خانه هاي کنفي-خودروهاي کتاني!
سالهاست بشرازالياف طبيعي براي ساخت قطعات گوناگون بهره مي برد. به کارگيري کاه در ديوارهاي گلي ، الياف بامبو در ساخت قايق ، پشم بز و موي دم اسب به همراه گل در ساخت تنور و الياف خرما در ساخت قايق و سرپناه، مثال هاي متفاوتي از کاربرد الياف طبيعي در ساخت محصولات گوناگوني است که بشر در طول تاريخ از آنها بهره برده است.
امروزه نيز توجه جدي پژوهشگران به استفاده از الياف طبيعي در ساخت قطعات کامپوزيتي پيشرفته، نشانگر اهميت اين دسته از الياف است.
به کارگيري الياف موز براي ساخت بدنه خودرو در برزيل ، استفاده از پرمرغ براي ساخت قطعات غيرباربر کامپوزيتي در امريکا و به کارگيري الياف کنف در طيف گسترده اي از کاربردها، از نمونه هاي متنوع کاربرد الياف طبيعي در عرصه صنعت کامپوزيت به حساب مي آيند.
به کارگيري الياف طبيعي ، در واقع به نوعي بازيافت موادي است که در طبيعت انباشته شده و در ظاهر بي ارزش محسوب مي شوند و ترکيب آنها با عنوان تقويت کننده با رزين هاي پليمري ، به ساخت محصولاتي با ارزش افزوده نسبتا خوب منجر مي شود.
از اين رو گذري بر روند به کارگيري الياف طبيعي در دنياي کامپوزيت ها جالب خواهد بود.تاريخچه مواد کامپوزيتي و الياف طبيعي به هزاران سال پيش برمي گردد، زماني که مردم از هر ماده اي که در دسترس بود براي ساخت پناهگاه، خانه و ديوار استفاده مي کردند.
طبق اسناد موجود، حداقل از 3هزارسال پيش ، مصريان براي ساخت ديوارهاي ساختمان ، مواد رسي را با کاه تقويت مي کردند. محصولات چوبي نيز از همان زمان ها وجود داشته و استفاده مي شدند.
اين مواد طبيعي سازگار با محيط زيست به شکلها و صورتهاي بسياري تبديل مي شوند.انواع گوناگون الياف طبيعي به وفور در طبيعت يافت مي شوند و گونه هاي آن در نقاط مختلف جهان متفاوت است.
اين الياف نخست به عنوان مواد پرکننده سازه اي در گل و خاک رس براي ساخت خشت و انواع مختلف آجر به کار گرفته مي شوند. در اين کاربردها الياف باعث افزايش سختي و سفتي ماده شده و يکپارچگي ساختاري را براي ملات به ارمغان مي آورد.
علاوه بر اين ، الياف طبيعي از ديرباز در توليد منسوجات گوناگون ازجمله پوشاک ، کفپوش ، مبلمان ، پرده و... استفاده مي شود.
الياف طبيعي دردنياي کامپوزيت ها
در هر حال در طول 40تا 50سال گذشته الياف شيشه نوع E، ارزان ترين نوع الياف تقويت کننده بوده و به همين علت به طور گسترده اي در صنعت پلاستيک هاي تقويت شده با الياف به کار گرفته شده است.
الياف شيشه نوع Eدر مقايسه با الياف تقويت کننده پيشرفته همانند کربن ، آراميد، گرافيت ، بور و... ارزان تر و با توجه به چگالي آن (حدود 5/2-6/2گرم بر سانتي متر مکعب) نسبتا سنگين است.
الياف شيشه کاملا طبيعي نيست و بسادگي به چرخه طبيعت بازنمي گردد. در نتيجه جستجو براي يافتن الياف طبيعي در دسترس و کاربرد آن در ساخت کامپوزيت هايي با ويژگي هاي مطلوب (از نظرکارآيي ، هزينه و دوام) همچنان ادامه دارد.
