EN
De invloed van vocht op UD-prepreg-harssystemen
De harssystemen die worden gebruikt voor unidirectionele prepregs, zowel epoxi- als fenolharsen, zijn zeer hygroscopisch en absorberen vocht, met name bij de glasovergangstemperatuur (Tg) van de harssystemen. De polymeerketens in de harsen bevatten polaire groepen die zich binden aan water. Dit leidt tot twee belangrijke problematische situaties: (i) watergeïnduceerde plasticisatie van de hars en (ii) hydrolyse, oftewel de door water veroorzaakte breuk van chemische bindingen in het harssysteem. Aanzienlijke vochtabsorptie (meer dan 60% relatieve vochtigheid) vindt plaats binnen enkele dagen in de harsrijke gebieden tussen de vezels, wat leidt tot opzwellen en spanningen die worden veroorzaakt door de waterabsorptie in de hars. De hars wordt zachter en hecht slechter aan de vezels. Als gevolg hiervan wordt de belastingsoverdracht over de hars-vezelinterface aangetast. Dit is met name problematisch voor UD-prepregs, omdat de hars meer geconcentreerd is in de richting van de vezels.
Vocht bevordert potentiële foutpunten, zelfs voordat de uitharding begint. Fabrikanten moeten dit risico tijdens opslag en verwerking beperken.
Diffusiedynamica: Het mechanisme van unidirectionale vezelarchitectuur en omgevingsvochtigheid
Unidirectioneel (UD) prepreg neemt water veel sneller op dan geweven materialen, en een belangrijke reden hiervoor is de manier waarop vocht met de vezels interageert. Omdat alle vezels recht zijn uitgelijnd, ontstaan er microkanalen op de aansluitingen tussen vezel en hars. Dit maakt het mogelijk dat vocht zich door de vezelbundels verplaatst met snelheden die 3 tot 5 keer hoger zijn dan die van hun harscounterparts onder dezelfde vochtigheidsomstandigheden. Bijvoorbeeld bij een relatieve vochtigheid van 75 % begint het UD-prepreg van standaarddikte binnen 8 uur water op te nemen, lang voordat geweven materialen dit doen, wat 2 dagen duurt. Drie hoofdfactoren dragen bij aan dit verschijnsel. De eerste is dat de rechte vezels in het prepreg een hogere verhouding hebben van volume ten opzichte van oppervlakte, waardoor vochtverplaatsing efficiënter verloopt. De tweede is dat de erosie van de vezelbundels vochtleidingen achterlaat, wat de vochtverplaatsing door de hars verder vergemakkelijkt. Deze omstandigheden leiden snel tot een verslechtering van de integriteit van het prepreg. Cycli van verwarmen en afkoelen veroorzaken de vorming van zeer kleine stromingen binnen de vezelbundels, wat de vochtgerelateerde erosie van het prepreg versnelt.
Microholten, blaren en ontlaaggingen in UD-prepreglaminaat
Door vocht geïnduceerde holtevorming (>0,3 gew.% → >15% stijging van het holtevolume, volgens ASTM D2734)
Microholten ontstaan in composietmaterialen tijdens het uithardingsproces wanneer het door de materialen opgenomen vocht verdampt en uitdijt. Holten kunnen meer dan 15% van het totale volume beslaan, zelfs bij vochtgehaltes van slechts 0,3 gewichtsprocent. Deze toestand is onaanvaardbaar volgens de lucht- en ruimtevaartnormen ASTM D2734. Vervolgens veroorzaken de holten essentiële problemen bij de verbindingen tussen hars en vezels, waardoor deze verbindingen onvoldoende hars ontvangen en de structurele integriteit van het composiet afneemt. Unidirectionele prepregmaterialen zijn gevoelig voor vocht en nemen vocht gemakkelijker op dan andere composietprepregmaterialen. Fabrikanten moeten daarom de relatieve vochtigheid nauwkeurig controleren om overmatige holten te voorkomen en ervoor te zorgen dat composietprepregmaterialen geen productieafkeuring opleveren.
Kuurgerelateerde gebreken: Blarenvorming en interlaminaire scheiding door vocht
Terwijl vocht wordt opgesloten in composietmaterialen, leidt aanwezig vocht tijdens autoclaveren tot een toename van stoom en druk, wat resulteert in blaarvorming van de hars en scheiding van lagen. De gegevens zijn duidelijk: tijdens autoclaveren vertoonde composietprepreg met meer dan 75% relatieve vochtigheid tijdens de prepreg-laminering bijna tweemaal zoveel blaarvorming als composietprepreg met minder dan 30% relatieve vochtigheid tijdens de prepreg-laminering. Zodra harsuitscheiding en laagscheiding optreden, kunnen schadelijke mechanische spanningen deze problemen verergeren. Deze problemen zijn van groot belang voor de vermoeiingsweerstand van vliegtuigcomponenten, gezien het cruciale belang van structurele integriteit bij vliegtuigcomponenten. Opslag en transport van prepregmaterialen onderstrepen hoe essentieel droogruimtebeheer is om te waarborgen dat unidirectionele prepregcomposieten optimale prestaties leveren wanneer zij in gebruik worden genomen.
