چندسازه‌هاي بسپاري تقويت شده با الياف طبيعي

چندسازه‌هاي بسپاري تقويت شده با الياف طبيعي

در دهه گذشته چندسازه‌هاي الياف طبيعي با پلاستيك‌هاي گرمانرم‌ و گرماسخت‌ مورد پذيرش توليدکنندگان اروپايي خودرو و تامين‌کنندگان رودري‌ها، پشتي‌هاي صندلي، روکش سقف، کفي‌هاي پشت صندلي عقب، صفحه کنترل و قطعات داخلي قرار گرفته‌اند. الياف طبيعي هم‌چون کنف، شاهدانه، بزرك، چتايي، سيسال برتري‌هايي هم‌چون کاهش وزن و قيمت و CO2، وابستگي کمتر به نفت و بازيافت‌پذيري دارند. اما چند نکته فني مهم براي اطمينان‌بخشي به جامعه علمي، صنعتي و بازار به جهت پذيرش گسترده به ويژه در قطعات بيروني که در آنها تکميل سطحA لازم است بايد برطرف گردد. چالش‌ها شامل همگن‌سازي خواص الياف و درک کاملي از درجه بسپارش و بلورينگي، چسبندگي بين ليف و بستر، دفع رطوبت و خواص شعله‌درنگي که تنها برخي از آنهاست مي‌باشد. پيش‌درآمد بهره‌گيري از الياف طبيعي سبک و ارزان ظرفيت جاي‌گزيني بخش بزرگي از پرکننده‌هاي معدني و شيشه را در چندين قطعه دروني و بيروني خودرو از خود نشان داده‌اند. در دهه پيش چندسازه‌هاي الياف طبيعي با بستر گرمانرم و گرماسخت مورد پذيرش توليد کنندگان اروپايي خودرو و تامين‌کنندگان رودري، پشتي‌هاي صندلي، روکش‌هاي سقف، کفي‌هاي پشت صندلي عقب، صفحه کنترل و قطعات داخلي قرار گرفته است. الياف طبيعي همچون کنف، شاهدانه، بزرك، چتايي، سيسال تقويت‌کنندگي قطعه را با کاهش وزن، قيمت و CO2 و وابستگي کمتر به منابع نفتي خارجي، بازيافت‌پذيري و اين مزيت که اين الياف "سبز" يا بوم‌سازگار هستند کارآمدتر ساخته‌اند. در حالي که ايالات متحده قوانيني را در زمينه الزامات پايان عمر خودرو تصويب نکرده است، اتحاديه اروپا و کشورهاي آسيايي موازين سختگيرانه‌اي منتشر ساخته‌اند. قوانين اتحاديه اروپا که در 2006 به تصويب رسيده است بر گنجاندن پلاستيک‌هاي تقويت‌شده با الياف طبيعي جديد در خودرو شتاب بخشيده ‌است. در 2006، %80 وسيله نقليه مي‌بايست بازيافت شود و در 2015 اين مقدار به %85 مي‌رسد. ژاپن %88 بازيابي (که شامل سوزاندن برخي قطعات مي‌باشد) را در 2005 الزامي ساخته است که در 2015 به %95 مي‌رسد. براي همين امروزه سازندگان خودرو اثر زيست‌محيطي کل چرخه عمر وسيله نقليه را از مواد اوليه گرفته تا توليد و دفع ارزيابي مي‌کنند. در حال حاضر پلاستيک‌هاي تقويت‌شده با الياف شيشه نشان داده‌اند الزامات دروني و بيروني را برآورده مي‌سازند. خواص مکانيکي خوب و پشتوانه توليدي جاافتاده و کامل به وارد شدن پلاستيکهاي تقويت شده با الياف شيشه در ميان صنعت خودرو کمک کرده است. اما پلاستيک‌هاي تقويت شده با شيشه کاستي‌هايي هم‌چون چگالي به نسبت بالاي ليف (تقريبا %40 بالاتر از الياف طبيعي)، دشواري در ماشين‌کاري و خواص بازيافتي ضعيف دارد چنان‌که ديگرنياز به گفتن مخاطرات بالقوه ذرات ريز شيشه براي سلامتي نيست. يک ارزيابي بومشناختي يا بوم-موازنه نمد ليف طبيعي در مقايسه با نمد الياف شيشه جنبه‌اي ديگر را روشن مي‌سازد. مصرف انرژي لازم براي توليد نمد ليف بزرك(Mj/kg 9.55) شامل کاشت، برداشت و جداسازي ليف به %17 انرژي توليد نمد ليف شيشه (MJ/kg 54.7) مي‌رسد. هرچند قطعات پلاستيکي