Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Структурные изменения неизбежны

 Влияние воды на свойства стеклопластиков

Одним из важнейших факторов окружающей среды, с которым контактируют материалы, является вода. Установление характераизменения свойств от воздействия воды имеет большое практическое значение для определения обоснованного выбора материалов.

  Все полимерные материалы, в том числе и стеклопластики, в большейили меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью поглощать влагу.

В статье рассматриваются прочностные характеристикистеклопластиков, состоящих из матрицы (реактопласта – смолы) и армирующих элементов(стекловолокна, тканей, жгутов и т.д.), изменение их структуры, появление иразвитие дефектов при воздействии воды.

Характер повреждений стеклопластиков под действием влагиопределяется, с одной стороны, химией поверхности, а с другой – механикой разрушения.Проведенные исследования помогают понять явления, происходящие на атомарном имолекулярном уровнях при повреждениях под воздействием влаги.

Все силикатные стекла представляют собой смесь оксидов металлов,дисперсно распределенных в матрице двуокиси кремния в виде микронеоднородностейразмером 15–200 Å, которые составляют до 50 % массы объема стекла и занимаютпримерно такую же часть всей поверхности. Даже в наиболее водостойких стеклах,таких как Е-стекло (16 % СаО, 14,5 % Al2O3, 9,5 % В2O5, 5 % MgОи 55 % SiO2), значительнаядоля несиликатных компонентов приходится на оксиды щелочных илищелочноземельных металлов. Эти оксиды гидрофильны, и поэтому адсорбция воды наповерхности стекла определяется, в первую очередь, гидратацией таких окисныхмикронеоднородностей. На поверхности стекла образуется пленка воды достаточнобольшой толщины, в виде полимолекулярного слоя, обладающая щелочнымисвойствами.

Показано, что вода в большой степени влияет на матрицу (смолу) вблизиповерхности раздела. В результате диффузии воды к гидрофильным примесям в смолена поверхности раздела возникает осмотическое давление, что приводит к образованиютрещин в смоле вокруг волокна, расслоению материала, разрушению волокна.

Низкая прочность композитов во влажном состоянии может быть такжесвязана с пористостью, образовавшейся в результате попадания воздуха в материалпри 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 квозникновению механических напряжений и являются одной из основных причин трещинообразования. Особое вниманиеследует обратить на замерзание воды в порах и на поверхности изделия. Чембольше переходов через ноль в данной климатической зоне, тем выше агрессивностьклимата.

Существование таких воздушных полостей (рис. 1) обуславливаетвозникновение внутренних напряжений, хорошо видных вокруг этих пузырьков придвойном лучепреломлении линейно поляризованного света, появление трещин (рис.2), и тем самым создается возможность проникновения влаги в материал. Следуетотметить, что образование микрополостей происходит при всех методах изготовлениякомпозитов в процессе пропитки связующим прядей волокна или ткани.

Изучение водопоглощения стеклопластиков свидетельствует о значительной его зависимости от времени выдержки (рис.3).

Выдержка в воде значительно снижает механические свойствастеклопластика. Например, за 5 лет выдержки в воде снижение предела прочностипри растяжении составляет 13 %, при сжатии – 15, при изгибе – 17, модулянормальной упругости – 6–10 % (рис. 4).

 Снижение механических свойств и процессы диффузии водыспособствуют ослаблению адгезионной прочности стекловолокон с полимернымсвязующим, в результате чего происходит обнажение волокна (рис. 5, 6), верхнийтканевый слой легко отслаивается от изделия, обнажая следующий слой.

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

Вода адсорбируется на поверхности гидрофильных оксидов (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 или дефекта ионы натрия или другие катионы под действием воды подвергаются гидролизу с образованием гидрооксида металла, который, 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 до полного разрушения образца.

 

 

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. Испытания показывают, что износостойкость полимерных материалов определяется их эластичностью: чем меньше модуль упругости и больше коэффициент Пуассона, тем лучше материал сопротивляется ударам абразивных частиц (рис. 8, 9).

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 потоке 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 его микро- и макропор водой, что снижает физико-механические свойства и обуславливает разрушение материала.

 

Выводы:

● Вода снижает пределы длительной прочности стеклопластиков.

● Характер разрушения стеклопластика в воде такой же, как на воздухе, при воздействии различных климатических факторов (УФ-излучения, абразива, силовых и температурных полей).

● Вызываемые водой физико-химические процессы диффузии и набухания, гидролиз начинаются в стеклопластике с момента контакта его с водой.

● Стеклопластики, в основном, используются как конструкционные материалы, минимально контактирующие с водой, а также в химической промышленности, когда происходит замена металла при изготовлении емкостей, 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. 

 

 

Таблица 1. Кавитационная стойкость полимерныхматериалов при испытаниях на магнитострикционном стенде в течение 6 часов

 

Материал

Потери веса, мг

Потери объема см3

Коэффициент кавитационной стойкости

Полиэтилен

8,5

0,0091

15,3

Стеклопластик

28

0,014

1,0

 

Таблица 2. Кавитационная стойкость полимерных материалов при испытаниях на интенсифицированной установке типа трубы Вентури

 

Материал

Состояние поверхности

 

 

через 10 ч

через 20 ч

через 30 ч

через 50 ч

Стеклопластик (эпоксифенольный)

Поверхность разрушена на глубину 0,25 мм

Поверхность разрушена на глубину 0,5 мм

Поверхность разрушена на глубину 0,75 мм

-

Термопласты (фторопласт, ПЭ)

Без изменений

Без изменений

Без изменений

Поверхность разрушена на глубину 0,05 мм

 

Перепечатано из журнала «Вода Magazine» №2, октябрь 2007

Людмила Корецкая, д. т. н.,

Тамара Александрова, к. т. н., Республика Беларусь

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА