فوم های پلی یورتان (PUF ) به دلیل ویژگی های قابل توجهی مانند وزن سبک، سازگاری با محیط زیست، دانسیته کم، ضربه پذیری و جذب ضربه، پردازش پذیری و خاصیت ارتجاعی فوق العاده، یکی از مواد مورد تحقیق از خانواده پلیمری هستند. مانند سایر جامدات سلولی، PUF ها به عنوان ساختارهای سلولی مشخص شده که در آن سلول های چند وجهی به صورت سه بعدی فضا را پر می کنند. این سلول های سه بعدی به عنوان فوم شناخته می شوند. در طول سالیان متمادی تکنیک های مختلفی برای تولید این PUF ها به منظور دستیابی به خواص مطلوب مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین، طیف گسترده‌ای از پلی‌ال‌ها و ایزوسیانات‌ها به‌عنوان مواد خام موجود بوده که می‌توان از آن ها برای اصلاح ساختار سلولی با توجه به نیازهای مورد نظر برای یک کاربرد خاص استفاده کرد. تولید سالانه فعلی مواد خام پلی یورتان (PU ) با افزایش سریع هر سال ۱۲ میلیون تن برآورد شده است. چنین ویژگی هایی باعث شده است تا محققان و تولیدکنندگان از پلی یورتان (PU ) در بخش های مختلفی مانند صنعت چرم، خودرو، مبلمان، تبرید، ورزش، حمل و نقل، مواد عایق و کاربردهای دریایی استفاده کنند. این طیف گسترده از کاربردها عمدتاً با تغییر ترکیبات اصلی آن مانند پلی ال ها و ایزوسیانات ها و نسبت آن ها امکان پذیر است. بنابراین، PU را می توان در حالت های فیزیکی مختلف مانند مایعات چسبناک، فوم فلکسیبل با دانسیته کم، فوم فلکسیبل و فوم سخت با توجه به خواص مورد نیاز در بخش های مختلف تولید کرد. طیف گسترده ای از PU با دانسیته از ۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب تا ۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب را می توان برای برآوردن پارامترهای هدف مختلف تولید کرد. جدای از این، هزینه کم یکی دیگر از مزیت‌های اصلی بوده که در طول سال‌ها تولیدکنندگان را متقاعد کرده است که PU را برای کاربردهای مختلف ترجیح دهند. اگرچه امروزه صنعت PU به طور کامل توسعه یافته است – با چنین طیف گسترده ای از کاربردها و ویژگی های چشمگیر – برخی از معایب مانند مقاومت مکانیکی پایین همچنان استفاده از PU را در کاربردهای مختلف ساختاری محدود می کند. در نتیجه، ساخت فوم های پلی یورتان (PUF ) برای کاربردهای با کارایی بالا مهم است. یکی از راه‌های اصلی تولید PUF با استحکام بالا در سال‌های اخیر، استفاده از تقویت‌کننده‌ها از انواع مختلف مانند نانوذراتی مثل نانولوله‌های کربنی، کاربیدها، الیاف و افزودنی‌های زیستی بوده است. بسته به نوع تقویت‌کننده، کامپوزیت‌های پلی‌یورتان (PUC ) به‌دست‌آمده خواص قابل‌توجهی مانند: مقاومت در برابر ضربه، دانسیته کم، نسبت استحکام به وزن بالا، الاستیسیته بالا و مقاومت در برابر خوردگی و سایش از خود نشان می‌دهند.
PUF ها همچنین به عنوان مواد هسته برای سازه های ساندویچی استفاده می شوند که معمولاً از ورقه های سطح بالایی و پایینی تشکیل شده اند که با یک ماده هسته به هم متصل می شوند. این سازه‌های ساندویچی برای کاربردهای متعدد در صنایع هوافضا، دریایی، خودروسازی، ساندویچ پانل عایق، کشتی‌سازی و صنایع ساختمانی و پره‌های توربین‌های جریان اقیانوسی استفاده می‌شوند. در سال‌های اخیر، محققان پلی‌یورتان‌ها (PUs ) را با عوامل تقویت‌کننده مختلف مانند نانوپرکننده‌ها تقویت کرده‌اند و با موفقیت خواص نانوکامپوزیت‌های PU را بهبود بخشیده‌اند. به طور مشابه ، PUF ها همچنین توسط انواع تقویت کننده های نانو تقویت شده تا فوم های کامپوزیتی که برخی از خواص خاص را نشان می دهند، تهیه شوند. بر اساس این تقویت کننده ها ، عملکرد کلی کامپوزیت های ساندویچی که هسته های تقویت شده PUF دارند نیز طی این سال ها افزایش یافته است. با تولید تجاری PUF ، از آن در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می شود ، به ویژه در برنامه هایی که نیاز به عایق و وزن سبک دارند. این امر عمدتاً به دلایل سبکی ، هدایت حرارتی کم ، برای تأمین مقاومت ساختاری در کامپوزیت های ساندویچی، برای اطمینان از چسبندگی خودکار بدون نیاز به مرحله پیوند جداگانه و اجازه تولید پانل کم هزینه ترجیح داده می شود. همانطور که قبلاً بحث شد، از PUF به عنوان یک ماده اصلی در کامپوزیت های ساندویچی استفاده می شود. PUF ها به طور گسترده ای در ساختارهای ساندویچی با فن آوری های تولید جدید مورد استفاده قرار گرفته اند و در دهه های اخیر مورد تحقیقات علمی بسیار بوده اند. این واقعیت که عناصر اساسی که PUF را تشکیل می دهند می توانند در نسبت های مختلف با تراکم مختلف مخلوط شوند، اجازه می دهد تا ویژگی های مختلف مکانیکی ، پویایی ، حرارتی و غیره حاصل گردد.
ساختار ساندویچی:
اعضای باربر در کاربردهای مختلف مهندسی و سازه ای ترجیح داده می شود تا حد امکان سبک بوده و دارای استحکام بسیار بالا باشند. یکی از موثرترین ابزارها برای دستیابی به چنین ساختاری ساخت کامپوزیت هایی مانند سازه های ساندویچی است. این سازه‌های ساندویچی معروف از مواد سطح بیرونی تشکیل شده‌اند که معمولاً از کامپوزیت‌ها یا فلزات با سختی بالا و یک هسته نرم‌تر با دانسیته کم در بین آن ها تشکیل شده‌اند. این مواد هسته معمولاً از مواد ارزان‌تری ساخته می‌شوند که استحکام کمتری نسبت به ورق‌های سطحی دارند، اما توزیع بار کلی مؤثر و ممان اینرسی را افزایش داده که تنش‌ها را کاهش می‌دهد. کامپوزیت های ساندویچی در چند دهه گذشته راه حلی برای چالش های وزن و استحکام خمشی در بخش های مختلف مانند هوافضا، دریایی، خودرو و معماری ارائه کرده اند. یک نمایش کلی از یک ساختار ساندویچی در شکل ۱ نشان داده شده است.
مواد هسته ساندویچ پانل:
یکی از مزایای اصلی مرتبط با سازه های ساندویچی، در دسترس بودن طیف متنوعی از مواد هسته است. انتخاب مواد هسته به نوع کاربرد و پارامترهای هدف بستگی دارد. هر هسته دارای ویژگی های شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی منحصر به فرد خود بوده که می تواند برای یک هدف خاص در نظر گرفته شود. در کنار وزن و هزینه، استحکام، سفتی و جذب انرژی معمولاً از مهمترین خصوصیات در طراحی یک سازه ساندویچی هستند. تحقیقات زیادی در سال های گذشته با استفاده از انواع مختلف مواد هسته انجام شده است. مواد هسته برای کامپوزیت های ساندویچی را نیز می توان بر اساس نوع مواد به فوم های پلیمری، هسته های چوبی، فوم های فلزی، آگلومره های چوب پنبه ای و هسته های سرامیکی طبقه بندی کرد. در میان انواع هسته های مختلف، فوم های پلیمری به دلیل سبک وزنی، هزینه کم، نسبت استحکام به وزن بالا و سایر خواص چشمگیر، دهه ها است که به طور گسترده در ساندویچ پانل ها در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می شود. فوم های پلی متاکریلیمید (PMI)، پلی وینیل کلراید (PVC ) و فوم های پلی یورتان رایج ترین نمونه های این فوم های پلیمری بوده که به طور گسترده به عنوان مواد اصلی برای کامپوزیت های ساندویچی استفاده شده اند.
