پیش آغشته یا پریپرگ (prepreg) چیست؟

پیش آغشته (Prepreg) چیست؟

پیش آغشته یا پری‌پرگ (prepreg) اصطلاح رایج پارچه تقویت کننده‌ای است که از قبل با سیستم رزین آغشته شده است. این سیستم رزینی (به طور معمول اپوکسی) از قبل با هاردنری مناسب ترکیب شده است. در نتیجه، پیش آغشته آماده قرار دادن در قالب بدون افزودن ماده دیگری است. برای اینکه لمینت به بهترین کیفیت خود برسد، استفاده از ترکیب فشار و گرما ضروری است.

مزایای Prepregs

استفاده از prepreg به جای استفاده از روش های دستی سنتی چندین مزیت دارد:

1. حداکثر خواص مکانیکی: در لایه گذاری دستی، دستیابی به درصد رزین ۵۰٪ دشوار است. این بدان معنی است که وزن نهایی قطعه تهیه شده حداکثر ۵۰٪ پارچه و ۵۰٪ رزین است. قطعات ساخته شده با روشهای دستی معمولاً حتی در روش وکیوم بگ (vacuum bagged) نیز با مقدار قابل توجهی رزین اضافی مواجه می‌شوند. رزین اضافی باعث افزایش شکنندگی و کاهش خواص مکانیکی قطعه می‌شود. از طرف دیگر، بیشتر پیش آغشته‌ها حاوی حدود ۳۵٪ رزین هستند. این برای رسیدن به حداکثر خواص قطعه پخت شده ایده آل است و دستیابی به آن در لمینیت‌های با روشهای دستی غیرممکن است.
2. یکنواختی و تکرارپذیری قطعات: بدون مشکلات تکنیک های لایه گذاری دستی، نه مناطق غنی از رزین وجود دارد و نه قسمت‌های خشک. در این حالت ضخامت همه جای قطعه یکنواخت خواهد بود و همه قطعاتی که از قالب خارج می‌شوند ظاهری یکسان و یکنواخت دارند. با توجه به اینکه هنوز هم مشکلات و نواقصی در تکنیک های قالبگیری در خلا، لایه گذاری دستی و غیره وجود دارد، اما پیش آغشته ها این مشکلات را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.
3. وزن کمتر و اتلاف کمتر: در فرایند پیش آغشته، تنها رزین اضافی در طی فرآیند از قطعه خارج می‌شود و اتلاف رزینی که در فرایند لایه گذاری دستی وجود دارد (از قبیل رزین باقی مانده در ظرف، رزین چسبیده به غلطک و قلم مو و …) در پیش آغشته وجود ندارد. بعلاوه ، پریپرگ‌های الیاف شیشه در دمای اتاق نگهداری می‌شوند، بنابراین شما وقت خود را جهت تنظیم میزان رزین و هاردنر و ترکیب آنها تلف نمی‌کنید.
4. زمان پخت کمتر: پس از اتمام فرایند پخت قطعه در حرارت مناسب، قطعه آماده استفاده می‌شود. بنابراین لازم نیست ۴۸ ساعت منتظر بمانید تا بتوانید همانند قطعه ساخته شده در دیگر فرایندهای قطعه را استفاده کنید.
5. ظاهر بهتر: آماده سازی قالب و استفاده از رها سازهای قالب در فرایند پریپرگ‌ مورد نیاز است و دقیقاً مانند لایه گذاری دستی بر روی کیفیت سطح آن قطعه تأثیر می‌گذارد. با این حال، پیش آغشته های فیبر گلاس عملا حباب‌های هوا را از بین می‌برند و یک سطح صاف و براق را بدست می‌دهند.

