ما الطريقة الصحيحة لتخزين مواد الألياف الكربونية على المدى الطويل؟

يجب أن تبقى درجة الحرارة والرطوبة النسبية ثابتتين (٢٠–٢٥°م، ٣٠–٥٠٪ رطوبة نسبية)

لضمان ألا تتعرض مواد الألياف الكربونية لانهيار جزيئي، من الضروري الحفاظ على العوامل البيئية ثابتة ضمن الحدود المحددة. ويجب أن تُسهم هذه العوامل في الحفاظ على البنية الكيميائية للراتنج مع التحكم في امتصاص الراتنج داخل الألياف الكربونية. وينبغي أن تتراوح درجات الحرارة بين ٢٠ و٢٥ درجة مئوية (٦٨ إلى ٧٧ درجة فهرنهايت)، وأن تتراوح الرطوبة النسبية بين ٣٠٪ و٥٠٪. وعندما تحدث تغيرات كبيرة ومتكررة في درجة الحرارة تتجاوز درجتين مئويتين، فإن الألياف والراتنج يخضعان لتمددٍ وانكماشٍ كيميائي-لزوجي، ما يؤدي إلى زيادة تكوّن الشقوق المجهرية. كما أن مستويات الرطوبة تؤثر أيضًا في التركيب الكيميائي للمواد. فعلى سبيل المثال، غرف البيئة الكندية (Canadian Springs) هي غرف بيئية يتم فيها تدوير مستويات الرطوبة ضمن نطاق تشغيلي يتراوح بين ٤٠٪ و٧٠٪ رطوبة نسبية، وقد وُجد أن مقاومة الشد للمواد تنخفض فيها بنسبة تقارب ١٨٪. وفي الطرف المقابل من نطاق الرطوبة، فإن المواد التي تتعرَّض لرطوبة نسبية أقل من ٣٠٪ تكون عرضة لأن تصبح جافة هشّة كيميائيًّا. كما أن العديد من عوامل التغليف (sizing agents) المستخدمة في أنظمة الراتنج هي بوليمرات حرارية التصلب (thermosetting polymers)، والتي قد تتآكل كيميائيًّا أيضًا عند التعرُّض لبيئة حارة وجافة.

للحفاظ على ظروف التخزين المثلى على مدار العام، يلزم وجود نظام تحكُّم مناخي مُصمَّم جيدًا للتخزين، يتضمَّن نظام تدفئة وتبريد وتهوية متكامل بالكامل، وأجهزة سجّل بيانات آلية مُعايرة بدقة وتعمل تلقائيًّا بالكامل، بالإضافة إلى إجراء فحوصات دورية منتظمة على نظام التحكُّم المناخي.

لماذا تتسبَّب عملية التجميد أو التبريد في تلف أنظمة الراتنج وتُضعف مدة صلاحيتها على الرف

يوجد سوء فهم شائع مفاده أن تخزين مواد الألياف الكربونية في ثلاجة أو مجمد يحافظ على جودتها. وفي معظم الحالات، فإن مواد الألياف الكربونية المخزَّنة في ثلاجة أو مجمد تتلف، وهذا يشمل المكونات الكيميائية للمادة. وعند تخزين المواد في ثلاجة أو مجمد، تنشأ أساسًا ثلاث مشكلات. أولها الصدمة الحرارية عند إخراج المادة من المجمد أو الثلاجة. ثانيها تكثُّف الرطوبة عند إخراج المادة من التخزين البارد. وأخيرًا، عندما تنخفض درجة حرارة المواد إلى ما دون ١٠°م، تبدأ أنظمة الإيبوكسي المعالَّجة بالانفصال الطوري. وعندما يتجمد الراتنج في مجمد ضبطت درجة حرارته على -١٨°م، فإن الراتنج يتبلور، مما يؤدي – وفقًا للاختبارات المخبرية – إلى خفض مقاومة المادة للصدمات بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪. أما تبريد المواد عند درجة حرارة تبلغ نحو ٤°م فهو ليس أفضل بكثير، لأن ذلك يسرِّع عملية تُعرف باسم «التصبغ الأميني» (amine blush)، حيث تنتقل عوامل التصلب نحو السطح مكوِّنة مناطق ضعيفة في المواد المركبة. وبالمجمل، فإن المواد المخزَّنة في مجمد أو ثلاجة تفقد ما نسبته ٥٠٪ إلى ٧٥٪ من عمرها الافتراضي مقارنةً بالمواد المخزَّنة عند درجات الحرارة المحيطة.

