مقارنة خصائص الراتنج
يعتمد اختيار نظام الراتنجات المراد استخدامه في أي مكون على عدد من خصائصه ، وربما يكون ما يلي هو الأكثر أهمية في معظم الهياكل المركبة:
1. خصائص الترابط
2. الخصائص الميكانيكية
3. مقاومة الكراك المجهري
4. قوة التعب
5. تدهور تآكل الماء
خصائص الترابط
تمت مناقشة كيف أن خصائص الالتصاق لنظام الراتنج مهمة في تحقيق النطاق الكامل للخصائص الميكانيكية للمركب. في هياكل السندوتشات ، من المهم التصاق مصفوفة الراتنج إلى تعزيز الألياف أو المواد الأساسية.
عادةً ما تحتوي راتنجات البوليستر على أدنى خصائص التصاق للأنظمة الثلاثة الموضحة هنا. تظهر راتنجات الفينيل ليستر خصائص ترابط أفضل من البوليستر ، لكن أنظمة راتنج الايبوكسي توفر أفضل أداء لجميع المواد اللاصقة ، وبالتالي يتم العثور عليها غالبًا في العديد من المواد اللاصقة ذات القوة العالية. ويرجع ذلك إلى تكوينها الكيميائي ووجود مجموعات الهيدروكسيل القطبية والأثير. نظرًا لأن راتنجات الايبوكسي تعالج بمعدل انكماش منخفض ، فإن الاتصالات السطحية المختلفة التي تم إنشاؤها بين الراتنجات السائلة والالتزامات لا تزعج أثناء عملية المعالجة. خصائص الترابط لراتنجات الايبوكسي مفيدة بشكل خاص في بناء شرائح العسل الأساسية ، حيث تعني مساحة سطح الترابط الصغيرة أن الحد الأقصى للربط مطلوب.
تعتمد قوة الرابطة بين الراتنج والألياف ليس فقط على خصائص الترابط لنظام الراتنج ، ولكنها تتأثر أيضًا بالطلاء السطحي للألياف المعززة.
الخصائص الميكانيكية
اثنين من الخصائص الميكانيكية المهمة لأي نظام راتنج هما قوة الشد وتصلب. يوضح الشكلان 22 و 23 نتائج الاختبارات التي أجريت على أنظمة البوليستر المتاحة تجاريا ، وفيروس الفينيل ، وأنظمة راتنج الايبوكسي المعالجة عند 20 درجة و 80 درجة.
بعد فترة علاج لمدة سبعة أيام في درجة حرارة الغرفة ، يمكن ملاحظة أن راتنجات الإيبوكسي النموذجية توفر أداءً أعلى من حيث القوة والتصلب من البوليستر النموذجي واسترات الفينيل. يمكن أيضًا رؤية التأثيرات المفيدة للمعالجة لمدة خمس ساعات بعد 80 درجة.
بنفس القدر من الأهمية للمصممين المركبين والبنائين هو مقدار انكماش الراتنج أثناء وبعد المعالجة. يرجع الانكماش إلى إعادة ترتيب وإعادة توجيه جزيئات الراتنج في مراحل السائل وشبه الهلاف. تتطلب البوليستر واسترات الفينيل كمية كبيرة من إعادة الترتيب الجزيئي للوصول إلى حالة شفاء ويمكن أن تظهر انكماش يصل إلى 8 ٪. ومع ذلك ، فإن الطبيعة المختلفة لتفاعل الايبوكسي تؤدي إلى إعادة ترتيب ضئيلة للغاية وغياب المنتجات الثنائية المتطايرة ، مما يقلل من انكماش الإيبوكسي النموذجي إلى حوالي 2 ٪. إلى حد ما ، يكون غياب الانكماش مسؤولاً عن الخواص الميكانيكية الأفضل للإبوكسي من البوليستر ، حيث يرتبط الانكماش بالضغوط الداخلية التي يمكن أن تضعف المادة.
بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي الانكماش في سمك الصفح إلى "طباعة" لنمط الألياف المعززة ، وهو عيب تجميلي صعب ومكلف للتخلص منه.
الشقوق المجهرية
عادة ما يتم النظر في قوة الرقائق من حيث مقدار الحمل الذي يمكن أن يقاوم قبل أن يفشل تمامًا. هذه القوة النهائية أو قوة كسر هي النقطة التي يظهر فيها الراتنج كسرًا كارثيًا وانهيار الألياف المعززة.
