Главная »  Актуальные статьи »  Влияние воды на свойства стеклопластиков


Влияние воды на свойства стеклопластиков

Одним из важнейших факторов окружающей среды, с которым контактируют материалы, является вода. Установление характера изменения свойств от воздействия воды имеет большое значение. Все полимерные материалы, в том числе и стеклопластики, в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью поглощать влагу. В статье рассматриваются прочностные характеристики стеклопластиков, состоящих из матрицы (реактопласта — смолы) и армирующих элементов (стекловолокна, тканей, жгутов и т.д.), изменение их структуры, появление и развитие дефектов при действии воды. Характер повреждений стеклопластиков под действием влаги определяется, с одной стороны, химией поверхности, а с другой — механикой разрушния. Проведенные исследования помогают понять явления, происходящие на атомарном и молекулярном уровнях при повреждениях под действием влаги. Все силикатные стекла представляют собой смесь окислов металлов, дисперсно распределенных в матрице двуокиси кремния в виде микронеоднородностей размером 15-200 Ао , которые составляют до 50% массы объема стекла и занимают примерно такую же часть всей поверхности. Даже в наиболее водостойких стеклах, таких как Е-стекло (16% СаО, 14,5% Al2O3, 9,5% В2О5, 5% MgO и 55% SiO2), значительная доля несиликатных компо-нентов приходится на окислы щелочных или щелочно-земельных металлов. Эти окислы гидрофильны, и поэтому адсорбция воды на поверхности стекла определяется, в первую очередь, гидратацией таких окисных микронеоднородностей. На поверхности стекла образуется пленка воды достаточно большой толщины, в виде полимолекулярного слоя, обладающая щелочными свойствами. Показано, что вода в большой степени влияет на матрицу (смолу) вблизи поверхности раздела. В результате диффузии воды к гидрофильным при-месям в смоле на поверхности раздела возникает осмотическое давление, что приводит к образованию трещин в смоле вокруг волокна, расслоению материала, разрушению волокна. Низкая прочность композитов во влажном состоянии может быть также связана с пористостью, образовавшейся в результате попадания воздуха в материал при его изготовлении. Неоднородность распределения связующего и армирующего материала, их недостаточная связь между собой увеличивает пористость при работе под давлением, что приводит к потере герметичности. Пластификация (набухание) и замерзание воды в порах приводят к возникновению механических напряжений и являются одной из основных причин трещинообразования. Особое внимание следует обратить на замерзание воды в порах и на поверхности изделия. Чем больше переходов через ноль в данной климатической зоне, тем выше агрессивность климата. Существование таких воздушных полостей (рисунок 1) обусловливает возникновение внутренних напряжений, хорошо видных вокруг этих пузырь-ков при двойном лучепреломлении линейно поляризованного света, появле-нию трещин (рисунок 2) и тем самым создается возможность проникновения влаги в материал. Следует отметить, что образование микроплоскостей про-исходит при всех методах изготовления композитов в процессе пропитки связующим прядей волокна или ткани.

Рисунок 1.- Внутренние напряжения в области деффекта(х200)

 

 

Рисунок 2. — Начало разрушения, вызванного пузырьком воздуха, и область распространения трещин(х158)

 

Рисунок 3.-Зависимость водопоглащения от времени выдержки в воде при 20С: 1 — ПЭ, 2 — эпоксидный стеклопластик

 

Рисунок 4. — Изменение относительной прочности влажного стеклопластика

 

 

Изучение водопоглощения стеклопластиков свидетельствует о значительной его величине от времени выдержки. Выдержка в воде значительно снижает механические свойства стеклопластика. Например, за 5 лет выдержки в воде снижение предела прочности при растяжении составляет 13%, при сжатии – 15%, при изгибе – 17%, модуля нормальной упругости – 6-10% (рисунок 4). Снижение механических свойств и процессы диффузии воды способствуют ослаблению адгезионной прочности стекловолокон с полимерным связующим, в результате чего происходит обнажение волокна (рисунки 5 и 6), верхний тканевый слой легко отслаивается от изделия, обнажая следующий слой.

 

Рисунок 5. — Изменение поверхности стеклопластиков в процессе старения: а — до испытания, b — после испытания

 

 

 

 

Рисунок 6. — Внешний вид образцов стеклопластика после 2,5 лет испытания под действием климатических факторов(УФ-излучение, вода, абразивный износ)

 

 

На поперечном срезе изделия (рисунок 7) можно видеть разрушение верхнего слоя стеклопластика, отслаивание связующего и обломков стекла, образование трещин.