تقويت شده با ليف طبيعي برتري‌هاي بسياري در مقايسه با الياف شيشه دارند چند نکته فني مهم مي‌بايست پيش از پذيرش آنها در جوامع علمي، صنعتي و بازاريان برطرف شود تا موجب پذيرش گسترده آنها در قطعات بيروني که در آنها تکميل سطحA لازم است گردد. چالش‌ها شامل همگن‌سازي خواص الياف و درک کاملي از از درجه بسپارش و بلورينگي، چسبندگي بين ليف و بستر، دفع رطوبت و خواص شعله درنگي که تنها برخي از آنهاست مي‌باشد. فناوري تبديل الياف طبيعي به تزيينات داخلي توسط تامين‌کننده قطعات Tier I و Tier II نوعا در همکاري با توليدکنندگان الياف پايه-طبيعي در حال گسترش است که ظرفيت‌هايي به شکل نمد و ديگر اشکال پيوسته ماده ايجاد کرده است. قالب‌گيري فشاري، قالب‌گيري تزريقي، گرماشكل‌دهي و قالب‌گيري تزريقي واکنشي ساختاري همگي فرآيندهايي براي فرآيند کردن چندسازه‌هاي الياف طبيعي هستند. بازار خودرو تنها بخشي نيست که در استفاده از الياف طبيعي رشد نشان مي‌دهد. گنجاندن الياف طبيعي در بخش‌هايي از بازار صنعت، ساختمان و تجارت نرخ رشدي %13 در مجموع 10 سال گذشته با رشد ساليانه تقريبا برابر با 275 ميليون کيلوگرم نشان مي‌دهتد. به هرحال استفاده از مواد طبيعي در کاربردهاي خودرويي ايده نوئي نيست. در دهه 1930 و 1940 هنري فورد استفاده از مواد طبيعي شامل شاهدانه براي توليد چندسازه‌هاي تقويت شده سويا در رودري‌هاي بيروني بدنه را قويا پشتيباني مي‌کرد. اگر زمان بلند پخت مواد و دشواري قالب‌گيري نبود ايده فورد براي مواد جايگزين عملي شده بود. اخيرا شرکت‌هاي اروپايي همچون Dieffenbacher(آلمان)، BASF(آلمان) و Rieter Automotive(سوييس) در گسترش چندسازه‌هاي الياف طبيعي پيشتاز گشته‌اند. Rieter Automotive جايزه برتر 2005 نمايشگاه چندسازه JEC را براي عرضه الياف پيوسته Acaba(موز) با صرفه‌جويي اوليه در انرژي به ميزان %60 يا بيشتر کسب کرد. در آمريکاي شمالي Delphi Interior Systems، Visteon Automotive، Kafus Bio-Composites/Flexform Technology و Cargill Ltd. تنها برخي از شرکت‌هاي درگير در ساخت و گسترش چندسازه الياف طبيعي هستند. با پيشرفت سريع در بسپارهاي با پايه کاملا طبيعي که مي‌توانند به همراه الياف طيعي فرآيند شوند زمان کوتاهي در غالب شدن چندسازه‌هاي با پايه کاملا طبيعي در صنعت خودرو مانده است.
نمد الياف طبيعي که قاب دروني در فرآيند شده است. ويژگي‌هاي ماده: [چگالي:] gr/m21600، %50 کنف/%50 پلي‌پروپيلن. بسپارهاي گرمانرم-گرماسخت توليد چندسازه‌هاي الياف طبيعي شامل استفاده از يک سامانه بسپار گرمانرم يا گرماسخت/اتصال دهنده و بچگي يا نمد الياف طبيعي است. در کاربردهاي خودرو امروزه پراستفاده‌ترين سامانه‌اي که بکار مي رود به ويژه در کاربردهاي غيرساختاري پلي‌پروپيلن گرمانرم است. علت اين موضوع چگالي کم، فرآيندپذيري عالي، خواص مکانيکي، خواص الکتريکي عالي، پايداري ابعادي عالي و استحکام ضربه اي است. از مواد گرمانرم ديگر مانند پلي اتيلن، پلي استايرن، پلي آميدها (نيلون 6 و نايلون 6،6) هم استفاده مي شود. خواص عمومي اين مواد در جدول I آمده است. ويژگي‌هاي بسپارهاي گرمانرم نوعي که در ساخت چندسازه الياف بلند بکار مي‌رود در زیر آمده است.

