Choose your region

Контакт · Languages: BG | EN
Menu

01.07.2011 - Структурни изменения при стъклопластовите тръби

Влияние на водата върху свойствата на стъклопластите

Един от най-важните фактори на околната среда, с който материалите влизат в контакт е водата.  Установяването на характера на изменението на свойствата от въздействието на водата има голямо практическо значение за определянето на обоснован избор на материали.

Всички полимерни материали, в това число и стъклопластите, в по-голяма или по-малка степен са хигроскопични, т.е. имат способността да поглъщат влагата.

В статията се разглеждат характеристиките на издръжливост на стъклопластите, съставени от матрица (реактопласт – смола) и армиращи елементи (стъклени влакна, тъкани,  въжета и т.н.), изменението на структурата им, появата и развитието на дефекти при въздействието на вода.

Характера на дефектите на стъклопластите под въздействието на влага се определя от една страна от химията на повърхността, а от друга – от механиката на разрушението. Проведените изследвания помагат за разбирането на явленията, случващи се на атомарно и молекулярно ниво при дефекти под въздействието на влага.   

Всички силикатни стъкла представляват смес от метални оксиди, дисперсно разпределени в матрицата силициев диоксид във вид на микро нееднородности с размер  15–200 Å, които съставят до 50 % от масата на обема на стъклото и заемат почти същата част от цялата повърхност. Дори и в най-водоустойчивите стъкла, такива като Е-стъкло (16 % СаО, 14,5 % Al2O3, 9,5 % В2O5, 5 % MgОи 55 % SiO2), значителен дял несиликатни компоненти се пада на оксидите на алкални или алкалоземни метали. Тези оксиди са хидрофилни, затова адсорбцията на водата от повърхността на стъклото се определя преди всичко от хидратацията на такива оксидни микро нееднородности. На повърхността на стъклото се образува тънък слой вода с достатъчно голяма дебелина, във вид на полимолекулярен слой, който има алкални свойства.  

Доказано е, че водата влияе в по-голяма степен на матрицата (смолата) близо до повърхността на раздела. В резултат на дифузията на водата към хидрофилните примеси в смолата на повърхността на раздела възниква осмотично налягане, което води до образуването на пукнатини в смолата около влакното, разслояване на материала, разрушаване на влакното. 

Ниската издръжливост на композитите във влажно състояние може също така да бъде свързана с порестостта, образувала се в резултат на попадане на въздух в материала при производството му.

Нееднородното разпределение на свързващия и армиращия материал, недостатъчната свързаност помежду им, увеличава порестостта при работа под налягане, което води до загуба на херметичност.

Пластификацията (набъбването) и замръзването на водата в порите водят до възникване на механични напрежения и са една от основните причини за образуване на пукнатини. Особено внимание следва да се обърне на замръзването на водата в порите и на повърхността на изделието. Колкото повече падове (преминавания през нулата) на температурата има в дадена климатична зона, толкова по-висока е агресивността на климата.

Съществуването на такива въздушни кухини (фиг. 1) обуславя възникването на вътрешни напрежения, които добре се виждат около тези мехурчета при двойно лъчепречупване на линейно поляризирана светлина, появата на пукнатини (фиг.2), като едновременно с това се създава възможност за проникване на влага в материала. Следва да се отбележи, че образуването на макро кухини се получава при всички методи на производство на композити в процеса на импрегниране със свързващо вещество на влакна или тъкани.
 
 
Фиг.1. Вътрешни напрежения в   Фиг. 2. Началото на разрушение,
областта на дефекта (х200)        предизвикано от мехурче
                                                         въздух, и област на
                                                         разпространение
на
                                                         пукнатините (х158)
Изучаването на водопоглъщането на стъклопластите показва значителната им зависимост от времето на отлежаване (фиг.3).

Отлежаването във вода значително понижава механичните свойства на стъклопласта, Например, за 5 години престояване във вода границата на якостта на опън се понижава с 13 %, границата на якостта на натиск с 15, на якостта на огъване с 17, на модула на нормална еластичност с  6–10 % (фиг. 4).

Понижаването на механичните свойства и процесите на дифузия на водата спомагат за отслабването на адхезионната якост на стъклените влакна с полимерно свързващо вещество, в резултат на което влакното се оголва (фиг. 5, 6), горния слой на тъканта лесно се отделя от изделието, оголвайки следващия слой.

На напречния разрез на изделието (фиг. 7) може да се види разрушението на горния слой на стъклопласта, отслояването на свързващото вещество и парчета стъкло, образуването на пукнатини.