به نظر مي رسد به کارگيري الياف طبيعي هنوز در مراحل اوليه و آزمايشگاهي قرار دارد و به حدي نرسيده است که توسط صنعت کامپوزيت مورد توجه قرار گيرد، با اين حال کليد پيشرفت و رشد اين مواد، مي تواند بهبود فرآيند فرآوري الياف طبيعي براي افزايش کارپذيري ، شکل پذيري ، ترشوندگي ، با زمينه و بهبود اتصال فصل مشترک الياف و زمينه ، درعين حفظ هزينه ها در حد معقول باشد.
به علاوه ، تبديل الياف تقويت کننده طبيعي به الياف کوتاه ، الياف متوسط، الياف بلند و شکلهاي پيشرفته تر الياف و عرضه آنها براي کاربردهاي آينده بسيار مهم است.
سلولز يک پليمر طبيعي
الياف طبيعي از چندين نوع محصول کشاورزي و منبع طبيعي به دست مي آيند. اين مواد عموما از نظر شکل و ساختار، شبکه اي بوده و به دليل اين ساختار هندسي داراي استحکام و سفتي ذاتي هستند.
يکي از مهمترين مواد در اين گروه سلولز است که به عنوان يک پليمر طبيعي استحکام و سفتي بالايي در واحد وزن دارد؛ دقيقا همان چيزي که از فناوري کامپوزيت هاي پيشرفته امروزي انتظار مي رود.
سلولز ساختارهاي سلولي رشته گونه اي را شکل مي دهد که در دانه ، برگ ، ساقه و مغز چوب يافت مي شود. اين مواد 3منبع اصلي مواد فيبري طبيعي هستند.
مواد و منابع الياف طبيعي به 3دسته اصلي تقسيم مي شوند (الياف باست ، الياف برگ ، الياف دانه) که هر کدام از اين 3منبع براي کاربرد در صنعت کامپوزيت از جايگاه خاصي برخوردارند. اين منابع الياف طبيعي ، موادي که همراه با مواد بيشتر شناخته شده اي همانند چوب بالسا، ني و خيزران بيشتر در طراحي ساختارهاي ساندويچي (مغزي) استفاده مي شوند را نيزتامين کنند.
الياف باست
خانواده الياف باست در اصل از کنف ، شاهدانه ، کنف هندي ، کتان (FLAX)و رامي (نوعي گياه چيني) تشکيل مي شود. اين الياف از ساقه و مغز چوب به دست مي آيند. اساسا مغز چوب توسط ساقه اي پوشانده مي شود که شامل دسته هاي الياف است.
سلولز بنيان شيميايي اصلي سازه اي رشته هايي است که دسته هاي الياف را مي سازند. سلولز رشته اصلي است و توسط يک رزين طبيعي از 2خانواده ليگنين (LIGNIN) يا پکتين (PECTIN) در کنار هم نگه داشته مي شوند.رده هاي الياف باست شامل کتان ، شاهدانه ، کنف هندي ، کنف و رامي هستند.
الياف کتان نوع باست مقدار نسبتا زيادي ليگنين دارد، درنتيجه اغلب اوقات طوري فرآوري مي شود که از تاثير ليگنين آن کاسته شود. در اغلب موارد براي بهبود استحکام کامپوزيت هاي کتان ، از جوشاندن الياف در موارد قليايي استفاده مي شود.
اليافي از برگ و دانه
الياف به دست آمده ازبرگ عبارتند ازسيسال ، آباکا (از گياه موز) و الياف نخل روي هم رفته اين مواد از الياف نوع بالا زبرتر هستند. از بين اين نوع الياف ، سيسال بيشتر شناخته شده است.
سيسال مهمترين ماده اين گروه است و در مقايسه با بقيه سفتي نسبتا بالايي دارد.آخرين دسته الياف طبيعي يعني الياف به دست آمده از دانه گياهان عبارتند ازمواد کاپوک ، الياف نارگيل (COIR) وکتان.
الياف کتان دانه اي (COTTON) با توجه به کاربرد گسترده اش در صنعت پوشاک ، منسوجات وطناب شناخته شده است. الياف نارگيل يک ماده رشته اي بسيار بادوام ، ضخيم تر و زبرتر است که از پوست نارگيل به دست مي آيد. بسياري از اين مواد براي تهيه پارچه رومبلي و پرکردن مبلمان به کار گرفته مي شوند.
