الیاف FRP چیست ؟ کاربرد، مزایا، معایب و ویژگی های آن کدام است؟ - وبلاگ سرمایه

به گزارش وبلاگ سرمایه، برای پاسخ به پرسش الیاف FRP چیست باید با ترجمه آن به فارسی که بر گرفته از عبارت Fiber Reinforced Polymer به معنی پلیمر مسلح شده با الیاف است، آغاز کرد. الیاف FRP در واقع یک محصول کامپوزیت یا ترکیبی از انواع متریال ساختمان است. در این مقاله از ویکی ساختمون به این ماده مصرفی جدید، کاربردها، مزایا و معایب، روش های فراوری آن و محصولاتی که با آن فراوری می گردد پرداخته شده است؛ در ادامه با ما همراه بمانید.

الیاف FRP چیست؟

همانطور که گفته شد FRP یک محصول ترکیبی یا کامپوزیت است که از الیاف و ماتریس تهیه می گردد. در تهیه FRP از الیاف صنعتی مرسوم مانند الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت استفاده می گردد. جزء دیگر FRP ماتریس است که پلیمرهایی مثل اپوکسی، ونیل استر، پلی استر و… آن را می سازند. هر یک از مواد نامبرده که برای تهیه FRP از آن ها استفاده می گردد، خصوصیات منحصربه فردی دارند که با هدف فراوری محصولی بهتر نسبت به الیاف و رزین با هم ترکیب می شوند.

همانطور که گفته FRP از دو جزء ماتریس و الیاف تشکیل شده است. ماتریس از مواد شیمیایی مانند رزین های اپوکسی و پلی استر تشکیل شده است. به جهت کاهش قیمت تمام شده و بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی دارای فیبرها و افزودنی هایی هستند. بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می دهند و نقش الیاف یا فیبر در الیاف FRP تأمین مقاومت مکانیکی است؛ در حالی که ماتریس نقش باربری مکانیکی ندارد و تنها باید از الیاف در مقابل خوردگی، عوامل محیطی و آسیب دیدن محافظت نماید.

چه عواملی در کاربری الیاف بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می دهند مؤثر هستند؟

در واقع انتقال بار در FRP به یاری ماتریس و از طریق انتقال نیروی برشی بین فیبرها صورت می پذیرد. از دیگر کاربردهای ماتریس، کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار است. عوامل مختلفی در بهره وری الیاف FRP تأثیرگذار هستند. از جمله این عوامل می توان به نوع الیاف FRP، درصد مقدار الیاف موجود در FRP، نحوه قرارگیری الیاف FRP و ضریب انتقال حرارت اشاره نمود. این عوامل در مقاومت کششی، خمشی، برشی، خستگی و مقاومت در برابر الکتریسیته همچنین در قیمت تمام شده محصول مؤثر هستند.

روش های فراوری الیاف FRP چیست؟

به طورکلی الیاف FRP به روش های مختلفی فراوری و تهیه می شوند. از جمله این روش های می توان به بافتن رشته ها در هم، پالتروژن و فشرده سازی در خلأ اشاره نمود که در ادامه به آن ها اشاره شده است.

بافتن رشته ها به هم

در روش بافتن رشته ها به هم (Filament winding) الیاف یا رشته های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر پیچانده شده و رشته های فیبر به دور آن تابیده می شوند. در همین حال ماتریس رزین پلی استروینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار دمیده شده و با فیبرها ترکیب می گردد. ناگفته نماند که تمامی این فرایند برای به دست آمدن FRP توسط کامپیوتر کنترل می گردد. الیاف FRP فراوری شده به این روش در صنایع مختلف مانند لوله سازی، ساخت لوله های تحت پیچش، بدنه و جداره موشک، بطری ها و شیشه های تحت فشار، تانک های ذخیره، فیوز تأخیری هواپیما و… مورد استفاده قرار می گیرد.

فرآیند پالتروژن

در فرآیند پالتروژن (Pultrusion) لمینیت ها یا ورق های پوششی با مقطع عرضی و طول مشخص ساخته می گردد. در این فرآیند، نوار فیبر کشیده می گردد و ماتریس که معمولاً پلی استر یا وینیل استر است با گرمای الکتریکی به یاری روغن داغ به فیبر اضافه می گردد. معمولاً این مراحل در اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری انجام می گردد.

