کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های مصنوعی

مقدمه
از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل اشاره کرد. قایق‌هایی که سرخ‌پوست‌ها با قیر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می‌شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است، از کامپوزیت‌های نخستین هستند.

بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده، برآورده شود.

اما قسمتی از آن نیازها ، می‌تواند با استفاده از چندسازه‌ها یا کامپوزیت‌ها برآورده گردد. چندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوطی از دو یا چند عنصر ساخته شده باشند.

در حالیکه در چندسازه‌ها ، نه فقط خواص هر یک از اجزاء آن برجا باقی می‌ماند، بلکه در نتیجه پیوستن آنها با یکدیگر ، خواص جدیدتر و بهتر هم بدست می‌آید. مواد مختلط همیشه ناهمگن می‌باشد. بررسیها و تحقیقات برای دست یافتن به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر ، همواره انجام می‌گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت صنایع دنبال می‌گردد. در این بررسیها ، اغلب این هدف دنبال می‌شود که به موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی ، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی دست یابند.
انواع چندسازه‌ها
انواع چندسازه‌ها را می‌توان به گروههای زیر طبقه‌بندی نمود.

    کامپوزیت‌های پایه پلیمری : این مواد اهمیت صنعتی فراوانی دارد و هنوز هم تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. مواد مصنوعی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبرگلاس‌ها) یکی از این مواد می‌باشد که تاکنون کاربرد صنعتی وسیعی پیدا کرده است.

    کامپوزیت‌های پایه فلزی

    کامپوزیت‌های پایه سرامیکی :کامپوزیت‌های پایه پلیمری بیش از 90% کاربرد کامپوزیت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقیه مهمتر هستند.

ساختمان فایبر گلاس‌ها
ساختمان و اندازه‌ این الیاف شیشه‌ها بسیار متغیر است. کوچکترین آنها بوسیله چشم غیر مسلح دیده نمی‌شود و بسیار ریز هستند. اندازه‌های کمی بزرگتر از آن ذراتی هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده‌های الیاف شیشه‌ها به کمک هوا نقل و انتقال یافته و سبب شوزش پوست و بینی و گلو می‌شود. الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیت‌ها در دنیا و ایران است که متاسفانه در ایران ساخته نمی‌شود. انواع الیاف شیشه عبارتند از انواع E ، C ، S و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع E یا الکتریکی ، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم بوده و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی است.

الیاف شیشه نوع S ، تقریباْْ 40 درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع E دارند. الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی ، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری بخصوص در محیط‌های اسیدی دارد. الیاف شیشه کوارتز ، بیشتر در مواردی که خاصیت دی‌الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می‌شوند.

سبکی ، سهولت شکل‌دهی ، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت آب‌بندی ، از ویژگیهای کامپوزیت‌هایی است که در صنعت ساختمان بکار می‌رود. فایبرگلاس یا الیاف شیشه که پرکاربردترین کامپوزیت‌ها هستند، فیبرها یا الیاف ساخت بشر است که در آن ، ماده‌ تشکیل دهنده‌ فیبر ، شیشه است. الیاف شیشه‌ها ، موارد استفاده‌های فراوانی از جمله در ساخت بدنه‌ خودروها و قایقهای تندرو و مسابقه‌ای ، کلاه ایمنی موتورسواران ، عایقکاری ساختمانها و کوره‌ها و یخچالها و … دارند.
کاربردهای کامپوزیت‌ها
سابقه استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته به دهه‌ 1940 باز می‌گردد. در آن زمان ارتشهای آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر ، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور - رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند. 20 تا 30 سال پس از آن ، کامپوزیت‌های پایه پلیمری بطور گسترده‌ای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. بطور مثال امروزه خودروهایی ساخته می‌شود که تماماْْ کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیت‌ها در این کاربرد به علت ویژگیهایی چون وزن کمتر ، در نتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی‌تر آنهاست.

