Как правильно хранить углеродное волокно в течение длительного времени?

Температура и относительная влажность должны оставаться постоянными (20–25 °C, 30–50 % относительной влажности)

Для предотвращения молекулярного разрушения углеволоконных материалов крайне важно поддерживать внешние факторы в заданных пределах. Эти факторы должны способствовать сохранению химической структуры смолы и одновременно контролировать поглощение смолы углеволокнами. Температура должна оставаться в диапазоне от 20 до 25 °C (от 68 до 77 °F), а относительная влажность — в диапазоне от 30 до 50 %. При значительных и частых колебаниях температуры более чем на 2 °C волокна и смола подвергаются хемореологическому расширению и сжатию, что усиливает образование микротрещин. Уровень влажности также влияет на химический состав материалов. Канадские пружины (Canadian Springs) служат примером климатической камеры, в которой влажность циклически изменяется в рабочем диапазоне от 40 % до 70 % относительной влажности (RH); при этом было установлено, что прочность материалов на растяжение снижается почти на 18 %. В противоположном конце диапазона влажности материалы, подвергаемые воздействию RH <30 %, склонны к химическому высыханию и охрупчиванию. Многие связующие агенты в системах смол представляют собой термореактивные полимеры, которые также могут химически деградировать при воздействии горячей и сухой среды.

Для поддержания оптимальных условий хранения в течение всего года требуется хорошо спроектированная система климат-контроля для складских помещений, включающая полностью интегрированную автоматизированную систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, полностью откалиброванные и полностью автоматизированные регистраторы данных, а также регулярные проверки системы климат-контроля.

Почему замораживание или охлаждение повреждает смолистые системы и сокращает срок их годности

Существует распространенное заблуждение, что хранение материалов из углеродного волокна в морозильной камере или холодильнике сохраняет их качество. В большинстве случаев материал из углеродного волокна, хранившийся в морозильной камере или холодильнике, повреждается, включая химические компоненты самого материала. При хранении материалов в морозильной камере или холодильнике возникают, по сути, три проблемы. Во-первых — термический удар при извлечении материала из морозильной камеры или холодильника. Во-вторых — конденсация влаги при извлечении материала из холодильного хранения. И, наконец, при температуре материалов ниже 10 °C отвержденные эпоксидные системы начинают расслаиваться на фазы. Когда смолы замерзают в морозильной камере, установленной на −18 °C, они кристаллизуются, и, согласно лабораторным испытаниям, это снижает ударную вязкость материалов на 40–60 %. Хранение материалов при температуре около 4 °C также не является оптимальным решением, поскольку ускоряет процесс, называемый «аминовым налетом»: отвердители перемещаются к поверхности и образуют слабые зоны в композитных материалах. В целом срок годности материалов, хранившихся в морозильной камере или холодильнике, сокращается примерно на 50–75 % по сравнению со сроком годности материалов, хранившихся при комнатной температуре.

Лучший способ сохранить пригодность углеволоконных материалов — хранить их при комнатной температуре, а не пытаться противодействовать природе с помощью методов холодного хранения.

Правильные методы упаковки для сохранения целостности углеволоконных материалов

Упаковка с вакуумными барьерами и осушителями для невулканизированных тканей и препрегов

Большинство производителей используют комбинацию вакуумной упаковки и осушителя для максимально возможного сохранения сухих тканей и препрегов. Критически важно поддерживать относительную влажность внутри упаковки ниже 30–50 %. Влага разрушительно воздействует на смолы и приводит к снижению потенциальной прочности конечного изделия. Под действием влаги и окисления смолистые системы могут деградировать ещё до их применения. Трёхслойные алюминиевые фольгированные плёнки обеспечивают хорошую защиту от влаги и способствуют герметичному уплотнению упаковки. Фольгированные плёнки эффективно защищают от влаги. Распространённой практикой среди производителей препрегов является добавление поглотителей кислорода для замедления старения смолистых систем вследствие окисления. Компании, экономящие на упаковке, получают плохо сохранившиеся препреги из-за проникновения влаги из атмосферы. Срок хранения препрегов может сократиться до 70 % при неадекватной упаковке уже менее чем за 30 дней. Контроль качества играет важную роль в обеспечении правильного выполнения данного процесса.

UV-защита со статикоотводящими свойствами и встроенными вторичными барьерами

Эпоксидные смолы подвергаются процессу разрушения, известному как фотодеградация, при воздействии ультрафиолетового излучения. Это разрушение проявляется в виде разрыва цепей, пожелтения, растрескивания и отслаивания слоёв. Испытания по методу ASTM D4329 для ускоренного старения под действием атмосферных факторов показывают, что фотодеградация может привести к потере более чем 40 % прочности материала после 500 часов облучения УФ-лампами. Прочность материала напрямую коррелирует с количеством месяцев экспозиции перед окном или наличием источника УФ-излучения в типичной офисной среде. Разумеется, это серьёзная проблема, с которой производители стремятся бороться, вводя в верхние слои наружного материала компоненты, блокирующие ультрафиолетовое излучение. Кроме того, они создают покрытие, способствующее контролю статического рассеяния на поверхности. Для защиты от воздействия света производители также могут помещать продукт в дополнительную тару, блокирующую свет, например, в жёсткий полимерный пластиковый контейнер. Такие герметичные вторичные контейнеры также помогают фильтровать пыль и способствуют стабильному образованию сетчатых поперечных связей в эпоксидной смоле за счёт ограничения доступного кислорода. Это продлит срок службы продукта до начала деградации.

