الألياف الزجاجية

📅 آخر تحديث: ١٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

الألياف الزجاجية ( بالإنجليزية الأمريكية أو الإنجليزية البريطانية ) هي نوع شائع من البلاستيك المقوى بالألياف، وتُصنع باستخدام الألياف الزجاجية . قد تكون الألياف مرتبة عشوائيًا، أو مسطحة على شكل طبقة تُسمى حصيرة الألياف المقطعة، أو منسوجة على شكل قماش زجاجي . قد تكون المادة البلاستيكية الأساسية بوليمرًا حراريًا - غالبًا ما يعتمد على بوليمرات حرارية مثل الإيبوكسي أو راتنج البوليستر أو راتنج فينيل إستر - أو مادة لدن بالحرارة .

أرخص وأكثر مرونة من ألياف الكربون ، وأقوى من العديد من المعادن من حيث الوزن، وغير مغناطيسي ، وغير موصل للكهرباء ، وشفاف للإشعاع الكهرومغناطيسي ، ويمكن تشكيله في أشكال معقدة، وهو خامل كيميائياً في كثير من الظروف. تشمل تطبيقاته الطائرات، والقوارب، والسيارات، وأحواض الاستحمام، وحمامات السباحة ، وأحواض الاستحمام الساخنة ، وخزانات الصرف الصحي ، وخزانات المياه ، والأسقف، والأنابيب، والتكسية، والجبائر العظمية ، وألواح التزلج على الماء ، وألواح الأبواب الخارجية.

من الأسماء الشائعة الأخرى للألياف الزجاجية: البلاستيك المقوى بالزجاج ( GRP ) [ 1 ] ، والبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية ( GFRP ) [ 2 ] ، أو GFK (من الألمانية : Glasfaserverstärkter Kunststoff ). ولأن الألياف الزجاجية نفسها تُسمى أحيانًا "الألياف الزجاجية"، يُطلق على المركب أيضًا اسم البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية ( FRP ). يستخدم هذا المقال مصطلح "الألياف الزجاجية" للإشارة إلى المادة المركبة المقواة بالألياف بالكامل، وليس فقط إلى الألياف الزجاجية الموجودة فيها.

تاريخ

تم إنتاج الألياف الزجاجية لقرون، ولكن أول براءة اختراع مُنحت للمخترع البروسي هيرمان هامسفار (1845-1914) في الولايات المتحدة عام 1880. [ 3 ] [ 4 ]

اكتُشف الإنتاج الضخم لخيوط الزجاج بالصدفة عام 1932 عندما وجّه جيمس سلايتر ، الباحث في شركة أوينز-إلينوي ، تيارًا من الهواء المضغوط نحو تيار من الزجاج المنصهر، مما أنتج أليافًا. وقُدِّم طلب براءة اختراع لهذه الطريقة في إنتاج الصوف الزجاجي لأول مرة عام 1933. [ 5 ] وانضمت أوينز إلى شركة كورنينج عام 1935، وقامت أوينز كورنينج بتكييف الطريقة لإنتاج منتجها الحاصل على براءة اختراع "فايبرجلاس" (Fiberglas) (يُكتب بحرف "s" واحد) عام 1936. في الأصل، كان فايبرجلاس عبارة عن صوف زجاجي بألياف تحبس كمية كبيرة من الغاز، مما يجعله مفيدًا كعازل، خاصة في درجات الحرارة العالية.

طوّرت شركة دوبونت في عام 1936 راتنجًا مناسبًا لدمج الألياف الزجاجية مع البلاستيك لإنتاج مادة مركبة . ويُعدّ راتنج سياناميد ، الذي طُوّر عام 1942 ، السلف الأول لراتنجات البوليستر الحديثة. وكانت أنظمة المعالجة بالبيروكسيد مستخدمة آنذاك. [ 6 ] مع دمج الألياف الزجاجية والراتنج، استُبدل محتوى الغاز في المادة بالبلاستيك. أدى ذلك إلى انخفاض خصائص العزل إلى قيم نموذجية للبلاستيك، ولكن لأول مرة، أظهر المركب قوة كبيرة وإمكانات واعدة كمادة إنشائية وبنائية. استمرّ تسمية العديد من مركبات الألياف الزجاجية بـ"الألياف الزجاجية" (كاسم عام)، كما استُخدم الاسم أيضًا لمنتج الصوف الزجاجي منخفض الكثافة الذي يحتوي على غاز بدلًا من البلاستيك.

يُنسب إلى راي غرين من شركة أوينز كورنينج الفضل في إنتاج أول قارب مركب عام 1937، لكنه لم يتابع تطويره آنذاك بسبب هشاشة البلاستيك المستخدم. وفي عام 1939، أفادت التقارير أن الاتحاد السوفيتي صنع قارب ركاب من مواد بلاستيكية، بينما صنعت الولايات المتحدة هيكل وأجنحة طائرة. [ 7 ] أما أول سيارة بهيكل من الألياف الزجاجية فكانت نموذجًا أوليًا لسيارة ستاوت سكاراب عام 1946 ، لكن هذا الطراز لم يدخل حيز الإنتاج. [ 8 ]

الفيبر

يتم توفير مواد تقوية الزجاج المستخدمة في الألياف الزجاجية بأشكال فيزيائية مختلفة: كريات مجهرية، أو قماش زجاجي مقطع أو منسوج .