فرآیند فشرده سازی در خلأ

در این روش وزن هوای بین لایه های FRP مانع از تشکیل آن می گردد؛ بنابراین بر اثر پرس و فشار اعمال شده، هوای محبوس خارج می گردد تا ورق پوششی FRP یا لمینیت شکل گیرد. در این روش یک یا چند لایه نوار فیبر با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین با استفاده از دو روش های موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می گردد.

از الیاف FRP چه محصولاتی تهیه می گردد؟

از الیاف FRP می توان محصولاتی چون لمینیت یا ورق اف آر پی (FRP Laminate)، میلگرد اف آر پی (FRP BAR)، مقاطع اف آر پی (FRP Section) در کارخانه فراوری کرد؛ همچنین از طریق روش هایی مانند روش Wet lay-up در کارگاه نیز می توان پلیمر را با الیاف ترکیب نموده تا یک محصول FRP به دست آید. در ادامه با انواع محصولات ساخته شده با این فناوری اشاره شده است.

ورق اف ار پی

ورق های اف ار پی (FRP Laminate) همانطور که شرح داده شد، ورق های کامپوزیت پلیمر و الیاف هستند که با استفاده از روش فشرده سازی در خلأ یا پالتروژن تهیه می شوند. در این ورق ها فیبرها در یک یا دو جهت قرار گرفته اند. جنس فیبرها می تواند از جنس کربن و یا شیشه باشد که الیاف بافته شده از آن ها به الیاف شیشه GFRP و الیاف کربن CFRP معروف هستند.

لمینیت FRP از لحاظ شکل پذیری می تواند به صورت صفحات منعطف یا سخت باشد. صفحات FRP منعطف، خاصیت شکل پذیری بالایی دارند و می توانند در شعاع های کم خم شوند. ورق های سخت در ضخامت های زیاد فراوری می شوند و بر خلاف سایر ورق ها، شکل پذیر نیستند و در عرض های مختلف فراوری می شوند.

کاربرد ورق های اف آر پی چیست؟

ورق ها یا لمینیت های اف آر پی با چسب های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می شوند و جهت تعمیر و تقویت سازه های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آب های یون دار) استفاده می گردد. ورق های FRP با چسب اپوکسی به سطوح مورد نظر بتنی و فولادی می چسبند و باعث افزایش مقاومت المان های باربر می شوند. از ورق های FRP در بیشتر مواقع برای مقاوم سازی و بهسازی ساختمان ها در پروژه های مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه ها استفاده می گردد.

میلگرد اف آر پی

میلگردهای FRP هم مانند لمینت آن از الیاف و رزین تشکیل می شوند. در ابتدا الیاف به صورت نوار یا تاندونی به دور لوله ای پیچیده می گردد و سپس فضای بین آن با پلیمر اشباع می گردد.

درست است که استفاده از میلگرد فولادی در بتن مسلح معمولی رواج دارد و فولاد در مقابل خوردگی از طریق محیط قلیایی بتن محافظت می گردد؛ اما خیلی از سازه ها مانند سازه های دریایی، پل ها و پارکینگ ها که در محیط های مهاجم هستند، ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی، محیط قلیایی بتن را کاهش می دهد و سبب خوردگی فولاد می گردد. به همین خاطر امروزه از میلگردهای ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازه ها به کار برده می گردد.

به دلیل رفتار غیر شکل پذیر میلگردهای اف ار پی موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه های می گردد که مهم ترین مشکل آن ها خوردگی یا مسائل الکترومغناطیسی است. میلگردهای فولادی دارای رفتاری تقریباً همسانگرد هستند؛ ولی میلگردهای FRP در بتن تأثیر می گذارد. همچنین مصالح FRP برخلاف مصالح فولادی رفتار الاستیک خطی از خود نشان می دهند.

نکته

کابل، نوار، تاندون های پیش تنیدگی FRP کابل های FRP محصولات شبیه میلگرد FRP، ولی به صورت انعطاف پذیر هستند که در سازه های کابلی و بتنی پیش تنیده در محیط های دریایی و خورنده کاربرد فراوان دارند. این محصولات در اجزای پیش تنیده در مجاورت آب نیز به کار گرفته می شوند.