معایب Prepregs

1. هزینه پیش آغشته ها عموماً گران است. حتی وقتی هزینه رزین، هاردنر و پارچه را با هم جمع می‌کنید، هزینه‌ی پیش آغشته هنوز هم بیشتر است.
2. ماندگاری پیش آغشته معمولا کم است و عمدتاً این محصولات را می‌توان حداکثر تا شش ماه در دمای اتاق (۲۵ درجه سانتیگراد) نگهداری کرد. با این وجود، گرما باعث افزایش سرعت خشک شدن این مواد می‌شود پس در دماهای بالاتر ماندگاری آنها کاهش میابد. بنابراین نگهداری پریپرگ‌ در دماهای پایین (مثلاً یخچال و فریزر) موجب افزایش عمر آنها خواهد شد.
3. نیازمند به وجود تجهیزات حرارتی جهت پخت پیش آغشته یکی از مشکلات این مواد است. حداقل تجهیزات لازم برای استفاده از این محصولات وجود یک منبع حرارتی و تجهیزات وکیوم (کیسه خلا، نوار سسیل، پمپ وکیوم و …) است. باید بتوان حداقل به دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد رسید و حداقل چهار ساعت این دما را حفظ کرد. بسیاری از سازندگان پیشرفته برای این منظور از اتوکلاو استفاده می‌کنند، اما هرگونه منبع حرارتی این کار را انجام می‌دهد.

پیش آغشته‌ها چگونه کار می‌کنند؟

پارچه‌هایی که بصورت پیش آغشته تهیه می‌شوند، به دلیل اینکه کمی چسبنده هستند بین دو لایه از نوعی پلاستیک قرار می‌گیرند تا در حین حمل و نقل و قبل از استفاده به هم نچسبند. با کندن دو لایه پلاستیکی از روی پیش آغشته آماده استفاده می‌شوند.

برای پخت کامل پیش آغشته، گرما و فشار بصورت همزمان لازم است. اگر چه می‌توان فشار را با استفاده از پرس بدست آورد، اما روش معمول آن استفاده از کیسه‌ی خلا است. ابتدا لایه های پریپرگ‌ داخل قالب قرار گرفته و پس از اعمال نوار سیل و کیسه خلا و اتصال آن به پمپ وکیوم، قالب داخل آون یا کوره جهت حرارت دیدن قرار می‌گیرد. در حین حرارت دادن به پیش آغشته قطعه می‌بایست در حالت وکیوم بوده و تا انتهای عملیات از وکیوم خارج نشود. وجود وکیوم باعث خارج شدن رزین های اضافی و حباب‌های هوا از داخل قطعه می‌شود.

نا گفته نماند که محیط پخت ایده آل برای پیش آغشته یک اتوکلاو است که دارای کنترل دما و فشار می‌باشد، اگرچه که عموما پیش آغشته ها بدون اتوکلاو و بصورت معمولی پخت می‌شوند.

به طور کلی بهتر است از آون‌هایی جهت حرارت دادن به پیش آغشته استفاده شود که کنترل دمایی مناسب داشته باشد و شیب افزایش و کاهش دما در آن قابل کنترل باشد. همچنین حتما توجه شود که از آون‌هایی که برای پخت و پز استفاده می‌شوند استفاده نشود زیرا پیش آغشته در حین پخت بخاراتی خارج می‌کند که برای مواد غذایی مضر هستند.

آیا Prepregs برای کار شما مناسب است؟

پیش آغشته به طور معمول توسط سازندگان قطعات کامپوزیتی که علاقه و تجربه کافی در این زمینه دارند برای به حداقل رساندن وزن قطعه خود استفاده می‌شود. پروژه‌هایی شامل هوا فضا، مسابقات و وسایل ورزشی، مخازن تحت فشار و برخی محصولات تجاری زمینه های گسترده‌ای از کاربردهای پیش آغشته را در خود دارند.

