رشد بازار کامپوزیت ها

در مدت سال 2013 حجم کلی تخمینی مواد خام کامپوزیتی تحویل داده شده به سازندگان مخازن 8768 متر یک تن بوده است. سیستم های رزین اپوکسی بیشترین سهم این حجم ( 45 درصد) را به خود اختصاص داده اند. در حال حاضر الیاف کربن با استحکام کششی بالا 15 درصد سهم دارد ولی به دلیل افزایش گرایش بازار به سمت مخازن نوع II ، III، IV انتظار افزایش قابل توجهی در سهم بازار مواد وجود دارد. در پایان این دوره مورد پیش بینی، سهم الیاف کربن به 26 درصد حجم کلی مواد خواهد رسید.

در کاربرد هایی مانند وسایل نقلیه مسافربری کوچک و سبک وزن که وزن اهمیت کمتری دارد و قیمت پیش پرداخت موضوع مهمی است، الیاف بازالت و شیشه با عملکرد بالا انتخاب خوبی هستند. البته با وجود قیمت پایین این الیاف، کمتر از 30 درصد سهم دارند ( شکل 9). در نتیجه، تقاضای سالیانه، برای الیاف کربن خام از 4684 متر یک تن در سال 2014 با میانگین رشد سالیانه 30 درصد به 38638 متر یک تن تا سال 2023 خواهد رسید. پس از این 10 سال فروش مواد خام کامپوزیتی به بیش از 12 میلیارد دلار خواهد رسید که 8/5 میلیارد دلار آن الیاف کربن خواهد بود.

جهت برآوردن این تقاضا، تامین کنندگان الیاف کربن احتمالا نیاز به افزودن 30000 متر یک تن الیاف با استحکام بالا، مدول استاندارد و قیمت پایین خواهد داشت. این موضوع دلیل اصلی این است که چرا شرکت Toray Industries در ژاپن در سال 2013 ZoItek را به دست آورده است و اخیرا شرکت الیاف کربن و کامپوزیت Mitsubishi Rayon تصمیم دارد ظرفیت تولید الیاف کربن خود را در سایت های موجود خود در Calif Sacramento دو برابر کند. به این دلیل که بیشتر تقاضای بازار و تامین کنندگان مخازن تحت فشار از کره جنوبی یا چین هستند. اگر این تحلیل و پیش بینی درست باشد، استفاده از الیاف کربن در ساخت مخازن تحت فشار می تواند با استفاده از این الیاف در کاربردهای دیگر کامپوزیت ها مانند تیغه های توربین بادی، اتومبیل ها و هواپیماها رقابت کند.

دست یابی به چقرمگی مناسب با انتخاب درست مواد
در ساخت مخازن تحت فشار کامپوزیتی به روش رشته پیچی از سیستم رزین اپوکسی با پخت آمینی یا انیدریدی بیشتر استفاده می شود. دلیل معروفیت رزین های اپوکسی در این کاربرد، مقاومت شیمیایی و خوردگی بالا، خواص مکانیکی و گرمایی خوب، جمع شدگی کم در حین پخت و امکان فرآیند سازی در محدوده وسیعی از شرایط است. این رزین البته پس از پخت ماهیت شکننده دارد که باید برای بهبود چکش خواری و چقرمگی شکست آن تدبیری اندیشید. روش های بسیاری وجود دارند. یکی از آنها اصلاح شیمیایی رزین اپوکسی است به شکلی که در نهایت دانسیته اتصالات عرضی کمتری ایجاد شود. برای این منظور افزایش وزن مولکولی مونومرهای اپوکسی و کاهش عاملیت عامل پخت پیشنهاد می شود. روش دیگر افزودنکوپلیمر بوتادین و آکریلونیتریل با گروه انتهایی کربوکسیل و آمین ( CTBN و ATBN) پلی متیل متاکریلات و رابر سیلوکسان، رابر هسته – پوسته، ترموپلاستیک ها و پرکننده های معدنی سخت مانند آلومینا و دانه های شیشه ( glass beads) است. روش سوم استفاده از کوپلیمر بلاک است. جدایی فازی میان این کو پلیمر و اپوکسی موجب افزایش تغییر شکل با مکانیزم پل زدن ترک می شود. اخیرا شرکت Dow Chemical Company محصولی به نام Vora Force عرضه کرده که ضمن بهبود چقرمگی، حداقل اثر را بر خواص مکانیکی و فرآیندی دارد. سازندگان الیاف نیز برای بهبود گرید های الیاف تولید خود به منظور استفاده در مخازن در تلاش هستند.
افزایش سرعت سیکل تولید

یکی از زمینه های مورد توجه در ساخت مخازن تحت فشار کامپوزیتی کاهش زمان هر سیکل تولید است. در این راستا کارهای مختلفی می توان انجام داد.

یکی از آنها ایجاد تغییر شیمیایی در سیستم مانند استفاده از کاتالیست به منظور افزایش سرعت پخت است. البته باید به پیک گرمازای واکنش دقت داشت. روش دیگر استفاده از Towpreg است. در این حالت پروفیل افزایش ویسکوزیته و پخت در دو مرحله انجام می شود. (شکل 10).

ابتدا هفته ها یا حتی ماه ها قبل از رشته پیچی، الیاف به سیستم رزین آغشته شده، به صورت جزئی پخت و سپس ذخیره می شود ( مراحل 1و2). سپس حرارت داده می شوند تا ویسکوزیته کاهش یابد و چسبندگی لازم بین آنها برقرار شود (مرحله 3). افزایش حرارت موجب فعال شدن کاتالیست Latent شده و پخت کامل می شو ( مرحله 4 و 5). به این ترتیب علاوه بر کاهش زمان واکنش در هنگام رشته پیچی، به تجهیزات کمتری نیاز است.

در پایان می توان اشاره کرد به این نکته با توجه به قوانین زیست محیطی و نیاز به کاهش وزن در بسیاری کاربردها به ویژه جهت کاهش مصرف سوخت، آینده بازار مخازن تحت فشار کامپوزیتی مثبت برآورد می شود.

مراجع:

– Yang Y., et al., Recycling of Composites materials, Chemical engineering and Processing, 51, 2012, 53-68
– Mayes J. S., “Recycling of fiber Reinforced Plastics”, JEC Composites No. 17, May 2005 24-26.