آموزشی

هر آنچه که باید درباره الیاف شیشه بدانید!​

الیاف شیشه

الیاف شیشه یا glass fiber یکی از مهم­ترین تقویت کننده­ها در صنعت کامپوزیت است. این الیاف با ترکیبات شیمیایی مختلف کاربردهای صنعتی متفاوتی دارند. قطر این الیاف معمولا بین 5 تا 25 میکرون است و در طول­های مختلفی تولید می­شوند.

تاریخچه الیاف شیشه تا اوایل دهه 1930

استفاده از الیاف شیشه حتی در زمان­های قبل از آغاز شیشه گری شروع شده بود. در مصر باستان در بسیاری از ظروف الیاف شیشه به کار برده می­شد. این تکنیک توسط شیشه­گران ونیزی در قرن 16 و 17 میلادی مورد استفاده قرار می­گرفت. استفاده از این الیاف در صنعت نساجی بعدها رونق یافت. در سال 1713 میلادی یک فیزیکدان فرانسوی منسوجات تزئین شده­ای را با این الیاف ظریف تولید کرد. بعدها محققین مختلفی به ساخت منسوجات با استفاده از این الیاف پرداختند. در اوایل دهه 1930 یک شرکت آمریکایی با نام Owens-Illinois تولید این الیاف را به طور قابل توجهی بهبود داد و همچنین مقرون به صرفه تر کرد.

تاریخچه الیاف شیشه بعد از دهه 1930​

بعد­ها E-glass ها برای ساخت الیاف شیشه پیوسته معرفی شدند که یکی از  ویژگی­های اصلی آن عایق بودن در برابر الکتریسیته بود. اما بعد­ها کاربردهای وسیع دیگری نیز پیدا کرد. در سال 1935 رزینی خاص اختراع شد که در ترکیب با این الیاف برای ساخت اشکال ساختاری مورد استفاده قرار ­گرفت. این دستاورد منجر به تقویت صنعت پلاستیک شد. در سال­های بعد فایبر گلاس به عنوان یک ماده تقویت کننده در صنعت کامپوزیت مورد استفاده قرار گرفت. مشکلات صنایع دیگر برای صنعت فایبرگلاس هم مطرح هستند از جمله اثرات زیست محیطی همچون انتشار گازهای گلخانه­ای و فاضلاب­های آلوده آن­ها که باید کنترل گردد. در دهه 1990 در این صنعت، تولید جهانی کاهش یافت. اکثر شرکت­های تولیدی کوچک مقیاس به خصوص در اروپای غربی توان ادامه تولید و رقابت را نداشتند و توسط شرکت­های بزرگتر خریداری شدند.

ساختار شیمیایی

شیشه یک ماده آمورف (بدون شکل و ساختار منظم) است که از سرد شدن مذاب به وجود می­آید. آرایش فضایی بی نظمی دارد. ماده اصلی الیاف شیشه سیلیس (سیلیکون دی اکسید SIO2) است که از ماسه تولید می­شود. ماسه از یک شبکه نامنظم اتم­های سیلیکون تشکیل شده است که توسط پیوندهای SI-O-SI متصل شده اند. هر اتم سیلیکون به چهار اتم اکسیژن (4 وجهی) و هر اتم اکسیژن به دو اتم سیلیکون متصل است. وقتی SIO2 به شکل کریستالی باشد به آن سیلیکون، وقتی که یک بلور بزرگ از آن باشد به آن کوارتز و همچنین وقتی تعداد زیادی از آنها کنار هم قرار گرفته باشند ماسه نامیده می­شود.

ترکیب شیشه را نمی­توان با ساختار شیمیایی بیان کرد. در واقع این ترکیب یک ترکیب سیلیسی با اکسیدهای بسیاری از فلزات است که در دماهای بالا تولید می­شود. بنابراین ترکیب شیمیایی شیشه معمولا با درصد اکسیدهای آن بیان می­شود.

ماده اساسی ساخت الیاف شیشه
واحدهای تشکیل دهنده سیلیس در الیاف شیشه
ساختار تصادفی سیلیس ها در شیشه

خصوصیات شیشه

شیشه­ ها صرف نظر از ترکیب شیمیایی و انجماد ناشی از دمایشان دارای خواص خاصی هستند که آنها را از بسیاری از مواد متمایز می­کند.

  • شیشه­ دارای ساختار اتمی نامرتب است.
  • شیشه دمای انجماد و ذوب مشخصی ندارد.
  • در شیشه فرآیند ذوب و انجماد به تدریج در یک محدوده دمایی مشخص اتفاق می­افتد.
  • مذاب شیشه با سرد شدن به حالت پلاستیک در می­آید و مجددا با گرم شدن مایع می­شود.

پرمصرف ترین الیاف در صنعت کامپوزیت

در صنعت کامپوزیت الیافی همانند الیاف کربن، آرامید، بازالت و الیاف شیشه استفاده می­شود. یکی از مهم­ترین مزیت­های الیاف شیشه نسبت به سایر الیاف قیمت پایین تر آن است.