با توجه به اینکه استفاده از پیش آغشته نیاز به داشتن تجربه کافی در زمینه تولید قطعات کامپوزیتی دارد، معمولاً افرادی از آن استفاده می‌کنند که قبلاً فرایند های لایه گذاری دستی و وکیوم بگ را تجربه کرده‌اند. البته خاطر نشان میکنیم که تجربه کردن استفاده از پریپرگ‌ ضرری به همراه ندارد حتی برای مبتدی‌ها.

نحوه استفاده از Prepregs

ابتدا قالب خود را مانند معمول تهیه کنید، قالب می‌تواند فلزی یا کامپوزیتی باشد. برای بدست آوردن سطح قطعه براق، برای داشتن یک قالب بی‌عیب و نقص و با سطحی براق، لازم است که واکس جدا کننده قالب و فیلم مایع PVA روی سطح قالب اجرا شود. پیش آغشته‌ها دارای دو لایه پلاستیکی روی خود هستند که قبل از اجرا باید از آنها جدا شوند. از آنجا که سطح پیش آغشته بسیار چسبناک است، لازم است که آنها را با دقت در قالب قرار دهید. بر خلاف یک پارچه خشک در لایه گذاری دستی، شما نمی‌توانید پریپرگ‌ را روی سطح حرکت دهید زیرا به دلیل چسبنده بودن پیش آغشته ممکن است فیلم مایع PVA از روی سطح بلند شود. بهتر است ضخامت نهایی لایه‌هایی که روی هم قرار می‌دهید از حدود نیم سانتیمتر بیشتر نشود.

به دلیل اینکه پیش آغشته ها تا حدودی فرایند پخت آنها پیش رفته است به این معنی است که در B-Stage  قرار دارند، با استفاده از چاقو یا یک قیچی می‌توان آن را برش، چین و شکل دهید. پیش آغشته بسیار راحت روی سطح قرار می‌گیرد و به دلیل چسبندگی زیاد در قالب شما قرار می‌گیرد.

 پس از قرار دادن لایه ها در قالب، باید پیش آغشته فشرده شود تا لایه ها به خوبی به هم بچسبند و هوای محبوس بین لایه ها و رزین اضافی از آن خارج شود. اگرچه مقدار مقدار رزین اضافه در پریپرگ‌ها بسیار کم است اما به این دلیل که با افزایش دما به طور طبیعی رزین رقیقتر می‌شود، رزین اضافه در حین حرارت دادن جریان پیدا کرده و از قطعه خارج می‌شود.

فشرده سازی مورد نیاز را می توان با استفاده از یک دستگاه پرس انجام داد اما اگر قطعه دارای سطح صافی نباشد و دارای منحنی باشد برای وارد آوردن فشار معمولا از فرایند وکیوم بگ استفاده می‌شود.

یکی از فواید مهم استفاده از پیش آغشته داشتن زمان کافی برای انجام مراحل وکیوم و همچنین آماده سازی جهت حرارت دادن است. همچنین مشکل زمان ژل تایم در پیش آغشته‌ها وجود ندارد.  با این حال، هر چه تعداد لایه‌هایی که روی هم چیده می‌شوند بیشتر باشد، به احتمال زیاد هوا در بین لایه ها بیشتر محبوس می‌شود. بنابراین شما باید قبل از گذاشتن چندین لایه پیش آغشته روی هم، از کامل بودن تکنیک وکیوم بگ خود اطمینان حاصل کنید.

یک مزیت بزرگ پیش آغشته این است که پس از پخت و خنک شدن، می‌توان دوباره لایه‌های اضافی را به قطعه اضافه کرد و مجدداً حرارت و فشار را روی قطعه اعمال نمود.

