يمكن تعريف مركب البوليمرات المسلحة بالألياف (FRP) على أنه نوع من أنواع اللدائن وتم تدعيمها وتقويتها بالألياف وتنتج فئة من المواد التي تندرج تحت فئة يشار إليها باسم المواد المركبة. بوجه عام، يتم تصنيع المواد المركبة عن طريق تشتيت جزيئات مادة أو أكثر في مادة أخرى ، والتي تشكل شبكة إتصال مستمرة حولها.
تختلف مركبات FRP عن مواد البناء التقليدية مثل الحديد والألمنيوم حيث تكون مركبات FRP متباينة الخواص (anisotropic) في حين أن الفولاذ والألمنيوم متماثلان (isotropic). لذلك ، فإن خصائصها اتجاهية ، مما يعني أن أفضل خصائص ميكانيكية تكون في اتجاه وضع الألياف.
هذه المواد لديها نسبة عالية من القوة مقابل الكثافة ، ومقاومة التآكل كبيرة والخصائص الكهربائية والمغناطيسية والحرارية المناسبة. ومع ذلك ، فهي قصفة وهشة وقد تتأثر خصائصها الميكانيكية بمعدل التحميل ودرجة الحرارة والظروف البيئية.
تتمثل الوظيفة الأساسية لتقوية الألياف في حمل الحمل على طول الألياف وتوفير القوة والصلابة في اتجاه واحد. إنه يحل محل المواد المعدنية في العديد من التطبيقات الهيكلية حيث تكون سعة حمل الحمولة مهمة.
إن استخدام FRP في التطبيقات الهندسية يمكّن المهندسين من الحصول على إنجازات كبيرة في الخواص والتشغيلية والأمان والاقتصادية في البناء بسبب خصائصه الميكانيكية.
مكونات مركب البوليمر المسلح بالألياف
١- الألياف
يتحكم اختيار نوع الألياف بشكل أساسي في خصائص المواد المركبة. الكربون والزجاج والأراميد هي ثلاثة أنواع رئيسية من الألياف التي تستخدم في البناء. غالبًا ما يتم تسمية المركب النهائي بواسطة إسم ألياف التسليح المستخدمة ، على سبيل المثال ، CFRP هو البوليمر المسلح بألياف الكربون. أهم الخصائص التي تفرق بين أنواع الألياف هي الصلابة أو الجساءة وإجهاد الشد.
٢- المواد الرابطة
يجب أن تنقل المادة الرابطة القوى بين الألياف وتحمي الألياف من التأثيرات الضارة. تقريبًا يتم استخدام راتنجات الصقل بالحرارة. الفينيل استر والإيبوكسي هما المواد الرابطة الأكثر شيوعًا.
يُفضل الإيبوكسي في الغالب عن مادة الفينيل ولكنه أيضًا أكثر تكلفة. تبلغ صلاحية الإيبوكسي حوالي ٣٠ دقيقة عند ٢٠ درجة مئوية ولكن يمكن زيادة ذلك باستخدام إضافة تركيبات مختلفة. الإيبوكسي له قوة رابطة ، ومقاومة ، وخصائص زحف ، ومقاومة كيميائية جيدة.
أنواع البوليمرات المسلحة بالألياف (FRP)
١- البوليمرات المسلحة بالألياف الزجاجية (GFRP)
تصنع الألياف الزجاجية بشكل أساسي عن طريق خلط رمل السيليكا والحجر الجيري وحمض الفوليك والمكونات الثانوية الأخرى. يسخن المزيج حتى يذوب عند حوالي ١٢٦٠ درجة مئوية.
ثم يُسمح للزجاج المنصهر بالتدفق عبر الثقوب الدقيقة في صفيحة بلاتينية مكونة خيوط. يتم تبريد الخيوط الزجاجية وتجميعها. يتم سحب الألياف لزيادة قوتها الاتجاهية. يتم بعد ذلك نسج الألياف بأشكال مختلفة لاستخدامها في المركبات.
