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.
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 درصد | نوع الیاف | ||||||||||||||
| SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | ZnO | TiO2 | ZrO2 | Na2O | K2O | Li2O | Fe2O3 | F | BeO | CeO | |
| 52-56 | 4-6 | 12-15 | 21-23 | 0.4-4 | – | – | 0.2-0.5 | 0-1 | 0-0.2 | – | 0.2-0.5 | 0.2-0.7 | – | – | E (with boron) |
| 59-60 | – | 12-13 | 22-23 | 3-4 | – | – | 0.5-1.5 | 0.6-0.9 | 0-0.2 | – | 0.2 | 0.1 | – | – | E (with boron) |
| 60-65.5 | – | 23-35 | 0-9 | 6-11 | – | – | 0-1 | 0-0.1 | – | – | 0-0.1 | – | – | – | S |
| 3.58-60.6 | – | 0.2 | – | – | – | 0-2.8 | 18.1-21.2 | 13-14.1 | 0-2.8 | – | – | – | – | – | AR |
| 58.2 | – | 11.6 | 21.7 | 2 | 2.9 | 2.5 | – | 1 | 0.2 | 0 | 0.1 | – | – | – | ECR |
| 72-75 | 21-24 | 0-1 | 0-1 | 0.5-0.6 | – | – | – | 0.4 | 0.4 | – | 0.3 | – | – | – | D |
| 53.5 | – | – | 13 | 9 | – | 8.0 | 2 | – | – | 3 | 0.5 | – | 8 | 3 | M |
| 99.5-99.9 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | Quartz |
| نوع الیاف شیشه | خصوصیات | ||||||
| E (with boron) | E (with boron) | S | AR | ECR | D | Quartz | |
| 1160-1196 | 1260 | 1565 | 1300-1260 | 1235-1213 | – | 2300 | دمای قالب گیری (سانتیگراد) |
| 830-860 | 916 | 1056 | – | 880 | 770 | – | نقطه نرم شدن (سانتیگراد) |
| 1066-1077 | 1200 | 1500 | 1200-1180 | 1166-1159 | – | 1670 | دمای ذوب (سانتیگراد) |
| 2.55-2.54 | 2.62 | 2.49-2.48 | 2.6-2.7 | 2.66-2.68 | 2.16 | 15.2 | (چگالی (گرم بر متر مکعب |
| 4.9-6 | 6 | 2.9 | 7.5 | 5.9 | 3.1 | 0.54 | ضریب انبساط خطی |
| 5.86-6.6 | 7 | 4.53-4.6 | – | 3.56-3.62 | – | 3.78 | ثابت دی الکتریک |
| 3100-3500 | 3100-3500 | 4380-4590 | 3100-3500 | 3100-3500 | 2410 | 3400 | قدرت (Mpa) |
| 76-78 | 80-81 | 88-91 | 72-74 | 80-81 | 52 | 69 | سفتی (Gpa) |
| 4.5-4.9 | 4.6 | 4.5-4.9 | 2-2.24 | 4.5-4.9 | – | 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.
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
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
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.