چرخه‌ی پخت پیش آغشته با افزایش دما بصورت شیب‌دار شروع شده و در نهایت با کاهش دما بصورت شیب دار کاهش میابد. تنها تفاوت میان پیش آغشته‌ها در دمای هدف و مدت زمان مورد نیاز برای نگهداری قطعه در آن دما جهت پخت کامل است. همیشه تا رسیدن به دمای هدف با سرعت بیش از ۵ درجه سانتیگراد در دقیقه دما را افزایش دهید سپس هنگام رسیدن به درجه حرارت مورد نظر، این دما را برای پخت کامل قطعه حفظ کنید و سپس قبل از خارج کردن قطعه از آون، با سرعت کمتر از ۵ درجه سانتیگراد در دقیقه دما را کاهش دهید و هنگامی که دما حداقل به حدود ۶۰ درجه سانتیگراد رسید قطعه را خارج کنید.

در جدول زیر دماها و زمان‌های پیشنهادی برای پخت پیش آغشته آورده شده است. البته حتما توجه شود که این دماها حدودی هستند و بسته به نوع پیش آغشته می‌توانند تغییر کنند.

اجازه دهید در این مرحله قطعه در دمای اتاق خنک شود، تجهیزات کیسه‌ای خلا را از روی قطعه برداشته و قطعه را از قالب خارج کنید. در این حالت قطعه شما می‌بایست بطور کامل پخت شده باشد، بنابراین می‌توانید بلافاصله از قطعه ساخته شده استفاده کنید.

در تعیین مقدار زمان و گرمای استفاده شده جهت پخت پیش آغشته چندین ملاحظه وجود دارد. اول اینکه، اگر عجله ندارید، برنامه ریزی کنید تا قطعه در دمای پایینتر و زمان طولانی تری پخت شود. شما می‌توانید قطعه را تا ۲۴ ساعت در حرارت رها کنید در این حالت هیچ آسیبی به قطعه نمی‌رسد. توجه کنید که شما نمی‌توانید پیش آغشته خود را از یک مقدار معینی بیشتر پخت کنید، بنابراین با قراردادن زمان زیادتر در حرارت، پخت بیشتری برای قطعه حاصل نمی‌شود اما اگر زمانی کمتر از زمان مورد نیاز در دما قرار گیرد پخت آن ناقص خواهد شد.

دوم اینکه، هنگام تعیین دما و چرخه پخت، جرم و رسانایی قالب خود را در نظر بگیرید. اگر قالب فلز نازکی باشد (جرم کم و رسانایی بالا) به سرعت گرم می شود و در چرخه پخت اختلال ایجاد نمی‌کند. اما اگر فایبرگلاس ضخیم باشد (جرم زیاد و رسانایی کم)، مدت زمان زیادی طول می‌کشد تا همه قالب گرم شده و هم دما شود. بنابراین در این حالت بهتر است زمان بیشتری را برای حرارت دادن به قطعه در نظر بگیرید.

سوم اینکه، حتما می‌بایست به محدودیت‌های قالب خود از نظر طراحی، نوع مواد و ضخامت واقف باشید. زیرا در صورتی که قالب شما نازک باشد ممکن است با قرار گرفتن در حرارت دچار تغییر شکل شده یا اگر در ساخت آن از مواد ضعیفی استفاده شود در حرارت دچار تخریب شود. اگر قالب شما دارای حداقل ضخامت توصیه شده (حداقل یک پنجم ضخامت قطعه) باشد و به درستی از فایبرگلاس و رزین پلی استر ساخته شده باشد، نباید در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد تخریب شود یا مشکلی برای آن بوجود آید.  با این حال، رنج موادی که می‌توانند به عنوان قالب استفاده شوند زیاد است و این بر عهده سازنده قالب است که تشخیص درست را جهت بهترین عملکرد قالب داشته باشد.

آیا پیش آغشته بی خطر است؟

پارچه های پیش آغشته معمولا سازگار با محیط زیست هستند زیرا بدون حلال هستند. اما در هر صورت اقدامات احتیاطی و ایمنی در حین کار از جمله محافظت از چشم و پوست و همچنین تهویه خوب لازم است که رعایت شوند.

این مقاله در پلی کامپوزیت منتشر شده است. استفاده از این مطلب بدون ذکر منبع پیگرد قانونی دارد.