، كرباس و كاغذ از الیاف طبیعی مانند كتان، شاهدانه، سیسال و كنف ساخته می شد.

می توان الیاف طبیعی را به سه دسته معدنی، حیوانی و گیاهی تقسیم نمود.

الف)الیاف معدنی: الیاف این گروه از سنگهای معدنی بدست می آیند. به عنوان نمونه می توان به آزبست اشاره نمود. آزبست می تواند استحكام و سفتی كامپوزیت را بهبود ببخشد ولی استحكام ضربه را كاهش می دهد. علاوه بر این فرآیند آن مشكل است. امروزه استفاده از این الیاف بدلیل ایجاد سرطان ریه در طولانی مدت، محدود و ممنوع شده است.

ب)الیاف حیوانی: الیاف بدست آمده از ارگانیسم های زنده، الیاف حیوانی نامیده می شوند. به عنوان مثال، پشم از گوسفند اهلی بدست آید. الیاف ابریشم را كرم ابریشم می سازد. ابریشم بر خلاف تمام الیاف طبیعی دیگر از قبیل پنبه، كتان و پشم، یك ساختار سلولی ندارد و روش ساخت آن، شبیه الیاف مصنوعی می باشد. از الیاف حیوانی در ساخت كامپوزیتها استفاده نمی شود.

ج)الیاف گیاهی: در بین الیاف طبیعی، الیاف گیاهی بیشترین كاربرد را در كامپوزیتها دارند.

▪ بر اساس اینكه از كدام قسمت گیاه گرفته شده اند، به سه دسته تقسیم می شوند:

۱) الیاف میوه: پنبه(cotton) نارگیل (coir ) وkapok

۲) الیاف پوست یا ساقه: كتان،كنف،(jute )، بوته شاهدانه (hemp) و رامی

۳) الیاف برگ: سیسال (sisal)،آناناس

الیاف طبیعی از قدیم در صنایع مختلف استفاده می شده اند و پتانسیل كاربرد در صنایع رو به رشد كامپوزیتهای مهندسی را دارا می باشند. اگر چه جایگزینی مستقیم الیاف شیشه با الیاف طبیعی به راحتی امكان پذیر نیست، اما خواصی كه این الیاف در مقایسه با شیشه از خود نشان می دهند در بسیاری جهات موجب برتری آنها می شود:

۱) دارای منابع تجدید شونده

۲) امكان استحصال نامحدود

۳) فواید محیطی ناشی از ایجاد تعادل در تولید و مصرف گاز۲ CO

۴) سبكی

۵) بازیافت بهتر

۶) كاهش فرسایش ابزار

۷) بهبود بازگشت انرژی (recovery Energy Enhanced)

۸) كاهش ناراحتی های پوستی و تنفسی

۹) زیست تخریب بودن

b ۱,۴ Polyacetal ایزوتكتیك می باشد. سلولز جامد، یك ساختار میكروكریستالین با نواحی كریستالی و آمورف تشكیل می دهد.

چ) لیگنین: یك تركیب حلقویِ بیشتر سه بعدی، با جرم مولكولی بالاست كه فقط در مقادیر جزئی می تواند هیدرولیز شود. خواص مكانیكی آن به وضوح پایین تر از سلولز می باشد.

ح )پكتین: نام كلی هتروپلی ساكاریدهاست كه اصولاً شامل اسید پلی گالاكتورُن می باشد. این ماده تنها پس از خنثی سازی جزئی با قلیا یا هیدروكسید آمونیم قابل حل در آب می باشد.

خ) واكس: ماده ای كه می توان آنرا با تركیبات آلی استخراج كرد ولی در آب غیر قابل حل است.agent coupling) و كوپلیمریزاسیون گرفت.

اصلاح سطح تاثیرمهمی درافزایش خواص كامپوزیت دارد. علاوه بر آن ممكن است حساسیت به رطوبت الیاف را به حداقل برساند و دوام كامپوزیت را بیشتر كند.

