فیبر شیشه GFRP

فیبر شیشه GFRP چیست؟

فیبر شیشه GFRP، دسته ای از کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با فیبر شیشه هستند که استحکام مکانیکی و الاستیسیته بالایی دارند. این مواد معمولا در صنایع هوافضا، خودروسازی، صنایع دریایی و صنایع ساخت و ساز و ساختمانی کاربرد دارند و حتی در جلیقه های ضد گلوله بالستیک نیز استفاده می شوند.

فیبر شیشه GFRP ماده ای بسیار سبک اما بسیار قوی و مستحکم است و همین ویژگی فیبر شیشه موجب شده است به ماده ای همه کاره تبدیل شود. سختی و شکنندگی الیاف شیشه نسبت به سایر کامپوزیت های زمینه پلیمری مانند کامپوزیت های تقویت شده با فیبر کربن، بسیار کمتر است. علاوه بر این، در مقایسه با راهکارهای مرسوم مقاوم سازی سازه های فلزی، استحکام حجمی و خواص وزنی بسیار مطلوب تری دارد.

فیبر شیشه GFRP ارائه شده توسط شرکت مقاوم سازی افزیر، رایج ترین و پر مصرف ترین الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت FRP است که یکی از دلایل مقدار بالای فروش فیبر شیشه می‌باشد. قیمت فیبر شیشه GFRP در مقایسه با انواع فیبر کربن و آرامید بسیار پایین بوده و همین امر سببب شده است در سال های اخیر فروش فیبر شیشه بیشتر شود.

رشته فیبر شیشه از فیبرهای شیشه ای (glass fiber) تشکیل می‌شوند که تارهایی به ضخامت حدود ۱۰ میکرون هستند. مقاومت کششی و شیمیایی بسیار بالای الیاف باعث شده تا استفاده از آنها در ساخت قطعات صنایع هوا فضا، خودرو، دریایی و ساختمانی، تجهیزات مبلمان و تجهیزات ورزشی، روز به روز بیشتر شود. الیاف FRP شیشه متداول ترین محصول برای مقاوم سازی، تقویت و بهسازی انواع سازه ها  با استفاده از FRP در صنعت ساختمان بوده، همچنینن این مصالح برای حفاظت مخازن مختلف در محیط های خورنده و شیمیایی یا به عبارتی روش لانینگ مخازن GFRP lining ، نیز کاربرد گسترده‌ای دارند.

مزایا و معایب این انواع فیبر شیشه در مقایسه با سایر الیاف به شرح زیر است:

مزایای فیبر شیشه GFRP

مزایا فیبر شیشه به شرح زیر است:

• قیمت فیبر شیشه مناسب تر از سایر الیاف است.
• مقدار بالای فروش الیاف فایبرگلاس سبب در دسترس بودن انواع مختلف آن باشد.
• استحکام کششی الیاف شیشه ای بالا می‌باشد،
• فیبر شیشه ای عایق  الکتریکی خوبی است یا به عبارت دیگر الیاف رسانا نیستند.
• مقاومت شیمیایی فیبر شیشه بالا بوده و مناسب محیط های مستعد خوردگی هستند.
• مقاومت مناسب حرارتی

معایب فیبر شیشه GFRP

معایب و ضعف های فیبر شیشه در مقایسه با سایر الیاف در ذیل لیست شده است:

• فیبر شیشه مدول کششی پایین تری نسبت به الیاف کربن دارند و همین مسئله سبب می‌شود تا مهندسین سازه جهت مقاوم سازی ساختمان ها با FRP بیشتر رغبت به استفاده از الیاف کربن به جای فیبر شیشه داشته باشند.
• وزن مخصوص الیاف پلیمری شیشه در مقایسه با انواع الیاف کربن و کولار نسبتا بالا می‌باشد.
• فیبر شیشه نسبت به سایش در حین حمل و نقل حساس می‌باشند.
• مقاومت در برابر خستگی فیبر شیشه نسبتاً پایین است.
• فیبر شیشه  GFRP نسبتا شکننده  بوده و تردتر می‌باشد.
• سختی فیبر شیشه زیاد بوده و در نتیجه باعث سایش قالب ها و کند شدن ابزار برش در کارهای کامپوزیتی می‌گردد.