الیاف شیشه در کامپوزیت

بیشتر الیاف مورد استفاده در کامپوزیت های مهندسی الیاف شیشه می‌باشد. و بر اساس نوع انتظار از الیاف شیشه مورد نظر در کامپوزیت استفاده می­شود.  

انواع مختلف الیاف شیشه

الیاف شیشه به دو دسته با قیمت پایین و همه منظوره و با قیمت بالا و کاربردهای خاص تقسیم بندی می­شوند.  بیشتر برندها محصولات خود را بر اساس روش زیر نامگذاری می­کنند.

  • (E (electrical: هدایت الکتریکی کم
  • (S (strength: استحکام بالا
  • (C (chemical: مقاومت شیمیایی بالا
  • (M (modulus: کشش بالا
  • (A (alkali: حاوی مقادیر زیاد از فلزات قلیایی، شیشه آهک سدیم
  • (D (dielectric: ثابت دی الکتریک پایین
  • (AR (alkali resistant: مقاومت قلیایی بالا
نسبت عناصر برحسب درصدنوع الیاف
SiO2
B2O3
Al2O3
CaO
MgO
ZnO
TiO2
ZrO2
Na2O
K2O
Li2O
Fe2O3
F
BeO
CeO
 
52-564-612-1521-230.4-4-
-
0.2-0.50-10-0.2
-
0.2-0.50.2-0.7
-
-
E (with boron)
59-60-12-1322-233-4-
-
0.5-1.50.6-0.90-0.2
-
0.20.1
-
-
E (with boron)
60-65.5-23-350-96-11-
-
0-10-0.1-
-
0-0.1
-
-
-
S
3.58-60.6-0.2---0-2.818.1-21.213-14.10-2.8
-
-
-
-
-
AR
58.2-11.621.722.92.5
-
10.200.1
-
-
-
ECR
72-7521-240-10-10.5-0.6--
-
0.40.4
-
0.3
-
-
-
D
53.5--139-8.02
-
-
30.5
-
83M
99.5-99.9------
-
-
-
-
-
-
-
-
Quartz
نوع الیاف شیشهخصوصیات
E (with boron)E (with boron)SARECRDQuartz
1160-1196
1260
1565
1300-1260
1235-1213
-
2300
دمای قالب گیری (سانتیگراد)
830-860
9161056-880
770
-
نقطه نرم شدن (سانتیگراد)
1066-1077
1200
1500
1200-1180
1166-1159
-
1670
دمای ذوب (سانتیگراد)
2.55-2.542.622.49-2.48
2.6-2.7
2.66-2.68
2.16
15.2
(چگالی (گرم بر متر مکعب 
4.9-662.97.55.93.10.54
ضریب انبساط خطی
5.86-6.674.53-4.6-3.56-3.62-3.78ثابت دی الکتریک
3100-35003100-35004380-45903100-35003100-350024103400
 قدرت (Mpa) 
76-7880-8188-9172-7480-815269سفتی (Gpa) 
4.5-4.94.64.5-4.92-2.244.5-4.9-5 (%)ازدیاد طول تا پارگی

روش تولید الیاف شیشه

برای تولید الیاف شیشه، مذاب شیشه با استفاده از مواد سیلیس و مواد معدنی (ترکیب خاصی از اکسیدهای مورد نیاز) ترکیب و ساخته می­شود. توده مذاب به سرعت سرد می­شود تا از تبلور جلوگیری شود. سپس با فرآیندی به نام فیبری کردن این توده تبدیل به الیاف شیشه می­شود.

جریان مذاب بعد از خارج شدن از کوره وارد بخش پلاتینی مقاوم به حرارت می­شود. در این بخش تعداد زیادی روزنه وجود دارد. ذرات مذاب از این روزنه­ ها خارج شده و در حالی که هنوز چسبنده هستند به ضخامت دلخواه کشیده می­شوند. سپس آهار زنی به منظور عدم سایش الیاف با هم انجام می­شود. از نظر ظاهری، فایبرگلاس پیوسته شبیه رشته‌های ابریشم طبیعی یا مصنوعی و الیاف کوتاه پنبه یا پشم است.

E-glass بافته شده برای کامپوزیت¬ها
تولید الیاف شیشه

خصوصیات الیاف شیشه

به برخی از خصوصیات الیاف شیشه در زیر اشاره می­شود.

  • در برابر باکتری­ها و قارچ­ها مقاومت دارند.
  • در برابر رطوبت مقاومت دارند.
  • عایق الکتریکی هستند.
  • استحکام کششی بالایی دارند.
  • انعطاف پذیری خوبی دارند.

کاربرد الیاف شیشه

الیافشیشه به دلیل ویژگی­های منحصر به فرد در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می­گیرند.