أفضل طريقة للحفاظ على فعالية مواد ألياف الكربون هي تخزينها في درجة حرارة الغرفة، بدلًا من محاولة معارضة الطبيعة باستخدام أساليب التبريد.

طرق التغليف الصحيحة للحفاظ على سلامة مواد ألياف الكربون

التغليف باستخدام حواجز مفرّغة من الهواء ومواد ماصة للرطوبة للأقمشة غير المُعالَجة والمواد المُسبَّقة التصنيع (Prepregs)

يستخدم معظم المصنّعين مزيجًا من التغليف المفرّغ من الهواء ومادة ماصة للرطوبة للحفاظ على الأقمشة الجافة والمواد المُحضَّرة (Prepregs) بأفضل حالة ممكنة. ومن الأمور الحاسمة الحفاظ على الرطوبة الداخلية للتغليف عند مستوى أقل من ٣٠ إلى ٥٠٪ رطوبة نسبية. فالرطوبة تُدمِّر الراتنج تدميرًا بالغًا، وتؤدي إلى فقدان القوة المحتملة للمنتج النهائي. وبسبب كلٍّ من الرطوبة والأكسدة، قد تتدهور أنظمة الراتنج قبل استخدامها. وتوفر أفلام الألومنيوم ثلاثية الطبقات حاجزًا جيدًا ضد الرطوبة، وتساعد في إحكام إغلاق العبوة في وجه الرطوبة. كما أن أفلام الألومنيوم توفر حاجزًا فعّالًا ضد الرطوبة. ومن الممارسات الشائعة لدى مصنّعي المواد المُحضَّرة إضافة عوامل امتصاص للأكسجين لإبطاء عملية تقدم أنظمة الراتنج الناجمة عن الأكسدة. أما الشركات التي تقلّل التكاليف المتعلقة بالتغليف، فإنها تنتهي بمواد مُحضَّرة ذات حالة رديئة بسبب الرطوبة التي تتسلل من الجو الخارجي. وقد تنخفض مدة صلاحية المواد المُحضَّرة بنسبة تصل إلى ٧٠٪ بسبب تغليف غير كافٍ خلال أقل من ٣٠ يومًا. ويُعد ضبط الجودة عاملًا مهمًّا جدًّا لتحقيق ذلك بشكل سليم.

حاجز ضد الأشعة فوق البنفسجية مع خصائص تبدد الشحنات الساكنة وحواجز ثانوية مدمجة

تتعرض راتنجات الإيبوكسي لعملية تحلل تُعرف باسم التحلل الضوئي عندما تتعرّض لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية. ويتجلى هذا التحلل في انقسام السلاسل الجزيئية، والاصفرار، والتشقق، وتقشّر الطبقات. وتبيّن الاختبارات التي تُجرى وفقًا لطريقة ASTM D4329 الخاصة بالتسخين المُسرَّع للعوامل الجوية أن التحلل الضوئي قد يؤدي إلى فقدان أكثر من ٤٠٪ من قوة المادة بعد ٥٠٠ ساعة من التعرّض لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية. وترتبط قوة المادة ارتباطًا مباشرًا بعدد الشهور التي تتعرّض فيها للمصدر الضوئي أمام نافذة ما، أو بوجود مصدر إشعاع فوق بنفسجي في بيئة مكتبية عادية. وهذه بالطبع مسألة جادة يسعى المصنّعون جاهدين لمعالجتها عبر دمج عناصر حابسة للأشعة فوق البنفسجية في الطبقات العليا من المادة الخارجية. كما يُحضّرون طبقة تغليف تساعد في التحكم في سطح التفريغ الإستاتيكي. وللمساعدة في حماية المنتج من التعرّض للضوء، قد يضع المصنعون المنتج داخل عبوة ثانوية تحجب الضوء، مثل صندوق مصنوع من بوليمر بلاستيكي صلب. وتساعد هذه العبوات الثانوية المغلقة أيضًا في ترشيح الغبار، وتعزّز تكوّن شبكة ارتباطات تساهمية مستقرة في راتنج الإيبوكسي عبر الحد من كمية الأكسجين المتاحة. وبذلك يزداد عمر المنتج قبل أن يبدأ في التحلل.