توجه همگانی به شرایط محیطی علاقه مندی مجددی را در كاربرد الیاف طبیعی ایجاد كرده است. بازیافت و لحاظ شرایط محیطی برای معرفی كامپوزیتهای جدید به بازار از اهمیت روز افزونی برخوردار است.

قوانین محیط زیستی و فشار مصرف كننده، باعث شده است كه تولید كنندگان مواد و قطعات، اثرات محصولات خود در محیط زیست را در تمام مراحل كار بسنجند. این نكات باعث شده است در سالهای اخیر كارهای زیادی در ساخت مواد كامپوزیتی بر پایه منابع تجدید پذیر از جمله الیاف طبیعی انجام بگیرد. اخیرا صنعت خودرو سازی به كاربرد كامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان یك راه خدمت به محیط زیست و در عین حال رعایت مسایل اقتصادی، توجه جدی داشته است. كاربردهای دیگر نیز در صنایع ساختمان در حال پیدایش هستند.

شرایط آب و هوایی، عمر و فرآورش نه تنها بر ساختار الیاف، بلكه بر تركیبات شیمیایی الیاف اثر می گذارد. اجزاء الیاف طبیعی عبارتند از سلولز، لیگنین، پكتین، واكس و مواد محلول در آب.

د) سلولز: بخش اصلی تمام الیاف گیاهی

باید توجه داشت كه بدلیل حضور گروههای آبدوست در الیاف، رطوبت تأثیر شدیدی روی كامپوزیتهای الیاف طبیعی دارد. خشك كردن الیاف به هنگام فرآیند ساخت اهمیت فراوانی دارد چرا كه رطوبت روی الیاف به عنوان یك عامل جداساز در فصل مشترك الیاف و رزین عمل می نماید. به همین جهت تمام روشهای ساخت در دماهای بالا انجام می گیرد. وجود هرگونه رطوبت، باعث كاهش استحكام و سفتی كامپوزیت می شود. اغلب الیاف گیاهی، ۱۰ درصد رطوبت اسمی دارند كه پس از خشك كردن به ۱ درصد كاهش می یابد.

كیفیت فصل مشترك الیاف و رزین نقش مهمی در تعیین مقبولیت الیاف طبیعی به عنوان تقویت كننده مواد كامپوزیتی، دارد. به منظور بهبود چسبندگی الیاف و رزین، روشهای فیزیكی و شیمیایی مختلفی وجود دارد. برخی این روشها عبارتند از اصلاح توسط پلاسما و كرونا، اصلاح توسط تخلیه الكتریكی، جفت كننده های شیمیایی

● سایر الیاف

در برخی كاربردها ذرات معدنی به عنوان تقویت كننده پلیمرها استفاده می شوند.

ذرات معدنی به شرط دارا بودن نسبت aspect (طول به قطرd/l) كافی و چسبندگی مناسب به ماتریس پلیمری، خواص خوبی به پلیمر می دهند. این الیاف به راحتی فرآورش می شوند و كمتر می شكنند و فرسایش كمی در تجهیزات تولید ایجاد می كنند. گاهی اوقات طبیعت شیمیایی این مواد می تواند ویژگی هایی چون مقاومت شعله در پلیمر ایجاد می نماید.

علاوه بر محصولات طبیعی مانند ولاستونیت (wolastonite ) و آزبست، این الیاف شامل محصولات مصنوعی مانند كربنات كلسیمِ ته نشین شده و سولفات كلسیم نیز می باشد. همچنین گاهی الیاف بر پایه آلومینا و بر (boron) به منظور ایجاد خواص ویژه در كامپوزیت بكار برده می شوند. این سیستم ها نه تنها استحكام خوبی دارند، بلكه دارای خواص هدایت حرارتی و الكتریكی و مقاومت فرسایش نیز می باشند.