با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت‌های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط‌های خورنده، این کامپوزیت‌ها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده‌اند که از آن جمله می‌توان به ساخت بدنه قایقها و کشتیها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت‌ها در این صنعت، حدود 60% صرفه‌جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است. صنعت ساختمان پرمصرف‌ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است. استخرهای شنا ، وان حمام ، سینک ظرفشویی و دست‌شویی ، کف‌پوش ، نماپوش ، سقف‌پوش ، برج‌های خنک‌کننده و … همگی کامپوزیت‌های پایه پلیمری هستند.

برج تقطیر

تقطیر ، در واقع ، جداسازی فیزیکی برشهای نفتی است که اساس آن ، اختلاف در نقطه جوش هیدروکربنهای مختلف است. هر چه هیدروکربن سنگینتر باشد، نقطه جوش آن زیاد است و هر چه هیدروکربن سبکتر باشد، زودتر خارج می‌شود. اولین پالایشگاه تاسیس شده در جهان ، در سال 1860 در ایالت پنسیلوانیای آمریکا بوده است. نفت خام ، از کوره‌های مبدل حرارتی عبور کرده، بعد از گرم شدن وارد برجهای تقطیر شده و تحت فشار و دما به دو صورت از برجها خارج می‌شود و محصولات بدست آمده خالص نیستند. انواع برجهای تقطیر در زیر توضیح داده می‌شوند.

برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار
در برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار ، تعداد سینیها در مسیر برج به نوع انتقال ماده و شدت تفکیک بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینی‌ها به مقدار مایع و گاز که در واحد زمان از یک سینی می‌گذرد، وابسته است. هر یک از سینی‌های برج ، یک مرحله تفکیک است. زیرا روی این سینیها ، فاز گاز و مایع در کنار هم قرار می‌گیرند و کار انتقال ماده از فاز گازی به فاز مایع یا برعکس در هر یک از سینی‌ها انجام می‌شود. برای اینکه بازدهی انتقال ماده در هر سینی به بیشترین حد برسد، باید زمان تماس میان دو فاز و سطح مشترک آنها به بیشترین حد ممکن برسد.

بخشهای مختلف برج تقطیر با سینی کلاهکدار

    بدنه و سینیها: جنس بدنه معمولا از فولاد ریخته است. جنس سینی‌ها معمولا از چدن است. فاصله سینی‌ها را معمولا با توجه به شرایط طراحی ، درجه خلوص و بازدهی کار جداسازی بر می‌گزینند. در بیشتر پالایشگاههای نفت ، برای برجهای تقطیر به قطر 4ft فاصله میان 50 - 18 سانتیمتر قرار می‌دهند. با بیشتر شدن قطر برج ، فاصله بیشتری نیز برای سینی‌ها در نظر گرفته می‌شود.

    سرپوشها یا کلاهکها: جنس کلاهکها از چدن می‌باشد. نوع کلاهکها با توجه به نوع تقطیر انتخاب می‌شود و تعدادشان در هر سینی به بیشترین حد سرعت مجاز عبور گاز از سینی بستگی دارد.

    موانع یا سدها: برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی ، به هر سینی سدی به نام "وییر" (Wier) قرار می‌دهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معنی جلوگیری کند. بلندی سطح مایع در روی سینی باید چنان باشد که گازهای بیرون آمده از شکافهای سرپوشها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به بیشترین حد ممکن برسد. بر اثر افزایش زمان گذشتن حباب از مایع ، زمان تماس گاز و مایع زیاد شده ، بازدهی سینی‌ها بالا می‌رود.

برجهای تقطیر با سینی‌های مشبک
در برجهای با سینی مشبک ، اندازه مجراها یا شبکه‌ها باید چنان برگزیده شوند که فشار گاز بتواند گاز را از فاز مایع با سرعتی مناسب عبور دهد. عامل مهمی که در بازدهی این سینیها موثر است، شیوه کارگذاری آنها در برج است. اگر این سینیها کاملا افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع در سطح سینی یکنواخت نبوده و گذر گاز از همه مجراها یکسان نخواهد بود.

خورندگی فلز سینیها هم در این نوع سینیها اهمیت بسیار دارد. زیرا بر اثر خورندگی ، قطر سوراخها زیاد می‌شود که در نتیجه مقدار زیادی بخار با سرعت کم از درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد. و می‌دانیم که اگر سرعت گذشتن گاز از حد معینی کمتر گردد، مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده بازدهی کار تفکیک کاهش خواهد یافت.
برجهای تقطیر با سینی‌های دریچه‌ای
این نوع سینیها مانند سینیهای مشبک هستند. با این اختلاف که دریچه‌ای متحرک روی هر مجرا قرار گرفته است. در صنعت نفت ، دو نوع از این سینیها بکار می‌روند:

    انعطاف پذیر: همانطور که از نام آن برمی‌آید، دریچه‌ها می‌توانند بین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته حرکت کنند.

    صفحات اضافی: در این نوع سینیها ، دو دریچه یکی سبک که در کف سینی قرار می‌گیرد و دیگری سنگین که بر روی سه پایه‌ای قرار گرفته ، تعبیه شده است. هنگامی که بخار کم باشد، تنها سرپوش سبک به حرکت در می‌آید. اگر مقدار بخار از حد معینی بیشتر باشد، هر دو دریچه حرکت می‌کنند.

مقایسه انواع گوناگون سینی‌ها
در صنعت نفت ، انواع گوناگون سینی‌ها در برجهای تقطیر ، تفکیک و جذب بکار برده می‌شوند. ویژگیهایی که در گزینش نوع سینی برای کار معینی مورد توجه قرار می‌گیرد، عبارت است از: بازدهی تماس بخار و مایع ، ظرفیت سینی ، افت بخار در هنگام گذشتن از سینی ، زمان ماندن مایع بر روی سینی ، مشخصات مایع و ... . چون در صنعت بیشتر سینی‌های کلاهکدار بکار برده می‌شوند، برای مقایسه مشخصات سینی‌های دیگر ، آنها را نسبت به سینی‌های کلاهکدار ارزیابی می‌کنند.
برجهای انباشته
در برجهای انباشته ، بجای سینی‌ها از تکه‌ها یا حلقه‌های انباشتی استفاده می‌شود. در برجهای انباشته حلقه‌ها یا تکه‌های انباشتی باید به گونه‌ای برگزیده و در برج ریخته شوند که هدفهای زیر عملی گردد.

    ایجاد بیشترین سطح تماس میان مایع و بخار

    ایجاد فضا مناسب برای گذشتن سیال از بستر انباشته

جنس مواد انباشتی
این مواد باید چنان باشند که با سیال درون برج ، میل ترکیبی نداشته باشند.
استحکام مواد انباشتی
جنس مواد انباشتی باید به اندازه کافی محکم باشد تا بر اثر استفاده شکسته نشده و تغییر شکل ندهد.
شیوه قرار دادن مواد انباشتی
مواد انباشتی به دو صورت منظم و نامنظم درون برج قرار می‌گیرند.

    پر کردن منظم: از مزایای این نوع پر کردن، کمتر بودن افت فشار است که در نتیجه می‌شود حجم بیشتر مایع را از آن گذراند.

    پر کردن نامنظم: از مزایای این نوع پر کردن ، می‌توان به کم هزینه بودن آن اشاره کرد. ولی افت فشار بخار در گذر از برج زیاد خواهد بود.

مقایسه برجهای انباشته با برجهای سینی‌دار
در برجهای انباشته ، معمولا افت فشار نسبت به برجهای سینی‌دار کمتر است. ولی اگر در مایع ورودی برج ، ذرات معلق باشد، برجهای سینی‌دار بهتر عمل می‌کنند. زیرا در برجهای انباشته ، مواد معلق ته‌نشین شده و سبب گرفتگی و برهم خوردن جریان مایع می‌گردد. اگر برج بیش از حد متوسط باشد، برج سینی‌دار بهتر است. زیرا اگر در برجهای انباشته قطر برج زیاد باشد، تقسیم مایع در هنگام حرکت از بستر انباشته شده یکنواخت نخواهد بود.