نکته قابل توجه در مورد رشته الیاف، تشکیل شدن آن از الیاف یا فیبر شیشه ای با قطر کم است که در صورت ظهور پدیده شکست به جهت رشد ترک ها که می‌تواند ناشی از وجود ترک های ریز با نقص های سطحی موجود بر سطح الیاف باشد تنها الیاف یا فیبر شیشه ای منفرد می‌شکنند و از شکست کامل رشته الیاف جلوگیری به عمل می‌آید. بنابراین یک رشته الیاف دارای استحکام شکست بیشتری نسبت به یک الیاف به قطر کلی مشابه آن می‌باشد زیرا در الیاف ضخیم رشد ترک ناشی از نقص‌های سطحی منجر به شکست کامل آن می‌گردد.

انواع فیبر شیشه شرکت مقاوم سازی افزیر در بافت های یک جهته (الیاف شیشه تک جهته)، دو جهته حصیری (پارچه شیشه دو جهته) و چند جهته در وزن ها و مقاومت های مختلف توسط شرکت افزیر ارائه می­ شوند. فیبر شیشه  با بسیاری از سیستم های رزینی نظیر پلی استر اشباع شده، وینیل استر، رزین های فنولیک و رزین اپوکسی سازگاری دارد و   سیستم کامپوزیتی بسیار مناسبی را شکل می‌دهند. انواع فیبر شیشه GFRP برحسب ترکیب مواد بکار رفته در تهیه آنها، به انواع گوناگون تقسیم بندی می‌شوند که در زیر به این گونه ها به همراه قیمت این فیبر شیشه ای و فروش آنها نیز اشاره می‌گردد:

الف) فیبرشیشه E-glass:

این نوع فیبر شیشه، متداول‌ترین نوع موجود در بازار هستند و ۸۰ تا ۹۰ درصد تولیدات GFRP را تشکیل می‌دهد که کم‌ترین مواد قلیایی در ساخت آن‌ها به کار می‌رود. از این الیاف علاوه بر مقاوم سازی سازه ها، در صنعت برق به عنوان مقاومت های الکتریکی نیز استفاده می‌گردد. (GPa70=E، MPa2500-1500  و %۳-۸/۱= ). قیمت فیبر شیشه ارزان بوده و کاربرد و فروش فیبر شیشه E-glass نسبتا بالاست.

ب) فیبر شیشه C–Glass:

این نوع فیبر شیشه GFRP دارای آهک سود دار به همراه بور و سیلیکات می‌باشد و در محیط هایی که مواد شیمیایی خورنده وجود داشته باشند، کاربرد فراوان دارند. فیبر شیشه C-Glass به صورت الیافی برای مسلح کردن بتن به کار می‌روند. این نوع الیاف در مقابل خوردگی اسیدی مقاومت بسیار خوبی را فراهم می‌کنند و کاربرد اصلی آن‌ها در پوشش سطحی خطوط لوله و پوشش سطحی مخازن است.

ج) فیبر شیشه A-Glass:

این نوع فیبر شیشه GFRP که درصد مواد قلیایی موجود در آن‌ها بسیار زیاد است، امروزه از چرخه‌ی تولید الیاف شیشه خارج گردیده‌اند.

د) فیبر شیشه S-Glass:

این دسته از فیبر شیشه GFRP، مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار زیادی دارند و بیش‌تر در صنایع هوا فضا و تحقیقات فضایی و هوایی برای پوشش موشک‌ها و قطعات هواپیمایی به کار می‌روند. این الیاف عملکرد حرارتی مناسبی دارند و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد. قیمت فیبر شیشه S-Glass خیلی بالا بوده و گران قیمت ترین نوع GFRP می باشند. به همین دلیل فروش این نوع شیشه پایین می‌باشد. (GPa 87E= و  MPa39000 ).

در ادامه برای آشنایی بشتر با محصولات ساخته شده از فیبر شیشه مطالعه مقاله “الیاف شیشه چیست؟” را پیشنهاد می دهیم.