Echte-levensgevolgen: Impact op veldmislukkingen en luchtvaartcertificeringen
Afbladderingsincident van de vleugelhuid van de Airbus A350: Oorzaak geïdentificeerd als hoog vochtgehalte in UD-prepreg
Tijdens het uitvoeren van vluchttests voor een van de nieuwste ontwikkelde vliegtuigen constateerden ingenieurs dat de huidafschilfering van de vleugels werd veroorzaakt doordat de unidirectionele (UD) prepreg te vochtig was. Wat betekent 'te vochtig'? Eenvoudig: boven de 0,4 gewichtsprocent. Wat gebeurde er dus? De UD-prepreg vertoonde microkristallen die niet alleen leidden tot afschilfering van de huid, maar ook ernstige gevolgen hadden, met herontwerpkosten van ongeveer 200 miljoen dollar en vertragingen van 11 maanden voordat de certificering conform het EASA-veiligheidsbulletin 2022 kon worden verkregen. Dergelijke genoemde vertragingen illustreren het belang van het bewaken van het vochtgehalte in prepregs om kostbare herontwerpen en regelgevingsvertragingen te voorkomen. Prepregs die aan excessief vocht zijn blootgesteld, beïnvloeden de materialen en vereisen daarom een duur herkwalificatieproces om te voldoen aan de door de FAA en EASA opgelegde regelgevende eisen. Gegevens over de rompplaten van de Boeing 787: blootstelling aan 75% RV verdubbelt het blaren ten opzichte van gecontroleerde opslag bij <30% RV.
Gegevens die door één grote lucht- en ruimtevaartfabrikant beschikbaar zijn gesteld over de vochtopname van romppanelen leveren enkele alarmerende resultaten op. De gegevens wijzen uit dat panelen die gedurende 48 uur aan een relatieve vochtigheid van 75% zijn blootgesteld, uiteindelijk ongeveer 32% leegtepercentage vertonen. UD-prepreg dat wordt opgeslagen bij een relatieve vochtigheid onder de 30% vertoont 16% leegtes, wat wordt beschouwd als minder vochtgerelateerde blisters. Vochtgerelateerde blisters worden reeds beschouwd als buiten de aanvaardbare grenzen volgens de luchtwaardigheidsnormen, die volgens de SAE AIR 7292-normen een tolerantie van 5% leegte toestaan voor primaire structurele componenten binnen een romp. En natuurlijk betekent dit ook dat de reparatiekosten buitensporig hoog worden. Een andere interessante bevinding uit aanvullend laboratoriumonderzoek is dat bij elke stijging van 10% in relatieve vochtigheid de veilige verwerkingstijd van prepregmaterialen met ongeveer 15 uur afneemt, wat betekent dat de tijd vóór de onomkeerbare degradatie van de hars door warmte korter wordt. Daarom verbetert effectief vochtbeheer in productieomgevingen het werkgebied aanzienlijk.
Geslaagde vochtbeheersing voor UD-prepreg
Beste methoden: specificaties voor droogruimtes (ISO 12944-2), droogmiddelverpakkingen en real-time NIR
Kwaliteitscontrole voor UD-prepregmaterialen of zelfs alleen het in de hand houden van vochtgehaltes is van essentieel belang. Bijvoorbeeld: droogruimtes die zijn gebouwd om te voldoen aan of te compliëren met de norm ISO 12944-2, kunnen de luchtvochtigheid op of onder de 30% (RV) houden om een afbraak van het hars tijdens verwerking te voorkomen. Daarnaast kunnen vacuümverpakte desiccant-vochtindicatiestrips ongeveer 95% van het luchtcontact met het hars blokkeren, vergeleken met standaard vochtafsluitende folies. Voor continue, onbelemmerde meting van het vochtgehalte van hars (boven 0,1 gew.%), zijn nabij-infrarood (NIR) vochtsensoren beschikbaar die een alarm geven bij de ingestelde drempelwaarde. Het combineren van alle bovengenoemde methodologieën werkt uitzonderlijk goed en leidt tot een vermindering van holtes met 80% en volledige eliminatie van blaren tijdens het uithardingsproces. Dit is bijzonder opmerkelijk gezien het vertrouwen dat fabrikanten hebben gekregen in hun materiaalopslagpraktijken, gebaseerd op versnelde ouderingsstudies die zijn uitgevoerd in kunstmatig gecreëerde warme en vochtige omgevingen die representatief zijn voor tropische omstandigheden.
Veelgestelde vragen
Wat is de voornaamste zorg met betrekking tot UD-prepregharsystemen?
De voornaamste zorg met betrekking tot UD-prepregharsystemen is de opname van vocht, wat op zijn beurt plasticisatie en hydrolyse veroorzaakt en de structurele integriteit van het materiaal vermindert.
Waarom nemen UD-prepregs meer vocht op dan geweven materialen?
De rechte vezelconstructie van UD-prepregs laat vochtgemakkelijker doordringen dan bij geweven materialen. Bovendien verergeren temperatuurschommelingen de vochtinfiltratie.
Wat zijn de gevolgen van te veel vocht in UD-prepregs?
Te veel vocht kan holtes, blaren en ontlaaggingen veroorzaken, waardoor de structurele integriteit wordt aangetast en catastrofale storingen kunnen optreden.
Hoe kan vocht worden beheerd in UD-prepregs?
Het gebruik van droogruimtes, vochtvrije verpakkingen en real-time bewaking met nabij-infrarood kan worden ingezet om vochtgehaltes te beheersen.