شبکه کامپوزیتی اف آر پی

شبکه کامپوزیتی FRP از دیگر محصولات کامپوزیتی است که از برخورد میله های اف ار پی در دو یا سه جهت ایجاد می شوند. این محصولات شبکه کامپوزیتی (Nefmac) از فیبرهای کربن، شیشه، آرمید، رزین اپوکسی، وینیل استر و یا پلی استر فراوری می شوند و برای مسلح کردن بتن مناسب هستند. گریتینگ FRP نیز که به روش سیستم قالبی (Modled) یا حرارتی فراوری می گردد که صنایع و بیشتر کارخانجات دارای مواد خورنده کاربرد دارند.

پروفیل های ساختمانی اف آر پی

پروفیل های ساختمانی FRP در اشکال I، T، نبشی و ناودانی و به روش پالتروژن فراوری می شوند. در این روش دسته هایی از فیبر یا رشته های FRP پس از آغشته شدن با رزین از یک قالب عبور نموده و در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می آورند. از مزایای روش پالتروژن، چند منظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفاً با تغییر قالب دستگاه می توان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع میلگردها و آرماتورهای اف ار پی، محصولات گوناگون دیگری در حوزه های مختلف از جمله تسمه های ماشین نساجی، ریل ها، محافظ اتوبان ها یا گاردریل، چارچوب پنجره ها و درها، تیرهای با مقطعی به شکل I، نبشی ها و غیره فراوری کرد.

کاربرد FRP چیست؟

پروفیل ها، ورق ها، میلگردها و کابل های اف آر پی کاربردهای زیادی در صنایع مختلف به ویژه در صنعت ساختمان کاربرد دارد. در ادامه به بعضی از کاربردهای آن در صنعت ساختمان به اختصار اشاره شده است.

• تقویت مخازن فولادی و بتنی
• تقویت سازه های ساحلی و دریایی
• تقویت سازه های مقاوم در برابر انفجار
• تقویت تیر و ستون های چوبی
• تقویت دودکش های بتن آرمه با مصالح بنایی
• تقویت دیوارهای بتن آرمه
• تقویت دیوار تونل ها
• تقویت لوله های بتنی یا فولادی
• تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی
• ساخت دیوارهای ساحلی
• سقف های پشت بام های صنعتی
• نشیمنگاه تجهیزات راکتورها
• سیستم دال کف در محیط های خورنده شیمیایی
• بازسازی و تقویت سازه های مهمی چون بیمارستان ها آثار باستانی و غیره
• افزایش ظرفیت باربری و شکل پذیری ستون ها، تیرها، دال ها و اتصالات بتن آرمه
• محصولات اف آر پی در موارد متنوعی مصرف شده اند که بارزترین آن ها استفاده در مقاوم سازی سازه های بتنی است.

مزایا و معایب الیاف FRP چیست؟

هر متریال ساختمانی چه از بتن و فولاد گرفته تا آجر، سیمان و انواع متریال مدرن، همگی دارای مزایا و معایب خود در محیط های مختلف هستند که الیاف اف آر پی از آن مستثنا نیست. توصیه می گردد از این ویژگی ها در استفاده از متریال ساختمانی مختلف در محیط های مناسب آن در نظر گرفته گردد. در ادامه به چند فزونی و عیب الیاف FRP در صنعت اشاره شده است.

مزایای الیاف FRP

از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آن را برشمرد. مقاومت کششی (تا 7 برابر فولاد)، مقاومت فشاری بالا و قابلیت نارسایی الکتریکی، مقاومت در برابر خوردگی، مدول الاستیسیته قابل قبول، وزن کم، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن نیز از فزونی های الیاف FRP است.

معایب الیاف FRP

از معایب یا ضعف های الیاف FRP نیز می توان به مقاومت کم آن در برابر امواج ماورا بنفش (UV) خورشید، مقاومت کم در محیط های قلیایی در انواع الیاف FRP که در تهیه آن ها از الیاف شیشه استفاده شده است (شیشه در محیط های قلیایی خرده می گردد)، همچنین کاهش مقاومت و تخریب ماتریکس پلیمری در محیط های با دمای بالا و رطوبت زیاد نیز از جمله معایب الیاف FRP است.

سخن آخر

الیاف FRP همانطور که گفته شد، یک متریال مدرن ساختمانی است که از ترکیب الیافی مانند فیبر کربن، فیبر شیشه و مواد پلیمری پر کننده مانند رزین، پلی استر و … پر می شوند و در اشکال مختلفی مانند ورق، پروفیل، میلگرد، کابل و … فراوری می شوند.