مقایسه انواع فیبر شیشه

تاریخچه کامپوزیت های فایبر گلاس

پیش از آن که به ویژگی ها و کاربردهای بسیار متنوع انواع فایبرگلاس یا فیبر شیشه GFRP بپردازیم، ابتدا لازم است کمی در مورد تاریخچه این محصول بگوییم.

تاریخچه استفاده از کامپوزیت های فایبرگلاس به جنگ جهانی دوم بر می گردد؛ زمانی که در سال 1935 رزین پلی استر اختراع شد و پتانسیل های آن شناخته شد. اما مساله مهمی که آن سال ها مطرح بود، یافتن یک ماده تقویت کننده مناسب بود که دست نیافتنی به نظر می آمد، به طوری که برای این منظور حتی شاخه های نخل را نیز امتحان کردند.

در همان زمان و در اوایل دهه 1930، راسل گیمز اسلیتور، فیبر شیشه را اختراع نمود و از آن به صورت پشم شیشه، برای عایق کاری خانه استفاده کرد. درست در همان زمان این ماده را با موفقیت با رزین ترکیب نموده و یک کامپوزیت بادوام تولید کرد. گرچه کامپوزیت پلاستیکی تقویت شده با فیبر شیشه GFRP ماده جدیدی نبود، اما به سرعت به یک صنعت جهانی تبدیل شد.

در ابتدا، حجم تولید رزین و شیشه نسبتا کم بود و ویژگی های مهندسی آن نیز به خوبی شناخته شده نبود. اما با این وجود، مزایای آن نسبت به سایر مواد در برخی کاربردهای خاص، به وضوح قابل مشاهده بود. در زمان جنگ و بروز مشکلات تامین محصولات فلزی، کامپوزیت های فیبر شیشه GFRP به عنوان یک جایگزین مورد توجه قرار گرفتند.

از اولین کاربرد های فیبر شیشه GFRP، استفاده به عنوان داکت و محافظ تجهیزات رادار، در ناسل و اتاقک موتور و دماغه هواپیما (Radomes) بود. در سال 1945، ایالات متحده از کامپوزیت GFRP در بدنه هواپیمای آموزشی Vultee B-15 استفاده نمود. اما اولین بار در انگلستان از کامپوزیت فیبر شیشه فایبرگلاس برای ساخت بدنه هواپیما Spitfire استفاده شد، گرچه که هرگز به تولید انبوه نرسید.

کاربردهای مدرن کامپوزیت فیبر شیشه GFRP

فیبر شیشه و کاربرد های آن در صنعت کامپوزیت به شرح زیر است:

• هوانوردی و هوافضا

با وجود اینکه از کامپوزیت های فیبر شیشه GFRP در ساخت بدنه هواپیما استفاده نمی شود، اما در صنایع هوانوردی و هوافضا کاربردهای بسیار زیادی دارد. از جمله کاربردهای این کامپوزیت می توان به استفاده در روکش و اتاقک موتور هواپیما، اتاقک چمدان ها، محفظه ابزار، دیواره ها، داکت ها، مخازن ذخیره و اتاقک آنتن اشاره نمود. علاوه بر این از این کامپوزیت در تجهیزات حمل و نقل زمینی نیز استفاده می شود.

• خودروسازی

شاید جالب باشد بدانید اولین خودروی ساخته شده از کامپوزیت الیاف شیشه GFRP، شورولت کوروت مدل 1935 است. خواصی همچون وزن کم و ضربه گیری و در عین حال قابلیت تولید اشکال پیچیده، موجب شده است که این کامپوزیت، گزینه ای عالی برای استفاده در وسایل نقلیه تخصصی کوچک، به ویژه خودروهای سریع باشد.

پیش بینی بازار کامپوزیت های فیبر شیشه GFRP در سال 2022

در سال 2017 پیش بینی شد بازار جهانی کامپوزیت های پلاستیکی تقویت شده با فیبر شیشه GFRP از مقدار 43.93 میلیارد دلار به 59.87 میلیارد دلار در سال 2022 خواهد رسید. CAGR پیش بینی شده برای این بازه زمانی چیزی در حدود 6.4 درصد است. در واقع فاکتورهای متعدد و بسیار متنوعی عامل پیش برنده و محرک اصلی بازار کامپوزیت های GFRP هستند. از صنایع حمل و نقل گرفته تا برق و الکترونیک، انرژی بادی و لوله ها و مخازن، همگی بازارهای بالقوه این محصول هستند.