در برجهای سینی‌دار می‌توان مقداری از محلول را به شکل فرایندهای کناری از برج بیرون کشید، ولی در برجهای انباشته این کار، شدنی نیست. کارهای تعمیراتی در درون برجهای سینی‌دار ، آسانتر انجام می‌گیرد. تمیز کردن برجهای انباشته ، از آنجا که باید پیش از هرچیز آنها را خالی کرده و بعد آنها را تمیز نمایم، بسیار پرهزینه خواهد بود.

اين روش براي تجزيه كمي و كيفي اجسامي كه فعاليت نوري دارند به كار مي رود. نور سفيد در تمام جهات ارتعاش دارد و اگر از اجسام Polaroid مانند بعضي مواد پلاستيكي يا بلورهاي طبيعي مانند كلسيت كه فرمول آنها CaCO3 است عبور كند به دو اشعه تقسيم مي شود. چون سرعت هر يك از دو اشعه در داخل بلور متفاوت است. در صورتي كه بلور را در امتداد يكي از قطب ها با  يك زاويه مناسب بريد و مجددا آن را با صمغي بنام كانادا بالسام بچسبانيم، جزئي كه اشعه عادي ناميده مي شود منعكس شده و خارج مي شود. در صورتي كه جزئي كه اشعه غيرعادي (پلاريزه) ناميده مي شود بدون شكست خارج مي شود ارتعاش اين نور در يك سطح و عمود بر جهت انتشار آن است اين بلور را كه نور پلاريزه ايجاد مي كند، منشور نيكل ناميده مي شود. اجسامي داراي فعاليت نوری هستند كه در ساختمان مولكولي آنها كربن نا قرينه (يعني اتم كربني كه به چهار گروه مختلف متصل باشد) وجود داشته باشد. اين اتم كربن باعث نامتقارن شدن مولكول مي شود و مولكول نمي تواند بر تصوير آينه اي خود منطبق باشد. اگر اين اجسام در مسير نور پلاريزه قرار بگيرند باعث چرخش نور پلاريزه مي شوند در صورتي كه جسم نور پلاريزه را در جهت عقربه ساعت بچرخاند ، راست گردان  (Dextrorotatory) مي گويند و چنانچه در جهت عكس عقربه ساعت بچرخاند ، آن را چپ گردان  (Levorotatory) مي گويند.
مقدار چرخش (الفا) با غلظت جسم (C) متناسب است. و يا می توان گفت نور پلاريزه وقتی از ترکيبات نامتقارن عبور کند، به علت پخش نامتقارن دانسيته الكتروني در مولكول، الكترونهاي مولكول بطور نامتقارن بر نور پلاريزه اثر مي گذارند و باعث چرخش آن حول محور انتشار مي شوند. مولكولهائي كه فعاليت نوري ندارند چون با پخش الكتروني متقارن مواجه هستند بر نور پلاريزه اثر ندارند.
تركيباتي كه تصوير آينه اي قابل انطباق نداشته باشند داراي ايزومر نوری هستند. دو ايزومر نوري يك زوج انانتيومر را تشكيل مي دهند. كه از نظر خواص فيزيكي و شيميایي يكسان هستند و فقط در جهت چرخش نور پلاريزه اختلاف دارند. مخلوط مساوي دو انانتيومر كه از نظر قدر مطلق يكسان ولي از نظر جهت مخالف هستند كاملا همديگر را خنثي مي كنند. چرخش حاصله صفر است به چنين مخلوطي راسميك مي گويند.

اجزاء و قسمتهاي مختلف دستگاه پلاريمتر:

1- منبع نور:
توليد كننده نور تك رنگ است، چون ميدان چرخش با  طول موج تغيير مي كند. لذا بايد به عنوان منبع از يك توليد كننده نور تك رنگ استفاده كرد. معمولا از لامپ بخار سديم (خط زرد D) استفاده مي شود. لامپ جيوه هم ممكن است بكار برده شود. طول موج لامپ سديم 589.3 A° لامپ جيوه °546 A

۲- شکاف( Slite) :
ميزان نور رسيده به نمونه را تنظيم مي كند.

3- عدسي:
نقش موازي كننده نور را دارد.