عملکرد مکانیکی این کامپوزیت های ساندویچی مبتنی بر هسته پلیمری به عوامل متعددی مانند پارامترهای آزمایشی و خواص ورق های صفحه و مواد هسته بستگی دارد. به عنوان مثال، یک مطالعه تجربی بر روی فرورفتگی کامپوزیت های ساندویچی با فوم PMI نشان داد که دانسیته هسته PMI و شکل فرورفتگی تأثیر زیادی بر پاسخ فرورفتگی نمونه های ساندویچی دارد. در مطالعه دیگری مشاهده شد که مقاومت فشاری باقیمانده کامپوزیت های ساندویچی مبتنی بر هسته PUF پس از بارگذاری ضربه به تعدادی از پارامترها مانند انرژی ضربه، ضخامت هسته و ضخامت ورق صفحه بستگی دارد. در هسته های پلیمری، PUF بدون شک کامل ترین ماده هسته بوده که به طور کامل مورد تحقیق قرار گرفته است.
فوم پلی یورتان در سازه های ساندویچی :
در چند دهه گذشته، کامپوزیت های ساندویچی مبتنی بر هسته PUF به طور مداوم در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. هدف اصلی از ساخت این کامپوزیت های ساندویچی مبتنی بر هسته PUF دستیابی به ساختاری بسیار سبک وزن همراه با استحکام و سختی بالا است. در این ساختارهای ساندویچی، هسته PUF دارای مزایای بسیاری مانند هزینه کم، وزن سبک، پایداری و جذب انرژی است. در طول سال‌ها، هسته‌های PUF با استفاده از نسبت‌های مختلف مواد اولیه برای دستیابی به خواص مورد نیاز ساخته شده‌اند. به طور مشابه، طیف گسترده‌ای از ورق‌های صفحه نیز با هسته‌های PUF در سال‌های گذشته برای کاربردهای مختلف صنعتی استفاده شده‌اند. با این حال، با پیشرفت در مواد، محققان نیاز به افزایش بیشتر خواص این ساندویچ های PUF را احساس کردند و بنابراین، آن ها شروع به ساخت هسته های PUF با تقویت کننده های مختلف کردند. این هسته های تقویت شده PUF در سال های گذشته ویژگی های قابل توجهی از خود نشان داده اند.