اما بازیافت دشوار کامپوزیت های GFRP و قیمت فیبر شیشه، دو عاملی بازدارنده ای هستند که مانع ورود این محصول به بسیاری از زمینه های کاربردی می شود و در نتیجه رشد بازار جهانی آن را تحت تاثیر قرار می دهند. با این وجود، نیاز به تولید قطعات با اشکال پیچیده و سفارشی در صنایع خودروسازی، هوافضا و انرژی های بادی، نرخ و سرعت رشد تولید و حجم بازار کامپوزیت های GFRP را تعیین می کنند.

بازارهای بالقوه کامپوزیت‌های شیشه GFRP

• صنعت خودروسازی

با وجود اینکه صنعت خودروسازی بیش از یک قرن است که وجود دارد، اما عمده موادی که در این صنعت استفاده می‌شود، تغییر آنچنانی نیافته است. و تنها در چند دهه اخیر مواد پیشرفته، از آلیاژهای منیزیم گرفته تا کامپوزیت‌های  شیشه GFRP، توانسته اند راه خود را به خودروهای نسل جدید باز کنند.

به منظور افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت و همچنین حفظ عملکرد و در عین حال ایمنی بیشتر، استفاده از این مواد پیشرفته امری ضروری است. می‌دانیم که برای شتاب دادن به یک جسم سبک، نسبت به یک جسم سنگین، انرژی کمتری نیاز است. از این رو، کاهش 10 درصدی وزن خودرو نیز می‌تواند منجر به افزایش 6 تا 8 درصدی راندمان مصرف سوخت شود.

عوامل و محرک‌های اصلی رشد بازار و خرید الیاف فایبر گلاس در صنعت خودروسازی، افزایش تولید خودرو و افزایش تقاضا برای داشتن محصولی با دوام و سبک و همچنین قوانین سختگیرانه دولت ها برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است.

با توجه به کاربردهای مختلف کامپوزیت های الیاف فایبرگلاس در صنعت خودروسازی مانند استفاده در فضاهای داخلی و بیرونی، مونتاژ ساختاری اجزای قطار، استفاده در موتور، برق و الکترونیک خودرو، آینده بازار جهانی چشم انداز بسیار روشنی دارد. و انتظار می‌رود در طی سال های 2020 تا 2025، با CAGR بیش از 5.5 درصدی، رشد قابل توجه و چشمگیری داشته باشد.

اروپا به دلیل حضور بسیاری از غول های صنعت خودروسازی مانند BMW، Volkswagen، Group PSA و غیره، عمده ترین بازار کامپوزیت های شیشه GFRP بوده و سریع ترین رشد بازار را به خود اختصاص داده است.

• صنایع دریایی و قایق‌ها

خواص کامپوزیت‌های GFRP به طرز ایده آلی برای ساخت قایق‌ها مناسب است. از سال 1942 که انواع فیبر شیشه فایبرگلاس در قایق‌های تفریحی استفاده شد تا کنون، این ماده یکی از برگزیده‌های این صنعت است. گرچه پیش از این، مشکلاتی در جذب آب داشت، اما با ورود رزین‌های مدرن، بیشتر با شرایط مطابق شد و همچنان بر صنایع دریایی حکومت ‌می‌کند. در واقع، بدون GRP‌ها، قایق‌ها به سطح کیفی امروزشان نمی‌رسیدند؛ چرا که روش‌های سنتی ساخت و ساز برای این حجم تولید قایق، بسیار گران هستند و البته قابلیت اتوماسیون نیز ندارند.

• صنایع ساخت و ساز مدرن

کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر شیشه GFRP، خواص بیشماری دارند، در نتیجه کاربرد آن‌ها در قسمت‌های مختلف ساختمان و سیستم‌های ساختمانی جدید ‌می‌تواند بسیار سودمند باشد. مقاومت بسیار عالی در برابر خوردگی، نسبت استحکام به وزن بالا و قابلیت سفارشی سازی خواص نهایی، این کامپوزیت‌ها را به جایگزینی مقرون به صرفه برای فولادها تبدیل کرده است. استفاده از آرماتور و میلگردهای GFRP، به ویژه زمانی که سازه بتنی مورد نظر مستعد خوردگی و حملات مواد شیمیایی باشد، جذاب تر ‌می‌شود.

