Обзор долговечности композитных профилей из пултрудированного стеклопластика (1)

Сначала о композитных пултрудированных профилях
Так называемые армированные волокном композиты (Fiber Reinforced-Polymer Composites, сокращенно FRP или композитные материалы) – это композитные материалы, образованные армирующими волокнами (стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно и т.д.) и матричными материалами путем намотки, формовки или пултрузии и т.д. Пултрудированные профили FRP – это длинные изделия из FRP, непрерывно производимые методом пултрузии. Пултрудированные профили из стеклопластика – это длинные изделия из стеклопластика, непрерывно производимые методом пултрузии.

Стеклопластик подразделяется на множество типов в соответствии с различными волокнами и матричными материалами, и хотя существуют некоторые различия в их свойствах, они, как правило, легкие и высокопрочные, и имеют значительные преимущества в области строительства, транспорта и производства.
История применения FRP в гражданском строительстве относительно коротка, и существующие исследования показали, что механические свойства FRP будут демонстрировать различные степени снижения при длительном воздействии окружающей среды, поэтому изучение его долговечности будет непосредственно влиять на проектирование и использование FRP, но также имеет важное значение для будущего продвижения FRP материалов.
Гражданские инженерные сооружения часто имеют расчетный срок службы до нескольких десятилетий, в то время как испытания на долговечность стеклопластика в лабораторных условиях могут проводиться только в течение десятков месяцев. Поэтому для проверки долговечности стеклопластика часто проводят испытания на ускоренное старение в испытательных камерах в течение ограниченного периода времени, чтобы смоделировать работу стеклопластика через десятилетия. Факторы, которые играют решающую роль в старении стеклопластика, такие как ветер и дождь в природе, это: погружение в воду/влажность, погружение в щелочные растворы, погружение в кислотные растворы, высокие/низкие температуры, УФ-излучение, циклы замораживания/оттаивания, циклы влажности/сухости и их совместное воздействие.
Начиная с 1970-х годов, было проведено множество соответствующих испытаний, которые можно обобщить следующим образом:
> Условия раствора: стеклопластик сильно разрушается в условиях погружения в воду. Попадание воды приводит к разрушению границы раздела между волокном и смолой, тем самым влияя на механические свойства FRP; увеличение времени погружения, щелочная среда и высокая температура окружающей среды усугубляют коррозию материала соединения.
>Эффект растворения в воде: эффект растворения воды на FRP зависит от многих аспектов, таких как температура, пористость и т.д..
>Эффект внешнего напряжения: В краткосрочной перспективе волокна распрямляются под воздействием внешнего напряжения, что способствует повышению прочности стеклопластика; однако в долгосрочной перспективе приложенное напряжение увеличивает водопоглощение стеклопластика, что приводит к ускоренному старению материала.
>Высокая температура: Высокая температура оказывает значительное влияние на прочность на сжатие, потерю массы и ударную прочность FRP.
>Низкая температура: влияние простой низкой температуры невелико, но во влажной среде сочетание низкой температуры и проникновения воды может привести к образованию трещин внутри стеклопластика, а также к межфазному разделению волокон и смолы, что негативно сказывается на долговечности материала.
>Природная среда: стеклопластик в естественных условиях часто подвергается воздействию различных условий окружающей среды. Сочетание температуры, воды и ультрафиолетовых лучей может привести к увеличению модуля упругости в результате послеотверждения стеклопластика, в то время как эрозия морской воды часто является более серьезной проблемой, чем на суше.
> Факторы испытаний: мировые испытания стеклопластика на долговечность имеют значительный разброс, поэтому трудно сделать обобщенный вывод непосредственно по результатам испытаний. разброс характеристик стеклопластиковых материалов в основном отражается в:
1. сложность механизма старения, при котором коррозия стеклопластика может происходить в смоле, на границе смола-волокно и в волокнах;
2. разнообразие волокон и смол, различные FRP часто состоят из различных комбинаций и соотношений волокон и смол, поэтому результаты испытаний будут отличаться;
3. различные процессы производства стеклопластика приводят к различиям в содержании волокон в материале, организационной структуре материала и так далее, что влияет на механические свойства и долговечность материала.
Так в чем же заключается долговечность стеклопластиковых пултрудированных профилей, о которой мы все заботимся?

Во-вторых, механизм старения
Поскольку стеклопластик будет стареть в окружающей среде, как происходит старение?
Существуют как внешние, так и внутренние причины старения, и механизм старения отличается под действием различных факторов.

1. Механизм старения в условиях погружения в воду/влагу

>Волокна: Неорганические волокна, такие как углеродные и стеклянные, не поглощают воду, но микротрещины, вызванные тем, что смола поглощает воду, расширяются на границе смола-волокно, что в конечном итоге приводит к растрескиванию волокон. Органические волокна поглощают воду, что непосредственно приводит к расширению и растрескиванию волокон.
>Смоляная матрица: Вода из окружающей среды проникает в стеклопластик в основном за счет инфильтрации и капиллярных явлений. Проникновение воды приводит к разбуханию смолы и образованию микротрещин. Кроме того, проникновение воды вызывает пластификацию и гидролиз материала, что приводит к его размягчению и т.д. При высыхании пластификация материала частично обратима, но гидролиз необратим и приводит к необратимому повреждению материала.
>Интерфейс между волокнами и смоляной матрицей: интерфейс обеспечивает удобный канал для проникновения воды, и эффект канала более выражен для стеклопластиковых материалов с плохим качеством интерфейса. Вода, поглощенная на границе раздела волокна и матрицы, вызывает разбухание границы и распространение микротрещин. Кроме того, происходит отслаивание волокон от матрицы, а некоторые материалы матрицы могут растворяться в воде, проникающей в межфазное пространство, что непосредственно снижает прочность стеклопластика на сдвиг между слоями.
>Влияние проникновения воды: Попадание воды в матрицу смолы и на границу между волокнами и матрицей может привести к дальнейшему расширению первоначальных трещин и образованию новых трещин и пустот, тем самым обеспечивая поступление дополнительного количества воды в стеклопластиковый материал и усугубляя механизм деградации. Проникновение воды влияет на свойства, преобладающие в волокнах, т.е. на растяжение, и значительно снижает свойства, преобладающие в матрице и интерфейсе, т.е. свойства на изгиб и сдвиг.

незаконченные дела, продолжение на следующей странице