استكشاف خصائص البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP)

وتتميز الألياف الزجاجية بكثافة منخفضة وخصائص عزل عازلة ممتازة وعزل حراري فائق، بالإضافة إلى خصائص الامتصاص والتمدد الحراري.

I. الكثافة

وتتراوح كثافة الألياف الزجاجية من 1.5 إلى 2.0، أي ربع إلى خُمس كثافة الفولاذ الكربوني العادي فقط، وأخف وزناً بحوالي الثلثين من الألومنيوم خفيف الوزن. وعلى الرغم من خفة وزنه، إلا أن قوته الميكانيكية عالية بشكل مثير للإعجاب.

وفي بعض النواحي، يمكن أن تقترب حتى من مستوى الفولاذ الكربوني العادي. على سبيل المثال، تحقق بعض المواد المصنوعة من الألياف الزجاجية الإيبوكسية قوة شد وثني وضغط تتجاوز 400 ميجا باسكال. عند النظر في القوة النسبية، لا تتفوق الألياف الزجاجية على الفولاذ الكربوني العادي بشكل كبير فحسب، بل يمكنها أيضًا أن تتطابق مع مستوى بعض المواد الخاصة سبائك الفولاذ.

يعرض الجدول 1 مقارنة بين الكثافة وقوة الشد والقوة النسبية للألياف الزجاجية والعديد من المعادن.

الجدول 1

نسبة القوة إلى الوزن: يشير هذا إلى قوة الشد لكل وحدة كثافة، أي نسبة قوة الشد للمادة إلى كثافتها، مما يشير إلى مدى خفة وزنها وخصائصها عالية القوة.

II. الخواص الكهربائية

تتميز الألياف الزجاجية بخصائص عزل كهربائية ممتازة، مما يجعلها مناسبة كمكون عزل في الأدوات والمحركات والأجهزة الكهربائية. ويحافظ على خصائص عازلة جيدة حتى في ظروف الترددات العالية. يمكن أن يؤدي استبدال الورق والقماش القطني بقطعة قماش من الألياف الزجاجية في المواد العازلة إلى تحسين درجة العزل لهذه المواد.

باستخدام نفس الراتنج، يمكن تحسين درجة واحدة على الأقل. تشكل الألياف الزجاجية ثلث إلى نصف إجمالي كمية المواد العازلة. في بعض المحركات الكبيرة، مثل محركات 125,000 كيلو وات، يتم استخدام مئات الكيلوجرامات من الألياف الزجاجية كمواد عازلة.

وعلاوة على ذلك، لا تتأثر الألياف الزجاجية بالكهرومغناطيسية وتتمتع بشفافية جيدة في الموجات الدقيقة. يقدم الجدول 2 الخواص العازلة لبعض أنواع الألياف الزجاجية.

الجدول 2

ثالثًا: الخواص الحرارية الخواص الحرارية

وتتميز الألياف الزجاجية بخصائص حرارية ممتازة، حيث إن سعتها الحرارية النوعية أكبر من المعادن بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات، كما أنها تتميز بتوصيل حراري أقل، حيث تبلغ 1/100 إلى 1/1000 فقط من مواد معدنية.

بالإضافة إلى ذلك، تتمتع أنواع معينة من الألياف الزجاجية بمقاومة ملحوظة لدرجات الحرارة المرتفعة اللحظية. على سبيل المثال، تشكِّل الألياف الزجاجية المصنوعة من قماش السيليكا العالية القائمة على الفينول طبقة مكربنة تحت درجات حرارة عالية للغاية، مما يحمي الصواريخ والصواريخ والمركبات الفضائية بشكل فعال من درجات الحرارة العالية التي تتراوح بين 5000 و10000 كلفن والتدفقات الهوائية عالية السرعة التي يجب أن تتحملها أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي. يوضح الجدول 3 الخواص الحرارية لبعض المواد.

الجدول 3

كما هو موضح في الجدول 3، تتمتع الألياف الزجاجية بخصائص عزل حراري استثنائية، وهي ميزة لا يمكن للمواد المعدنية منافستها.

