اصطلاح prepreg به مواد کامپوزیتی مانند کربن، گرافیت یا الیاف شیشه اشاره دارد که از قبل با رزین‌ها آغشته شده و سپس پخته می‌شوند. اصطلاح “prepreg” در واقع مخفف “pre-impregnated” است که نشان می دهد مواد از قبل تقویت شده است. [1].

استفاده اولیه از مواد از پیش آغشته شده در اواخر دهه 1930 گزارش شد، زمانی که آزمایش هایی با الیاف کتان آغشته به رزین فنولیک برای ارزیابی مواد جایگزین برای ساخت هواپیما انجام شد. در طول جنگ جهانی دوم، الیاف سلولزی آغشته به رزین فنولیک برای ساخت مخازن و صندلی هواپیما مورد استفاده قرار گرفت. این پیش‌آب‌سازی‌های اولیه به دلیل چسبندگی ضعیف نتایج مثبت محدودی ایجاد کردند. بعداً در سال 1950، رزین های پلی استر و اپوکسی در ساخت روتور هواپیماهای فایبرگلاس معرفی شدند. [2].

مواد تقویت‌کننده، کامپوزیت‌ها را با مجموعه‌ای از ویژگی‌های مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی افزایش می‌دهند. این مورد در مورد مواد پیش آغشته است که خواص مواد یکنواخت با کیفیت بالا را ارائه می دهد، اما بسیار گران هستند.

بنابراین، پیش آغشته ها عمدتاً برای کاربردهای با کارایی بالا در صنایعی مانند هوافضا، نظامی، خودروسازی، ورزش و انرژی باد استفاده می شوند. [3]. انتظار می‌رود که بازار پیش‌آب‌ها تا سال 2025 به بیش از 6.2 میلیارد دلار برسد و ایالات متحده، اروپا، ژاپن و چین بر بازار تسلط داشته باشند. [4].

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• فرآیند تولید پیش آغشته
• انواع مختلف پیش آغشته
• روندهای آینده پیش آغشته سازی

شکل 1. فرآیند اتوکلاو پیش‌آب‌ها (Mühlmeier GmbH & Co.)

فرآیند تولید پیش آغشته

در فرآیند تولید پیش آغشته، الیاف در یک نوار یک طرفه یا پارچه بافته شده ای که از قبل با مقدار کنترل شده رزین آغشته شده است، مرتب می شوند. رزین تا حدی پیشرفت می کند که می توان آن را به عنوان یک نیمه جامد چسبناک در نظر گرفت و اجازه می دهد لایه ها را چیدمان کند، که لایه ای با ضخامت دلخواه را تشکیل می دهد که می تواند پخت شود. [5].

کامپوزیت های Prepreg رایج ترین محصولات در تولید کامپوزیت های پیشرفته هستند. متغیرهایی که بر اساس آنها محصولات prepreg تعریف می شوند [5]:

• نوع فیبر
• فرم الیاف (یک جهته یا بافته شده)
• نوع رزین
• وزن هوایی فیبر (وزن پارچه در یک منطقه معین)
• محتوای رزین
• پخت در ضخامت لایه

فرآیند پیش آغشته سازی را می توان با اشباع ذوب داغ، لایه برداری رزین یا اشباع با حلال انجام داد. مذاب داغ روش اولیه پیش آغشته سازی بود که در آن الیاف تنظیم می شدند، با رزین ذوب شده آغشته می شدند و بلافاصله قبل از غلتاندن آنها خنک می شدند.

روش اشباع با حلال فقط برای فرآیندهایی استفاده می شود که در آن پیش آغشته سازی باید در حلال ها حل شود. نمونه هایی از این موارد عبارتند از بکسل، پارچه های بافته شده و رزین های با دمای بالا. با این حال، این روش با این واقعیت محدود می شود که بیشتر حلال روی prepreg باقی می ماند و باعث یک مشکل تکامل فرار می شود. روش لایه‌برداری رزین جدیدترین و ترجیح داده‌شده‌ترین روش برای پیش‌آب‌سازی است که در آن رزین به ضخامت کنترل‌شده فیلم‌برداری می‌شود و سپس یا برای فرآیند پیش‌آب‌سازی گرفته می‌شود یا برای استفاده در آینده منجمد می‌شود. مزیت اصلی تکنیک فیلمبرداری این است که امکان کنترل بهتر محتوای رزین و وزن فیبر هوایی را فراهم می کند [4].

علاوه بر این، prepreg را می توان به روش های مختلف بسته به کاربرد پردازش کرد. رایج ترین تکنیک های پردازش prepreg عبارتند از کیسه های خلاء و اتوکلاو. تفاوت اصلی این دو فرآیند در روش پخت است. پیش آغشته به طور کلی استحکام ورقه ورقه بسیار بالایی را هنگام چیدمان و پخت با استفاده از پردازش اتوکلاو ایجاد می کند. [5]. خلاصه ای از تکنیک ها و کاربردهای پردازش prepreg موجود در زیر ارائه شده است.