ويژگي PP LDPE HDPE PS Nylon 6 Nylon 6,6

چگالي (g/cm3) 0.920-0.899 0.925-0.910 0.96-0.94 1.06-1.04 1.14-1.12 1.15-1.13

جذب آب در 24 ساعت 0.02-0.01 0.015> 0.2-0.01 0.10-0.03 1.8-1.3 1.6-1.0

Tg(˚C) 10- تا -23 125- 100-تا 133- - 48 80

Tm(˚C) 176-160 116-105 140-120 135-110 215 269-250

كژشكلي در اثر گرما (˚C) 63-50 50-32 60-43 بيشينه 220 80-56 90-75

ضريب انبساط گرمائي (mm/mm/˚C×105) 13.5-6.8 10 13-12 8-6 8.6-8 9-7.2

استحکام کششي (Mpa) 41.4-26 78-40 38-14.5 69-25 79-43 94-12.4

مدول کشساني (GPa) 1.77-0.95 0.38-0.055 1.5-0.4 5-4 2.9 3.9-2.5

ازدياد طولي (%) 700-15 800-90 130-2.0 2.5-1 150-20 300<-35

استحکام ضربه‌اي Izod (J/m) 267-21.4 854<>

توسعه چندسازه‌هاي الياف طبيعي گرمانرم با دو کاستي فيزيکي محدود گشته است: سقف دمايي که در آن الياف مي توانند فرآيند گردند و اختلاف چشم‌گير بين انرژي سطحي چوب و بستر بسپاري. دماي فرآيندي در کاربردهاي الياف طبيعي عامل محدود‌کننده‌اي است. سقف دمايي پذيرفته شده جهت فرآيند کردن براي زمان‌هاي فرآوري طولاني در حد C˚ 150 است هرچند ممکن است الياف در معرض قرار گرفتن دماي C˚ 220 را به مدت کوتاه تاب آورند. حاصل درمعرض دماي بالا قرار گرفتن به مدت طولاني تغيير رنگ، رهايش مواد فرار، چسبنگي بين سطحي ضعيف و شکننده شدن الياف سلولزي است. بنابراين مهم است که سريع‌ترين سرعت واکنش را در پرداخت سطح و فرآوري بسپار، هردو داشت تا با تماس کمتر با اجزاي ديواره از تخريب جلوگيري گردد. گسترش پرداخت سطح با دماي فرآيند کم با ظرفيتهاي خدماتي بالا به عنوان يک فناوري توانمندکننده در بکارگيري الياف طبيعي در مواد چندسازه نگريسته مي شود. از آنجاکه چسبندگي بين سطحي بين الياف طبيعي و بستر خواص فيزيکي چندسازه را تعيين مي سازد معمولا سازگارسازي يا جفت‌كنندگي آلياژ لازم است. سازگارسازي به هر عملياتي گفته مي‌شود که روي الياف يا بسپار انجام مي شود که تر شدن آلياژ را افزايش مي‌دهد. جفت‌كنندگي فرآيندي است که در آن بسپارها يا پرکننده‌هاي غيرهمنوع در يک آلياژ با استفاده از عوامل بيروني با نام عوامل جفت‌كننده در يک آلياژ در کنار هم قرار مي‌گيرند. اين کار مي‌تواند با اصلاح بستر بسپاري، اصلاح ليف، افزودن مواد سطح فعال و آميزه‌سازي در برش زياد انجام گردد. انواع زيادي عوامل جفت‌كننده و مواد شيميايي واکنشگر که در حال حاضربا نام اصلاح کننده‌هاي عامل‌دار شتاخته مي‌شوند. عوامل سطح‌فعال موادي هستند که چسبندگي بين سطحي را با عمل کردن به عنوان سطح‌فعال جامد، بالا مي‌برند و تشکيل پيوند کووالانسي با بستر بسپاري نمي‌دهند. موادي که با بستر يا بستر بسپاري تشکيل پيوندهاي کووالانسي مي‌دهند مي‌توانند درجا در حين فرآيند واکنش دهند. نتيجه بکارگيري سازگارکننده يا جفت‌كننده به چندسازه بهتر شدن خواص فيزيکي و دوام زيست محيطي است. رزين‌هاي گرماسخت اصلي که امروزه در چندسازه‌هاي الياف طبيعي براي کاربردهاي خودرويي بکار مي‌روند رزين‌هاي پلي‌استر، وينيل استر و اپوکسي هستند. مقايسه‌اي از خواص اين گرماسخت‌ها در جدول II آمده است. در الياف طبيعي گروههاي قطبي متشکل از گروه‌هاي هيدروکسيلي، استيل و پيوندهاي اتري (C-O-C) واحدهاي ساختاري اصلي هستند و سهم اصلي را در خواص مکانيکي دارند؛ اين موضوع سلولز را با گروههاي قطبي، اسيدي يا بازي برخلاف بسپارهاي غيرقطبي سازگارتر مي‌سازد. رزين‌هاي پلي‌استر بسيار استفاده دارند به ويژه نوع غير قطبي توانايي پخت از يک مايع به يک جامد را تحت شرايط گوناگون دارد. طيفي از پلي‌استرها از گليکول‌هاي مختلف (پلي اتيلن گليکول، اتيلن گليکول و غيره)، اسيدها (ماليک انيدريد) و تكپارهاي مختلف که همگي خواص گوناگوني دارند تهيه مي‌گردند. پلي‌استر ارتوفتاليک رزين استاندارد اقتصادي است که اغلب بکار مي‌رود و فرآورده‌هاي بسيار سختي با مقاومت گرمايي کم مي‌دهد. پلي‌استر ايزوفتاليک اکنون در مواردي که مقاومت به رطوبت لازم است رايج‌تر است.