على عكس الألياف الزجاجية المستخدمة في العزل، يجب أن تكون أسطح الألياف الهيكلية القوية خالية تمامًا تقريبًا من العيوب للوصول إلى قوة شد تصل إلى جيجاباسكال . إذا كانت قطعة الزجاج خالية من العيوب، فستكون بنفس قوة الألياف الزجاجية؛ ومع ذلك، من غير العملي عمومًا إنتاج مادة صلبة والحفاظ عليها خالية من العيوب خارج ظروف المختبر. [ 9 ]

إنتاج

تُسمى عملية تصنيع الألياف الزجاجية بالسحب . وتستخدم هذه العملية ، المُخصصة لتصنيع ألياف زجاجية مُلائمة للتقوية، أفرانًا كبيرة لصهر رمل السيليكا والحجر الجيري والكاولين والفلورسبار والكوليمانيت والدولوميت ومعادن أخرى تدريجيًا حتى تتكون مادة سائلة . ثم تُسحب هذه المادة عبر مغازل ( أنابيب سحب )، وهي عبارة عن حزم من فتحات صغيرة جدًا (يتراوح قطرها عادةً بين 5 و25 ميكرومترًا للزجاج من النوع E، و9 ميكرومترات للزجاج من النوع S). [ 10 ]  

تُغطى هذه الخيوط بعد ذلك بمحلول كيميائي لتحديد حجمها. ثم تُجمع الخيوط الفردية في حزم كبيرة لتكوين خيط مجدول . ويُحدد قطر الخيوط وعددها في الخيط المجدول وزنه ، والذي يُعبر عنه عادةً بأحد نظامي قياس:

  • الإنتاجية ، أو عدد الياردات لكل رطل (عدد ياردات الألياف في رطل واحد من المادة؛ وبالتالي، يشير الرقم الأصغر إلى خيط أثقل). ومن أمثلة الإنتاجية القياسية: 225، 450، 675.
  • التكس ، أو غرام لكل كيلومتر (وزن  كيلومتر واحد من الخيوط، وهو معكوس من الإنتاجية؛ وبالتالي، يشير الرقم الأصغر إلى خيوط أخف وزنًا). من أمثلة التكس القياسي: 750 تكس، 1100 تكس، 2200 تكس.

ثم يتم استخدام هذه الخيوط إما مباشرة في تطبيق مركب مثل السحب ، ولف الخيوط (الأنابيب)، وغزل المسدس (حيث يقوم مسدس آلي بتقطيع الزجاج إلى أطوال قصيرة وإسقاطه في تيار من الراتنج، يتم إسقاطه على سطح القالب)، أو في خطوة وسيطة، لتصنيع الأقمشة مثل حصيرة الخيوط المقطعة (CSM) (المصنوعة من أطوال صغيرة مقطوعة عشوائيًا من الألياف وكلها ملتصقة ببعضها البعض)، والأقمشة المنسوجة، والأقمشة المحبوكة أو الأقمشة أحادية الاتجاه.

حصيرة من الألياف المقطعة

تُعدّ حصيرة الألياف الزجاجية المقطعة (CSM) نوعًا من أنواع التقوية المستخدمة في صناعة الألياف الزجاجية. تتكون هذه الحصيرة من ألياف زجاجية موضوعة بشكل عشوائي فوق بعضها البعض ومثبتة معًا بواسطة مادة رابطة. تتم معالجتها عادةً باستخدام تقنية التشكيل اليدوي، حيث توضع صفائح من المادة على قالب وتُدهن بالراتنج. ولأن المادة الرابطة تذوب في الراتنج، فإن المادة تتكيف بسهولة مع الأشكال المختلفة عند ترطيبها. بعد تصلب الراتنج، يمكن إخراج المنتج المتصلب من القالب وتشطيبه. يمنح استخدام حصيرة الألياف الزجاجية المقطعة الألياف الزجاجية خصائص متجانسة في المستوى.

المقاسات

تُطبَّق طبقة طلاء أو أساس على الخيوط الزجاجية لحماية هذه الخيوط أثناء المعالجة والتشكيل، ولضمان التصاقها الجيد بمصفوفة الراتنج، مما يسمح بنقل أحمال القص من الألياف الزجاجية إلى البلاستيك المتصلد حرارياً. وبدون هذا الالتصاق، قد تنزلق الألياف داخل المصفوفة مسببةً فشلاً موضعياً. [ 11 ]

ملكيات

تتميز ألياف الزجاج الهيكلية الفردية بالصلابة والقوة في الشد والضغط ، أي على طول محورها. ورغم أنه قد يُفترض أن الألياف ضعيفة في الضغط، إلا أن نسبة الطول إلى القطر هي ما يُوحي بذلك ؛ أي أن الألياف النموذجية طويلة وضيقة، مما يجعلها تنثني بسهولة. [ 9 ] من ناحية أخرى، تكون ألياف الزجاج ضعيفة في القص، أي عبر محورها. لذلك، إذا أمكن ترتيب مجموعة من الألياف بشكل دائم في اتجاه مُفضل داخل المادة، وإذا أمكن منعها من الانثناء تحت الضغط، فإن المادة ستكون قوية بشكل خاص في ذلك الاتجاه.

علاوة على ذلك، من خلال وضع طبقات متعددة من الألياف فوق بعضها البعض، مع توجيه كل طبقة في اتجاهات محددة، يمكن التحكم بكفاءة في الصلابة والقوة الكلية للمادة. في الألياف الزجاجية، تُقيّد المصفوفة البلاستيكية ألياف الزجاج الهيكلية بشكل دائم في الاتجاهات التي يختارها المصمم. في حالة حصيرة الألياف المقطعة، يكون هذا التوجيه في الأساس مستوى ثنائي الأبعاد كامل؛ أما في حالة الأقمشة المنسوجة أو الطبقات أحادية الاتجاه، فيمكن التحكم بدقة أكبر في توجيه الصلابة والقوة ضمن هذا المستوى.

يتكون المكون المصنوع من الألياف الزجاجية عادةً من هيكل رقيق يشبه الغلاف، ويُملأ أحيانًا من الداخل برغوة هيكلية، كما هو الحال في ألواح التزلج على الماء. وقد يكون للمكون شكل شبه عشوائي، لا يحده سوى تعقيد ودقة القالب المستخدم في تصنيع الغلاف.

