EN
Η επίδραση της υγρασίας στα ρητίνης των συστημάτων UD prepreg
Τα συστήματα ρητίνης που χρησιμοποιούνται για τις μονοκατευθυντικές προπρεγκς, είτε εποξειδικά είτε φαινολικά, είναι εξαιρετικά υγροσκοπικά και απορροφούν υγρασία, ιδιαίτερα στη θερμοκρασία γυαλώδους μετάβασης (Tg) των συστημάτων ρητίνης. Οι πολυμερικές αλυσίδες στις ρητίνες περιέχουν πολικές ομάδες που δημιουργούν δεσμούς με το νερό. Αυτό οδηγεί σε δύο κύριες καταστάσεις που προκαλούν ανησυχία: (i) την πλαστικοποίηση της ρητίνης που προκαλείται από το νερό και (ii) την υδρόλυση, δηλαδή την κατάσπαση χημικών δεσμών στο σύστημα ρητίνης λόγω της παρουσίας νερού. Σημαντική απορρόφηση υγρασίας (πάνω από 60% σχετική υγρασία) συμβαίνει εντός λίγων ημερών στις περιοχές πλούσιες σε ρητίνη μεταξύ των ινών, με αποτέλεσμα διόγκωση και τάσεις που προκαλούνται από την απορρόφηση νερού στη ρητίνη. Η ρητίνη μαλακώνει και προσκολλάται κακώς στις ίνες. Ως αποτέλεσμα, η μεταφορά φόρτισης στη διεπιφάνεια ρητίνης-ίνας επηρεάζεται αρνητικά. Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό για τις μονοκατευθυντικές (UD) προπρεγκς, καθώς η ρητίνη είναι πιο συγκεντρωμένη κατά μήκος της κατεύθυνσης των ινών.
Η υγρασία προωθεί δυνητικά σημεία αστοχίας ακόμη και πριν από την έναρξη της σκλήρυνσης. Οι κατασκευαστές πρέπει να μειώσουν αυτό τον κίνδυνο κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης και της χειριστικής επεξεργασίας.
Δυναμική Διάχυσης: Ο Μηχανισμός της Μονοκατευθυντικής Αρχιτεκτονικής Ινών και της Υγρασίας του Περιβάλλοντος
Το προεμποτισμένο υλικό μονοκατευθυντικής (UD) διάταξης απορροφά νερό με πολύ υψηλότερο ρυθμό σε σύγκριση με τα υφασμένα υλικά, και ένας σημαντικός λόγος γι’ αυτό είναι ο τρόπος με τον οποίο η υγρασία αλληλεπιδρά με τις ίνες. Καθώς όλες οι ίνες είναι ευθυγραμμισμένες, δημιουργούνται μικροκανάλια στις διασταυρώσεις των ινών και της ρητίνης. Αυτό επιτρέπει τη μετακίνηση της υγρασίας μέσω των δεσμών ινών με ρυθμούς 3 έως 5 φορές υψηλότερους σε σύγκριση με τους αντίστοιχους ρυθμούς της ρητίνης, υπό τις ίδιες συνθήκες υγρασίας. Για παράδειγμα, σε σχετική υγρασία 75%, το προεμποτισμένο υλικό UD τυπικού πάχους θα αρχίσει να απορροφά νερό εντός 8 ωρών, πολύ νωρίτερα από τα υφασμένα υλικά, τα οποία θα χρειαστούν 2 ημέρες. Τρεις βασικοί παράγοντες συμβάλλουν σε αυτό το φαινόμενο. Ο πρώτος είναι ότι οι ευθείες ίνες του προεμποτισμένου υλικού έχουν υψηλότερο λόγο όγκου προς επιφάνεια, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική μετακίνηση της υγρασίας. Ο δεύτερος είναι ότι η διάβρωση των δεσμών ινών αφήνει πίσω υδροαγωγούς, οι οποίοι ενισχύουν περαιτέρω τη μετακίνηση της υγρασίας μέσω της ρητίνης. Αυτές οι συνθήκες οδηγούν γρήγορα στην υποβάθμιση της ακεραιότητας του προεμποτισμένου υλικού. Οι κύκλοι θέρμανσης και ψύξης θα οδηγήσουν στη δημιουργία πολύ μικρών ρευμάτων εντός των δεσμών ινών, τα οποία θα επιταχύνουν τη διάβρωση του προεμποτισμένου υλικού από την υγρασία.