ويژگي رزين پلي استر رزين وينيل استر اپوکسي

چگالي (g/cc) 1.5-1.2 1.4-1.2 1.4-1.1

مدول کشساني (GPa) 4.5-2 3.8-3.1 6-3

استحکام کششي (Mpa) 90-40 83-69 100-35

استحکام فشاري (Mpa) 250-90 100 200-100

ازدياد طولي (%) 2 7-4 6-1

جمع‌شدگي در اثر پخت (%) 8-4 - 2-1

جذب آب در 24 ساعت (˚C20) 0.3-0.1 0.1 0.4-0.1

استحکام ضربه Izod فاقدار (J/cm) 3.2-0.15 2.5 0.3

رزين‌هاي اپوکسي کارايي و مقاومت زيست‌محيطي به تخريب بالايي دارند. نوعا تكپار با واکنش اپي‌کلروهيدرين و بيس‌فنول A با مواد پختي مانند آمين‌ها يا انيدريدها در صنعت رايجند. اپوکسي‌ها در صنعت مقبول افتاده‌اند هرچند در صنعت خودرو آنها به سبب زمان پخت طولاني و بهاي بالاي تكپار استفاده زيادي ندارند. رزين‌هاي وينيل‌استر که در خانواده گرماسخت‌ها نسبتا تازه‌وارد هستند معمولا با واکنش ميان رزين اپوکسي و کربوکسيليک اسيد غيراشباع اتيلني به همرا اسيدهاي پراستفاده همچون اسيد اکريليک و متاکريليک توليد مي‌گردد. رزين‌هاي وينيل استر مقاومت شيميايي عالي، خواص حرارتي و مکانيکي خوب و فرآوري نسبتا آسان و ويژگي‌هاي پخت سريع رزين‌هاي پلي‌استر را تلفيق کرده‌اند. اين رزين در هنگامي که در دماي اتاق پخت مي‌شود در مقايسه با اپوکسي مقاومت به رطوبت بهتري دارد. رزين‌هاي وينيل استر به لحاظ ساختار مولکولي شبيه پلي‌استر است اما مکان‌هاي واکنش در دو انتهاي زنجيرهاي مولکولي قرار دارد که امکان جذب انرژي توسط زنجير را مي‌دهد و ماده‌اي چقرمه‌تر در مقايسه با پلي‌استر مي‌دهد. فرآوري چندسازه‌ها محرک اصلي در انخاب فناوري ساخت مناسب در توليد چندسازه الياف طبيعي شامل شکل مطلوب فرآورده نهايي، ويژگي‌هاي کارايي، قيمت و آساني توليد است. دانستن کامل ارتباط ميان مواد، شکل خوراک مواد اوليه، فناوري فرآيندي و طراحي نهايي قطعه ضروري است تا فرآيند با کيفيت، استوار و تکرارپذير گردد. در انتخاب يک فرآيند چندين عامل مي‌بايست در نظر گرفته شود. فرد مي‌بايست مطمئن گردد که ليف به طور يکنواخت در ميان بستر توزيع گرديده است، سازگاري کافي ميان بستر آب‌گريز و الياف آب‌دوست وجود دارد، آسيب به الياف در اثر فرآيند کردن کمترين مقدار را دارد تا تقويت‌کنندگي تضمين گردد، آرايش مطلوب الياف گنجانده شده است، پايداري حرارتي ليف در سرتاسر فرآيند حفظ شده است و اينکه رطوبت درون الياف در سطح مطلوب است تا مسايل مربوط به تورم يا كژشكلي قطعه به حداقل رسد. کنترل رطوبت درون الياف و اثرات آن پس از فرآيند کردن در چندسازه‌هاي ليف طبيعي در خودرو ملاحظات اصلي هستند. سه عامل سرعت خارج شدن رطوبت از ليف را تعيين مي‌نمايند: دما، رطوبت نسبي و سرعت هوا. خشک کردن الياف طبيعي به کمتر از 1 درصد نسبتا پر هزينه است اما گروه –OH در آب نسبت به گروه –OH موجود در اجزاي ليف واکنشگرتر است که آبکافت را نسبت به استخلاف سريعتر مي‌سازد. بهترين شرايط براي شرايطي است که نيازمند مقادير اندک رطوبت است و جايي که آبکافت نسبتا کند است. توانايي کنترل و کم کردن ورودي انرژي در حين اين فرآيند فرصتي است که در مورد فرآوري الياف طبيعي پيش‌بيني مي‌شود. به طور مشابه توانايي حذف جذب آب در هنگام استفاده چندسازه‌هاي اليف طبيعي در کاربرهاي صنعتي بالاست. براي مثال نشان داده شده در چندسازه‌هاي پلي‌استر غير اشباع/ليف سيسال نگهداري در آب منجر به کاهش تا %50 در مدول خمشي مي‌گردد. فرآيندهاي اختلاطي که الياف طبيعي را با بستر گرمانرم ترکيب مي‌سازد به سبب ميزان بالاي ثبات در محصول به شکل دانه‌اي مورد استقبال زيادي قرار گرفته‌اند. هدف فرآيند عمليات اختلاط توليد خوراک دانه‌اي شده که مي‌تواند شبيه هر فناوري فرآوري گرمانرم ديگري همچون تزريق، اکستروژن يا گرماشكل‌دهي بيشتر فرآيند گردد. چندين نوع فرآيند اختلاط وجود دارد که شامل اکستروژن، ورزدهي، و آميزگارساز‌هاي پربرش هستند. در اکستروژن ماده مخلوط شده به سيلندر گرم در اکسترودر خورانده مي‌شود و گرم مي‌گردد تا