در گذشته تنها دو محصول طبیعی، دارای صرفه اقتصادی بود كه آزبست و ولاستونیت نامیده می شوند. به دلیل شرایط زیست محیطی دیگر از آزبست به عنوان تقویت كننده استفاده نمی شود.

ولاستونیت در طبیعت بصورت سوزنی شكل وجود دارد و بیان شده كه دارای سمیت كمی است. این ماده پس از استخراج بصورت پودری سفید رنگ با l/d های مختلف بدست می آید. بالاترین نسبت aspect قابل دستیابی در این الیاف۲۰:۱ می باشد. این امر پتانسیل تقویت كنندگی این ماده را كاهش می دهد. با این وجود، محدوده ای از مصولات با انجام اصلاح سطح به منظور بهبود چسبندگی وجود دارد. علیرغم پایین بودنl/d، ولاستونیت می تواند تلفیق خوبی از خواص با یك قیمت معقول ایجاد نماید، بویژه وقتی به همراه الیاف شیشه استفاده شود.

تعدادی از مواد معدنی می توانند به روش ته نشینی از محلول به صورت ذرات سوزنی شكل در آیند و به عنوان تقویت كننده های تجاری استفاده شوند. از جمله این مواد می توان به كربنات كلسیم تهیه شده به روش ته نشین، سولفات كلسیم، اكسی سولفات و فسفات منیزیم اشاره نمود. نسبت

l/d این مواد بین ۱ :۲۰ تا۱:۱۰۰ می باشد.

● الیاف آلومینا:

در تئوری آلومینا می تواند به عنوان یك ماده با استحكام بالا مطرح باشد. پیوندهای چند ظرفیتی اشتراكی قوی این ماده موجب ایجاد كریستال های محكم با مدول شصت گیگاپاسكال و مقاومت حرارتی بالا می شود. در عمل پلی كریستالینهای آلومینا به عنوان یك سرامیك مهندسی مطرح هستند. افزودن سایر اكسیدها می تواند به فرآورش، تراكم و كنترل اندازه ذرات كمك كند. به دو دلیل بسط الیاف پیوسته آلومینا به كندی صورت می گیرد:

اول آنكه دانسیتهٔ آن نسبتا بالا خواهد بود و برای كاربردهایی كه خواص ویژه اهمیت دارند، جذاب نیست. و دوم اینكه آلومینا، مانند شیشه دارای خواص ذوب و ریسندگی مذاب نیست و اصولا تهیه الیاف عاری از حباب

● الیاف بُر

بُر یك ماده مناسب برای ساخت الیاف با كارایی بالاست. اتمهای سبك بُر چند ظرفیتی هستند و پیوندهای با ظرفیت بالا ایجاد می نمایند و در عین حال دانسیته پایینی دارند. تولید تجاری الیاف بُر، انحصارا توسط روش( free void) بسیار مشكل است.deposition بخار شیمیایی (Cvd = Deposition vapour chemical) انجام می گیرد.

بُر شكل deposite شده فاز بخار روی رشته نازكی از یك فلز نسوز (معمولا تنگستن) به قطر m m ۱۲ است. رشته تنگستن به عنوان بستر deposition عمل می نماید. هم هالید بُر و هم هیدرید بُر برای انتقال بُر به بستر رشته ای استفاده می شوند. در یك سیتم هالیدی، هیدروژن برای احیاء هالید به بُر استفاده می شود. در سیستم هیدریدی، از تخریب حرارتی در فشار پایین استفاده می شود.

قطر رشته های بر صد میكرومتر می باشد و استحكام كششی آنها می تواند در محدودهٔ دو تا چهار گیگاپاسكال و مدول آنها در حدود سیصد و هشتاد مگاپاسكال باشد.در مجموع می توان گفت این الیاف خواص بسیار جالبی دارند ولی گران قیمتند.

آفتاب/گرد آوری: گروه دانش وتکنولوژی سایت تبیان زنجان
http://www.tebyan-zn.ir/science_technology.html