آنچه در مقاله ی “کاربرد پیش آغشته ها  و مواد پیش آغشته سازی” میخوانید:

• تعریف و تاریخچه ی پیش آغشته سازی
• کاربرد و مصارف الیاف پیش آغشته
• فرآیند پیش آغشته و مواد مورد استفاده در تهیه ی آن
• مزایای استفاده از پیش آغشته ها

تعریف و تاریخچه ی پیش آغشته (پیری پرگ):

واژه ی پیش آغشته (prepreg) محصول واسطه ای (شامل یک ماده ی تقویت کننده و یک ماده ی پلیمری) آماده ی شکل گیری و تبدیل به محصول نهایی است. مواد پیش آغشته اولین بار در سال 1947 به صورت آزمایشگاهی تهیه شده و در سال 1948 به مرحله ی استفاده ی تجاری رسیدند.

کاربرد و مصرف الیاف پیش آغشته:

این دسته از مواد امکان ساخت اجزای کامپوزیت فوق العاده سبک و با تحمل بار بسیار بالا را فراهم می کند. این فناوری عمدتاً برای تولیدات بسیار کوچک تا متوسط استفاده می شود. در طول 70 سال گذشته، پیش آغشته‌سازی‌ها به‌طور قابل‌توجهی بر توسعه فناوری کامپوزیت هایی با کارایی بالا تأثیر گذاشته‌اند. امروزه این مواد در سطح جهانی رایج هستند و برای ساخت قطعات کامپوزیتی در صنعت هوافضا، قطارهای پرسرعت، ماشین‌ها، قایق‌ها و بسیاری کاربردهای دیگر استفاده می‌شوند. بیش از نیمی از تولید جهانی فیبر کربن برای تولید پیش آغشته‌سازی استفاده می‌شود.با این حال، هنوز بخش هایی در صنعت وجود دارند که در حال کشف مزایای مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف نسبت به مواد معمولی مانند فلزات هستند.

شکل (1): مقایسه تکنولوژی پیش ­آغشته از نظر کارائی و حجم تولید با دیگر فرایندهای ساخت

پیش آغشته ها مصارف گوناگونی دارند که در زیر به نمونه‌هایی از آنها اشاره می شود:

1- چندلایه ای های عایق الکتریکی:

پیش آغشته ها در ساخت چند لایه ای ها بیشترین کاربرد را دارند، زیرا بهترین چندلایه‌ای ها را می توان با استفاده از پیش آغشته ها ساخت. بدین ترتیب کامپوزیتی حاصل می گردد که توزیع رزین و الیاف و جهت گیری آنها به خوبی کنترل شده است و این امر در صورتی ممکن است که از پیش آغشته بدون عیب استفاده شود.(جهت علاقه مندی به کسب اطلاعات بیشتتر در خصوص رزین و کامپوزیت های عایق الکریکی به بخش کاربرد های الکتریکی در صفحه ی خانه ی سایت ایران کامپوزیت کاویان مراجعه نمایید.)

2- مواد پایه برای تولید صفحات مدار چاپی:

چندلایه‌ای‌های نازک همراه با یک پوشش مسی را به راحتی می توان از پیش آغشته ها تهیه کرد.

3- ساخت قطعات به روش رشته پیچی:

در پیش آغشته هایی که به این منظور استفاده می شوند از تقویت کننده های تک‌جهته یا از دسته الیاف نتابیده (roving) استفاده می-شود. این گونه پیش آغشته ها کاربردهای وسیع و گسترده ای پیدا کرده اند که از جمله می توان ساخت مخازن تحت فشار و محفظه موتور موشک ها را به کمک فرایند رشته-پیچی نام برد.جهت دستیابی به اطلاعات بیشتر در خصوص “فرآیند رشته پیچی(Filament Winding)“ می توانید به صفحه ی مقاله آن با همین نام مراجعه نمایید.

• با توجه به خصوصیات پیش آغشته ها که می تواند قبل از رشته پیچی مشخص شود، امکان پیش بینی دقیق اینکه آیا قطعه نهایی تحمل شرایط کاربردی را دارد یا خیر ممکن می شود.
• در طول فرایند رشته پیچی با تغییر میزان کشش اعمال شده بر پیش آغشته، میزان رزین قطعه تولید شده تغییر نمی کند.
• همچنین دستیابی به بالاترین استحکام قطعه نهایی تضمین می شود. زیرا در این حالت می توان از کمترین مقدار ممکن رزین استفاده کرد و بیشترین مقدار تقویت کننده را در قطعه به کار برد. مهاجرت رزین به لایه های خارجی و بیرونی و در نتیجه عدم یکنواختی توزیع رزین در کل قطعه، که در فرایند رشته پیچی تر وجود دارد، در این حالت حذف می‌شود.