جريان ماده گرمانرم را بالا برد. انواع اکسترودرها شامل تك‌ماردانه‌ي ساده يا دوماردانه، که مي‌توانند همسوگرد يا ناهمسوگرد باشند و اکسترودرهاي چندماردانه‌ است. همه در اصل به هدف يکساني مي‌رسند: خوراندن مواد، گرمادهي، آميزش پراکنشي، آميزش توزيعي، هواگيري و اکستروژن ماده از درون يک داي. در مورد ورزدهي، يک آميزنده ورزدهنده از دو چرخانه‌ي درهم‌رونده بلند درون سيلندري گرم شده تشکيل شده است. تجهيزات اختلاط پيمانه‌اي ورزدهي داراي دو چرخنده ورزدهي کم سرعت گشتاور بالاست که مصرف انرژي دما و زمان آميزش را کنترل مي‌نمايد و با يک اکسترودر و دانه‌ساز براي توليد دانه تلفيق مي‌گردد. قالب‌گيري تزريقي فرآيند قابلي است و پر استفاده‌ترين فرآيند براي ساختن فرآورده‌هاي چندسازه مي‌باشد به ويژه جايي که قطعات پيچيده لازم است به صورت چرخه‌اي در حجم بالا توليد شوند. مزاياي آن عبارتند از رواداري ابعادي عالي و زمان چرخه [توليد] کوتاه در تلفيق با عمليات تكميلي اندک مي‌شوند. شرکت BMW توليد چندسازه‌هاي زيست‌پايه را که 40 درصد از همتاي پلاستيکي تزريقي خود سبک‌تر است امکانپذير مي‌داند. چالشي که در مورد چندسازه‌هاي الياف طبيعي قالبگيري تزريقي وجود دارد توليد دانه‌هايي با خواص يکسان است. اين موضوع توسط تامين‌کنندگان تجهيزات قالبگيري تزريقي آمريکاي شمالي و اروپا بوسيله فرآيندي موسوم به گرمانرم با ليف بلند مستقيم (Direct Long Fiber Thermoplastic/D-LFT) مورد بررسي قرار گرفته است. در اين فرآيند پيوسته که نخست در مورد الياف شيشه گسترش يافت، الياف کلاف شده و به درون يک ناحيه گرمايش خورانده مي‌شود که در آن گرمانرم با دسته ليف تلفيق مي‌گردد. اين دسته سپس به طول دلخواه بريده شده و به طور پيوسته به قيف قالب‌گيري تزريقي خورانده مي‌شود تا قطعات به طور پيوسته قالبگيري مي‌شوند. منطقي است فرض شود پيشرفت‌هاي اخير در فرآوري فتيله پيوسته الياف طبيعي در مقياس بزرگ مي‌تواند با فرآيند D-LFT تلفيق گردد. پندين شرکت در اين زمينه در حال پيشرفت کار مي‌کنند. گرماشكل‌دهي اغلب براي توليد چندسازه‌هاي گرمانرم الياف طبيعي نمدي بکار مي‌رود. اين فرآيند لايه‌هاي پيش‌بريده ليف (يا نمدها پيش‌شکل‌داده شده که مي‌توانند از الياف تصادفي يا فتيله تشکيل شده باشند) و ورق‌هاي بسپاري را که درون قالب گرم قرار گرفته‌اند را مي‌گيرد و مواد را با انتقال گرما از طريق هدايت جهت ذوب کردن گرمانرم يک‌دست مي‌سازد. گرمانرم جريان مي‌يابد تا در حالي که فشار در هنگام گرمايش و سرمايش اعمال مي‌گردد به درون الياف نفوذ کند. پس از رسيدن به دماي ذوب درون پرس داغ ماده تركيبي در قالب يک چندسازه درون پرس در مي‌آيد. زمان فرآوري به وسيله ترکيب پرس گرمايش-سرمايش به طور موازي بسيار کوتاه است. قالب‌گيري فشاري با بهره‌گيري از بسترهاي بسپاري گرماسخت سکوي مهم ديگري است که براي توليد قطعات بزرگ در صنعت خودرو بکار مي‌رود و ‌قاب‌بندها و سازه‌هاي سبک، مستحکم و باريک توليد مي‌کند. برتري اصلي اين فرآيند آسيب کم به الياف و سرعت فرآيند است. داده‌ها بيانگر آن هستند که خواص در مواردي که ميزان الياف يکسان است در حد همند. ديگر روش قالب‌گيري فشاري فرآيند آميزه قالب‌گيري ورقي (SMC) است که در مورد چندسازه‌هاي [الياف] شيشه‌اي براي سال‌ها استفاده شده است. گونه‌هاي زيادي از قالب‌گيري فشاري گسترش يافته که براي کاربردهاي خودرويي مناسب است و پيشرفت‌هاي اخير که اکستروژن و قالبگيري تزريقي را ترکيب کرده و نخست در مورد الياف شيشه بکار رفت در حال وارد شدن به صنعت خودروست. اين فرآيند دسته‌هاي الياف گرمانرم بزرگ يا توپي‌هاي پيش‌گرم شده را درجا به درون قالب فشاري اکسترود کرده و سپس فشار قطعه را قالبگيري مي‌نمايد. اما هزينه سرمايه‌گذاري بالا از قرار گرفتن اين فرآيند در مقياس گسترده در زنجيره تامين Tier 1 در آينده نزديک جلوگيري مي‌کند.
ويژگي‌هاي چندسازه‌هاي پلي‌استر غيراشباع الياف شيشه و الياف طبيعي