ساختارهای ساندویچی با هسته PUF خالص:
در سال های اولیه، کامپوزیت های ساندویچی با هسته PUF توجه زیادی را در کاربردهای صنعتی و ساختمانی متعدد به خود جلب کردند. در این کامپوزیت های ساندویچی با هسته PUF، یکی از علایق اصلی همیشه مطالعه رفتار مکانیکی آن ها بوده است. به همین دلیل، بسیاری از محققان خواص مکانیکی کامپوزیت های ساندویچی با هسته PUF را در طول سال ها مورد مطالعه قرار داده اند، مانند مقاومت خمشی، سختی، خزش و رفتار خستگی. تحقیقات زیادی در سال های گذشته بر عملکرد خمشی کامپوزیت های ساندویچی با هسته PUF تحت بارهای خمشی متمرکز شده است. محققان از تکنیک‌های عددی، تحلیلی و تجربی مختلفی برای تحلیل رفتار خمشی کامپوزیت‌های ساندویچی PUF استفاده کرده‌اند و بر پارامترهای مختلف و تأثیر آن‌ها بر عملکرد خمشی آن‌ها تمرکز کرده‌اند. یکی از مهم ترین پارامترها دانسیته هسته PUF است که تأثیر زیادی بر رفتار خمشی کامپوزیت های ساندویچی دارد. برای مثال Sharaf و همکارانش ساندویچ پانل های PUF را تحت بارگذاری خمشی تجزیه و تحلیل کردند. تأثیر دانسیته هسته بر عملکرد خمشی کامپوزیت های ساندویچی با استفاده از هسته های PUF با دو دانسیته متفاوت (۰.۳۱ و ۰.۶۳ کیلوگرم بر متر مکعب) مشاهده شد. نتایج تجربی نشان داد که دانسیته PUF تأثیر عمده‌ای بر استحکام کامپوزیت‌های ساندویچی دارد. افزایش قابل توجه ۱۶۵% و ۱۱۳% در استحکام خمشی و سختی، زمانی که دانسیته هسته دو برابر شد، محاسبه گردید. همچنین، یک هسته PUF با دانسیته پایین تر در برابر شکست تحت بارهای متمرکز آسیب پذیرتر بود. لغزش نسبی بین ورق های سطح بالایی و پایینی تحت بارهای خمشی نیز برای نمونه های ساندویچی با دانسیته های مختلف محاسبه شد. مشاهده شد که نمونه ساندویچی با فوم با دانسیته بالا مقادیر لغزش کمتری را نشان داد که نشان دهنده سختی فوم است. در مطالعه مشابه دیگری توسط Uday و همکارانش اثر دانسیته RPUF ها بر خواص خمشی کامپوزیت های ساندویچی با ورق های شیشه ای/اپوکسی در نظر گرفته شد. در سازه های ساندویچی از هسته های RPUF با سه دانسیته متفاوت ۱۲۵، ۲۵۰ و ۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب استفاده شد. از آزمایش‌های خمشی سه نقطه‌ای مشاهده شد که با افزایش دانسیته فوم، سختی خمشی کامپوزیت‌های ساندویچی همراه با کاهش محسوس تنش خمشی، تنش نرمال و تنش برشی افزایش یافت. این نتایج نشان داد که دانسیته هسته فوم PUF در در نظر گرفتن رفتار خمشی بسیار مهم است.
ساختارهای ساندویچی هسته PUF تقویت شده با ذرات:
از تحقیقات گذشته، می توان مشاهده کرد که PUF به دلیل خواص چشمگیرش به طور گسترده در کاربردهای مختلف صنعتی و سازه ای استفاده می شود. با این حال، همیشه نیاز به بهبود در عملکرد PUF در برنامه های خاص وجود دارد. به همین دلیل، محققان در سال های گذشته از عوامل تقویت کننده مختلف با PUF برای دستیابی به خواص بهتری مانند استحکام بالا، سفتی، جذب انرژی و هدایت الکتریکی و غیره استفاده کرده اند. این بخش تحقیقات قبلی در مورد کامپوزیت های ساندویچی PUF تقویت شده با ذرات را به اختصار مورد بحث قرار می دهد. یکی از مزایای عمده استفاده از PU در کاربردهای مختلف صنعتی و سازه ای این است که تقریباً با هر نوع تقویت کننده، مخلوطی همگن ایجاد می کند. بنابراین، بسته به میزان و نوع تقوت کننده، خواص مکانیکی و سایر خواص PU را می توان به راحتی با توجه به نیازهای خاص بهبود بخشید. این ها همچنین تنوع نامحدودی از ذرات تقویت‌کننده موجود برای بهبود خواص PU هستند، مانند