مصالح ساختمانی سنگین مانند میلگردهای فولادی، به تجهیزات حمل و نقل و نصب بزرگی نیاز دارند که به محیط زیست آسیب ‌می‌رسانند و در عین حال، پیشرفت سریع پروژه‌های عمرانی را نیز مختل ‌می‌نمایند. اما کامپوزیت‌های فیبر شیشه GFRP، به دلیل وزن کم و قابلیت مونتاژ در محل پروژه، توانسته اند کاملا از فولادها پیشی بگیرند.

از جمله کاربردهای کامپوزیت GFRP در صنایع ساخت و ساز، ‌می‌توان به استفاده در زیرساخت‌های حمل و نقلی، معادن و تونل سازی، ساختمان سازی و سازهای بتنی در تماس با آب مانند دیواره‌های حائل رودخانه‌ها و دریا، تاسیسات تصفیه خانه و مخازن و سیستم‌های زهکشی، اشاره نمود.

زهکش‌های تقویت شده با کامپوزیت شیشه GFRP، دچار زنگ زدگی نمی‌شوند و به خوبی تنش‌های کششی ناشی از یخ زدن آب را تحمل ‌می‌کنند. یکی دیگر از خواص GFRP‌ها، دوام و پایداری آن‌ها در آب شور است که نسبت به فولاد معمولی، یک مزیت فوق العاده به حساب ‌می‌آید.

بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس رزین‌های مورد استفاده

واقعیت این است که عملکرد کامپوزیت‌ GFRP با توجه به رزین استفاده شده، متغیر خواهد بود. اما بر اساس آمار سال 2016، در میان انواع رزین‌های مورد استفاده در کامپوزیت GFRP، پلی استر بیشترین سهم بازار را به خود اختصاص داده است. ویژگی‌هایی همچون مقاومت به خوردگی مناسب و خواص عملکردی رزین پلی استر موجب شده است این محصول در صنایع هوافضا، خودرو، راه آهن و الکترونیک کاربرد بسیاری داشته باشد.

بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس صنایع مصرف کننده

در سال 2016، با توجه به ارزش و حجم بازار، بخش حمل و نقلی بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌ GFRP را به خود اختصاص داده است. و علت این امر نیز به تقاضای محصولات سبک و افزایش راندمان مصرف سوخت، نسبت داده ‌می‌شود. بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس صنعت مصرف کننده نهایی به انرژی بادی، حمل و نقل، لوله و مخازن، دریایی، ساخت و ساز و زیرساخت‌ها، برق و الکترونیک، هوافضا و دفاعی و … تقسیم ‌می‌شود.

بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس منطقه جغرافیایی

در سال 2016، بازار کامپوزیت‌ه GFRP در آسیا و اقیانوسیه، بالاترین سرعت رشد را ثبت کرده است. انتظار ‌می‌رود در 5 سال آینده نیز بیشترین رشد را داشته باشد که این امر با افزایش مصرف کامپوزیت‌های GFRP، در صنایع مختلف انرژی بادی، ساخت و ساز و زیرساختی، برق و الکترونیک، دور از ذهن نخواهد بود.

در سال 2016 در میان کشورهای آسیا و اقیانوسیه، چین با بیشترین تعداد تاسیسات انرژی بادی با ظرفیت معادل 23328 مگاواتی پیشتاز بازار مصرفی کامپوزیت‌های GFRP بود.

سهم بازار اقتصادهای نوظهور در تقاضای لوله‌های کامپوزیتGFRP

تا پیش از این کشورهای آمریکای شمالی و اروپایی، عمده بازار لوله‌های کامپوزیت GFRP را به خود اختصاص داده بودند. اما در سال‌های اخیر، شاهد تغییر تقاضا از سوی اقتصادهای نوظهور MEA، APAC و آمریکای لاتین هستیم. همچنین انتظار ‌می‌رود، با رشد صنایع نفت و گاز، مواد شیمیایی، فاضلاب و سایر صنایع مربوطه، در کشورهایی مانند چین، برزیل، مکزیک و هند، شاهد رشد بازار لوله‌های GFRP در آینده باشیم.

