البوليمرات المقواة بالألياف الطويلة (LFRPs) - المبادئ وأفضل الممارسات

تقدم هذه المقالة المبادئ الأساسية وأفضل الممارسات لمعالجة البوليمرات المقواة بالألياف الطويلة (LFRPs)، بما في ذلك النصائح العملية للحفاظ على طول الألياف وتحقيق أقصى قدر من الأداء في التطبيقات الصعبة.

نظرة عامة على تقوية الألياف

تُحسّن إضافة الألياف - سواءً كانت زجاجية أو كربونية، طويلة أو قصيرة - الأداء الميكانيكي والهيكلي للمواد البلاستيكية الحرارية. ويكمن الفرق الرئيسي بين الألياف القصيرة والطويلة في مدى معالجة الألياف.

• الألياف القصيرة: أسهل في المعالجة، لكنها توفر نسب قوة إلى وزن أقل.
• الألياف الطويلة: تتطلب معالجة دقيقة ولكنها تحسن بشكل كبير من القوة والمتانة ومقاومة الإجهاد والاستقرار الأبعاد.

حافظ على طول الألياف، ولا تتوقع الكمال.

يُعدّ طول الألياف عاملاً حاسماً لتحسين أداء المواد المركبة. يؤدي انكسار الألياف إلى تقليل قوتها ومتانتها، مما قد يُلغي مزايا الألياف الطويلة. تشمل أسباب انكسار الألياف ما يلي:

• سوء التعامل
• أدوات أو قوالب مصممة بشكل سيئ
• معدات وظروف معالجة غير مُحسَّنة

مواد الألياف الطويلة يتم إنتاجها عادةً عن طريق عملية السحب:

• يتم سحب خيوط الألياف المتصلة عبر قالب التشريب.
• يغلف الراتنج الألياف بالكامل ويرتبط بها.
• يتم تقطيع الألياف إلى حبيبات (~12 مم) مع تعزيز أحادي الاتجاه.

اليسار: ألياف قصيرة بعد إزالة الراتنج | الوسط: جزء مصبوب بالحقن | اليمين: بنية ألياف طويلة

مزايا المواد المركبة المقواة بالألياف الطويلة

• نسبة قوة إلى وزن أعلى
• مقاومة محسّنة للصدمات
• عمر أطول للتعب
• استقرار حراري أوسع
• ثبات أبعاد فائق

مركبات ألياف الكربون يمكن أن تحل محل المعادن:

• أخف بنسبة 70% من الفولاذ
• أخف بنسبة 40% من الألومنيوم

الراتنجات الأساسية الشائعة: PA/نايلون، PP، ETPU، PEEK، PPA، PEI

محتوى الألياف: تصل النسبة إلى 70% للزجاج، و60% للكربون (PP، PA، TPU)

تعتبر الراتنجات شبه البلورية أكثر ملاءمة لتقوية الألياف من الراتنجات غير المتبلورة.

الاعتبارات الرئيسية لمعالجة LFRPs

1. مادة القالب وتصميمه

• الفولاذ القياسي للقوالب (P20) مناسب؛ وللحصول على متانة أعلى، استخدم الفولاذ H13 أو A9.
• تجنب استخدام البوابات ذات الأقطار الصغيرة لتقليل قص الألياف. يوصى باستخدام البوابات العريضة على شكل مروحة أو البوابات الدائرية الكاملة.
• تجنب الزوايا الحادة في الممرات؛ الفتحات الأكبر حجماً مقبولة.

2. معدات التشكيل

• يمكن لآلات الحقن القياسية معالجة المواد البلاستيكية ذات الألياف الزجاجية المقواة بالبوليمر (LFRP) بإجراء تعديلات طفيفة.
• يوصى باستخدام برغي منخفض الضغط/عام الأغراض، وفوهة لا تقل عن 5.6 مم، وتجنب الفوهات المدببة/النايلون.
• املأ 60-70% فقط من سعة الحقن لمنع القص المفرط أو وقت الإقامة.

3. شروط المعالجة

• التشوّه والزحف: تقلل الألياف الطويلة من التشوّه والزحف مقارنةً بالألياف القصيرة. حسّن موضع البوابة وتصميم القطعة لتقليل التشوه إلى أدنى حد.
• تجفيف: استخدم مجففًا لإزالة الرطوبة عند درجة حرارة -40 درجة مئوية كنقطة ندى.
• تغذية: النقل الهوائي مع المرشحات؛ تجنب الانحناءات الحادة.
• صب: قلل من قص البرغي والضغط الخلفي؛ وتجنب إعادة الطحن المسحوق.
• سرعة وضغط الحقن: سرعات بطيئة (25.4-50.8 مم/ث) للمحتوى العالي من الألياف؛ اضبط ضمن النطاقات الموصى بها من قبل المورد.

إرشادات تصميم الأجزاء

• تعزيز محاذاة الألياف على طول اتجاه التدفق.
• سمك الجدار الموحد: الحد الأدنى 1.524 مم، الأمثل 3.175 مم، >5.08 مم يقلل من المحاذاة.
• تجنب الأجزاء الطويلة والمسطحة الخالية من الأضلاع.
• ضع خطوط اللحام بشكل استراتيجي؛ يجب أن تعمل الألياف على تقوية خطوط اللحام.

مزايا الحفاظ على الألياف الطويلة

يجب تعديل إرشادات معالجة الراتنج/الألياف القصيرة القياسية. قد يؤدي سوء التعامل، أو تصميم القوالب، أو إعداد المعدات بشكل غير صحيح إلى تقليل أو إزالة مزايا القوة والمتانة العالية. إن اتباع أفضل الممارسات يبرر التكلفة الأعلى لمواد الألياف الطويلة ويضمن الأداء الأمثل.