  • استفاده در ساختار کامپوزیت­ها برای استحکام بخشی.
  • بیش از 80% این الیاف تولید شده برای تقویت پلاستیک استفاده می­شوند.
  • بیشتر کامپوزیت­های این الیاف در صنایع ساختمان سازی و حمل و نقل کاربرد دارند.
  • برای افزایش مقاومت در بتن استفاده می­شوند.
  •  کمک به افزایش مقاومت ساختمان در برابر زلزله می کنند.
  • برای ساخت توربین­های بادی استفاده می­شوند.
  • در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار می­گیرند.
  • به عنوان عایق صوتی، حرارتی و الکتریکی مورد استفاده هستند.
  • در بسیاری از وسایلی که از جنس پلاستیک هستند به کار برده می­شوند.
  • در صنعت هواپیما سازی و کشتی سازی مورد استفاده هستند.

تخصیص پلاستیک فایبرگلاس تولید شده در اروپا به صنایع مختلف

با توجه به نمودار، میزان تخصیص پلاستیک فایبرگلاس تولید شده در اروپا به صنایع مختلف به صورت زیر است.

  • 34 درصد مربوط به ساختمان سازی
  • 35 درصد مربوط به حمل و نقل
  • 15 درصد مربوط به الکترونیک
  • 15 درصد مربوط به ورزش و اوقات فراغت
  • 1 درصد مربوط به کاربردهای دیگر
نمودار تخصیص پلاستیک فایبرگلاس تولید شده در اروپا به صنایع مختلف

رووینگ (roving) چیست؟

رووینگ (roving) با قرار گرفتن الیاف شیشه به صورت موازی و بدون پیچ و تاب کنار هم ساخته می­شود. رووینگ­ مصارف گوناگونی دارد که در زیر اشاره می­شود.

  • برای تولید لوله
  • برای تولید پارچه
  • برای قالب گیری فشاری
  • برای تولید کامپوزیت­های با شکل محدب
رووینگ ساخته شده از الیاف شیشه

خرید و فروش الیاف شیشه

خرید و فروش الیاف شیشه بسیار رونق پیدا کرده است. حجم بازار فایبر گلاس در سال 2014، 8.5 میلیارد دلار بوده است. پیش بینی می­شود این میزان در سال 2024 میلادی به حدود 17.44 میلیارد دلار برسد. این الیاف پر مصرف ترین ماده برای تقویت کامپوزیت­ها در جهان هستند. سهم آن در بین تمام مواد تقویت کننده حدود 90 درصد است. تقاضا برای فایبرگلاس به طور مداوم بالا است. بیشترین تقاضا برای این الیاف به ترتیب در اقیانوسیه، آسیا، اروپا و آمریکا شمالی است که نشان دهنده توسعه ساخت و ساز در این مناطق است. همچنین در اروپا به عنوان جایگزینی برای فلزات سنگین به کار رفته در صنعت خودروسازی مورد تقاضا است.

شرکت ها و نقش آن ها در بازار الیاف شیشه

بازار جهانی الیاف شیشه تحت سلطه شرکت­های بزرگی چون Nippon Electric Glass Co، Johns Manville، Owens Corning، PPG Industries Inc و Jushi Group است. در منطقه اروپا، آلمان پیشرو در تولید و استفاده از این الیاف و مواد کامپوزیت بر اساس آنها است. شرکتBelchem fiber Materials GmbH  الیافی را برای لایه‌بندی‌ها تولید می‌کند که برای حفاظت از آتش، فیلتراسیون، آب‌بندی و کاربردهای تقویتی طراحی شده‌اند. شرکت Culimeta TextilglasTechnologie GmbH and Co یکی از گسترده ترین و در نتیجه مهمترین نوع الیاف شیشه E-glass را می­سازد. کشورهای دیگری چون هلند، بلاروس، روسیه در اروپا در این صنعت قوی هستند. در قاره آسیا کشورهایی چون چین، هند، تایوان در این زمینه فعال هستند. ایجاد مکانیسم­های توزیع امن و کانال­های صادراتی یک تاکتیک کلیدی برای بازیگران در بازار جهانی فایبرگلاس است و احتمالاً جهت گیری بازار را در سال­های آینده تعیین می­کند. تنوع کاربردهای فایبرگلاس بسیار زیاد بوده و عرضه ثابت تولیدکنندگان فایبرگلاس جدید را تضمین می­کند.   

اهمیت تولید الیاف شیشه در ایران

هم اکنون بسیاری از این تولید کنندگان جهانی بازار را تحت سلطه خود نگه داشته اند. این کشورها از ورود تکنولوژی تولید این محصول و مشتقات آن نظیر کامپوزیت­های خاص به کشور­های کمتر توسعه یافته ممانعت می­کنند. با توجه به اینکه در حال حاضر این محصول بسیار پر کاربرد است تولید آن در کشور پر اهمیت می­باشد. در حال حاضر شرکت ماندگار بسپار فجر تولید کننده بالاترین کیفیت از الیاف شیشه در ایران میباشد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.