Miksi UD-prepregiä tulisi säilyttää kosteudelta suojattuna käytön aikana?

Kosteuden vaikutus UD-prepregin hartseihin

Yksisuuntaisiin esikastelutuotteisiin käytetyt resiinijärjestelmät, sekä epoksi- että fenoliresiinit, ovat erittäin kosteudenimeytyviä ja kosteuden imeviä, erityisesti resiinijärjestelmien lasimuovitilassa (Tg). Resiinien polymeeriketjuissa on poolisia ryhmiä, jotka muodostavat sidoksia veden kanssa. Tämä johtaa kaikkiin seuraaviin huolenaiheisiin: (i) veden aiheuttamaan resiinin pehmenemiseen (plastisoitumiseen) ja (ii) hydrolyysiin, joka tarkoittaa veden aiheuttamaa kemiallisten sidosten katkeamista resiinijärjestelmässä. Merkittävää kosteuden imeytymistä (yli 60 % suhteellinen ilmankosteus) tapahtuu muutamassa päivässä resiinipitoisissa alueissa kuidun välissä, mikä johtaa turpoamiseen ja veden imeytymisen aiheuttamiin jännityksiin resiinissä. Resiini pehmenee ja tarttuu huonosti kuiduihin. Tämän seurauksena kuorman siirtyminen resiini–kuitu -rajapinnan yli heikkenee. Tämä on erityisen ongelmallista yksisuuntaisille esikastelutuotteille, koska resiini on keskittynyt enemmän kuidun suuntaan.

Kosteus edistää mahdollisia vikaantumiskohtia jo ennen kovettumisen aloittamista. Valmistajien on lievennettävä tätä riskiä varastoinnin ja käsittelyn aikana.

Diffuusiodynamiikka: yksisuuntaisen kuiturakenteen ja ympäröivän kosteuden mekanismi

Yksisuuntainen (UD) esikäsitelty materiaali (prepreg) imee vettä huomattavasti nopeammin kuin kudottu materiaali, ja tämän suurin syy on kosteuden vuorovaikutus kuiduille. Kun kaikki kuidut ovat suorassa linjassa, muodostuvat mikrokanavat kuidun ja hartsin liitospisteissä. Tämä mahdollistaa kosteuden liikkumisen kuidun ryhmien läpi nopeudella, joka on 3–5-kertainen verrattuna vastaavaan hartsaan samojen ilmastollisten olosuhteiden vallitessa. Esimerkiksi 75 %:n suhteellisessa ilmankosteudessa standardipaksuisen UD-esikäsitellyn materiaalin (prepreg) veden imeytyminen alkaa 8 tunnin sisällä, paljon ennen kudottuja materiaaleja, joiden tapauksessa tämä kestää kaksi päivää. Kolme päätekijää vaikuttavat tähän ilmiöön. Ensimmäinen on se, että esikäsitellyssä materiaalissa suorat kuidut ovat suuremmalla tilavuuden suhteessa pinta-alaan, mikä mahdollistaa tehokkaamman kosteuden liikkumisen. Toiseksi kuidun ryhmien kuluminen jättää jälkeensä kosteuden johtavia kanavia, mikä edistää entisestään kosteuden liikkumista hartsan läpi. Nämä olosuhteet heikentävät esikäsitellyn materiaalin (prepreg) rakenteellista eheytä nopeasti. Lämpötilan nousu- ja laskukierrokset aiheuttavat pieniä virtoja kuidun ryhmien sisällä, mikä kiihdyttää esikäsitellyn materiaalin (prepreg) kosteuskulumausta.

Mikrotyhjiöt, kuplat ja delaminaatiot yksisuuntaisissa esikäsitellyissä kerrosmateriaaleissa

Kosteudesta johtuva tyhjiöiden muodostuminen (>0,3 paino-% → >15 % ↑ tyhjiötilavuus, ASTM D2734 -standardin mukaan)

Mikrotyhjiöt muodostuvat komposiittimateriaaleissa kovettumisprosessin aikana, kun materiaaliin imeytynyt kosteus muuttuu höyryksi ja laajenee. Tyhjiöt voivat kattaa jopa yli 15 % kokonaistilavuudesta jo silloin, kun kosteuden määrä on vain 0,3 painoprosenttia. Tämä tila ei ole hyväksyttävissä ilmailualan standardeissa (ASTM D2734). Tyhjiöt aiheuttavat sen jälkeen olennaisia ongelmia resiinin ja kuidun liitoksissa, mikä johtaa riittämättömään resiinin saantiin kyseisissä liitoksissa ja heikentää komposiittimateriaalin rakenteellista kestävyyttä. Yksisuuntaiset esikäsitellyt materiaalit ovat kosteudelle herkkiä ja ne imeytyvät helpommin kosteutta kuin muut komposiittiesikäsitellyt materiaalit. Valmistajien on siksi pidettävä suhteellista kosteutta tiukasti hallinnassa estääkseen liiallisten tyhjiöiden muodostumisen ja varmistaakseen, että komposiittiesikäsitellyt materiaalit eivät muodostu tuotantohylkäyksiksi.

Kuivaukseen liittyvät viat: ilmakuplat ja kerrosten välinen erottuminen kosteuden vuoksi

Kun kosteus on jäänyt komposiittimateriaalien sisään, kosteuden läsnä ollessa höyryn ja paineen määrä kasvaa autoklaavikäsittelyn aikana, mikä johtaa pinnan kuplautumiseen ja kerrosten erottumiseen. Tiedot ovat selkeitä: autoklaavikäsittelyn aikana kuplautumista esiintyi lähes kaksi kertaa enemmän sellaisessa komposiittiprepregissä, jonka suhteellinen kosteus oli yli 75 % prepreg-kerrostuksen aikana verrattuna komposiittiprepregiin, jonka suhteellinen kosteus oli alle 30 % prepreg-kerrostuksen aikana. Kun resiinin vuoto ja kerrosten erottuminen ovat kerran tapahtuneet, haitallisesti vaikuttavat mekaaniset jännitykset voivat pahentaa näitä ongelmia. Nämä ongelmat ovat merkittävän tärkeitä lentokoneosien väsymisvastuksesta johtuen rakenteellisen eheytteen kriittisestä merkityksestä lentokoneosissa. Prepreg-materiaalien varastointi ja kuljetus osoittavat, kuinka ratkaisevan tärkeää kuivahuoneen hallinta on varmistaakseen, että yksisuuntaiset prepreg-komposiitit toimivat mahdollisimman hyvin käyttöön otettaessa.

Todelliset seuraukset: Vaikutukset kenttävialoihin ja ilmailutodistuksiin

Airbus A350 -siiven ulkokuoren irtoamistapaus: Syy tunnistettu yksisuuntaisen esikastetun materiaalin korkeaksi kosteuspitoisuudeksi

Kun yhtä viimeisimmistä kehitetyistä lentokoneista suoritettiin lentokokeita, insinöörit huomasivat, että siiven kantavan rakenteen (skin) kerrostuminen oli irronnut, koska yksisuuntainen (UD) esikäsitelty materiaali (prepreg) oli liian kostea. Mitä tarkoittaa liian kostea? Yksinkertaisesti: yli 0,4 painoprosenttia. Mitä sitten tapahtui? UD-esikäsitelty materiaali sai mikrorakojen, jotka eivät ainoastaan aiheuttaneet kantavan rakenteen kerrostumisen irtoamisen, vaan johtivat vakaviin seurauksiin, joiden arvioitu uudelleensuunnittelukustannus oli 200 miljoonaa dollaria ja myöhästys 11 kuukautta ennen EASA:n vuoden 2022 turvallisuusilmoituksen mukaisen hyväksynnän saamista. Tällaiset mainitut myöhästykset korostavat kosteuden seurannan tärkeyttä esikäsitellyissä materiaaleissa, jotta voidaan välttää kalliita uudelleensuunnitteluita ja sääntelyviranomaisten aiheuttamia myöhästymiä. Liialliseen kosteuteen altistuneet esikäsitellyt materiaalit vaikuttavat materiaalien ominaisuuksiin ja aiheuttavat tarpeen suorittaa FAA:n ja EASA:n vaatima kallis uudelleenhyväksyntä sääntelyvaatimusten täyttämiseksi. Boeing 787:n rungon paneelidata: 75 %:n suhteellinen kosteus lisää kuplia muodostumista kaksinkertaisesti verrattuna ohjattuun säilytykseen, jossa suhteellinen kosteus on alle 30 %.