تعتمد الخصائص الميكانيكية للمواد بشكل كبير على الأداء المشترك لكل من الراتنج (المعروف أيضًا باسم المادة الأساسية) والألياف. فعلى سبيل المثال، في ظروف درجات الحرارة المرتفعة (أكثر من 180  درجة مئوية)، قد يفقد مكون الراتنج في المركب وظيفته، ويعود ذلك جزئيًا إلى تدهور الروابط بين الراتنج والألياف. [ 12 ] ومع ذلك، يمكن أن تُظهر المواد المركبة من الألياف الزجاجية المقواة بالبوليمر (GFRPs) قوة متبقية كبيرة حتى بعد تعرضها لدرجات حرارة عالية (200  درجة مئوية). [ 13 ]

من أبرز خصائص الألياف الزجاجية أن الراتنجات المستخدمة فيها قابلة للانكماش أثناء عملية التصلب . بالنسبة للبوليستر، يتراوح هذا الانكماش عادةً بين 5 و6%، أما بالنسبة للإيبوكسي، فيبلغ حوالي 2%. ولأن الألياف لا تنكمش، فإن هذا التفاوت قد يُحدث تغييرات في شكل القطعة أثناء التصلب. وقد تظهر التشوهات بعد ساعات أو أيام أو أسابيع من تصلب الراتنج. ورغم إمكانية تقليل هذا التشوه باستخدام الألياف بشكل متناظر في التصميم، إلا أن ذلك يُولّد قدراً من الإجهاد الداخلي، وإذا ما ازداد هذا الإجهاد، تتشكل الشقوق.

الأنواع

أكثر أنواع الألياف الزجاجية شيوعًا في صناعة الألياف الزجاجية هي زجاج E ، وهو زجاج ألومينو-بوروسيليكات يحتوي على أقل من 1% من أكاسيد القلويات، ويُستخدم بشكل أساسي في البلاستيك المقوى بالزجاج. وتشمل الأنواع الأخرى المستخدمة: زجاج A ( زجاج قلوي -جيري يحتوي على القليل من أكسيد البورون أو لا يحتوي عليه إطلاقًا)، وزجاج E-CR (زجاج ألومينو - بوروسيليكات مقاوم للكهرباء والكيمياء ، يحتوي على أقل من 1% من أكاسيد القلويات، ويتميز بمقاومة عالية للأحماض)، وزجاج C (زجاج قلوي-جيري ذو محتوى عالٍ من أكسيد البورون، ويُستخدم في الألياف الزجاجية الأساسية والعزل)، وزجاج D (زجاج بوروسيليكات، سُمي بهذا الاسم لانخفاض ثابت العزل الكهربائي فيه ) ، وزجاج R (زجاج ألومينو-سيليكات خالٍ من أكسيد المغنيسيوم وأكسيد الكالسيوم، ويتميز بمتطلبات ميكانيكية عالية كعامل تقوية )، وزجاج S (زجاج ألومينو-سيليكات خالٍ من أكسيد الكالسيوم ولكنه يحتوي على نسبة عالية من أكسيد المغنيسيوم، ويتميز بقوة شد عالية). [ 14 ]

يمكن استخدام السيليكا النقية (ثاني أكسيد السيليكون)، عند تبريدها على شكل كوارتز منصهر لتتحول إلى زجاج بدون نقطة انصهار حقيقية، كألياف زجاجية لصناعة الألياف الزجاجية، ولكن يعيبها ضرورة تشكيلها في درجات حرارة عالية جدًا. ولخفض درجة حرارة التشغيل اللازمة، تُضاف مواد أخرى كعوامل صهر (أي مكونات لخفض نقطة الانصهار). كان الزجاج العادي من النوع A (اختصارًا لـ "القلوي الجيري") أو زجاج الصودا والجير، بعد طحنه وتجهيزه لإعادة الصهر، ويُعرف باسم زجاج الكسر ، أول نوع من الزجاج يُستخدم في صناعة الألياف الزجاجية. أما الزجاج من النوع E (اختصارًا لـ "الكهربائي")، فهو خالٍ من القلويات، وكان أول تركيبة زجاجية تُستخدم لتشكيل الخيوط المتواصلة. ويُشكل الآن معظم إنتاج الألياف الزجاجية في العالم، كما أنه أكبر مستهلك منفرد لمعادن البورون عالميًا. وهو عرضة لهجوم أيونات الكلوريد، ما يجعله خيارًا غير مناسب للتطبيقات البحرية. يُستخدم زجاج S (حيث يشير حرف S إلى "صلابة") عندما تكون قوة الشد (معامل المرونة العالي) مهمة، ولذلك يُعدّ مركبًا إيبوكسيًا هامًا في البناء وصناعة الطائرات (يُسمى زجاج R، حيث يشير حرف R إلى "التقوية" في أوروبا). أما زجاج C (حيث يشير حرف C إلى "مقاومة المواد الكيميائية") وزجاج T (حيث يشير حرف T إلى "العزل الحراري" - وهو نوع مُعدّل من زجاج C في أمريكا الشمالية) فهما مقاومان للهجوم الكيميائي؛ وكلاهما يُستخدم غالبًا في أنواع العزل المصنوعة من الألياف الزجاجية المنفوخة. [ 15 ]

جدول يوضح بعض أنواع الألياف الزجاجية الشائعة

مادةالكثافة النوعيةقوة الشد ميجا باسكال (كيلو باسكال)قوة الضغط ميجا باسكال (كيلو باسكال)
راتنج البوليستر (غير مقوى) [ 16 ]1.2855 (7.98)140 (20.3)
البوليستر وصفائح الألياف المقطعة 30% زجاج إلكتروني [ 16 ]1.4100 (14.5)150 (21.8)
البوليستر والألياف المنسوجة المصفحة 45% زجاج إلكتروني [ 16 ]1.6250 (36.3)150 (21.8)
البوليستر وقماش الساتان المنسوج 55% زجاج إلكتروني [ 16 ]1.7300 (43.5)250 (36.3)
البوليستر والألياف المتواصلة المصفحة 70% من الألياف الزجاجية الإلكترونية [ 16 ]1.9800 (116)350 (50.8)
مركب الإيبوكسي الزجاجي الإلكتروني [ 17 ]1.991770 (257)
مركب الإيبوكسي الزجاجي S [ 17 ]1.952358 (342)

التطبيقات

جهاز تبريد مصنوع من الألياف الزجاجية

تتميز الألياف الزجاجية بتعدد استخداماتها لأنها خفيفة الوزن، وقوية، ومقاومة للعوامل الجوية، ويمكن أن يكون لها مجموعة متنوعة من ملمس السطح. [ 18 ]

خلال الحرب العالمية الثانية، طُوِّرَت الألياف الزجاجية كبديل للخشب الرقائقي المصبوب المستخدم في أغطية الرادار للطائرات (نظرًا لشفافية الألياف الزجاجية للموجات الدقيقة ). وكان أول استخدام مدني رئيسي لها في بناء القوارب وهياكل السيارات الرياضية، حيث لاقت رواجًا في خمسينيات القرن الماضي. وتوسع استخدامها ليشمل قطاعي السيارات والمعدات الرياضية. وفي إنتاج بعض المنتجات، كالطائرات، تُستخدم ألياف الكربون الآن بدلًا من الألياف الزجاجية، نظرًا لقوتها الأكبر من حيث الحجم والوزن.

تعمل تقنيات التصنيع المتقدمة مثل المواد المشبعة مسبقًا وألياف النسيج على توسيع نطاق استخدامات الألياف الزجاجية وقوة الشد الممكنة مع البلاستيك المقوى بالألياف.

يُستخدم الألياف الزجاجية أيضًا في صناعة الاتصالات لتغطية الهوائيات ، نظرًا لنفاذيتها العالية للترددات اللاسلكية وانخفاض فقدان الإشارة . كما يُمكن استخدامها لإخفاء معدات أخرى لا تتطلب نفاذية للإشارة، مثل خزائن المعدات وهياكل الدعم الفولاذية ، نظرًا لسهولة تشكيلها وطلائها لتندمج مع الهياكل والأسطح الموجودة. تشمل الاستخدامات الأخرى العوازل الكهربائية على شكل صفائح والمكونات الهيكلية الشائعة في منتجات صناعة الطاقة. وبسبب خفة وزن الألياف الزجاجية ومتانتها، تُستخدم غالبًا في معدات الحماية مثل الخوذات. وتستخدم العديد من الرياضات معدات حماية مصنوعة من الألياف الزجاجية، مثل أقنعة حراس المرمى وحراس المرمى. [ 19 ]

خزانات التخزين

عدة خزانات كبيرة من الألياف الزجاجية في أحد المطارات

يمكن تصنيع خزانات التخزين من الألياف الزجاجية بسعات تصل إلى حوالي 300 طن . أما الخزانات الأصغر حجماً، فيمكن تصنيعها باستخدام حصيرة من الألياف المقطعة تُصب فوق خزان داخلي من البلاستيك الحراري، والذي يعمل كقالب أولي أثناء عملية التصنيع. وتُصنع خزانات أكثر موثوقية باستخدام حصيرة منسوجة أو ألياف ملفوفة، مع توجيه الألياف بزاوية قائمة على الإجهاد المحيطي الواقع على الجدار الجانبي بفعل المحتويات. تُستخدم هذه الخزانات عادةً لتخزين المواد الكيميائية لأن البطانة البلاستيكية (غالباً من البولي بروبيلين ) مقاومة لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية المسببة للتآكل. كما تُستخدم الألياف الزجاجية أيضاً في خزانات الصرف الصحي .

بناء المنازل

منزل ذو قبة من الألياف الزجاجية في ديفيس، كاليفورنيا

تُستخدم المواد البلاستيكية المقواة بالألياف الزجاجية أيضًا في إنتاج مكونات بناء المنازل، مثل صفائح التسقيف، وإطارات الأبواب، ومظلات الأبواب، ومظلات النوافذ، والنوافذ العلوية، والمداخن، وأنظمة التغطية ، والعتبات ذات الأحجار الرئيسية والعتبات. يُتيح وزن هذه المادة الخفيف وسهولة التعامل معها، مقارنةً بالخشب أو المعدن، تركيبًا أسرع. ويمكن استخدام ألواح الألياف الزجاجية ذات مظهر الطوب، المُنتجة بكميات كبيرة، في بناء المساكن المركبة، ويمكن أن تحتوي على عازل حراري لتقليل فقدان الحرارة.

أنظمة الرفع الاصطناعي للنفط والغاز

في تطبيقات الضخ بالقضبان ، تُستخدم قضبان الألياف الزجاجية غالبًا نظرًا لنسبة قوة الشد العالية إلى الوزن. توفر قضبان الألياف الزجاجية ميزة على قضبان الصلب لأنها تتمدد بمرونة أكبر ( معامل يونغ أقل ) من الصلب لنفس الوزن، مما يعني إمكانية رفع كمية أكبر من النفط من خزان الهيدروكربون إلى السطح مع كل شوط، مع تقليل الحمل على وحدة الضخ.

مع ذلك، يجب الحفاظ على قضبان الألياف الزجاجية مشدودة، لأنها غالباً ما تنفصل عند تعرضها حتى لضغط طفيف. وتزيد خاصية الطفو للقضبان داخل السائل من هذه الخاصية.

الأنابيب

يمكن استخدام أنابيب GRP و GRE في مجموعة متنوعة من الأنظمة فوق وتحت الأرض، بما في ذلك تلك الخاصة بتحلية المياه، ومعالجة المياه، وشبكات توزيع المياه، ومصانع العمليات الكيميائية، والمياه المستخدمة في مكافحة الحرائق، ومياه الشرب الساخنة والباردة، ومياه الصرف الصحي، والنفايات البلدية، وغاز البترول المسال .

ركوب القوارب

قوارب الكاياك المصنوعة من الألياف الزجاجية

بدأ تصنيع القوارب المركبة من الألياف الزجاجية منذ أوائل أربعينيات القرن العشرين، [ 20 ] وقد بُنيت العديد من السفن الشراعية التي صُنعت بعد عام 1950 باستخدام عملية تشكيل الألياف الزجاجية . وحتى عام 2022، استمر تصنيع القوارب باستخدام الألياف الزجاجية، على الرغم من استخدام تقنيات أكثر تطوراً مثل قولبة الأكياس المفرغة من الهواء في عملية البناء. [ 21 ]

درع

على الرغم من أن معظم الدروع المقاومة للرصاص تُصنع باستخدام أقمشة مختلفة، فقد ثبت أن مركبات الألياف الزجاجية فعالة كدروع باليستية. [ 22 ]

