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