Yhden suuren ilmailualan valmistajan julkistamat tiedot kotelolevyjen kosteuden absorptiosta antavat joitakin hälyttäviä tuloksia. Tiedot osoittavat, että 75 %:n suhteellisella kosteudella 48 tuntia altistettujen levyjen tyhjätilaprosentti on noin 32 %. UD-esivalmisteita, jotka on säilytetty alle 30 %:n suhteellisessa kosteudessa, on 16 %:n tyhjätila, mikä pidetään vähemmän kosteuteen liittyvänä kuplanmuodostumisena. Kosteuteen liittyvä kuplanmuodostuminen on jo ilmanvarmuusstandardien mukaan hyväksytyn rajan yläpuolella, sillä SAE AIR 7292 -standardien mukaan kotelon ensisijaisiin rakenteellisiin komponentteihin sovelletaan 5 %:n tyhjätilasallistusta. Ja tietenkin tämä tarkoittaa myös sitä, että korjauskustannukset kasvavat erinomaisen korkeiksi. Toisesta mielenkiintoisesta laboratoriotutkimuksesta ilmenee, että jokainen 10 %:n suhteellisen kosteuden nousu vähentää esivalmisteiden turvallista käsittelyaikaa noin 15 tunnilla, mikä tarkoittaa aikaa ennen kuin harmaa hajoaa lämmön vaikutuksesta peruuttamattomasti. Siksi teollisissa valmistusympäristöissä tehokas kosteusohjaus parantaa merkittävästi käyttöaluetta.

Onnistunut kosteuden hallinta UD-esikäsiteltyyn materiaaliin

Parhaat menetelmät: kuivahuoneen määrittelyt (ISO 12944-2), kuivaimet ja reaaliaikainen NIR

Laadunvalvonta UD-esikäsiteltyjen materiaalien osalta tai jopa pelkän kosteustasojen säätäminen on välttämätöntä. Esimerkiksi kuivatilat, jotka on rakennettu täyttämään tai noudattamaan ISO 12944-2 -standardia, pystyvät pitämään ilmankosteuden 30 %:n (suhteellisen kosteuden) tai sen alapuolella estääkseen hartsin hajoamisen käsittelyn aikana. Lisäksi tyhjiöpakattujen kuivaimien kosteusindikaattoriliuskojen avulla voidaan estää noin 95 %:n ilmakosketus hartsin kanssa verrattuna tavallisiin kosteussuojakalvoihin. Jatkuvaa ja rajoittamatonta hartsin kosteuspitoisuuden mittausta (yli 0,1 painoprosenttia) varten on saatavilla lähinfrapuna- (NIR) kosteusantureita, jotka antavat hälytyksen rajan ylittyessä. Kaikkien edellä mainittujen menetelmien yhdistetty käyttö toimii erinomaisesti ja vähentää kuplia 80 %:lla sekä poistaa kuplat täysin kovettumisprosessin aikana. Tämä on erityisen merkityksellistä ottaen huomioon valmistajien saavuttama luottamus materiaalien varastointikäytäntöihinsä kiihdytettyjä ikääntymistutkimuksia käyttäen keinotekoisesti luotuja kuumia ja kosteita ympäristöjä, jotka edustavat trooppisia olosuhteita.

UKK

Mikä on päähuolenaihe UD-valmiiksi kyllästettyjen hartsijärjestelmien kanssa?

Päähuolenaihe UD-valmiiksi kyllästettyjen hartsijärjestelmien kanssa on kosteuden absorboituminen, mikä puolestaan aiheuttaa pehmentymisen ja hydrolyysin, joista seuraa materiaalin rakenteellisen eheytteen heikkeneminen.

Miksi UD-valmiiksi kyllästetyt materiaalit absorboivat kosteutta enemmän kuin kudottuja materiaaleja?

UD-valmiiksi kyllästettyjen materiaalien suorat kuidut mahdollistavat kosteuden tunkeutumisen helpommin kuin kudotut materiaalit. Lisäksi lämpötilan vaihtelut pahentavat kosteuden tunkeutumista.

Mitkä ovat liiallisen kosteuden vaikutukset UD-valmiiksi kyllästettyihin materiaaleihin?

Liiallinen kosteus voi aiheuttaa tyhjiöitä, kuplia ja kerrosten irtoamista, mikä kaikki heikentää materiaalin rakenteellista eheyttä ja voi johtaa katastrofaalisia vikoja.

Miten kosteutta voidaan hallita UD-valmiiksi kyllästetyissä materiaaleissa?

Kosteuden tasoa voidaan hallita käyttämällä kuivahuoneita, kuiva-aineella varustettuja pakkausmateriaaleja sekä lähinfrapun reaaliaikaista seurantaa.