أساليب البناء

لف الخيوط

تُعدّ تقنية لفّ الخيوط تقنية تصنيع تُستخدم بشكل أساسي في إنتاج الهياكل المفتوحة (الأسطوانات) أو المغلقة (أوعية الضغط أو الخزانات). تتضمن هذه العملية لفّ الخيوط تحت ضغط حول مغزل ذكري. يدور المغزل بينما تتحرك حلقة لفّ مثبتة على عربة أفقياً، لتضع الألياف وفق النمط المطلوب. تُصنع الخيوط الأكثر شيوعاً من ألياف الكربون أو الزجاج، وتُغطى براتنج صناعي أثناء لفّها. بمجرد تغطية المغزل بالكامل بالسماكة المطلوبة، يُصلّب الراتنج؛ وغالباً ما يُوضع المغزل في فرن لتحقيق ذلك، مع أنه في بعض الأحيان تُستخدم سخانات إشعاعية مع استمرار دوران المغزل داخل الآلة. بعد تصلّب الراتنج، يُزال المغزل، تاركاً المنتج النهائي مجوّفاً. بالنسبة لبعض المنتجات، مثل أسطوانات الغاز، يُعدّ المغزل جزءاً دائماً من المنتج النهائي، حيث يُشكّل بطانة لمنع تسرب الغاز أو حاجزاً لحماية المادة المركبة من السائل المراد تخزينه.

يُعدّ لفّ الخيوط مناسبًا جدًا للأتمتة، وله تطبيقات عديدة، مثل الأنابيب وأوعية الضغط الصغيرة التي تُلفّ وتُعالج دون أي تدخل بشري. وتشمل المتغيرات المُتحكّم بها في عملية اللفّ: نوع الألياف، ومحتوى الراتنج، وزاوية اللف، وعرض الحزمة، وسُمك حزمة الألياف. وتؤثر زاوية لفّ الألياف على خصائص المنتج النهائي. فاللفّ بزاوية عالية يُوفّر مقاومة محيطية أو مقاومة انفجار، بينما تُوفّر أنماط اللفّ بزاوية منخفضة (قطبية أو حلزونية) مقاومة شدّ طولية أكبر.

تتراوح المنتجات التي يتم إنتاجها حاليًا باستخدام هذه التقنية من الأنابيب، ومضارب الجولف، وهياكل أغشية التناضح العكسي، والمجاديف، وشوكات الدراجات، وحواف الدراجات، وأعمدة الطاقة والنقل، وأوعية الضغط، إلى أغلفة الصواريخ، وهياكل الطائرات، وأعمدة الإنارة، وصواري اليخوت.

عملية التشكيل اليدوي للألياف الزجاجية

يُستخدم عامل فصل، عادةً ما يكون شمعيًا أو سائلًا، على القالب المُختار لتسهيل إخراج المنتج النهائي منه بسلاسة. يُخلط الراتنج - وهو عادةً راتنج حراري ثنائي المكونات من البوليستر أو الفينيل أو الإيبوكسي - مع مُصلِّبه ويُطبَّق على السطح. تُوضع صفائح من حصائر الألياف الزجاجية داخل القالب، ثم يُضاف المزيد من خليط الراتنج باستخدام فرشاة أو أسطوانة. يجب أن يتطابق شكل المادة مع القالب، ويجب عدم وجود هواء محصور بين الألياف الزجاجية والقالب. يُضاف المزيد من الراتنج، وربما المزيد من صفائح الألياف الزجاجية. يُستخدم الضغط اليدوي أو الشفط أو الأسطوانات للتأكد من تشبُّع الراتنج وترطيب جميع الطبقات بالكامل، وإزالة أي جيوب هوائية. يجب إنجاز العمل بسرعة قبل أن يبدأ الراتنج بالتصلب، إلا إذا استُخدمت راتنجات عالية الحرارة، والتي لن تتصلب إلا بعد تسخين القطعة في فرن. [ 23 ] في بعض الحالات، يُغطَّى العمل بألواح بلاستيكية، ويُسحب منه هواء لإزالة فقاعات الهواء وضغط الألياف الزجاجية لتأخذ شكل القالب. [ 24 ]

عملية وضع الألياف الزجاجية بالرش

تتشابه عملية التشكيل بالرش للألياف الزجاجية مع عملية التشكيل اليدوي، لكنها تختلف في طريقة تطبيق الألياف والراتنج على القالب. التشكيل بالرش هو عملية تصنيع مواد مركبة باستخدام قوالب مفتوحة، حيث يُرش الراتنج والمواد المقوية على القالب. يمكن تطبيق الراتنج والزجاج بشكل منفصل أو متزامن، حيث يُرشان معًا في تيار واحد باستخدام مسدس رش. [ 25 ] يقوم العمال بفرد طبقة الرش لضغط الرقائق. بعد ذلك، يمكن إضافة الخشب أو الرغوة أو أي مادة أساسية أخرى، وتُطبق طبقة رش ثانوية لتثبيت المادة الأساسية بين الرقائق. ثم تُعالج القطعة وتُبرد وتُزال من القالب القابل لإعادة الاستخدام.

عملية السحب

رسم تخطيطي لعملية السحب

البثق بالسحب هو أسلوب تصنيع يُستخدم لإنتاج مواد مركبة قوية وخفيفة الوزن. في هذه العملية، تُسحب المادة عبر آلات التشكيل باستخدام إما طريقة يدوية أو طريقة البكرات المستمرة (على عكس البثق التقليدي ، حيث تُدفع المادة عبر قوالب). في بثق الألياف الزجاجية بالسحب، تُسحب الألياف (مادة الزجاج) من بكرات عبر جهاز يُغطيها بالراتنج. ثم تُعالج حراريًا وتُقطع إلى الطول المطلوب. يمكن إنتاج الألياف الزجاجية بهذه الطريقة بأشكال ومقاطع عرضية متنوعة، مثل المقطع العرضي على شكل حرف W أو S.

المخاطر الصحية

التعرض

قد يتعرض الأفراد للألياف الزجاجية في مكان العمل أثناء تصنيعها أو تركيبها أو إزالتها، عن طريق استنشاقها أو ملامستها للجلد أو العينين. علاوة على ذلك، تُطلق أبخرة الستايرين أثناء معالجة الراتنجات في عملية تصنيع الألياف الزجاجية، وهي تُسبب تهيجًا للأغشية المخاطية والجهاز التنفسي. [ 26 ] كما قد يتعرض عامة الناس للألياف الزجاجية من مواد العزل والبناء، أو من الألياف الموجودة في الهواء بالقرب من المنشآت الصناعية، أو عند وجودهم بالقرب من حرائق المباني أو عمليات التفجير . [ 27 ] : 8 وتنصح جمعية الرئة الأمريكية بعدم ترك عزل الألياف الزجاجية مكشوفًا في أي منطقة مأهولة. ونظرًا لعدم اتباع ممارسات العمل دائمًا، ولأن الألياف الزجاجية غالبًا ما تُترك مكشوفة في الأقبية التي تُسكن لاحقًا، فقد يتعرض الأفراد لها. [ 28 ] ولا توجد مؤشرات بيولوجية أو سريرية سهلة الاستخدام لقياس التعرض. [ 27 ] : 8

الأعراض والعلامات، والآثار الصحية

تُسبب الألياف الزجاجية تهيجًا للعينين والجلد والجهاز التنفسي. ولذلك، قد تشمل الأعراض حكة في العينين والجلد والأنف، والتهاب الحلق، وبحة الصوت، وضيق التنفس ، والسعال. [ 29 ] لوحظ أعلى معدل ترسب في الحويصلات الهوائية لدى القوارض والبشر عند استخدام ألياف بقطر يتراوح بين 1 و2 ميكرومتر. [ 27 ] : 13 في التجارب على الحيوانات، ظهرت آثار ضارة على الرئة مثل التهاب الرئة وتليفها ، [ 27 ] : 14 كما لوحظ ازدياد في حالات الإصابة بورم المتوسطة ، وساركوما الجنبة ، وسرطان الرئة مع التقطير داخل الجنبة أو داخل الرغامى لدى الفئران. [ 27 ] : 12

اعتبارًا من عام 2001، لم تُصنَّف سوى المواد الأكثر ثباتًا بيولوجيًا، مثل الألياف الخزفية المستخدمة صناعيًا كعازل في بيئات ذات درجات حرارة عالية كالأفران العالية ، وبعض أنواع الصوف الزجاجي المُخصصة لأغراض خاصة وغير المستخدمة كمواد عازلة، ضمن المواد المُحتملة التسبب بالسرطان لدى البشر ( المجموعة 2B من الوكالة الدولية لأبحاث السرطان ). أما أنواع الصوف الزجاجي الأكثر شيوعًا، بما في ذلك الصوف الزجاجي العازل والصوف الصخري وصوف الخبث، فتُعتبر غير قابلة للتصنيف من حيث قدرتها على التسبب بالسرطان لدى البشر ( المجموعة 3 من الوكالة الدولية لأبحاث السرطان ). [ 30 ] وفي أكتوبر 2001، أعادت الوكالة الدولية لأبحاث السرطان تصنيف جميع أنواع الصوف الزجاجي الشائعة الاستخدام في العزل الحراري والصوتي، لتُصبح "غير قابلة للتصنيف من حيث قدرتها على التسبب بالسرطان لدى البشر" ( المجموعة 3 من الوكالة الدولية لأبحاث السرطان ). لم تُظهر الدراسات الوبائية المنشورة خلال الخمسة عشر عامًا التي تلت مراجعة الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) السابقة لهذه الألياف عام ١٩٨٨ أي دليل على زيادة مخاطر الإصابة بسرطان الرئة أو ورم المتوسطة (سرطان بطانة تجاويف الجسم) نتيجة التعرض المهني أثناء تصنيع هذه المواد، كما لم تُظهر أدلة كافية بشكل عام على وجود أي خطر للإصابة بالسرطان. [ ٣٠ ] في يونيو ٢٠١١، أزال البرنامج الوطني الأمريكي لعلم السموم (NTP) من تقريره عن المواد المسرطنة جميع أنواع الصوف الزجاجي القابل للذوبان بيولوجيًا المستخدم في عزل المنازل والمباني وفي المنتجات غير العازلة. [ ٣١ ] ومع ذلك، لا يزال البرنامج الوطني لعلم السموم يعتبر غبار الألياف الزجاجية "مادة يُتوقع بشكل معقول أن تكون مادة مسرطنة للإنسان (بعض ألياف الصوف الزجاجي (قابلة للاستنشاق))". [ 29 ] وبالمثل، نشر مكتب تقييم مخاطر الصحة البيئية في كاليفورنيا (OEHHA) تعديلًا في نوفمبر 2011 على قائمة اقتراح 65 ليقتصر على "ألياف الصوف الزجاجي (القابلة للاستنشاق والمستمرة بيولوجيًا)". [ 32 ] لذلك، لم يعد مطلوبًا وضع ملصق تحذير من السرطان على مواد عزل المنازل والمباني المصنوعة من الألياف الزجاجية القابلة للذوبان بيولوجيًا بموجب القانون الفيدرالي أو قانون ولاية كاليفورنيا. اعتبارًا من عام 2012، ذكرت رابطة مصنعي العزل في أمريكا الشمالية أن الألياف الزجاجية آمنة للتصنيع والتركيب والاستخدام عند اتباع ممارسات العمل الموصى بها للحد من التهيج الميكانيكي المؤقت. [ 33 ]

اعتبارًا من عام 2012، صنّف الاتحاد الأوروبي وألمانيا ألياف الزجاج الاصطناعية على أنها مواد مسرطنة محتملة أو مرجحة، ولكن يمكن استثناء الألياف من هذا التصنيف إذا اجتازت اختبارات محددة. [ 30 ] وذكر تقرير مراجعة المخاطر الصحية لعام 2012 الصادر عن المفوضية الأوروبية أن استنشاق ألياف الزجاج بتركيزات 3 و16 و30  ملغم/م3 "لم يُسبب تليفًا أو أورامًا باستثناء التهاب رئوي عابر يزول بعد فترة تعافي من التعرض". [ 34 ] أجرت كليات الطب والصحة العامة بجامعة هارفارد مراجعات تاريخية لدراسات علم الأوبئة في عام 1995، [ 35 ] والأكاديمية الوطنية للعلوم في عام 2000، [ 36 ] ووكالة تسجيل المواد السامة والأمراض ("ATSDR") في عام 2004، [ 37 ] والبرنامج الوطني لعلم السموم في عام 2011. [ 38 ] والتي توصلت إلى نفس استنتاج الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) بأنه لا يوجد دليل على زيادة المخاطر من التعرض المهني لألياف الصوف الزجاجي.

الفيزيولوجيا المرضية

تُمارس التأثيرات الجينية والسامة من خلال إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية ، التي تُلحق الضرر بالحمض النووي، وتُسبب انحرافات كروموسومية ، وتشوهات نووية، وطفرات، وتضخيم الجينات في الجينات الأولية المسرطنة ، وتحول الخلايا في خلايا الثدييات. كما توجد سمية جينية غير مباشرة ناتجة عن الالتهاب من خلال أنواع الأكسجين التفاعلية التي تُنتجها الخلايا الالتهابية . وكلما كانت الألياف أطول وأرق وأكثر متانة (مستدامة بيولوجيًا)، زادت قدرتها على إحداث الضرر. [ 27 ] : 14

التنظيم، حدود التعرض

في الولايات المتحدة، تخضع انبعاثات الألياف المعدنية الدقيقة لتنظيم وكالة حماية البيئة (EPA )، بينما تخضع الألياف القابلة للاستنشاق ("الجسيمات غير الخاضعة لتنظيمات أخرى") لتنظيم إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA). وقد حددت إدارة السلامة والصحة المهنية الحد القانوني ( الحد المسموح به للتعرض ) للألياف الزجاجية في مكان العمل بـ 15  ملغم/م³ إجمالاً ، و5  ملغم/م³ للتعرض التنفسي خلال يوم عمل مدته 8 ساعات. وحدد المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) حدًا موصى به للتعرض (REL) يبلغ 3 ألياف/سم³ (قطرها أقل من 3.5 ميكرومتر وطولها أكبر من 10 ميكرومتر) كمتوسط ​​مرجح زمنيًا خلال يوم عمل مدته 8 ساعات، وحدًا إجماليًا قدره 5  ملغم/م³ . [ 39 ]