سبک و ارزان!
چگالي الياف طبيعي به طور کلي در محدوده 51/1 تا 25/1گرم برسانتي مترمکعب قراردارد که در مقايسه با چگالي الياف شيشه نوع E 2/57 تا 3 گرم برسانتي مترمکعب است ؛ يعني چگالي الياف طبيعي تنها 50تا 60درصد چگالي الياف شيشه است.
اين مساله يکي از دلايل عمده گسترش کامپوزي هاي الياف طبيعي ، تنها از نظر وزن است.عامل ديگري که باعث توجه به کامپوزيت هاي الياف طبيعي مي شود، بهاي اين الياف است. در اکثر موارد، الياف طبيعي نسبت به الياف شيشه ارزان تر است.
با اين وجود بايد توجه کرد که بهاي الياف طبيعي محدوده نسبتا وسيعي دارد. به عنوان مثال الياف کتان دانه اي ، رامي و آباکا مي توانند به طور قابل ملاحظه اي گران تر از الياف شيشه باشند و در مقابل کنف هندي ، سيسال و الياف نارگيل بهاي نسبتا کمتري دارند و طبيعتا به عنوان مواردي مناسب براي کاربرد در ساخت محصولات کامپوزيتي بيشتر به کارگرفته مي شوند.
البته استحکام کششي الياف شيشه نوع Eبيشتر از الياف طبيعي است. به استثناي کتان دانه اي و نارگيل که استحکام کششي آنها حدود 7تا 12درصد استحکام شيشه نوع Eاست. با اين حال اگر معياري از عملکرد و کارآيي ماده در واحد وزن آن را در نظر بگيريم ، واضح است که کتان نوع باست ، شاهدانه ، سيسال و رامي بر الياف شيشه نوع Eبرتري دارند.
الياف کتان درصنعت خودرو
به کارگيري الياف طبيعي به عنوان مواد عايق ساز و ضربه گير يا به عنوان پرکننده و تقويت کننده درمواد پليمري نقش مهمي در راستاي حفظ محيط زيست ايفا مي کند.
در حال حاضر الياف گياهي تنها در ساخت تزيينات داخلي خودروهاي سواري و اتاق وانت و کاميون هاي کوچک به کار گرفته مي شوند. علاوه بر ساخت قطعاتي همانند داشبورد و کنسول خودروها، الياف گياهي به طور گسترده اي در عايقهاي حرارتي و صوتي به کار مي روند.
اين مواد عايق ساز که معمولا از الياف کتان بازيافتي صنعت نساجي توليد مي شوند، حاوي حدود 80درصد وزني الياف هستند.
کاشي هايي ازجنس کنف
ساخت محصولات ساختماني از پلاستيک هاي بازيافتي و الياف طبيعي مي تواند تا حدودي پاسخگوي تقاضاي ساختمان سازاني باشد که به دنبال مصالح ارزان و کاهش هزينه هاي کارگري هستند.
با اين حال نبود اطلاعات در مورد عملکرد و دوام اين محصولات و بي ميلي ساختمان سازان براي استفاده از محصولات کمتر متداول ، مانع گسترش بيشتر اين فناوري شده است.
با اين حال يک شرکت موفق به ساخت نخستين محصولات در قالب کاشي هاي سقفي از جنس الياف طبيعي و پلاستيک هاي بازيافتي شده است.
اين سيستم پوشاننده بام ، کاربردهاي ايده آل براي فناوري کامپوزيت هاي بازيافتي دارد، زيرا اين صفحات را بسادگي مي توان به شکل سنتي مورد استفاده براي پوشاندن بام ساختمان ها، همانند الوارهاي درخت سرو و کاشي هاي اسپانيايي يا سفال قالب گيري کرد و زيبايي صفحات نيز فرصتي فراهم مي کند براي نمايش يک ماده بازيافت شده که لوکس و گرانقيمت به نظر مي رسد.
درحالي که هزينه واقعي ساخت آن کمتر از مواد مشابه سنتي است.