ويژگي الياف شيشه (%30 وزني) الياف طبيعي (%35 وزني)

استحکام خمشي (MPa) 80 70

مدول خمشي (GPa) 6.0 6.0

ازدياد طولي در شکست (%) 2.2 1.9

استحکام ضربه (KJ/mm2) 38 20

چگالي (g/cm3) 1.54 1.42

روش اسفنج‌سازي فرآورده‌هاي اسفنجي توليد مي‌کند که مي‌تواند در کاربردهاي لوازم داخلي و عايق‌ها بکار رود. پس از آميزه‌سازي ليف، گرمانرم و عوامل پف‌دهنده مواد با بهره‌گيري از يک قيف که با نيرو خوراک را وارد مي‌سازد به درون يک اکسترودر تک‌ماردان خورانده مي‌شود. فرآورده اکسترود شده که اکسترودر را ترک مي‌کند از ميان يک آميزنده‌ي خاص عبور داده مي‌شود تا اختلاط کامل بسپار و عامل پف‌دهنده تضمين گردد. دماي اين فرآيند تضمين مي‌کند که عوامل پف‌دهنده واکنش داده و سپس از ميان يک تبادل‌گر حرارتي عبور داده مي‌شود؛ فرآورده اکسترود شده سپس از ميان يک داي عبور داده مي‌شود و به شكل محصول نهايي در مي‌آيد.
مثا‌ل‌هايي از قطعات داخلي و خارجي ساخته شده از مواد طبيعي قطعه خودرو ماده بکار رفته داخلي داشبورد الياف چوب/پنبه قالبگيري شده، بزرك/سيسال رودري بزرك/سيسال به همراه رزين گرماسخت روکش صندلي پوشش چرم/پشم سطح/پشتي صندلي الياف نارگيل/لاستيک طبيعي قاب‌بند صندوق عقب الياف پنبه کف صندوق عقب الياف پنبه با PP/PET عايق‌ها الياف کتان بيروني قاب‌بندهاي کف نمد بزرك با پلي‌پروپيلن در پايان چندسازه‌هاي بسپاري گرماسخت که با قالب‌گيري انتقال رزين و انتقال رزين با کمک خلا مورد توجه صنعت خودرو قرار گرفته‌اند. مزاياي اصلي اين سکوي فرآوري شامل اختلاط در برش و دماي پايين است که تخريب الياف سلولزي را به کمترين
الياف بزرك، شاهدانه، سيسال و پشم و ديگر الياف طبيعي در ساخت 50 قطعه مرسدس بنز کلاس E بکار مي‌رود.
ميزان مي‌رساند. استفاده از درصدهاي بالاتر ليف تا %70 و همچنين هواگيري امکانپذير است. اما اين فرآيندها به سبب الزامات هزينه سرمايه‌گذاري باالا با مقاومت روبرو شده‌اند. کاربردهاي خودرويي علاقه نسبت به مواد زيست-پايه و به طور ويژه چندسازه‌هاي تقويت شده با الياف طبيعي نه تنها با وضع قوانيني که در بازارهاي بزرگي همچون اتحاديه اروپا به تصويب رسيده بلکه با الويت‌هاي بسياري از سازندگان خودروکه به توسعه پايدار جهاني علاقمندند مقارن گشته است. تعريف توسعه پايدار به مسئوليت‌پذيري شرکت که از مسئوليت‌پذيري سازندگان خودرو نسبت به مشتريان و گارگران خود و غيره ريشه مي‌گيرد مربوط مي‌شود. براي نمونه فعاليت‌هاي توسعه پايدار DaimlerChrysler بر گسترش فناوري بيسابقه و شرکتهاي مردمي انتقال فناوري که درگير استفاده از مواد زيست-پايه هستند در فيليپين، آمريکاي جنوبي و آفريقاي جنوبي است. DaimlerChrysler با شناختن مواد زيست-پايه به عنوان يکي از دو بخش کليدي طرح خود جهت ايجاد يک شبکه توسعه پايدار جهاني يک گام فراتر رفته است. بخش کليدي دوم استفاده از انرژي‌هاي تجديد شونده جهت جايگزيني سوخت‌هاي مرسوم است که يک زنجيره تامين خودرو زيست-پايه را دنبال مي‌کند که شامل شبکه‌اي از کشاورز گرفته تا توزيع‌کننده خودرو را شامل مي‌گردد. تامين‌کنندگان جهاني خودرو همچون هوندا