پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP) چیست و چه کاربردهایی دارد؟
پلیمر تقویت شده با فیبر یا اف آر پی (FRP) به عنوان یک محصول مرکب یا کامپوزیت از دو جزء اصلی پلیمر و فیبر تشکیل شده است. پلیمر تقویت شده با فیبر، تفاوت‌های عمده‌ای با مصالح ساختمانی سنتی مانند فولاد و آلومینیوم دارد. این نوع از فیبر به دلیل ویژگی‌های ساختاری منحصر به فردی که از آن‌ها بهره‌مند شده است مهندسان را قادر می‌سازد که به دستاورد‌های چشمگیری در کاربردپذیری، ایمنی و هزینه یک سازه ساختمان دست یابند. در ادامه قصد داریم که به‌طور مشروح به این نوع از پلیمر بپردازیم.
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 ساخت‌وساز مانند فولاد که ایزوتروپ (همسانگرد) هستند، از ماهیتی آنیزوتروپی (ناهمسان گرد) برخوردار است. ویژگی‌های این پلیمر به جهت جایگیری فیبر‌ها 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 ویژگی‌های الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی بسیار مناسبی دارد. علاوه بر این، این نوع از فیبر با توجه خاصیت شکننده بودن و در کل ویژگی‌های مکانیکی خاصی که دارند، ممکن است که نرخ بارگذاری وضعیت محیطی و دمایی آن‌ها 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 سازه‌ها این پلیمرها جایگزین مصالح فلزی می‌شوند. عملکرد پلیمر تقویت شده با فیبر به عواملی همچون مواد سازنده، نسبت مواد سازنده، ظرفیت باربری الیافی که به‌منظور تقویت پلیمر استفاده شده است، نحوه جایگیری الیاف تقویتی و رفتار مواد سازنده در واکنش با یکدیگر بستگی دارد.
بیشتر بخوانید: بتن مگر
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 – تولید کاملاً اتفاقی پشم شیشه توسط گیمز اسلایتر
- 1936 – تولید فایبرگلاس توسط اوون کورنینگ
- 1936 – توسعه یک رزین مناسب جهت درک کردن فایبرگلاس با پلاستیک به‌منظور تولید مواد مرکب یا کامپوزیت توسط دو پونت
- 1937 – تولید 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 گسترده‌‌ای برای توسعه استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت هواپیما‌ها صورت گرفت.
- 1950- آغاز ساخت فیبر کربن در اواخر دهه 1950
- 1960 – تولید فیبر آرامید در انگلستان در اوایل دهه 1960
- 1970 – رواج استفاده از پلیمر در صنایع با افزایش تولید آن
- 1990 – تحقیقات گسترده در خصوص مقاوم‌سازی سازه‌ها با استفاده از پلیمرها بعد از زلزله سال 1990
- 1980 – تحقیقات در خصوص استفاده از پلیمرهای تقویت شده در سازه‌های 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 می‌کنند.
- با پیشرفت فناوری هزینه تولید و اجرای این نوع از پلیمرها 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 آن‌ها پرداخته شده است.
فیبر
نوع فیبر انتخاب شده در واقع ویژگی‌های این نوع از پلیمرها را کنترل می‌کند. کربن، شیشه، آرامید و بازالت چهار نوع اصلی از فیبر‌هایی هستند که به طور گسترده در ساخت این نوع از پلیمرها با فیبر مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوع فیبر استفاده شده در تولید پلیمر به طور عمده در نام‌گذاری آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. 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 مهم‌ترین ویژگی‌های هستند که در انواع مختلف فیبر متفاوت است.
ماتریکس
ماتریکس باید نیروها را میان رشته‌های فیبر پخش کند و از آن‌ها در برابر هر گونه آسیب محافظت کند. رزین‌های نوع ترموست که در واقع نوعی پلاستیک هستند که پس از تولید و یک‌بار ذوب شدن و شکل‌گیری دیگر ذوب نخواهند شد، به طور گسترده در این زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد. وینیل استر و اپوکسی نیز دو نوع رایج از انواع ماتریکس‌ها هستند. اپوکسی در مقایسه با وینیل استر مزایای به مراتب بیشتری را در اختیار قرار می‌دهد اما متأسفانه استفاده از آن بسیار هزینه‌بر است.
