آشنایی با فیبر استخوانی

آغاز عصر مدرن کامپوزیت‌ها را می‌توان با تجاری‌سازی الیاف شیشه در دهه 1930 مرتبط دانست. در آن زمان صنعت هواپیماسازی با مشکلاتی نظیر هزینه بالا و زمان طولانی ساخت قالب های جدید فلزی و عدم تحمل قالب های پلاستیکی در مواجهه با نیروهایی که در طول فرآیند آهنگری متحمل می شدند، روبه رو بود. لذا این موضوع به این ایده منجر شد که تقویت این پلاستیک ها با الیاف شیشه ای یا کاغذی که از قبل در بازار وجود داشت، می تواند مقاومت آنها را در برابر تنش های فرآیند قالب گیری افزایش دهد. سپس قالب ها از رزین های فنولیک و الیاف شیشه و یا کاغذی ساخته شد که برای هدف مورد نظر کافی بود.

در طول جنگ جهانی دوم (1945-1939) توسعه کامپوزیت ها با تهیه نمونه هایی از کامپوزیت ها از جمله کاغذ های تقویت شده با فنول در ساخت “متصل کننده بال به بدنه” هواپیما (هواپیما PT-19) و استفاده از “گوردون-آئرولیت” تهیه شده از نخ کتان آغشته به رزین فنولیک در بدنه هواپیما سرعت گرفت. مواد کامپوزیتی پیشرفته از سال 1970 رونق گرفتند، زمانی که بحث افزایش هزینه های سوخت در صنعت هوایی مطرح شد، سبک‌تر کردن قطعات این سازه به طور جدی دنبال شد و این امر منجر به جایگزینی قطعات فلزی با کامپوزیت‌های پلیمری گردید. از جمله کامپوزیت های پیشرفته می­توان به فیبر استخوانی اشاره کرد.

کامپوزیت ها از ترکیب دو یا چند ماده با خواص متفاوت، بدون حل شدن یا ترکیب شدن آنها در یکدیگر، تشکیل می‌شوند که شامل دو جز بستر و تقویت کننده می باشند. در این نوع کامپوزیت ها تمام سطوح کاغذ بسته به کاربرد، از لحاظ اقتصادی و مکانیکی گرفته تا گرید های الکتریکی را با رزین های فنولیکی که اساسا قوی و مقاوم در برابر دماهای بالا و مواد شیمیایی هستند پوشانده می­شود. در ادامه به اجزای مختلف این نوع کامپوزیت پرداخته می شود:

رزین مورد استفاده در این نوع کامپوزیت ها، رزین های فنولیکی می باشند، طبق استاندارد ISO 10082 رزین های فنولیک از واکنش فنل ها با آلدئیدها به دست می آیند. رزین های فنولیک به دو دسته اصلی رزول ها و نووالاک ها قابل تقسیم اند، از این رو می توان گفت شیمی رزین های فنلی شامل عوامل کلیدی مختلفی است که در طراحی آنها حیاتی است. این عوامل شامل:

• نسبت مولاریته F به P
• محیط کاتالیزوری: اسید، باز، نمک فلزی، آنزیم
• حالت فیزیکی: مایع، جامد و محلولی
• قابلیت پخت: گرمانرم یا گرماسخت

رزین‌های معروف به رزول با استفاده از کاتالیزور پایه و در شرایط قلیایی به دست می‌آیند و نسبت مولی فرمالدئید به فنل در این رزین ها بیشتر/ مساوی یک می باشد و همین موضوع منجر به قابلیت پخت و قرارگیری آن ها در دسته انواع گرماسخت می شود. با این حال، زمانی که نسبت مولی فرمالدئید به فنل در شرایط اسیدی کمتر از یک شود، رزین نوولاک از دسته رزین های فنولیک گرمانرم به دست می آید. در شکل 1 شیمی متفاوت این دو نوع رزین فنولیک نشان داده شده است:

گرماسخت ها مانند رزین های فنلی نوع رزول در دمای اتاق شکننده هستند و معمولاً خواص مکانیکی ضعیفی دارند. با این حال، به دلیل وجود پیوندهای عرضی، در دماهای بالا قابل استفاده اند و از آنجاییکه دمای نرم کنندگی بالاتر و خواص خزشی بهتری و مقاومت بالاتری در برابر حملات شیمیایی نسبت به نووالاک ها دارند. در فیبر های استخوانی نیز علاوه بر این خواص، به خواص مکانیکی خوب نیاز است، می توان نوع رزول را با تقویت کننده ها ترکیب کرد تا این خواص را بهبود بخشد.