Водата се адсорбира на повърхността на хидрофилните оксиди (SiO2) във вид на хидроксилни групи и молекули, които се задържат от повърхностните хидроксили за сметка на водородните връзки, за което свидетелстват данните от спектроскопичните изследвания: честота на ивиците на поглъщане 3750 см-1, 3650 см-1. На върха на пукнатината или дефекта йоните на натрия или други катиони под действието на водата се подлагат на хидролиза, в резултат на която се образува метален хидроксид, който на свой ред предизвиква хидролиза на силоксановите връзки, като по този начин отслабва мрежестата структура на силициевия диоксид. Експериментално определената енергия за активация  (18,8 ккал/мол) се отъждествяваше с енергията за активация на дифузията на йона на натрия в масата на стъклото (20–25 ккал/мол). Пластическата деформация на стъклото в областта пред пукнатината е много малка, и вместо равномерно разпределение на напрежението се получава напукване на материала по отслабените центрове.

При силови въздействия стъклопластите имат тенденция към прогресиращо и необратимо повреждане. В някои случаи натоварването при възникване на повреди е едва 10 % от съответния статистически предел на якостта. В условия на опън първият признак на повреда се проявява във вид на отслояване на влакна от матрицата, разслояване до пълното разрушаване на образеца.

                                        Епоксиден стъклопластик

                                                                 t, денонощия
Фиг.3. Зависимост на водопоглъщането от времето на
престояване във вода при 20 ˚С
 

                                                                t, години
Фиг. 4. Изменение на относителната якост на
влажен стъклопласт

Към силовите полета на външните фактори следва да отнесем и влиянието на абразивните частици, присъстващи както във въздуха, така и във водата. Изследванията на този фактор свидетелстват за появата на абразивна ерозия, която се предизвиква от ударите на механичните частици, суспендирани във водата или въздуха. Стъклопластите са подложени на абразивно износване в значителна степен. По големина на обемното разрушаване при въздействие на въздушна струя с абразив стъклопластите превъзхождат въглеродната стомана и капрона 15–20 пъти. Изпитанията показват, че износоустойчивостта на полимерните материали се определя от тяхната еластичност: колкото по-малък е модула на еластичност и колкото по-голям е коефициентът на Поасон, толкова по-добре материалът се съпротивлява на ударите на абразивните частици (фиг. 8, 9).

При разглеждане на поведението на материала във вода трябва да кажем и за кавитацията. Кавитацията е една от основните причини за ерозивно разрушаване на стъклопласта. Явлението кавитация се състои в образуването във водния поток на разкъсвания на нееднородностите във вид на отделни мехури, кухини, „торбички”, пълни с въздух, газове, отделили се от водата и с водни пари, налягането на които намалява до налягането на наситена пара. В мястото на затваряне на кавитационната област честите хидравлични удари предизвикват механично разрушаване на материала, неговата ерозия.

Ниската кавитационна устойчивост е характерна за всички стъклопласти.

По този начин взаимодействието на водата и материала представлява сложна съвкупност от различни физически и химически процеси.
Преносът на вода на повърхността и във вътрешността на материала води не само да разтварянето на водата в него, но и предизвиква изменение на структурата на материала. Обикновено това е пластификация на материала и запълване на неговите микро- и макропори с вода, което понижава физикомеханичните свойства и обуславя разрушаването на материала. 
 
Изводи:

  • Водата понижава граничните стойности на издръжливост на стъклопластите. 
  • Характерът на разрушение на стъклопласта във вода е същия, като този на въздух, при въздействието на различни климатични фактори (УВ-лъчи, абразив, силови и температурни полета).
  • Предизвикваните от водата физикохимични процеси на дифузия и набъбване, хидролиза в стъклопласта започват от момента на влизането му в контакт с вода.
  • Стъклопластите се използват основно като конструктивни материали, минимално контактуващи с вода, както и в химическата промишленост, когато се извършва замяна на метала при производството на резервоари, тръби, въздухопроводи, апаратура, които се експлоатират в агресивни среди, към които е устойчив стъклопласта. От опита, придобит от експлоатацията на химическо оборудване, срокът за експлоатация на стъклопласта е 2–8 години в зависимост от условията.

  
Фиг. 5. Изменение на повърхността на стъклопластите
в процеса на стареене:
а – преди изпитанието; б – след изпитанието
 
 
Фиг. 6. Външен вид на образци на стъклопласт след 2,5 години изпитание под действието на климатични фактори (УВ-лъчи, вода, абразивно износване)
Фиг.7. Разрушение на повърхността на стъклопластите при стареене

Таблица 1. Кавитационна устойчивост на полимерните материали при изпитания на магнитострикционно табло в продължение на 6 часа



Таблица 2. Кавитационна устойчивост на полимерните материали при изпитания на интензифицирана инсталация от типа на тръбата на Вентури


Фиг.8. Абразивно износване на полимерните материали
в зависимост от скороста на потока
  
Стъклопласт                    Полиетилен