تخزين ألياف الكربون والمخاطر البيئية الناتجة عنه

تأثير عوامل التعرية والإشعاع فوق البنفسجي على الراتنج وفق معيار ASTM D4329

بالنسبة لمصنّعي ألياف الكربون، يُعَد الإشعاع فوق البنفسجي أحد أكبر المخاطر. وأظهرت اختبارات تغليفنا التي أجريت وفق معيار ASTM D4329 أن الضرر الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية يتراكم بمرور الوقت ولا يمكن عكسه. فخلال بضعة أشهر فقط، لاحظنا أضراراً ناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية مثل اصفرار السطح، وتشقق السطح، وانفصال الطبقات. وبما أنه لا توجد وسيلة لإصلاح الضرر الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية، فإن العواقب تكون شاملة ودائمة. ولهذا السبب بالذات يبذل المصنّعون جهوداً كبيرة لضمان استخدام تغليفٍ يحجب الأشعة فوق البنفسجية بشكلٍ فعّال، وعبواتٍ معزولة تماماً عن الضوء لكل منتج من منتجات ألياف الكربون.

الحد من الإجهاد الميكانيكي: الهدف هو تجنّب الانضغاط، والانحناء، والتعرّض للاهتزاز

تواجه مواد ألياف الكربون مخاطر جسيمة عند التحميل الميكانيكي. فقد تبدأ شقوق صغيرة في التشكل في طبقات البادئ (prepreg) عندما تتجاوز الأحمال الساكنة حوالي ١٠ رطل لكل بوصة مربعة (psi). علاوةً على ذلك، أثناء مرحلة الاهتزاز، قد تنفصل الراتنجات عن الألياف عند الحركة. أما بالنسبة للتخزين، فيُوصى بوضع اللفائف في وضع عمودي على رفٍ لينٍ وغير قابل للتسبب في الاحتكاك. ويجب تخزين الطبقات المصلبة (cured laminates) مستويةً على السطح مع استخدام الفواصل الخاصة المذكورة آنفًا بينها. ولا يجوز أبدًا تكديس أي مكونات. فالانحناء في أحد المكونات قد يزيد من خطر التشقق في هياكل الراتنج، والتي تصبح بعد ذلك مقاومةً للإجهاد التعبوي بنسبة ثلثَيْ الزمن فقط. وتساعد واقيات الحواف المُركَّبة والوضعية العمودية في تقليل التعرُّض والتوتر الواقع على أسطح القطع أثناء المناورة الروتينية، وهي عامل رئيسي يسهم في حدوث التلف أثناء عملية المناولة.

تعليمات التخزين حسب نوع مادة ألياف الكربون: النسيج، والبادئ (prepreg)، والطبقات المصلبة

قبل دمج وظائف التخزين، تذكّر أن هذه الوظائف تختلف جوهريًّا.

لتفادي المساس بجودة حقن الراتنج والطبقة الناتجة على نسيج ألياف الكربون الجاف، يجب تخزينه في عبوات مقاومة للرطوبة ومُفرغة من الهواء مع إضافات ماصة للرطوبة. ويُعد هذا الإجراء ضروريًّا لمنع امتصاص النسيج للرطوبة.