4– یکی دیگر از کاربردهای پیش آغشته ها در ساخت فداشونده  ها (ablative) است که از آن جمله مصرف پیش‌آغشته های مقاوم حرارتی در ساخت گلوله اندازها، سکوهای پرتاب موشک و کاربردهای فضایی است.

به علت مزایایی که برای استفاده از پیش آغشته ها ذکر شد، امروزه در صنایع هوافضا، صنایع حمل و نقل ریلی، حمل و نقل دریایی، توربینهای بادی و وسایل ورزشی مورد استفاده قرار می گیرند.

در صنعت هواپيمايي تجاري، سيستمهاي پيش آغشته الياف شيشه با پايه اپوکسي با خود چسبي و جريان کنترل شده توسعه يافته و هنوز هم به مقدار زيادي استفاده مي شود. اين سيستم هاي پيش آغشته هنوز هم در کاربردهاي لانه زنبوري در قسمتهايي مانند باله عقب هواپیما (rudders) ، سطوح آیرودینامیکی باله هواپیما (flap track fairings)، سطوح آیرودینامیکی زیر بدنه (under body fairings)، صفحات ثابت، و لبه های فرار در بالها (trailing edges on wings) مورد استفاده قرار مي گيرند.

رزينهاي اپوکسي پخت شونده با آمينهاي آروماتيک به مقدار زيادي در کامپوزيتهاي هوافضايي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. سيستمي که معمولا مورد استفاده قرار مي گيرد، عبارتست از رزین TGDDM پخت شده با ترکیب دی آمینو دی فنیل سولفون (DDS) در دماي 177 درجه سانتی گرادبه منظور بهينه‌کردن لايه چيني و فرايندکاري معمولا در پيش آغشته ها از يک رزين اپوکسي ديگر هم به مقدار کم (7-11% از اپوکسي نووالاک ) استفاده مي شود.

فرآیند پیش آغشته و مواد مورد استفاده در تهیه ی آن:

اشکال مختلف پیش آغشته ها توسط آغشته کردن انواع تقویت کننده به صورت پارچه بافته شده(woven)، پارچه نمدی(mat) یا دسته الیاف نتابیده(roving) با یک رزین در شرایط کنترل شده تهیه می شوند. شکل 2 شماتیکی از یک سیستم آغشته سازی و تهیه ی پیش آغشته ها را نشان می دهد.

شکل (2): شماتیکی ار مراحل فرآیند پیش آغشته سازی

در این فرآیند ابتدا تقویت کننده با رزین آغشته می شود و پس از گرفتن رزین اضافی آن از یک خشک کن عبور می کند تا حلال رزین بخیر شود و فرآیند پخت و شبکه ای شدن به صورت جزئی اتفاق بی افتد. جهت بررسی فنی و دقیقتر مراحل انجام پیش آغشته سازی و انواع روش های آغشته سازی به مقاله ی “تکنولوژی و فرآیند تولید پیش آغشته” مراجعه نمایید.

تقویت کننده هایی که عمدتا از آنها استفاده می شود عبارت اند از: الیاف شیشه، کوارتز، گرافیت، کربن، آرامید، برن(boron)، پنبه نسوز، سیلیکا، نایلون، کاغذ محکم قهوه ای رنگ و پارچه های کتان. (جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص هریک از الیاف کافیست بر روی لغت آبی آن کلیک نمایید تا وارد صفحه توضیحات تخصصی آن شوید)

این مواد معمولاً روی رول‌ها پیچیده می‌شوند و در دو نوع تولید می‌شوند: 1.پیش آغشته سازی یک طرفه (UD)) تقویت الیاف فقط در یک جهت) 2.پیش آغشته سازی پارچه (تقویت الیاف متعامد) که در شکل 3 آمده است.

شکل (3): پیش آغشته سازی یک طرفه (راست) و پیش آغشته سازی پارچه (چپ)

نوع بافت تقویت کننده پارچه ای با توجه به میزان چین‌خوردگی (crimp) و فرم پذیری (drape ability) می‌تواند متفاوت باشد. بافتهای با چین خوردگی کم کارائی مکانیکی بهتری ارائه می دهند، زیرا الیاف در جهت مستقیم، نیروهای بیشتری را تحمل می کنند. همچنین فرم پذیری راحت پارچه به این مفهوم است که لایه چینی پیش آغشته روی اشکال پیچیده به سهولت انجام می شود.

