EN
Vliv vlhkosti na pryskyřičné systémy UD prepregu
Pryskyřiční systémy používané pro jednosměrné předimpregnované materiály (prepregy), jak epoxidové, tak fenolické, jsou vysoce hygroskopické a schopné absorbovat vlhkost, zejména při sklenité teplotě přechodu (Tg) těchto pryskyřičních systémů. Polymerové řetězce v pryskyřicích obsahují polární skupiny, které se vážou na vodu. To vede ke dvěma hlavním problematickým jevům: (i) plastifikaci pryskyřice způsobené vodou a (ii) k hydrolyze, tj. štěpení chemických vazeb v pryskyřičním systému způsobenému vodou. Významná absorpce vlhkosti (vyšší než 60 % relativní vlhkosti) probíhá během několika dnů v oblastech bohatých na pryskyřici mezi vlákny, což vede ke zvětšení objemu (roztažení) a napětím vyvolaným absorpcí vody v pryskyřici. Pryskyřice se změkčí a špatně se přilne k vláknům. V důsledku toho je narušen přenos zatížení přes rozhraní mezi pryskyřicí a vlákny. Tento jev je zvláště problematický u jednosměrných (UD) prepregů, protože pryskyřice je v nich koncentrována ve směru vláken.
Vlhkost podporuje potenciální místa poruchy již před zahájením tuhnutí. Výrobci musí tento riziko zmírnit během skladování a manipulace.
Difuzní dynamika: Mechanismus jednosměrné vláknové architektury a okolní vlhkosti
Unidirekční (UD) předimpregnovaný materiál absorbuje vodu mnohem rychleji než tkané materiály, a hlavním důvodem tohoto je způsob, jakým se vlhkost interaguje s vlákny. Protože jsou všechna vlákna zarovnána rovnoběžně, vznikají na rozhraních mezi vlákny a pryskyřicí mikrokanály. To umožňuje pohyb vlhkosti skrz svazky vláken rychlostí 3 až 5krát vyšší než u jejich pryskyřicových protějšků za stejných podmínek vlhkosti. Například při relativní vlhkosti 75 % začne UD předimpregnovaný materiál standardní tloušťky absorbovat vodu již po 8 hodinách, což je výrazně dříve než tkané materiály, které k tomu potřebují 2 dny. Tento jev je způsoben třemi hlavními faktory. Prvním je vyšší poměr objemu ke povrchu u rovných vláken v předimpregnovaném materiálu, což umožňuje účinnější přenos vlhkosti. Druhým je eroze svazků vláken, která zanechává za sebou kanály pro vlhkost a tím dále zvyšuje přenos vlhkosti skrz pryskyřici. Tyto podmínky rychle poškozují integritu předimpregnovaného materiálu. Cykly zahřívání a ochlazování vedou ke vzniku velmi malých proudů uvnitř svazků vláken, které urychlují erozi předimpregnovaného materiálu vlhkostí.
Mikroprázdniny, puchýře a odštěpování v jednosměrných předimpregnovaných laminátech
Vznik prázdnin způsobený vlhkostí (>0,3 hmotn. % → >15 % nárůst objemu prázdnin podle ASTM D2734)
Mikroprázdniny v kompozitních materiálech vznikají během procesu tuhnutí, kdy se vlhkost absorbovaná materiály přemění na páru a expanduje. Prázdniny mohou přesáhnout 15 % celkového objemu i při pouhém obsahu vlhkosti 0,3 hmotnostních procent. Tento stav je nepřijatelný podle leteckých norem ASTM D2734. Prázdniny dále způsobují zásadní problémy v rozhraních mezi pryskyřicí a vlákny, čímž dochází k nedostatku pryskyřice v těchto rozhraních a snižuje se nosná schopnost kompozitu. Jednosměrné předimpregnované materiály jsou citlivé na vlhkost a mají tendenci absorbovat vlhkost snadněji než jiné druhy předimpregnovaných kompozitních materiálů. Výrobci proto musí přísně udržovat úroveň relativní vlhkosti, aby zabránili nadměrnému vzniku prázdnin a zajistili, že předimpregnované kompozitní materiály nebudou zařazeny do výrobních odpadů.
Vady související s vulkanizací: puchýře a mezivrstevní oddělení způsobené vlhkostí
Když je vlhkost uvězněna v kompozitních materiálech, přítomnost vlhkosti způsobuje během autoklávování nárůst páry a tlaku, což vede k vzniku puchýřů v pryskyřici a oddělení vrstev. Data jsou jednoznačná: během autoklávování se u kompozitního prepregu s relativní vlhkostí vyšší než 75 % během laminace prepregu tvořily puchýře téměř dvakrát častěji než u kompozitního prepregu s relativní vlhkostí nižší než 30 % během laminace prepregu. Jakmile dojde k vytečení pryskyřice a oddělení vrstev, škodlivé mechanické napětí může tyto problémy dále zhoršit. Tyto problémy mají značný význam pro odolnost leteckých součástí proti únavě, neboť strukturální integrita leteckých součástí má rozhodující význam. Skladování a doprava prepregových materiálů ukazují, jak důležité je řízení suché místnosti, aby jednosměrné prepregové kompozity dosáhly ideálního výkonu po uvedení do provozu.