استفاده از مواد الياف طبيعي همچون قطعات ليف چوبي در قسمت کف وسايل نقليه تاسيساتي ورزش (SUV) شروع کرده‌اند، تصميمي که با انگيزه آن ملاحظات مهندسي و همچنين فلسفه شرکت است. کلا گوناگوني قطعات زيست-پايه خودرويي که اکنون توليد مي‌شوند شگفت‌آور است. DaimlerChrysler بزرگ‌ترين طرفدار با تا 50 قطعه در وسيله نقليه اروپايي خود از مواد زيست-پايه است. به‌کارگيري تقويت‌کننده الياف طبيعي در تعدادي از قطعات خودرو شدني نشان داده است. بزرك، سيسال و شاهدانه به شکل رودري، آستر پشتي صندلي و ‌قاب‌بندهاي کف فرآيند شده‌اند. الياف نارگيل در ساخت زيري صندلي، بالش عقب و محافظ سر استفاده شده است.
در حالي که پنبه براي ضد صداکردن استفاده شده و از الياف چوب در بالش پشتي عقت بهره گرفته شده است در قاب‌هاي زير کف بدنه استفاده شده و ديگر سازندگان نيز در حال وارد ساختن ترکيبات طبيعي در خودروهايشان هستند. براي مثال گروه BMW مقدار چشمگيري مواد اوليه تجديد شونده در وسايل نقليه خود گنجانده که شامل 10000 تن الياف طبيعي در 2004 بود. در جنرال موتورز مخلوط شاهدانه و بزرك به کفي پشت صندلي عقب و درونه‌هاي قاب در Saturn L 300ها و اپل وکتراهاي بازار اروپا راه يافته و الياف چوب در پشتي عقب کاديلاک Deville و قسمت کف جاي بار GMC Envoy و شورولت TrailBlazer بکار رفته است. فورد تايرهاي Goodyear که از نشاسته‌ي ذرت ساخته شده‌اند در Fiestaهاي اروپا استفاده کرده است که مقاومت غلتشي کمتري نسبت به تايرهاي مرسوم دارند و براي همين در سوخت صرفه‌جويي مي‌شود. Insertهاي در کشويي فورد Freestar از الياف چوب ساخته شده‌اند. تويوتا به بهره‌گيري از شاهدانه در قفسه‌هاي بسته‌بندي Lexus علاقه نشان داده و آن را در ساختار بدنه وسايل نقليه مدل تويوتا i-foot و i-unit وارد ساخته است. شکل 4. تقويت‌کننده جلوپنجره فورد Montageträger در حال حاضر تحقيقات جهاني زيادي در زمينه گنجاندن چندساز‌هاي الياف طبيعي انجام پذيرفته است و سازندگان خودرو پيش نمونه‌هايي را توليد مي‌کنند که آغازي در آينده ساخت است. براي مثال سرويس تحقيقات کشاورزي ايالات متحده کاربردهاي صنعتي و تجاري براي انواع زيادي از فرآورده‌هاي کشاورزي شامل ضايعات گسترش داده است و گروه‌هايي همچون Soybean Checkoff و اتحاديه ملي پرورش‌دهندگان ذرت که بر پژوهش و ارتقاي بازارهاي جديد براي محصولات عضو متمرکزند فعاليت‌هاي تحقيقاتي را در راستاي منابع خوراک پشتيباني مي‌کنند. به علاوه تامين‌کنندگان رتبه‌ي يك ( Tier1 ) فعالانه درگير توليد قطعات پيش‌نمونه هستند: Visteon سامانه‌اي براي ساختنقاب تجهزات برپايه ساقه پنبه گسترش داده است؛ Composite Products فرآيندي براي توليد قاب‌بندهاي در از بزرك عرضه کرده است؛ بالاخره Industries که کفي‌هاي جاي بار براي جنرال موتورز و هوندا SUV و قفسه‌هاي بسته‌بندي براي Saturn و اپل مي‌سازد همچنين براي کاميون‌هاي ماک روکش‌هايي سقفي توليد مي‌کند که از ترکيب الياف شاهدانه، بزرك، شاهدانه و سيسال تهيه شده است؛ و قاب‌هاي بدنه پلاستيك سويا عرضه شده که اکنون در تراکتورهاي John Dere استفاده دارد .