رابعا. مقاومة الشيخوخة

تواجه جميع المواد مشكلة التقادم، والألياف الزجاجية ليست استثناءً؛ فهي تختلف فقط في المعدل والشدة. ففي ظل التعرض للظروف الجوية، والحرارة الرطبة، والغمر بالماء، والوسائط المسببة للتآكل، ينخفض أداء الألياف الزجاجية. يمكن أن يؤدي الاستخدام طويل الأجل إلى انخفاض اللمعان، وتغير اللون، وتساقط الراتنج، وانكشاف الألياف، والتشقق، من بين ظواهر أخرى.

ومع ذلك، مع التقدم في العلوم والتكنولوجيا، يمكن اتخاذ التدابير اللازمة لمكافحة الشيخوخة لتحسين أدائها وإطالة عمر المنتج.

على سبيل المثال، عند إخضاع الألياف الزجاجية لاختبارات التقادم الطبيعي في هاربين، لوحظ أقل انخفاض في قوة الشد للوحة، أقل من 20%؛ تليها قوة الانحناء، التي لا تتجاوز عمومًا 30%؛ ولوحظ أكبر انخفاض في قوة الضغط، والتي أظهرت أيضًا أكبر قدر من التذبذب، عادةً ما بين 25% و30%. راجع الجدول 4 أدناه.

الجدول 4

وعلاوة على ذلك، فإن التعرض للعوامل الخارجية مثل الرياح والأمطار وأشعة الشمس يمكن أن يؤدي إلى تساقط طبقة الراتنج على أسطح الألياف الزجاجية. الصيانة الدورية ضرورية لمنع ذلك.

V. مقاومة الحرارة ومقاومة اللهب على المدى الطويل

تعتمد مقاومة الحرارة ومقاومة اللهب للألياف الزجاجية على نوع الراتنج المستخدم. لا يمكن أن تتجاوز درجة حرارة التشغيل المستمر درجة حرارة التشويه الحراري للراتنج. الألياف الزجاجية المصنوعة من الإيبوكسي والبوليستر شائعة الاستخدام قابلة للاشتعال. بالنسبة للهياكل التي تتطلب مقاومة للحريق، يجب استخدام راتنجات أو مثبطات مثبطة للهب. لذلك، يجب توخي الحذر عند استخدام الألياف الزجاجية.

عادةً لا يمكن استخدام الألياف الزجاجية لفترات طويلة تحت درجات حرارة عالية. على سبيل المثال، تبدأ قوة الألياف الزجاجية المصنوعة من البوليستر في الانخفاض عند درجات حرارة أعلى من 40 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية، وتبدأ قوة الألياف الزجاجية المصنوعة من الإيبوكسي في الانخفاض فوق 60 درجة مئوية.

وفي السنوات الأخيرة، ظهرت أنواع من الألياف الزجاجية المقاومة لدرجات الحرارة العالية، مثل الألياف الزجاجية الإيبوكسية السيكلو-ألفية والألياف الزجاجية المصنوعة من البولي إيميد. ومع ذلك، تكون درجة حرارة تشغيلها على المدى الطويل في حدود 200-300 درجة مئوية فقط، وهي أقل بكثير من درجة حرارة التشغيل طويلة الأجل للمعادن.

وبالنظر إلى هذه الجوانب الخمسة للخصائص الفيزيائية، من الواضح أن الألياف الزجاجية تختلف عن مواد مثل المعادن والسيراميك. لذلك، ولزيادة مزاياها إلى أقصى حد، يجب استخدامها بشكل صحيح. على سبيل المثال، تتمتع الألياف الزجاجية بأداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة حيث لا تنخفض قوتها.

وبالتالي، حتى عندما تنخفض درجات الحرارة في الهواء الطلق إلى -45 درجة مئوية إلى -50 درجة مئوية في الشتاء الشمالي، لا تصبح الألياف الزجاجية هشة. وتظل الهياكل الخارجية مثل أبراج التبريد وملاجئ المطر آمنة للاستخدام في الشتاء الشمالي.