4- منشور نيكل :
 اولین منشور نیکل كه پلاريزور نام دارد و نور را پلاريزه مي كند.

5- سل نمونه:
استوانه اي شيشه اي است و جهت قرار دادن نمونه مورد آزمايش در داخل آن است طول آن ممکن است 1 ،  2 ، 3 ، 4  سانتیمتر باشد. (اگرحباب هوا داشت در برآمدگي سل بايد قرار گيرد.)

6- منشور نيكل :
دومین منشور نیکل كه آنالايزور(Analyzer) بعنوان تجزيه كننده است كه با چرخاندن آن مي توان نور پلاريزه را به حالت اول برگرداند و مقدارانحراف آن را بر حسب درجه از روي يك سطح دايره اي مدرج خواند.
در اين حالت روشنائي دو نيم دايره اي كه از عدسي چشمي ملاحظه مي شود به يك اندازه خواهد بود.

7- عدسي چشمي و ردياب (دتكتور):
معمولا از چشم انسان بعنوان ردياب استفاده مي شود. در دستگاههای پيشرفته فتوالکتريک هستند و تا 001/0 درجه را تعيين مي كند.

پلاريمتر نيم سايه:
يك پلاريزور كوچك متحرك بنام نيكل نيم سايه بعد از پلاريزور قرار دارد كه مي توان آن را با چرخاندن طوري تنظيم نمود كه مانع عبور نور شود. در اين حالت نيمي از دايره اي كه از عدسي چشمي ملاحظه مي شود سياه به نظر مي رسد، بعد شدت نور هر دو نيم دايره را به وسيله چرخاندن آنالايزور مساوي تنظيم مي كنيم. در اين حالت دستگاه بايد روي صفر باشد. با گذاشتن نمونه در مسير نور، شدت روشنائي دو نيم دايره فرق مي كند كه بايستي با چرخاندن آناليزور به حالت اول برگرداند و مقدار چرخش را كه a نام دارد از روي درجات خواند.

چرخش ويژه (انحراف مخصوص) Specific rotation :

زاويه a به چند عامل بستگي دارد. كه عبارتند از ماهيت تركيب، غلظت يا دانسيته (براي مايعات) طول نمونه اي كه بايد نور از آن عبور كند (طول مسير)، درجه حرارت، حلال، طول موج نور غلظت و طول مسير اهميت زيادي دارند چون تعداد متوسط مولكولهاي فعال نوری تعيين می شوند.

مقدار چرخش مخصوص براي يك جسم تحت شرايط معين ثابت است.
لذا از آن مي توان بعنوان يك ثابت فيزيكي مثل نقطه ذوب و نقطه جوش و غيره استفاده كرد. رابطه انحراف مخصوص با ازدياد درجه حرارت براي مقدار معيني از نمونه تغيير مي كند. براي تجزيه كمي با دانستن انحراف مخصوص يك جسم خالصی  كه در جداولي براي °C 20=t داده شده و اندازه گيري a با استفاده از فرمولهاي فوق مقدار C( غلظت) را مي توان حساب كرد.
يكي از مهمترين كاربردهای  پلاريمتري در صنايع قند است. وقتي محلولي فقط حاوي ساكارز باشد، پس از تعيين زاويه چرخش a بوسيله پلاريمتر مي توان غلظت آن را تعيين كرد. صفر پلاريمتر را بايستي با آب مقطر تنظيم نمود يا مقداري كه دستگاه براي آب مقطر نشان مي دهد را يادداشت كرد. يا مي توان منحني استاندارد براي a برحسب C رسم كرد. منحني ممكن است خطي، سهمي يا هذلولي باشد. چرخش مولكولي يك جسم در درجه حرارت T و طول موج لاندا به صورت   نمايش داده مي شود كه با انحراف مخصوص با رابطه زير  مربوط مي شود که M وزن مولكول جسم است.

تغييرات چرخش مولكولي را طول موج نور پلاريزه ORD مي گويند (Optical rotatory  dispersion)  كه براي تشريح فرمول اجسامي كه ساختمان پيچيده دارند به كار مي رود.