افزودنی‌های زیستی، ذرات سرامیکی، خاک رس، پودرهای فلزی و نانوذرات مبتنی بر کربن مانند گرافن و نانولوله‌های کربنی (CNTs ) و غیره. همه این ذرات تقویت کننده مزایای خاص خود را دارند. با این حال، با پیشرفت در نانومواد کربنی مانند گرافن و CNT ها، محققان به طور مداوم استفاده از آن ها را به عنوان تقویت کننده در ماتریس PU برای دستیابی به خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و ساختاری برتر بررسی کرده اند. این نانوذرات در مقایسه با سایر مواد استحکام بالاتری داشته که آن ها را به گزینه ای عالی برای تقویت کننده تبدیل می کند. از تحقیقات قبلی مشاهده شده است که حتی با تقویت‌کننده‌هایی در مقیاس بسیار کوچک، این نانوذرات می‌توانند استحکام و سایر خواص مورد نیاز را به ماتریس PU بدهند. در میان انواع مختلف نانوذرات کربنی، نانوکامپوزیت‌های PU تقویت‌شده با CNT در سال‌های گذشته عملکرد قابل‌توجهی از نظر استحکام، جذب انرژی و هدایت الکتریکی و غیره از خود نشان داده‌اند و به‌طور گسترده توسط محققان در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
گرافن و اکسید گرافن از دیگر انواع شناخته شده نانوساختارهای کربنی هستند که خواص قابل توجهی نیز از خود نشان می دهند. مخلوط‌های مختلف گرافن و اکسید گرافن به‌عنوان تقویت‌کننده PU توسط بسیاری از محققان در سال‌های گذشته مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و پیشرفت‌های قابل‌توجهی در خواص مختلف نشان داده‌اند. دیگر انتخاب های محبوب در طول سال ها برای تقویت ذرات برای PU، پودرهای فلزی، ذرات سرامیک، نانورس، خاک رس های طبیعی و غیره بوده است. ساختارهای ساندویچی PUF تقویت شده با ذرات که توسط محققین مختلف در سال های گذشته مورد بررسی قرار گرفته اند، در زیر مورد بحث قرار می گیرند.
بخش عمده‌ای از تحقیقات در مورد ساختارهای ساندویچی PUF تقویت‌شده با ذرات در سال‌های گذشته بر اساس تقویت‌کننده‌های نانورس در هسته PUF بود. این ساندویچ های PUF تقویت شده با نانورس از نظر جذب انرژی، استحکام و عایق حرارتی و غیره عملکرد بهتری از خود نشان داده اند. به عنوان مثال، Njuguna و همکارانش کامپوزیت های ساندویچی PUF تقویت شده با نانورس را با استفاده از نانورس مونت موریلونیت (MMT ) با نسبت های تقویتی مختلف (۰-۱۰٪ وزنی) تهیه کردند. از ریزساختار PUF تقویت شده با نانورس، مشاهده شد که با افزایش محتوای نانورس منجر به اندازه سلول کوچک‌تر می‌شود اما بر توزیع منظم تأثیری نمی‌گذارد. همچنین، از آزمایش‌های ضربه‌ای با سرعت کم مشاهده شد که کامپوزیت‌های ساندویچی PUF تقویت‌شده می‌توانند بارهای بالاتری را در مقایسه با کامپوزیت‌های ساندویچی با PUF خالص تحمل کنند. علاوه بر این، ساختارهای ساندویچی PUF تقویت شده، خواص عایق حرارتی بهتری را در مقایسه با ساندویچ های PUF خالص نشان دادند. تجزیه و تحلیل مشابهی با در نظر گرفتن نانورس ارگانو مونتموریلونیت (OMMT ) به عنوان تقویت کننده برای هسته PUF در ساختارهای ساندویچی توسط Sachse و همکارانش انجام شد. آزمایش‌های ضربه‌ای با سرعت کم بر روی نمونه‌های ساندویچ PUF با نسبت‌های تقویتی متفاوت از ۰ تا ۱۰ درصد وزنی انجام شد. مشاهده شد که افزودن نانورس منجر به بهبود جذب انرژی کامپوزیت های ساندویچی تحت بارگذاری ضربه ای می شود. علاوه بر این، عملکرد دو نوع مختلف ورق صورت (پلی آمید و PP ) نیز در این مطالعه بررسی شد. مشاهده شد که ورق های پلی آمیدی دارای خواص مکانیکی بالاتری نسبت به ورق های PP هستند.
بدون دیدگاه