وعلى العكس من ذلك، في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، هناك حاجة إلى راتنجات وصيغ محددة للألياف الزجاجية. وللاستخدام المستمر عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، يلزم وجود تركيبة مقاومة لدرجات الحرارة العالية وظروف عملية محددة للقولبة. وبخلاف ذلك، يمكن أن تتلف الألياف الزجاجية تحت التشغيل المستمر في درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية.

سادسًا. الخواص الكيميائية للألياف الزجاجية

إن الخاصية الكيميائية الأساسية للألياف الزجاجية هي مقاومتها الفائقة للتآكل. فهو لا يصدأ أو يتآكل مثل المواد المعدنية أو يتعفن مثل الخشب. كما أنه محصن تقريبًا ضد التآكل بفعل الوسائط مثل الماء والزيت. ويمكنه أن يحل محل الفولاذ المقاوم للصدأ في المصانع الكيميائية لتصنيع الخزانات والأنابيب والمضخات والصمامات وغيرها.

فهو لا يتمتع بعمر تشغيلي طويل فحسب، بل إنه لا يتطلب أيضًا تدابير وقائية ضد التآكل أو الصدأ أو الحشرات، مما يقلل من تكاليف الصيانة. تُستخدم الألياف الزجاجية على نطاق واسع لمقاومتها للتآكل. في بعض البلدان الصناعية الكبرى، يتم تصنيع أكثر من 131 تيرابايت 3 تيرابايت من المنتجات المقاومة للتآكل من الألياف الزجاجية، مع زيادة الاستخدام سنويًا. كما أنها شائعة الاستخدام في بلدنا، ومعظمها لتبطين المعدات المعدنية لحماية المعدن.

تعتمد مقاومة الألياف الزجاجية للتآكل بشكل أساسي على الراتنج المستخدم. على الرغم من أن الراتينج المستخدم في الألياف الزجاجية مقاوم للتآكل، إلا أنه إذا تم وضعه مباشرة على الأسطح المعدنية، فقد يتسبب في حدوث تشقق شديد ولن يمنع التسرب أو يحمي المعدن.

يمكن أن تؤدي إضافة كمية معينة من الألياف الزجاجية إلى الراتنج إلى تحويل التشقق الشديد المحتمل إلى العديد من التشققات الصغيرة. إن فرصة أن تشكل هذه الشقوق الصغيرة صدعًا مستمرًا ضئيلة، ويمكن أن تعمل أيضًا على وقف المزيد من التشققات. وهذا يساعد على منع التغلغل والتآكل بواسطة المحاليل الكيميائية.

لا تتميز الألياف الزجاجية بثباتها ضد مجموعة متنوعة من الأحماض والقلويات والأملاح والمذيبات منخفضة التركيز فحسب، بل إنها مقاومة أيضًا للتأثيرات الجوية ومياه البحر والتأثيرات الميكروبية.

ومع ذلك، يجب اختيار الراتنج والألياف الزجاجية ومنتجاتها المناسبة لمختلف الوسائط المسببة للتآكل. لقد أصبح استخدام الألياف الزجاجية لمقاومة التآكل شائعًا بشكل متزايد في السنوات الأخيرة، مما يدل على مزايا الاستثمار المنخفض في مقاومة التآكل، وعمر الخدمة الطويل، والتوفير الكبير في مواد الفولاذ المقاوم للصدأمما يؤدي إلى فوائد اقتصادية كبيرة.

عادةً ما يتم تقييم مقاومة الألياف الزجاجية للتآكل من خلال قياس تغير كتلتها عند وضعها في أوساط تآكل مختلفة. يشير التغير الأصغر في الكتلة إلى مقاومة أفضل للتآكل، ويشير التغير الأكبر في الكتلة إلى مقاومة تآكل أقل.

يسرد الجدول 5 نسب الكتلة لعدة أنواع من الألياف الزجاجية في تركيزات مختلفة من المحاليل الحمضية والقلوية، بينما يوضح الجدول 6 معدل الاحتفاظ بقوة الانحناء للألياف الزجاجية المصنوعة من البوليستر في الأحماض والقلويات وغيرها من الأوساط.

الجدول 5

الجدول 6

* مدة النقع سنة واحدة.