اعتبارًا من عام 2001، ينص قانون المواد الخطرة في ألمانيا على حد أقصى للتعرض المهني يبلغ 86  ملغم/م³ . قد يتشكل خليط قابل للانفجار عند تركيزات معينة. كما أن عمليات تصنيع مكونات الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك (الطحن، والقطع، والنشر) تُنتج غبارًا ناعمًا ورقائق تحتوي على خيوط زجاجية، بالإضافة إلى غبار لزج، بكميات كافية للتأثير على الصحة وكفاءة الآلات والمعدات. لذا، يلزم تركيب معدات فعالة للاستخلاص والترشيح لضمان السلامة والكفاءة. [ 26 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ماير، راينر م. (1993). التصميم باستخدام البلاستيك المقوى . سبرينغر. ص  7. ISBN 978-0-85072-294-9.
  2. ↑ ناوي، إدوارد ج. (2001). أساسيات الخرسانة عالية الأداء ( الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده. ص 310. ISBN   978-0-471-38555-4.
  3. ↑ ميتشل، ستيف (نوفمبر 1999). "ميلاد قوارب الألياف الزجاجية". القارب القديم الجيد.
  4. ↑ "مدخل براءة الاختراع الأمريكية رقم 232122 أ (14 سبتمبر 1880)". منشورات براءات الاختراع الأمريكية. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 أكتوبر 2013.
  5. ↑ سلايتر، جيمز (11 نوفمبر 1933). "طريقة وجهاز لصنع الصوف الزجاجي". براءة اختراع أمريكية رقم 2,133,235 .
  6. ↑ مارش، جورج (8 أكتوبر 2006). "50 عامًا من القوارب البلاستيكية المقواة" . reinforcedplastics . Elsevier Ltd. مؤرشف من الأصل في 15 مارس 2014. تم الاسترجاع في 2 فبراير 2015 .
  7. ↑ "تقدم ملحوظ - استخدام البلاستيك"، صحيفة إيفنينج بوست ، ويلينغتون، نيوزيلندا، المجلد 128، العدد 31، 5 أغسطس 1939، ص 28
  8. ↑ هوبارت، تسمانيا (27 مايو 1946). "سيارة المستقبل المصنوعة من البلاستيك". صحيفة ميركوري . ص 16. 
  9. 1 2 غوردون، جيه إي (1991). العلم الجديد للمواد القوية: أو لماذا لا تسقط عبر الأرضية . دار بنجوين للنشر المحدودة. ISBN 978-0-14-192770-1.
  10. ↑ بهاتناغار، أشوك (19 أبريل 2016). المواد المركبة الباليستية خفيفة الوزن: تطبيقات عسكرية وتطبيقات إنفاذ القانون . دار وودهيد للنشر . رقم ISBN 9780081004258.
  11. ↑ ريس جيبسون (26 أبريل 2017). "الأساسيات: إصلاح الألياف الزجاجية وضمان الترابط" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أبريل 2017 .
  12. ↑ بنك، لورانس سي. (2006). المواد المركبة للبناء: التصميم الإنشائي باستخدام مواد البوليمر المقوى بالألياف . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-68126-7.
  13. ↑ روسو، سالفاتوري؛ غاديمي، بهزاد؛ لوانيا، كريشنا؛ روزانو، ميشيل (ديسمبر 2015). "اختبار قوة التحمل المتبقية في مادة البوليمر المقوى بالألياف المسحوبة تحت تأثير دورات وقيم حرارية متنوعة". هياكل مركبة . 133 : 458-475 . doi : 10.1016/j.compstruct.2015.07.034 .
  14. ^ فيتزر، إريك. كلاينهولز، رودولف. تيسلر، هارتموت؛ وآخرون . (15 أبريل 2008). “الألياف، 5. الاصطناعية غير العضوية”. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . المجلد. 2. فاينهايم، ألمانيا: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. دوى : 10.1002/14356007.a11_001.pub2 . رقم ISBN   978-3527306732.
  15. ↑ سافاج، سام (15 نوفمبر 2010). "الألياف الزجاجية" . redOrbit.com.
  16. 1 2 3 4 5 "دليل البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية" . شركة إيست كوست لتوريد الألياف الزجاجية.
  17. 1 2 "خصائص الأنابيب" . متجر أنابيب ألياف الكربون.
  18. ↑ "الألياف الزجاجية - أنواعها وخصائصها وتطبيقاتها | منتجات فيلبس الصناعية" . www.phelpsgaskets.com . تاريخ الاطلاع: 25 فبراير 2022 .
  19. ↑ اليوم، الصناعة (11 أكتوبر 2018). "أهم استخدامات الألياف الزجاجية" . الصناعة اليوم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 فبراير 2022 .
  20. ↑ ميتشل، ستيف (1999). "ميلاد قوارب الألياف الزجاجية" . موقع Good Old Boat . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 ديسمبر 2023 .
  21. ↑ رودو، ليني (8 فبراير 2022). "أساسيات بناء القوارب: الألياف الزجاجية، والراتنج، والمواد المركبة، واللب" . Boats.com .
  22. ↑ بهات، أيوش؛ نافين، ج.؛ جويد، م.؛ نوررحيم، م.ن.ف.؛ راشدي، أحمد؛ خان، أ. (نوفمبر 2021). "التقدم في البوليمرات المقواة بالألياف، وسبائك المعادن، وأنظمة الدروع متعددة الطبقات للتطبيقات الباليستية - مراجعة" . مجلة أبحاث وتكنولوجيا المواد . 15 : 1300-1317 . doi : 10.1016/j.jmrt.2021.08.150 .
  23. ↑ فوربس إيرد (1996). الألياف الزجاجية والمواد المركبة: دليل للمتحمسين للمواد غير المعدنية عالية الأداء لسباقات السيارات والاستخدامات البحرية . دار بنجوين للنشر. الصفحات 86 وما بعدها. ISBN  978-1-55788-239-4.
  24. ↑ جيمس، مايك. "مقدمة في تغليف المواد المركبة بالتفريغ الهوائي" . Nextcraft.com.
  25. ↑ "ما هو GRP؟ | أساسيات البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية" .
  26. 1 2 تورشمان، ف.؛ جاكشيك، س.؛ روثر، هـ.-ج. (مارس 2011) ورقة بيضاء، الموضوع: "الهواء النظيف في تصنيع أجزاء البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (GRP)" . تقنية وخدمة GRP
  27. 1 2 3 4 5 6 البرنامج الوطني لعلم السموم (سبتمبر 2009)، تقرير عن المواد المسرطنة، وثيقة معلومات أساسية عن ألياف الصوف الزجاجي
  28. ↑ هانون، فلورنس (18 مارس 2001). "ما مدى أمان قبو منزلك؟" . Seacoastonline.com . مؤرشف من الأصل في 11 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه في 8 أكتوبر 2017 .
  29. 1 2 "غبار الألياف الزجاجية" . إدارة السلامة والصحة المهنية . وزارة العمل الأمريكية.
  30. ١ ٢ ٣ "برنامج دراسات الوكالة الدولية لأبحاث السرطان يعيد تقييم المخاطر المسببة للسرطان من الألياف الزجاجية الاصطناعية المحمولة جواً" (بيان صحفي). الوكالة الدولية لأبحاث السرطان . ٢٤ أكتوبر ٢٠٠١. مؤرشف من الأصل في ١٩ ديسمبر ٢٠١٣. تم الاطلاع عليه في ٦ فبراير ٢٠١٣ .
  31. ↑ «التقرير الثالث عشر عن المواد المسرطنة» . البرنامج الوطني لعلم السموم . وزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية . 2011. مؤرشف من الأصل في 4 أكتوبر 2014. تم الاطلاع عليه في 5 فبراير 2013 .
  32. ↑ 46-Z سجل الإشعارات التنظيمية في كاليفورنيا، ص.1878 (18 نوفمبر 2011).
  33. ↑ "حقائق العزل رقم 62 "حقائق الصحة والسلامة للألياف الزجاجية"، المنشور رقم N040" (ملف PDF) . رابطة مصنعي العزل في أمريكا الشمالية ("NAIMA"). مايو 2012. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 4 فبراير 2015.
  34. ↑ «توصية من اللجنة العلمية المعنية بحدود التعرض المهني للألياف المعدنية المصنعة (MMMF) التي لا يوجد ما يشير إلى أنها مسرطنة وغير محددة في مكان آخر (SCOEL/SUM/88)» . المفوضية الأوروبية . مارس 2012.
  35. ↑ لي، آي-مين؛ هينكينز، تشارلز هـ.؛ تريكوبولوس، ديميتريوس؛ بورينغ، جولي إي. (يونيو 1995). " الألياف الزجاجية الاصطناعية وخطر الإصابة بسرطان الجهاز التنفسي: مراجعة للأدلة الوبائية" (ملف PDF) . مجلة الطب المهني والبيئي . 37 (6): 725-738 . doi : 10.1097/00043764-199506000-00016 . PMID 7670920. S2CID 46294218 .  
  36. ↑ اللجنة الفرعية التابعة للمجلس الوطني للبحوث والمعنية بالألياف الزجاجية المصنعة. 2000. مراجعة معيار التعرض للألياف الزجاجية المصنعة التابع للبحرية الأمريكية. الأكاديمية الوطنية للعلوم، المجلس الوطني للبحوث، واشنطن العاصمة: مطبعة الأكاديمية الوطنية.
  37. ↑ وكالة تسجيل المواد السامة والأمراض (سبتمبر 2004). "الملف السمّي للألياف الزجاجية الاصطناعية" (ملف PDF) . وزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية . الصفحات 5، 18. 
  38. ↑ تشارلز ويليام جيمسون، "تعليقات على إجراءات البرنامج الوطني لعلم السموم في إزالة ألياف الصوف الزجاجي القابلة للذوبان بيولوجيًا من التقرير الخاص بالمواد المسرطنة"، 9 سبتمبر 2011،
  39. ↑ "دليل مركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها - المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية المختصر للمخاطر الكيميائية - غبار الألياف الزجاجية" . www.cdc.gov . تاريخ الاطلاع: 3 نوفمبر 2015 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزوسائط متعلقة بالبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية على ويكيميديا ​​كومنز