Μικροκενώματα, φυσαλίδες και αποκόλληση σε μονοδιευθυντικά προπρεγκ (UD prepreg) στρώματα
Σχηματισμός κενωμάτων εξαιτίας της υγρασίας (>0,3 βαρ. % → >15% αύξηση του όγκου κενωμάτων, σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D2734)
Τα μικροκενώματα δημιουργούνται σε σύνθετα υλικά κατά τη διαδικασία σκλήρυνσης, όταν η υγρασία που έχει απορροφηθεί από τα υλικά μετατρέπεται σε ατμό και διαστέλλεται. Ο όγκος των κενωμάτων μπορεί να υπερβεί το 15% του συνολικού όγκου, ακόμη και για ποσοστά υγρασίας όσο χαμηλά όσο 0,3% κατά βάρος. Αυτή η κατάσταση θεωρείται απαράδεκτη σύμφωνα με τα αεροδιαστημικά πρότυπα ASTM D2734. Στη συνέχεια, τα κενώματα δημιουργούν σημαντικά προβλήματα στις διασυνδέσεις ρητίνης και ινών, προκαλώντας έλλειψη επαρκούς ρητίνης σε αυτές τις διασυνδέσεις και μείωση της δομικής ακεραιότητας του σύνθετου υλικού. Τα μονοδιευθυντικά προπρεγκ είναι ευαίσθητα στην υγρασία και τείνουν να απορροφούν υγρασία ευκολότερα από άλλα σύνθετα προπρεγκ. Κατά συνέπεια, οι κατασκευαστές πρέπει να διατηρούν τα επίπεδα σχετικής υγρασίας σε στενά όρια, προκειμένου να αποτρέψουν τον υπερβολικό σχηματισμό κενωμάτων και να διασφαλίσουν ότι τα προπρεγκ σύνθετων υλικών δεν καταλήγουν σε απορρίψεις κατά την παραγωγή.
Ελαττώματα Σχετιζόμενα με την Επεξεργασία: Φουσκώματα και Διαστρωματική Αποκόλληση Λόγω Υγρασίας
Ενώ η υγρασία εγκλωβίζεται στα σύνθετα υλικά, όταν υπάρχει υγρασία παρατηρείται αύξηση της ατμοπίεσης κατά τη διαδικασία αυτόκλαβης, με αποτέλεσμα τη δημιουργία φυσαλίδων στη ρητίνη και τον αποκόλληση των στρωμάτων. Τα δεδομένα είναι σαφή: κατά τη διαδικασία αυτόκλαβης, τα προ-εμποτισμένα σύνθετα υλικά (prepreg) με σχετική υγρασία μεγαλύτερη του 75% κατά την επίστρωση προ-εμποτισμένων στρωμάτων εμφάνισαν φυσαλίδες σχεδόν δύο φορές περισσότερο σε σύγκριση με τα προ-εμποτισμένα σύνθετα υλικά με σχετική υγρασία μικρότερη του 30% κατά την επίστρωση προ-εμποτισμένων στρωμάτων. Μόλις συμβεί η διαρροή ρητίνης και η αποκόλληση των στρωμάτων, επιβλαβείς μηχανικές τάσεις μπορούν να επιδεινώσουν αυτά τα προβλήματα. Αυτά τα προβλήματα έχουν σημαντική σημασία για την αντοχή σε κόπωση των αεροπορικών εξαρτημάτων, λόγω της κρίσιμης σημασίας της δομικής ακεραιότητας των αεροπορικών εξαρτημάτων. Η αποθήκευση και η μεταφορά των προ-εμποτισμένων υλικών καθιστούν σαφή την κρίσιμη σημασία της διαχείρισης χώρων με χαμηλή υγρασία για τη διασφάλιση της ιδανικής απόδοσης των μονοδιευθυντικών προ-εμποτισμένων σύνθετων υλικών κατά την εισαγωγή τους σε λειτουργία.