Skutečné důsledky: Dopady na poruchy v provozu a certifikace v leteckém průmyslu
Incident odštěpování křídlového potahu u letadla Airbus A350: Příčinou byl zjištěn vysoký obsah vlhkosti v jednosměrných předimpregnovaných materiálech (UD Prepreg)
Během provádění letových zkoušek jednoho z nejnověji vyvinutých letadel inženýři zaznamenali odštěpování povrchové vrstvy křídel způsobené příliš vysokou vlhkostí jednosměrné (UD) předimpregnované směsi. Co znamená „příliš vlhká“? Jednoduše: více než 0,4 hmotnostního procenta. Co se tedy stalo? UD předimpregnovaná směs utrpěla mikrotrhliny, které nejen způsobily odštěpování povrchové vrstvy, ale měly také vážné důsledky ve výši 200 milionů USD nákladů na přepracování konstrukce a zpoždění o 11 měsíců před získáním certifikace vyhovující bezpečnostnímu bulletinu EASA z roku 2022. Uvedená zpoždění ilustrují důležitost monitorování vlhkosti v předimpregnovaných směsích, aby se zabránilo nákladnému přepracování a regulačním zpožděním. Předimpregnované směsi vystavené nadměrné vlhkosti poškozují materiály a vyžadují nákladnou opětovnou kvalifikaci v souladu s požadavky FAA a EASA. Data týkající se panelů trupu letadla Boeing 787: expozice při relativní vlhkosti 75 % způsobuje dvojnásobné zvýšení vzniku puchýřů ve srovnání se skladováním za kontrolovaných podmínek s relativní vlhkostí <30 %.
Data zpřístupněná jedním významným výrobcem leteckých a kosmických technologií týkající se absorpce vlhkosti trupovými panely vykazují některé znepokojivé výsledky. Data ukazují, že panely vystavené relativní vlhkosti 75 % po dobu 48 hodin dosahují přibližně 32% obsahu dutin. UD předimpregnované materiály uložené při relativní vlhkosti pod 30 % mají 16 % dutin, což se považuje za nižší míru puchýřování souvisejícího s vlhkostí. Puchýřování související s vlhkostí je již považováno za nepřijatelné podle standardů letové způsobilosti, které podle normy SAE AIR 7292 vyžadují toleranci dutin 5 % u primárních konstrukčních prvků v trupu letadla. A samozřejmě to také znamená, že náklady na opravy se stanou nepřiměřeně vysoké. Dalším zajímavým zjištěním z dalších laboratorních prací je, že při každém zvýšení relativní vlhkosti o 10 % se bezpečná doba manipulace s předimpregnovanými materiály sníží přibližně o 15 hodin, což znamená dobu do chvíle, než dojde k nevratné degradaci pryskyřice způsobené teplem. Proto výkonná regulace vlhkosti v průmyslových výrobních prostředích výrazně rozšiřuje provozní rozsah.
Úspěšná kontrola vlhkosti pro UD předimpregnované materiály
Nejlepší metody: specifikace suché místnosti (ISO 12944-2), suché balíčky a reálný časový NIR
Kontrola kvality materiálů UD prepreg nebo dokonce jen udržování úrovně vlhkosti pod kontrolou je nezbytná. Například suché místnosti postavené tak, aby splňovaly nebo vyhovovaly normě ISO 12944-2, jsou schopny udržovat vlhkost na úrovni 30 % (RH) nebo nižší, čímž se zabrání rozkladu pryskyřice během manipulace. Kromě toho jsou vakuově balené indikátorové pásky s suchým prostředím schopny blokovat přibližně 95 % styku vzduchu s pryskyřicí ve srovnání se standardními fóliemi bránícími vlhkosti. Pro nepřetržité a neomezené měření obsahu vlhkosti v pryskyřici (nad 0,1 hmotnostních %) jsou k dispozici blízkovlnné infračervené (NIR) senzory vlhkosti, které vyvolají poplach při dosažení stanoveného prahu. Použití všech výše uvedených metod v kombinaci funguje mimořádně dobře a umožňuje snížit počet dutin o 80 % a zcela eliminovat vznik puchýřů během procesu tuhnutí. Toto je zvláště pozoruhodné s ohledem na důvěru, kterou výrobci získali ve své praxi skladování materiálů na základě studií zrychleného stárnutí prováděných v uměle vytvořených horkých a vlhkých prostředích, která reprezentují tropické podmínky.
Často kladené otázky
Jaký je hlavní problém s pryskyřičnými systémy UD předimpregnovaných materiálů?
Hlavním problémem s pryskyřičnými systémy UD předimpregnovaných materiálů je absorpce vlhkosti, která způsobuje plasticizaci a hydrolýzu a tím ohrožuje strukturální integritu materiálu.
Proč absorbuje UD předimpregnované materiály vlhkost více než tkané materiály?
Přímá uspořádání vláken v UD předimpregnovaných materiálech umožňují snazší pronikání vlhkosti než u tkaných materiálů. Navíc teplotní kolísání zhoršuje pronikání vlhkosti.
Jaké jsou důsledky příliš vysoké vlhkosti v UD předimpregnovaných materiálech?
Přebytek vlhkosti může způsobit vznik dutin, puchýřů a odštěpování vrstev, což vše ohrožuje strukturální integritu a může vést k katastrofálním poruchám.
Jak lze ovládat obsah vlhkosti v UD předimpregnovaných materiálech?
K ovládání hladiny vlhkosti lze využít suché místnosti, suché balení a sledování v reálném čase pomocí blízkého infračerveného záření.