در این فرایند رزین های گرما سخت(ترموست) و گرما نرم(ترموپلاست) هردو مورد استفاده قرار می گیرند اما مصرف رزین های ترموست (سیستم های واکنشی) متداولتر است. فرآیند آغشته سازی رزین های ترموپلاستیک شامل دو مرحله و رزین های گرما سخت سه مرحله ای می باشد.

نقش رزین به عنوان ماتریس کامپوزیت نگهداری الیاف در کنار همدیگر و انتقال نیرو به الیاف می باشد. همچنین ماتریس مقاومت محیطی کامپوزیت را افزایش داده و تعیین کننده حداکثر دمای سرویس دهی پیش آغشته است. هنگام انتخاب یک پیش‌آغشته، حداکثر دمای سرویس دهی پیش آغشته  یکی از معیارهای کلیدی در انتخاب بهترین رزین برای پیش آغشته می‌باشد.

در بین رزین های گرماسخت: رزینهای اپوکسی، فنولی، و بیس مالئیمید (پلی ایمیدها) سه دسته مهم را تشکیل می‌دهند. رزین ها با توجه به دمای سرویس دهی به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

–           اپوکسی با دمای سرویس دهی 100 درجه سانتی گراد: سیستم های بسیار چقرمه  اپوکسی معمولا خواص چسبندگی خوبی برای استفاده در اتصالات لانه زنبوری نشان می دهند.

–           اپوکسی با دمای سرویس دهی 155-130درجه سانتی گراد: سیستم های اپوکسی چقرمه شده مقاوم در محیط های گرم و مرطوب.

–           فنولی با دمای سرویس دهی 160-120 درجه سانتی گراد: خواص شعله، دود، و سمیت ممتاز

بیس مالئیمید (BMI) و پلی ایمیدها با دمای سرویس دهی 260 درجه سانتی گراد برای حصول بهترین خواص، سیکل های پخت طولانی مورد نیاز است. هدف استفاده از آنها بدست آوردن مقاومت دمایی بالا و حفظ خواص چقرمگی است. در شکل 4 کارآیی مکانیکی رزین ها مقایسه و در جدول 1 مزایای آنها و کاربردهای پیش آغشته‌های مربوطه ذکر شده است.

شکل (4):مقایسه کارآیی مکانیکی رزین های مورد استفاده در پیش-آغشته ها

جدول (1): مزایا و کاربردهای پیش آغشته ها بر حسب نوع رزین مورد استفاده

مزایای استفاده از پیش آغشته ها:

استفاده از پیش ­آغشته­ ها در ساخت قطعات کامپوزیتی در مقایسه با استفاده از دیگر مواد، مزایای زیادی دارد که عبارتند از:

1- مواد پیش­آغشته از قبل آمیزه­سازی شده­اند و مراحل شیمیایی مورد نظر را خارج از خط تولید گذرانده ­اند.

2- کنترل خوب نسبت رزین به تقویت­کننده، سبب ایجاد خواص عالی در محصول می­ شود.

3- روش تولید ساده است زیرا پیش­آغشته یک ماده آماده مصرف است و مراحل آغشته سازی از قبل انجام شده است.

4- راحتی ساخت به طراح آزادی عمل بیشتری می­دهد تا اشکال غیرمنظم و با ضخامت های مختلف را طراحی کند.

5- مقدار مواد تلف شده و ضایعات بسیار ناچیز است. پیش­آغشته­ها را می­توان به شکل مورد نظر برید  و مورد استفاده قرار داد که در این صورت نسبت رزین به تقویت‌کننده تغییر نمی­کند و قطعه پلیسه (ضایعات اطراف قطعه پس از قالبگیری) چندانی ندارد. ضایعات عمل برش را می‌توان خرد کرد و به عنوان یک ترکیب قالبگیری مورد استفاده قرار داد.

6- مواد پیش­آغشته را می­توان در یک خط تولید پیش ­شکل داد و سپس برش زد. قطعات برش داده شده را می­توان به روش چندلایی ­سازی (lamination)، در قالب های چوبی یا فلزی ارزان قیمت قالبگیری کرد.