Πραγματικές Συνέπειες: Επιπτώσεις στις Αποτυχίες επι του πεδίου και στις Πιστοποιήσεις Αεροδιαστημικής Τεχνολογίας
Περιστατικό Αποκόλλησης της Επιφάνειας της Φτερωτής του Airbus A350: Η Αιτία Αναγνωρίστηκε ως Υψηλή Περιεκτικότητα Στο Νερό στο Μονοκατευθυντικό Προ-Εμποτισμένο Υλικό (UD Prepreg)
Κατά τη διεξαγωγή δοκιμών πτήσης για ένα από τα πιο πρόσφατα ανεπτυγμένα αεροσκάφη, οι μηχανικοί παρατήρησαν ότι η αποκόλληση του επιδέρματος των φτερών οφειλόταν στο γεγονός ότι το μονοδιευθυντικό (UD) προ-εμποτισμένο υλικό ήταν υπερβολικά υγρό. Τι σημαίνει «υπερβολικά υγρό»; Απλό: πάνω από 0,4 βαρυτικό % (wt%). Τι συνέβη λοιπόν; Το UD προ-εμποτισμένο υλικό υπέστη μικρορωγμές που όχι μόνο προκάλεσαν αποκόλληση του επιδέρματος, αλλά επίσης είχαν σοβαρές συνέπειες, με κόστος ανασχεδιασμού ύψους 200 εκατ. δολαρίων ΗΠΑ και καθυστερήσεις 11 μηνών πριν από την απόκτηση της πιστοποίησης σύμφωνα με το Δελτίο Ασφαλείας 2022 της EASA. Οι ανωτέρω αναφερόμενες καθυστερήσεις επιδεικνύουν τη σημασία της παρακολούθησης της υγρασίας στα προ-εμποτισμένα υλικά, προκειμένου να αποφευχθούν δαπανηροί ανασχεδιασμοί και καθυστερήσεις στη ρυθμιστική διαδικασία. Τα προ-εμποτισμένα υλικά που εκτίθενται σε υπερβολική υγρασία επηρεάζουν τα υλικά και καθιστούν αναγκαία την επαναπιστοποίηση σύμφωνα με τις υποχρεωτικές ρυθμιστικές διατάξεις της FAA και της EASA, η οποία συνεπάγεται σημαντικό κόστος. Δεδομένα πάνελ κυλινδρικού σώματος Boeing 787: η έκθεση σε σχετική υγρασία 75% διπλασιάζει τον αριθμό των φυσαλίδων σε σύγκριση με την ελεγχόμενη αποθήκευση σε σχετική υγρασία <30%.
Δεδομένα που έχουν καταστεί προσβάσιμα από έναν κύριο κατασκευαστή αεροδιαστημικών συστημάτων σχετικά με την απορρόφηση υγρασίας από τα πάνελ του καμπινιού παρουσιάζουν ορισμένα ανησυχητικά αποτελέσματα. Τα δεδομένα δείχνουν ότι τα πάνελ που εκτίθενται σε υγρασία 75% RH για 48 ώρες καταλήγουν με περίπου 32% ποσοστό κενών. Τα προ-εμποτισμένα υλικά UD (unidirectional) που αποθηκεύονται σε υγρασία κάτω του 30% RH καταλήγουν με 16% κενά, το οποίο θεωρείται λιγότερο συνδεδεμένο με φουσκώματα λόγω υγρασίας. Τα φουσκώματα που οφείλονται στην υγρασία θεωρούνται ήδη υπέρ των αποδεκτών ορίων σύμφωνα με τα πρότυπα αεροπορικής ασφάλειας, τα οποία, σύμφωνα με το πρότυπο SAE AIR 7292, απαιτούν ανοχή κενών 5% για τα κύρια δομικά στοιχεία εντός του καμπινιού. Και, φυσικά, αυτό σημαίνει επίσης ότι το κόστος επισκευής γίνεται ακριβές. Ένα άλλο ενδιαφέρον εύρημα από πρόσθετες εργαστηριακές μελέτες είναι ότι, για κάθε αύξηση της σχετικής υγρασίας κατά 10%, ο χρόνος ασφαλούς χειρισμού των προ-εμποτισμένων υλικών μειώνεται κατά περίπου 15 ώρες, πράγμα που σημαίνει ότι μειώνεται ο χρόνος πριν από την ανεπανόρθωτη υποβάθμιση της ρητίνης λόγω της θερμότητας. Γι’ αυτόν τον λόγο, στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις, η αποτελεσματική διαχείριση της υγρασίας βελτιώνει σημαντικά το εύρος λειτουργίας.