چنان‌چه پيشتر اشاره شد بخش‌هاي آزمايشگاهي زيادي در مورد اشکال پيچيده در حال حاضر در مراحل پيش‌نمونه يا توليد هستند. جمع‌بندي در دهه اخير چندسازه‌هاي الياف طبيعي رشد سريعي را در بازار خودروي اروپا تجربه کرده‌اند و به نظر مي‌رسد اين روند با فراهم بودن توجيه قيمت و کارايي در مقايسه با فناوري‌هاي رقيب به لحاظ مقياس جهاني است. به هرحال کاهش وزن، بازيافت‌پذيري و الزامات کارايي امروزه به‌وسيله سامانه‌هايي رقيب همچون گرمانرم‌هاي تقويت‌نشده قالب‌گيري تزريقي شده برآورده شود. چندسازه‌هاي الياف طبيعي به گسترش نقش خود در کاربردهاي خودرويي تنها در صورتي ادامه خواهند داد که چالش‌هاي فني همچون پايداري رطوبتي، سازگاري سطح مشترک ليف-بسپار و منبع ليف تکرارپذير براي تامين سازندگان خودرو در دسترس باشد. کارهاي در دست اقدام توسط تامين‌کنندگان رتبه‌ي يك دو دوي خودروسازان ( Tier I و II ) براي بررسي سامانه‌هاي تركيبي شيشه-الياف طبيعي و نيز کاربردهايي که ظرفيت‌هايي از الياف طبيعي هم‌چون ويژگي‌هايش ميرايش صدا را بکار گرفته‌اند مي‌توانند اثرات بسزا و بسيار خوبي داشته باشند. به علاوه توسعه مورد نظر در زمينه پلاستيك‌هاي زيست-پايه همچون پلي‌استرهاي زيست‌تخزيب‌پذير پلي‌هيدروکسي آل‌کانوات (PHA) و پلي‌ال‌هاي زيست-پايه مي‌تواند گزينه چندسازه کاملا زيست-پايه را پيش روي طراحان خودروي آينده نهد. در کوتاه مدت گسترش بازار چندسازه الياف طبيعي اثري مثبت بر کشاورزان و صاحبان مشاغل کوچک در مقياس جهاني دارد، از وابستگي به نفت ايالات متحده مي‌کاهد، کيفيت محيط زيست را به وسيله گسترش زنجيره تامين با منبع پايدار مي‌افزايد و به موازنه CO2 بهتري در زمان عمر وسيله نقليه با انتشار گازهاي گلخانه‌اي نزديک به صفر مي‌رسد.

برگردان: عباس شيخ Abbas.sheikh@gamail.com

منبع: مجله بسپار