يجب تخزين المواد المُسبق تشريبها (Prepregs) في ظروف باردة [في درجات حرارة التجميد (-18°م إلى -23°م)] لمنع تصلّب الراتنج مبكرًا. وقد يبدو هذا الأمر غير مألوفٍ نظرًا لأننا سبق أن أوضحنا أن التبريد ليس ضروريًّا عادةً، لكن هذه الحالة تُشكّل استثناءً. ويعود السبب في ذلك إلى التركيب الكيميائي لهذه المواد: فبينما لم يتفاعل النسيج نفسه بعدُ كيميائيًّا، فإن الراتنج الموجود في المواد المُسبق تشريبها يكون قد خضع لجزءٍ من التفاعل بالفعل. وهذا يعني أن صلاحية الراتنج في المواد المُسبق تشريبها تعتمد على درجات الحرارة الباردة. وتنطبق هذه الحقيقة فعلاً، وهي موضَّحة في بيانات الشركة المصنِّعة الفنية (OEM)، وكذلك في دراسات الاستقرار المتوافقة مع المعيار ISO 10993 المقدَّمة.

اللواصق المُعالَجة لا تحتاج إلى التخزين البارد لتكون مستقرة كيميائيًّا. ومع ذلك، فهي بحاجةٍ إلى التخزين مع حماية فيزيائية. وهذا يعني أنه يجب تخزينها عموديًّا على رفوف مبطَّنة ومزودة بواقي للحواف، دون تكديسها، وباستخدام طبقات فاصلة بينها لتفادي خدش الأسطح.

البروتوكولات المقدمة تتناول الشكل الرئيسي لتدهور كل مادة: فالمُسبقات الجافة تتعرض للتدهور الكيميائي، بينما تمتص الأنسجة الجافة الرطوبة، وتتدهور اللواصق المُنتهية تدهورًا ميكانيكيًّا.

الأسئلة الشائعة

ما هي أفضل درجات الحرارة ومستويات الرطوبة لتخزين مواد ألياف الكربون؟

أفضل ظروف التخزين هي ما بين ٢٠–٢٥°م عند رطوبة نسبية تتراوح بين ٣٠–٥٠٪. وهذه الظروف هي الأنسب لمنع تدهور بنية المادة.

لماذا لا ينبغي تخزين مواد ألياف الكربون في الفريزر؟

ستحدث صدمة حرارية، وتكثف الرطوبة، وانفصال الطور في أنظمة الإيبوكسي المقوى. وهذه العوامل تشكل خطرًا على مقاومة التصادم وتجعل الإصلاحات الهيكلية أكثر صعوبة. ما أفضل طريقة لتغليف مواد ألياف الكربون لضمان سلامتها؟

لضمان السلامة، يُعد التغليف الحاجزي المفرّغ من الهواء والمزوَّد بمجففات هو الأنسب للمواد الجافة من الأقمشة والمواد المُحضَّرة مسبقًا (Prepregs)، وذلك للحفاظ على مستويات منخفضة من الرطوبة والرطوبة النسبية، التي قد تؤدي في حال تركها دون رقابة إلى تدهور الراتنجات.

ما تأثير الإشعاع فوق البنفسجي على مواد ألياف الكربون؟

يؤدي الإشعاع فوق البنفسجي إلى التحلل الحراري لراتنجات الإيبوكسي، مما يسبب انقسام السلاسل الجزيئية، وتغير اللون، وضعف البنية.

ما تعليمات التخزين لأنواع مختلفة من مواد ألياف الكربون؟

يجب تخزين الأقمشة الجافة في عبوات مفرغة من الهواء وعازلة للرطوبة. ويجب تخزين المواد المسبقة التشكيل (Prepregs) في الثلاجة أو الفريزر لضمان بقاء الراتنج في حالته ما قبل المعالجة القابلة للتدفق. أما الطبقات الصلبة المُعالَجة حراريًّا (Cured laminates) فيجب حفظها في عبوات واقية ميكانيكيًّا، ولا يشترط أن تُحفظ في بيئة ذات مناخ خاضع للرقابة.