استنادًا إلى تركيبة الجير البورسليكات من الألمنيوم ، تعتبر الألياف المنتجة من الزجاج هي التسليح السائد لمركبات البوليمر المسلح بسبب خصائصها العازلة الكبيرة للكهرباء ، وقلة التأثر بالرطوبة والخصائص الميكانيكية العالية.
يعتبر الزجاج بشكل عام من الألياف المقاومة للمؤثرات بشكل جيد ولكنه يزن أكثر من الكربون أو الأراميد. الألياف الزجاجية لها خصائص ممتازة تساوي أو أفضل من الحديد في تطبيقات معينة.
٢- البوليمرات المسلحة بألياف الكربون (CFRP)
ألياف الكربون لديها معامل عالي من المرونة ، ٢٠٠ - ٨٠٠ جيجا باسكال. الاستطالة النهائية هي ٠.٣ - ٢.٥٪ حيث تتوافق الاستطالة الأقل مع الصلابة العالية والعكس صحيح.
ألياف الكربون لا تمتص الماء وهي مقاومة للعديد من المحاليل الكيميائية. ألياف الكربون تتحمل التعب أو الكلال بشكل ممتاز ولا تتآكل ولا يظهر عليها أي زحف أو استرخاء.
٣- البوليمرات المسلحة بألياف الأراميد (AFRP)
الأراميد هو المكون القصير للبولي أميد العطري. العلامة التجارية المعروفة لألياف الأراميد هي Kevlar ولكن توجد بالفعل علامات تجارية أخرى مثل Twaron و Technora و SVM.
يبلغ حجم الألياف ٧٠ - ٢٠٠ جيجا باسكال مع استطالة نهائية بنسبة ١.٥ - ٥ ٪ اعتمادًا على الجودة. الأراميد لديه طاقة عالية للكسر وبالتالي يستخدم للخوذات والملابس الواقية من الرصاص.
ألياف الأراميد حساسة لدرجات الحرارة المرتفعة والرطوبة والأشعة فوق البنفسجية وبالتالي لا تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الهندسة المدنية. وأخيرًا ، تعاني ألياف الأراميد من مشاكل في الاسترخاء والتآكل تحت الإجهاد.
تطبيقات واستخدامات البوليمرات المسلحة بالألياف FRP
- يتم استخدام FRPs الكربونية في الخرسانة سابقة الإجهاد للتطبيقات التي تكون فيها المقاومة العالية للتآكل والشفافية الكهرومغناطيسية لـ CFRP مطلوبة.
- يتم استخدام مركبات CFRP في الأنابيب تحت الماء والأجزاء الهيكلية للمنصات البحرية. بالإضافة إلى ذلك ، تقلل FRP من أخطار نشوب الحريق.
- تُستخدم البوليمرات المسلحة بألياف الكربون لتصنيع الأنابيب تحت الماء لعمق كبير لأنها توفر زيادة طفو كبيرة (بسبب كثافتها المنخفضة) مقارنة بالفولاذ.
- يمكن استخدامها في السلالم والممرات لتوفير الوزن ومقاومة التآكل.
- يتم استخدامها في الهياكل الهجينة عالية الأداء.
- تستخدم قضبان FRP كتسليح داخلي للهياكل الخرسانية لزيادة المتانة.
- يتم استخدام قضبان وألواح وشرائط FRP لتقوية الهياكل المختلفة التي يتم إنشاؤها من الخرسانة والبناء والأخشاب وحتى المعدنية.
- يتم استخدام FRPs للتأهيل الزلزالي والترميم.
- تستخدم البوليمرات المسلحة بالألياف في بناء الهياكل الخاصة التي تتطلب الحياد الكهربائي.
- إن قدرة امتصاص الطاقة العالية لمركبات البوليمر المسلح بألياف الأراميد (AFRP) يجعلها مناسبة لتقوية الهياكل الهندسية المعرضة للتحميل الديناميكي وأحمال الصدم.