میز 1. تکنیک های مختلف پردازش prepreg و کاربردهای نسبی.

تکنیک پردازش Pre Preg	برنامه های کاربردی
فرآیند فر کیسه خلاء	هوافضا صنایع دریایی فضای داخلی راه آهن انرژی باد خودرو
اتوکلاو	کامپوزیت های با کیفیت بالا قطعات سازه ای
فرآیند قالب گیری کبریت	پانل های تخت تجهیزات ورزشی کاربردهای صنعتی
فرآیند کیسه فشار	میله های ماهیگیری لوله ها میله های اسکی شفت گلف دکل ها

انواع Prepregs

Prepreg می‌تواند پیش‌آب‌سازهای گرمانرم یا پیش‌آب‌سازهای گرماسخت باشد. پیش آغشته های ترموپلاستیک تقویت کننده های کامپوزیتی هستند که از قبل با رزین های ترموپلاستیک مانند پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اتلین (PE)، پلی فنیلن سولفید (PPS) و پلی اتر اتر کتون (PEEK) آغشته شده اند. از سوی دیگر، پیش آغشته‌کننده‌های گرماسخت از تقویت‌کننده‌هایی مانند اپوکسی، بیسمالیمید (BMI) یا رزین‌های فنلی استفاده می‌کنند. استفاده از رزین های اپوکسی ترموست رایج ترین فرآیند تولید در میان پیش آغشته ها است. [1].

مقادیر مکانیکی معمولی در لایه های پیش آغشته اپوکسی در زیر خلاصه شده است [3].

جدول 2. مقادیر مکانیکی معمولی در لایه های پیش آغشته اپوکسی [3]

محتوای فیبر حجمی: – 60% برای الیاف کربن – 50% برای ایگلس و آرامید		الیاف
		شیشه الکترونیکی		آرامید		کربن با استحکام بالا		کربن مدول متوسط
		UD	پارچه	UD	پارچه	UD	پارچه	UD	پارچه
تنش	سL	1100	600	1100	500	2000	800	2400	900
	ستی	35	550	35	450	80	750	80	850
	EL	43	20	60	30	130	70	170	90
	Eتی	8	19	8	30	9	65	9	90
فشرده سازی	سL	900	550	250	150	1300	700	1600	800
	ستی	150	500	150	150	250	650	250	750
	EL	42	17	75	31	115	60	150	80
	Eتی	10	16	5.5	30	10	55	11	75
موجی	سL	1200	700	550	400	1800	1000	1400	1200
	EL	42	20	40	25	120	65	140	75
داخل هواپیما برشی	سL	60	55	45	40	95	80	95	80
	جیL	4	4.2	2.1	4	4.4	5.5	4.4	5
برش بین لایه ای	س	75	50	60	50	80	70	80	70
افسانه	UD: یک طرفه سL: استحکام، جهت طولی ستی: استحکام، جهت عرضی EL: مدول الاستیک، جهت طولی EL: مدول الاستیک، جهت عرضی جیL: مدول تنش برشی در صفحه

روند آینده، رویداد آینده، روندی که در آینده پیش خواهد رفت

پیشرفت‌های آتی در پیش‌آهنگ‌ها بر نیاز به اتوماسیون و ساخت محصولات پیچیده شکل و سازه‌های بزرگ برای بازارهای انرژی دریایی، هوافضا و بادی متمرکز خواهد بود. رویکردهای جدید تمرکز تحقیقات برای تولید موادی بوده است که چیدمان سریع‌تر، استفاده آسان‌تر و تولید لمینت‌های باکیفیت‌تر باشد. [2].

شکل 2. پیش آغشته سازی ترموپلاستیک (ECC)

[1] کمک می کند، IG، پلاستیک در اتومبیل های اروپایی 200-2008Rapra Technology Limited, Shawbury, Shrewsbury, Shropshire, United Kingdom, 2001

[2] بیورنسون آ.، چیدمان خودکار و تشکیل لمینت های پیش آغشته، دانشگاه لینکوپینگ، گروه مدیریت و مهندسی، پایان نامه شماره 1858، سوئد، 2017 [Online]، در دسترس: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1096316/FULLTEXT01.pdf (دسترسی در 25 فوریه 2020)

[3] Hexcel Corporation، “Hexply Prepreg Technology”، 2013 [Online]. در دسترس: https://www.hexcel.com/user_area/content_media/raw/Prepreg_Technology.pdf (دسترسی در 24 فوریه 2020)

[4] تحقیقات و بازارها، “Prepreg (الیاف مرکب از قبل آغشته شده) – تحلیل بازار، روندها و پیش بینی ها” [Online]. در دسترس: https://www.researchandmarkets.com/research/x69pkh/global_prepreg?w=5 (دسترسی در 24 فوریه 2020)

[5] کمپبل، اف سی، مواد کامپوزیتی ساختاری، ASM International، اوهایو، ایالات متحده، 2010