اما در منطقه APAC با توجه به افزایش فعالیت‌های ساخت و سازی و معدنی، و همچنین بهبود استانداردهای زندگی در اقتصادهای در حال توسعه و نرخ بالای شهرنشینی در بسیاری از کشورهای منطقه APAC و اهمیت اولویت بندی بهبود و مدیریت آب، انتظار ‌می‌رود حجم تقاضای لوله‌های GFRP افزایش فوق العاده و چشمگیری داشته باشد. همچنین پیش بینی ‌می‌شود در طی چند سال آینده، پیشرفت و بهبود زیرساخت‌های موجود و ایجاد شهرک‌های جدید دارای تاسیسات تصفیه خانه ای، منجر به رشد تصاعدی و روزافزون تقاضای لوله‌های GFRP،فیبر شیشه و قیمت خرید اسپایک و انکر شیشه شود.

 لاینینگ GRP در مخازن بتنی و فولادی

بدون شک مخازن ذخیره، لوله‌های انتقال آب و فاضلاب، نفت و غیره، یکی از استراتژیکی ترین سازه‌های عصر حاضر و در واقع شریان‌های اصلی صنعت هستند. و احتمالا شما به عنوان سرپرست یک سازه تاسیساتی، به اهمیت استحکام مخازن ذخیره سازی و عواقب احتمالی خرابی این مخازن آگاه هستید. و ‌می‌دانید خوردگی و فرسودگی این تاسیسات تا چه اندازه ‌می‌تواند عواقب فاجعه باری به همراه داشته باشد. بنابراین استفاده از موادی با مقاومت به خوردگی و سایش خوب برای بازسازی و تعمیر این مخازن،  از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

یکی از بهترین ترفندهای مقابله با خوردگی و فرسودگی در مخازن ذخیره، استفاده از لاینرهای مهار ثانویه است. و مهمترین شاخصه یک لاینر مناسب عبارت است از: مقاومت بالا در برابر نفوذ آب و مواد شیمیایی اعم از مواد اسیدی و بازی، دوام و طول عمر بالا و مقاومت به سایش و همچنین نصب آسان و ظاهری مناسب.

در واقع در حال حاضر بهترین لاینرها، روکش‌ها و پوشش‌های کامپوزیت پلاستیکی تقویت شده با فیبر شیشه GFRP هستند که از اشباع الیاف شیشه تک جهته و یا پارچه شیشه دو جهته در رزین‌های غیر اشباع مانند پلی استر و وینیل استر تولید ‌می‌شوند. آسترهای FRP ‌می‌توانند 10 تا 20 سال خوردگی، فرسودگی و نشتی سازه مخازن ذخیره را به تعویق بیندازند. واقعیت این است که بازسازی مخازن با استفاده از پوشش‌های GFRP به جای تعویض آنها، ‌می‌تواند تا 20 درصد در هزینه‌ها صرفه جویی نماید.

استحکام کامپوزیت GFRP، به رزین و الیاف مورد استفاده در آن بستگی دارد. اما عموما در این نوع کامپوزیت‌ها از رزین پلی استر و الیاف شیشه تک جهته یا پارچه شیشه دو جهته استفاده ‌می‌شود که یکپارچگی و استحکام قابل توجهی را ایجاد ‌می‌کنند.

از جمله سایر خواصالیاف شیشه GFRP ‌می‌توان به قدرت چسبندگی بالا، پایداری دمایی، مقاومت شیمیایی در برابر عوامل خورنده و اسیدی، مقاومت در برابر اشعه فرابنفش UV، ژل تایم مناسب، نصب آسان و راحت آنها اشاره نمود که موجب شده است استفاده از این پوشش‌ها بهترین گزینه برای ترمیم مخازن بتنی و فولادی فرسوده باشد. همچنین در ادامه برای آشنایی با نحوه نصب و روش های اجرا مطالعه مقاله “نصب و اجرای  FRP ” را پیشنهاد می کنیم.