انواع پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP)
پلیمرهای تقویت شده را به طور کلی بر اساس نوع فیبر استفاده شده در آن‌ها به چهار نوع اصلی تقسیم می‌کنند که به ترتیب زیر هستند:
پلیمر تقویت شده با فیبر شیشهای (GFRP)
فیبرهای شیشهای به طور کلی از ترکیب ماسه سیلیسی، سنگ‌آهک اسیدفولیک و موادی دیگر به مقدار جزئی ساخته می‌شوند. در مرحله بعد از تشکیل این نوع از پلیمر، این ترکیب حرارت داده می‌شود تا نهایتاً در ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد ذوب شود. ترکیب ذوب شده از حفرات کوچکی در یک صفحه پلاتینیومی عبور داده می‌شود سپس رشته‌های شیشه را خنک می‌کنند و در نتیجه فیبر‌هایی را شکل می‌دهند.
فیبرهای شیشهای به دلیل ویژگی‌های عایق الکتریکی بالا، مقاومت بالا در برابر رطوبت و ویژگی‌های مکانیکی بالا یکی از پرکاربردترین انواع فیبر در پلیمرهای تقویت شده هستند. اگرچه فیبرهای شیشهای مقاومت ضربه‌ای 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. فیبرهای کربن جاذب آب نیستند و مقاومت بسیار خوبی در برابر بسیاری از محلول‌های شیمیایی دارند. از طرفی هم مقاومت بالایی در برابر خستگی دارند و هیچ‌گونه خزش و وارفتگی را از خود نشان نمی‌دهند.
پلیمر تقویت شده با فیبر آرامید (AFRP)
آرامید در واقع مخفف اصطلاح پلی آمید آروماتیک است. مدول الاستیسیته این نوع از فیبر‌ها برابر با ۷۰ تا ۲۰۰ گیگاپاسکال و تبدیل شدگی نهایی آن‌ها نیز 1/5 تا 5 درصد است که بستگی به کیفیت آن دارد. آرامید انرژی شکست بالایی دارد. از طرفی هم نسبت به حرارت‌های بالا، رطوبت و تابش‌های فرابنفش حساس هستند و به همین دلیل هم است که به طور گسترده در کاربردهای مهندسی عمران مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.
پلیمر تقویت شده با فیبر بازالت (BFRP)
این نوع از پلیمرهای تقویت شده با فیبر در واقع آینده این صنعت را مجسم می‌کنند. خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی این نوع از فیبر‌ها در مقایسه با فیبرهای شیشه‌های به مراتب بهتر است و از این رو هم عمدتاً به عنوان جایگزینی برای فیبرهای شیشهای در نظر گرفته می‌شوند.
کاربردهای پلیمر تقویت شده با فیبر
- این پلیمر در بتن‌های پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرند و مقاومت در برابر خوردگی و شفافیت الکترومغناطیسی بتن را افزایش دهند.
- پلیمر کربن در لوله‌کشی‌ها و سازه‌های زیر آبی بسیار کاربرد دارند.
- جذب انرژی بالا توسط فیبرهای آرامید آن‌ها را برای استفاده در مسلح سازی سازه‌های مهندسی قرار گرفته در معرض بارگذاری‌های دینامیک و ضربه‌ای مناسب می‌سازد.
- پلیمر تقویت شده با فیبر کاربردهای گسترده‌‌ای در سازه‌هایی دارند که بایستی از لحاظ الکتریکی در وضعیتی خنثی قرار داشته باشند.
- پلیمر تقویت شده با فیبر (FRP) در عملیات‌های بهسازی لرزه‌ای به کار گرفته می‌شود.
- صفحات و ورق‌های این نوع از پلیمر برای مقاوم‌سازی اعضای مختلفی از سازه‌ها مانند تیرهای بتنی، دال‌های بتنی، ستون‌های بتنی، دیوارهای بتنی، شمع‌ها، فونداسیون و لوله‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سخن آخر
پلیمرهای مسلح شده (FRP) از ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بسیار منحصر به فردی برخوردار هستند و از این رو هم برای استفاده از آن‌ها در کاربردهای گسترده در صنعت ساختمان‌سازی به ویژه مقاوم‌سازی قسمت‌های مختلفی از سازه‌های بتنی بسیار جذاب به نظر می‌رسند. در سال‌های اخیر و با پیشرفته فناوری و پایین آمدن هزینه تولید انواع پلیمرها، استفاده از این مواد کامپوزیت بسیار افزایش یافته است.