Επιτυχής Έλεγχος της Υγρασίας για UD Prepreg
Καλύτερες Μέθοδοι: Προδιαγραφές Ξηρού Δωματίου (ISO 12944-2), Σακούλες Αποξηραντικού και Πραγματικού Χρόνου NIR
Ο έλεγχος ποιότητας για τα υλικά UD prepreg ή ακόμα και ο απλός έλεγχος των επιπέδων υγρασίας είναι απαραίτητος. Για παράδειγμα, οι ξηρές αίθουσες που κατασκευάζονται για να πληρούν ή να συμμορφώνονται με τα πρότυπα ISO 12944-2 είναι σε θέση να διατηρούν την υγρασία σε επίπεδο ίσο ή κατώτερο του 30% (σχετική υγρασία) προκειμένου να αποτρέψουν την αποδόμηση της ρητίνης κατά τη χειριστική της. Επιπλέον, οι δείκτες υγρασίας με αποξηραντικό σε κενό συσκευασία είναι σε θέση να αποκλείσουν περίπου το 95% της επαφής με τον αέρα όσον αφορά τη ρητίνη, σε σύγκριση με τα τυπικά φιλμ εμπόδιου υγρασίας. Για συνεχή και αδιάλειπτη μέτρηση του περιεχομένου υγρασίας στη ρητίνη (πάνω από 0,1 βάρους %), διατίθενται αισθητήρες υγρασίας με πλησιέστερο υπέρυθρο (NIR), οι οποίοι εκπέμπουν συναγερμό όταν επιτευχθεί το καθορισμένο όριο. Η συνδυασμένη εφαρμογή όλων των παραπάνω μεθοδολογιών αποδεικνύεται εξαιρετικά αποτελεσματική, καθώς οδηγεί σε μείωση των κενών κατά 80% και πλήρη εξάλειψη των φυσαλίδων κατά τη διαδικασία σκλήρυνσης. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, λαμβάνοντας υπόψη την εμπιστοσύνη που έχουν αποκτήσει οι κατασκευαστές όσον αφορά τις πρακτικές αποθήκευσης των υλικών τους, με βάση μελέτες επιταχυνόμενης γήρανσης που διεξήχθησαν σε τεχνητά δημιουργημένα ζεστά και υγρά περιβάλλοντα, τα οποία αντιπροσωπεύουν τροπικές συνθήκες.
Συχνές ερωτήσεις
Ποια είναι η κύρια ανησυχία σχετικά με τα συστήματα ρητίνης UD prepreg;
Η κύρια ανησυχία σχετικά με τα συστήματα ρητίνης UD prepreg είναι η απορρόφηση υγρασίας, η οποία με τη σειρά της προκαλεί πλαστικοποίηση και υδρόλυση, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας του υλικού.
Γιατί τα UD prepreg απορροφούν περισσότερη υγρασία από τα υφασμένα υλικά;
Η ευθύγραμμη διάταξη των ινών στα UD prepreg επιτρέπει τη διείσδυση της υγρασίας ευκολότερα από ό,τι στα υφασμένα υλικά. Επιπλέον, οι μεταβολές της θερμοκρασίας επιδεινώνουν τη διείσδυση της υγρασίας.
Ποιες είναι οι επιπτώσεις της υπερβολικής υγρασίας στα UD prepreg;
Η υπερβολική υγρασία μπορεί να προκαλέσει κενά, φυσαλίδες και αποκόλληση των στρωμάτων, γεγονότα που όλα υπονομεύουν τη δομική ακεραιότητα και μπορούν να οδηγήσουν σε καταστροφικές αστοχίες.
Πώς μπορεί να ελεγχθεί η υγρασία στα UD prepreg;
Για τον έλεγχο των επιπέδων υγρασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ξηρά δωμάτια, συσκευασία με αποξηραντικά και παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο με μέσων υπερύθρων.