ومع ذلك ، قبل الوصول إلى هذه القوة النهائية ، سيصل التصفيح إلى مستوى إجهاد حيث سيبدأ الراتنج في التصدع من طبقات تعزيز الألياف التي لا تتوافق مع الحمل المطبق ، وستنتشر هذه الشقوق من خلال مصفوفة الراتنج. يُعرف هذا باسم "microcracking المستعرض" وعلى الرغم من أن الصفح لم يفشل بعد تمامًا ، إلا أن عملية التمزق قد بدأت بالفعل. وبالتالي ، يجب على المهندسين الذين يرغبون في بنية متينة التأكد من أن صفائحهم لا تتجاوز هذه النقطة تحت أحمال الخدمة العادية.
تعتمد السلالة التي يمكن أن تحققها الصفح قبل التقييم الدقيق إلى حد كبير على خصائص الصلابة والترابط لنظام الراتنج. بالنسبة لأنظمة الراتنجات الهشة ، مثل معظم البوليستر ، يحدث هذا قبل وقت طويل من فشل الصفائح ، وبالتالي لا يحد من الضغط الذي يمكن أن يقاومه مثل هذه الصفائح. على سبيل المثال ، أظهرت الاختبارات الحديثة أنه بالنسبة للبوليستر/الزجاج المنسوج المتجول ، يحدث microcracking عادة في حوالي {1}}. هذا يتوافق مع قوة قابلة للاستخدام بنسبة 10 ٪ فقط من القوة النهائية. نظرًا لأن القوة النهائية للصفح تحت التوتر يتم تحديدها بواسطة قوة الألياف ، فإن هذه الميكروفات الراتنج لا تقلل على الفور الأداء النهائي للصفح.
ومع ذلك ، في بيئات مثل الماء أو الهواء الرطب ، سوف تمتص التصفيح المصغرة ماء أكثر من الصفح غير المغطى. سيؤدي ذلك إلى زيادة الوزن ، والرطوبة في عامل تحجيم الراتنج والألياف ، وانخفاض في الصلابة ، وانخفاض في الأداء النهائي بمرور الوقت.
عادة ما تنبع الزيادة في التصاق الراتنج/الألياف من كيمياء الراتنج وتوافقه مع المعالجة السطحية الكيميائية المطبقة على الألياف. هنا ، تساعد الخصائص المعروفة للمواد اللاصقة الايبوكسي الصفح على تحقيق سلالات ميكروكرات أعلى. كما ذكرنا سابقًا ، يصعب قياس صلابة الراتنج ، ولكن يشار إليها على نطاق واسع بسلالة الفشل النهائية. يوضح الشكل 25 مقارنة بين أنظمة الراتنج المختلفة.
قوة التعب
بشكل عام ، تتمتع المركبات بمقاومة تعب ممتازة مقارنة بمعظم المعادن. ومع ذلك ، نظرًا لأن فشل التعب غالبًا ما يكون بسبب التراكم التدريجي لكمية صغيرة من الضرر ، فإن سلوك التعب لأي مادة مركبة سيتأثر بصلابة الراتنج ، ومقاومته للميكروكرات ، وعدد الفراغات وغيرها من العيوب التي تحدث أثناء عملية التصنيع. لهذا السبب ، تميل شرائح قاعدة الايبوكسي إلى إظهار مقاومة جيدة جدًا للإرهاق مقارنةً ببوليستر وإستر فينيل ، وهو أحد الأسباب الرئيسية لاستخدامها في الهياكل الهوائية.
تدهور تآكل المياه
تتمثل في قدرتها على تحمل تدهورها عن طريق المياه الواردة. تمتص جميع الراتنجات بعض الماء ، مما يضيف الوزن إلى الصفح ، ولكن الأهم من ذلك كيف يؤثر الماء الممتص على رابطة الراتنج والراتنج/الألياف في الصفح ، مما يؤدي إلى فقدان تدريجي وطويل الأجل للخصائص الميكانيكية. تكون كل من راتنجات استرات البوليستر والفينيل عرضة لتدهور الماء بسبب وجود مجموعات استرات قابلة للتحلل في التركيب الجزيئي.
ونتيجة لذلك ، من المتوقع أن تحتفظ بوليتات البوليستر الرفيعة بنسبة 65 ٪ فقط من قوتها في القص بين الطبقة البينية بعد عام واحد من الانغماس في الماء ، في حين أن شرائح راتنجات الإيبوكسي ستحتفظ بنسبة 90 ٪ تقريبًا بعد عام واحد من الانغماس.
يوضح الشكل 26 تأثير الماء على اللقطات الزجاجية المنسوجة من البوليستر والتي كانت مغمورة في الماء عند 100 درجة. يعطي هذا الانغماس في درجة الحرارة العالية الخواص المتسارعة المتسارعة.