تقویت کننده های کامپوزیت های بر پایه رزین های فنولیک، کاغذ کرافت و یا الیاف هستند. کاغذ کرافت قوی‌ترین کاغذ رایج است و در مواقعی که حداکثر استحکام مورد نیاز است، از آن استفاده می‌شود. مقایسه ای از خواص مختلف کامپوزیت های برپایه رزین فنلیک با استفاده از کاغذ کرافت و یا الیاف به عنوان تقویت کننده در جدول 1 آمده است.

فرایند تولید فیبر استخوانی بدین صورت است که چندین لایه کاغذ کرافت در شرایط دمایی بالا (بسته به کاربرد فیبر استخوانی) و فشار بالا، پرس و در اصطلاح لمینیت شده و فیبر استخوانی تشکیل می­شود. لازم به ذکر است نوع چیدمان کاغذ کرافت و شرایط فشاری و دمایی نیز نقش مهمی را در خواص مکانیکی و کاربرد نهایی فیبر ایفا می کند.

در ذیل چند نمونه از انواع مختلف این کاغذ های آغشته به رزین فنولیک و نحوه تولید آنها به طور مختصر آورده شده است:

این فیبراستخوانی معمولاً  3 -0.2 میلی متر است که روی یک تخته فیبر با چگالی بالا چسبانده شده است. در این نوع کاغذ های کرافت آغشته به رزین فنلیک توسط لایه رویی کاغذ کرافت آغشته به رزین ملامین فرمالدهید به منظور ایجاد مقاومت سایشی مطلوب احاطه شده است. این نوع کامپوزیت که در تولید میز های آشپزخانه و میز کار کاربرد دارد، در فرآیند فشار بالا ناپیوسته (55 تا 90 بار) و دمای (تا دمای 160 درجه سانتیگراد) تولید شده که طی آن رزین ها به طور کامل پخت می-شوند.

این نوع کامپوزیت از نظر روند و لایه های مختلف کاملا مشابه نوع HPL می باشد با این تفاوت که در این نوع از فشار کمتری (20 تا 70 بار) و دمای بالاتری (180 تا 190 درجه سانتیگراد) جهت پرس لایه ها روی یکدیگر استفاده می ­شود.

این نوع نیز روش ساختی کاملا مشابه با انواع HPL دارد با این تفاوت که صرفا ضخامت این کامپوزیت بیشتر از نوع HPL است.

فیبری است که کاغذها مستقیماً روی یک بستر تخته خرده چوب فشار داده می شوند به این صورت که کاغذهای آغشته به رزین را روی بستر قرارداده و در نهایت در یک پرس سیکل کوتاه ناپیوسته در فشار 20-40 بار پخت انجام می شود.

این کامپوزیت ها ضمن فرآوری انعطاف‌پذیر، در محیط های حساس به آتش و دود و سمیت (FST) مانند هواپیما، پانل های داخلی و اجزای ایمنی، تجهیزات حمل و نقل دریایی، مصالح ساختمان قابل استفاده اند. در این حوزه ها استفاده از کامپوزیت های برپایه رزین فنولیک به دلیل مقاومت قابل توجه در برابر سوختن، تولید حداقل دود و بخارات سمی در آتش، توانایی تولید اشکال پیچیده و امکان تنظیم استحکام ضربه ای و سختی بالا چشمگیر است به طوریکه که این مواد را می ­توان جایگزین مناسب فلزات در صنایع ریلی، دریایی، ساختمانی و … دانست. در نهایت می-توان مزایای این نوع فیبر ها را به موارد زیر خلاصه کرد:

• ماشینکاری آسان تر با سایش ابزار کمتر
• مقاومت الکتریکی و  مکانیکی بالا
• نفوذ پذیری بسیار پایین دربرابر آب دارند.
• عدم ایجاد جرقه در معرض ضربات و قابلیت استفاده در محیط های ضد انفجار
• مقرون به صرفه بودن

کامپوزیت های کاغذی فنولیک علاوه بر شکل صفحه ای به صورت لوله های توخالی و پر برای ساخت انواع قطعات سخت، از جمله پانل ها، واشرها، برد های ترمینال، ترانسفورماتورها، نیروگاه های برق، واشرهای صنعتی دما بالا، اجزای سوئیچ ولتاژ بالا و قطعات سوراخ شده پیچیده ایده آل هستند. مواد مخصوص کاغذ فنولیک را می­ توان حتی برای ساخت پارک های اسکیت برد در فضای باز/ بسته استفاده نمود.