Рисунок 7. — Разрушение поверхности стеклопластиков при старении 

 

  Вода адсорбируется на поверхности гидрофильных окислов (SiO2) в виде гидроксильных групп и молекул, которые удерживаются поверхностными гидроксилами за счет водородных связей, о чем свидетельствуют данные спектроскопических исследований: частота полос поглощения 3750 см-1, 3650 см-1. У вершины трещины, дефекта ионы натрия или другие катионы под действием воды подвергаются гидролизу с образованием гидроокиси металла, которая, в свою очередь, вызывает гидролиз силоксановых связей, ослабляя таким образом сетчатую структуру двуокиси кремния. Экспериментально определенная энергия активации (18,8 ккал/моль) отождествлялась с энергией активации диффузии иона натрия в массе стекла (20-25 ккал/моль). Пластическая деформация стекла в области перед трещиной очень мала и вместо равномерного распределения напряжения происходит растрескивание материала по ослабленным центрам. Стеклопластики при силовых воздействиях имеют тенденцию к прогрессирующему и необратимому повреждению. В некоторых случаях нагрузка при возникновении повреждений составляет всего лишь 10% от соответствующего статического предела прочности. В условиях растяжения первый признак поврежденности проявляется в виде отслаивания волокон от матрицы, расслаивания (рисунок 8)до полного разрушения образца.  

 

Рисунок 8 – Характер разрушения различных типов образцов стеклопластика при растяжении

 

К силовым полям внешних факторов следует отнести и влияние абразивных частиц, присутствующих как в воздухе, так и в воде. Исследования этого фактора свидетельствуют о появлении абразивной эрозии, которая вызывается ударами механических частиц, взвешенных в воде или в воздухе. Стеклопластики в значительной степени подвержены абразивному износу. При воздействии воздушной струи с абразивом по величине объемного разрушения стеклопластики превосходят углеродистую сталь и капрон в 15-20 раз [6]. Испытания показывают, что износостойкость полимерных материалов определяется их эластичностью: чем меньше модуль упругости и больше коэффициент Пуассона, тем лучше материал сопротивляется ударам абра-зивных частиц.(рисунки 9, 10)

 

Рисунок 9 – Абразивный износ полимерных материалов в зависимости от скорости потока: 1 – ПЭ; 2 – стеклопластик

 

 

 

 

Рисунок 10 – Потери объема см3 через 6 часов испытаний на гидроабразив-ный износ в среде вода-песок: 1 – стеклопластик; 2 – ПЭ

 

 

 

При рассмотрении поведения материала в воде следует сказать и о кавитации. Кавитация – одна из основных причин эрозионного разрушения стеклопластика. Явление кавитации заключается в образовании в водном по-токе разрывов несплошностей в виде отдельных пузырей, полостей, «мешков», наполненных воздухом, газами, выделившимися из воды, и водяными парами, давление которых снижается до давления насыщенного пара. В месте замыкания кавитационной области частые гидравлические удары вызывают механическое разрушение материала, его эрозию. Низкая кавитационная стойкость характерна для всех стеклопластиков. Таким образом, взаимодействие воды с материалом представляет собой сложную совокупность различных физических и химических процессов. Перенос воды на поверхность и внутрь материала приводит не только к растворению воды в нем, но и вызывает изменение структуры материала. Обычно это пластификация материала и заполнение микро- и макропор его водой, что снижает физико-механические свойства и обуславливает разрушение материала. Выводы: 1. Вода снижает пределы длительной прочности стеклопластиков. 2. Характер разрушения стеклопластика в воде такой же, как на воздухе, при воздействии различных климатических факторов (УФ-излучения, абразива, силовых и температурных полей). 3. Вызываемые водой физико-химические процессы диффузии и набухания, гидролиз начинаются в стеклопластике с момента контакта его с водой. 4. Стеклопластики, в основном, используются как конструкционные материалы по min контактирующие с водой, а также в химической промышленности, когда происходит замена металла при изготовлении ёмкостей, труб, воздуховодов, аппаратуры, эксплуатирующихся в агрессивных средах к которым устойчив стеклопластик. По имеющемуся опыту эксплуатации химического оборудования срок эксплуатации стеклопластика 2 – 8 лет в зависимости от условий. Литература: 1. Плюдеман Э. Поверхности раздела в полимерных композитах. М. 1978 г., 393 с. 2. Корецкая Л.С. Атмосферостойкость полимерных материалов. М., 1993, 206 с. 3. Felther C.E. «On the Mechanical Behavior and Fracture Morphology of Epoxy Resin», TAM Report № 224, University of Illinois, August, 1962. 4. Бахарева В.Е., Конторовская И.А., Петрова Л.В. Эпоксидные пластики в судовом машиностроении. Л., 1968 г. 186 с. 5. Иванов Н.С., Новикова В.С., Шмелева Г.И. «Естественное старение полиэфирных стеклопластиков в атмосферных условиях, морской воде, топливе и масле» в кн. «Свойства судостроительных стеклопластиков» под ред. В.В. Мещерякова, выпуск 3, 1974 г., с. 49-59. 6. Малютин П.В. Лопасти компрессоров из стеклопластиков. — «Стеклопластики и пенопласты в судостроении», ОНТИ, 1960, с. 28-35. 7. Бахарева В.Е., Конторовская И.А., Петрова Л.В. Полимеры в судовом машиностроении. Изд-во «Судостроение», 1975 г. 236 с. Л.С. Корецкая, доктор технических наук