نفاذية
تتيح جميع الشرائح في البيئة البحرية كميات صغيرة جدًا من المياه أن تمر عبرها في شكل بخار. مع مرور الماء ، يتفاعل مع أي مكونات قابلة للتحلل داخل الصفائح لتشكيل خلايا صغيرة من المحلول المركزة. تحت الدورة التناضحية ، يمر المزيد من الماء عبر الغشاء شبه القابل للصفح في محاولة لتخفيف هذا الحل. يزيد هذا الماء من ضغط السائل داخل الخلية إلى 700 رطل. في النهاية ، سوف يشوه الضغط أو يدمر الصفائح أو الجيلوكات وقد يؤدي إلى سطح "جدري الدجاج" النموذجي. قد تشمل المكونات المائية القابلة للتحلل في الرقائق الأوساخ والحطام المحاصرين أثناء عملية التصنيع ، ولكنها قد تشمل أيضًا روابط الإستر في البوليستر المعالجة ، وإلى حد أقل ، فينيل لوث.
يعد استخدام طبقة غنية بالراتنج بجوار معطف هلام أمرًا ضروريًا لراتنجات البوليستر لتقليل هذا النوع من التدهور ، ولكن عادةً ما يكون العلاج الوحيد بمجرد بدء العملية هو استبدال المادة المصابة. من أجل منع حدوث التسلل في المقام الأول ، من الضروري استخدام راتنج له نفاذية منخفضة ومقاومة عالية لتآكل الماء. يمكن القضاء على الفوضى فعليًا عند استخدامها بالاقتران مع مادة تعزيز لها مقاومة مماثلة للمعالجة السطحية ومغطاة بمستوى مرتفع للغاية. تقاوم سلاسل البوليمر مع السلاسل القائمة على الإبوكسي آثار الماء أفضل بكثير من العديد من أنظمة الراتنج الأخرى. وقد ثبت أن مثل هذه الأنظمة لديها مقاومة كيميائية وماء ممتازة ، ونفاذية المياه المنخفضة وخصائص ميكانيكية جيدة للغاية.
ملخص خصائص الراتنج المقارنة
ربما تمثل البوليستر ، استرات الفينيل ، وراتنجات الإيبوكسي التي تمت مناقشتها هنا حوالي 90 ٪ من جميع أنظمة راتنجات الحرارة المستخدمة في المركبات الهيكلية. باختصار ، فإن المزايا والعيوب الرئيسية لهذه الأنواع هي:
راتنجات أخرى للمركبات
بالإضافة إلى البوليستر ، استرات الفينيل وراتنجات الإيبوكسي ، هناك العديد من أنظمة الراتنج المتخصصة الأخرى المستخدمة حيث تكون هناك حاجة إلى خصائصها الفريدة.
راتنجات الفينول
تستخدم بشكل أساسي حيث تكون هناك حاجة إلى مقاومة عالية للحريق ، تحتفظ راتنجات الفينول بخصائصها بشكل جيد في درجات حرارة عالية. بالنسبة للمواد المعالجة بدرجة حرارة الغرفة ، يؤدي استخدام الأحماض المسببة للتآكل إلى معالجة غير سارة. تميل الطبيعة المكثفة لعملية المعالجة الخاصة بهم إلى إدراج العديد من الفراغات والعيوب السطحية ، ويميل الراتنج إلى أن يكون هشًا وله خصائص ميكانيكية سيئة. التكلفة النموذجية: £ 2-4/kg.
فينيل إيزوسيانات
يستخدم بشكل رئيسي في صناعة الطيران. الخصائص العازلة الممتازة للمادة تجعلها مثالية للاستخدام في الألياف العازلة المنخفضة مثل الكوارتز ، والتي تستخدم في تصنيع ردوم. المادة هي أيضا درجة حرارة مستقرة تصل إلى 200 درجة رطبة. التكلفة النموذجية: 40 جنيهًا إسترلينيًا/كجم.
راتنجات السيليكون
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >15 جنيه إسترليني/ كجم.
البولي يوريثان
مادة دكتايل شديدة ، تمتزج في بعض الأحيان مع راتنجات أخرى ، بسبب انخفاض الخواص الميكانيكية الرقائقي في الضغط. يستخدم الإيزوسيانات الخطرة كعوامل المعالجة. التكلفة النموذجية: £ 2-8/kg.
Bismaleimide (مؤشر كتلة الجسم)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>50 جنيه إسترليني/كجم.
بوليميد
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>80 جنيهًا إسترلينيًا/كجم) مع المواد الخام السامة المستخدمة في عملية التصنيع. يصعب العمل مع البوليميدات بسبب تفاعل التكثيف الذي يطلق الماء أثناء عملية المعالجة ، وهشًا نسبيًا بعد المعالجة. pmr15 و LARC160 هما البوليميدات الأكثر شيوعًا في المركبات.
مصدر "الحدود في المركبات"