Хранение углеродного волокна и связанные с этим экологические риски

Влияние атмосферного воздействия и ультрафиолетового излучения на смолу и стандарт ASTM D4329

Для производителей углеродного волокна ультрафиолетовое излучение представляет собой один из крупнейших рисков. Наши испытания упаковки по стандарту ASTM D4329 показали, что повреждение от УФ-излучения накопительно и необратимо. Всего за несколько месяцев мы зафиксировали такие признаки УФ-повреждения, как пожелтение, образование трещин на поверхности и расслоение. Поскольку восстановить материал после УФ-повреждения невозможно, последствия носят полный и необратимый характер. Именно поэтому производители прилагают значительные усилия для обеспечения надёжной упаковки с защитой от ультрафиолета и светонепроницаемых контейнеров для всех изделий из углеродного волокна.

Снижение механических нагрузок: цель — избежать сжатия, изгиба и воздействия вибрации

Углеродные волокна подвергаются серьёзным рискам при механических нагрузках. При статических нагрузках свыше примерно 10 psi в слоях препрега могут начать образовываться мелкие трещины. Кроме того, во время вибрации смола и волокна могут терять адгезию при перемещении. Для хранения рекомендуется размещать рулоны вертикально на мягкой опоре с низким коэффициентом трения. Отвержденные ламинаты следует хранить в горизонтальном положении, укладывая между ними вышеупомянутые специальные прокладки. Никогда не складывайте компоненты друг на друга. Изгиб компонента может повысить риск образования трещин в структуре смолы, что приведёт к усталостному разрушению уже через две трети срока службы. Кромочные защитные элементы и вертикальное расположение помогают снизить воздействие и напряжение на поверхности изделий при обычных операциях манипулирования, что является одной из основных причин повреждений при транспортировке и обращении.

Инструкции по хранению в зависимости от типа материала из углеродного волокна: ткань, препрег и отвержденные ламинаты

Прежде чем смешивать функции хранения, следует понимать, что они принципиально различаются.

Чтобы избежать ухудшения качества пропитки смолой и формирования композитного слоя на сухой ткани из углеродного волокна, её необходимо хранить в герметичной влагонепроницаемой упаковке с использованием влагопоглотителей (десикантов). Это необходимо для предотвращения гигроскопичности ткани.

Препреги должны храниться при низких температурах (в морозильной камере, от –18 °C до –23 °C), чтобы предотвратить преждевременное отверждение смолы. Это может показаться необычным, поскольку ранее мы указывали, что холодильное хранение не требуется, однако в данном случае действует исключение. Причина кроется в их химическом составе: сама ткань не подвергалась химической реакции, тогда как в препреге смола уже частично прореагировала. Это означает, что срок годности смолы в препреге зависит от соблюдения низких температур хранения. Данное требование подтверждается технической документацией производителя (OEM) и соответствующими исследованиями стабильности, проведёнными в соответствии со стандартом ISO 10993.

Отвержденные ламинаты не требуют хранения при низких температурах для обеспечения химической стабильности. Однако их необходимо хранить с физической защитой: вертикально на мягких стеллажах с защитой кромок, без штабелирования и с прокладками между слоями во избежание повреждения поверхностей.

Представленные протоколы охватывают основные формы деградации каждого материала: сухие препреги подвержены химической деградации, сухие ткани поглощают влагу, а готовые ламинаты деградируют механически.

Часто задаваемые вопросы

Какие оптимальные температура и влажность для хранения углеволоконных материалов?

Оптимальные условия хранения — температура 20–25 °C и относительная влажность 30–50 %. Такие условия наиболее эффективно предотвращают деградацию структуры материала.

Почему углеволоконные материалы нельзя хранить в морозильной камере?

Возникнут термический удар, конденсация влаги и фазовое расслоение в модифицированных эпоксидных системах. Это создаёт риск снижения ударной стойкости и затрудняет выполнение структурных ремонтов. Каков наилучший способ упаковки углеволоконных материалов для обеспечения их целостности?

Для обеспечения целостности наиболее подходящей является вакуумная упаковка с использованием барьерного материала и добавлением осушителя — это оптимально как для сухих тканей, так и для препрегов, поскольку позволяет поддерживать низкий уровень влажности и предотвращать попадание влаги, которая в противном случае приведёт к деградации смол.

Каково влияние ультрафиолетового излучения на углеволоконные материалы?

Ультрафиолетовое излучение вызывает термическую деградацию эпоксидных смол, приводя к разрыву полимерных цепей, изменению цвета и ослаблению структуры.

Какие инструкции по хранению применяются к различным типам углеволоконных материалов?

Сухие ткани должны храниться в вакуумной упаковке с влагонепроницаемым барьером. Препреги необходимо хранить в холодильнике или морозильной камере, чтобы обеспечить сохранение смолы в предварительно обработанном, текучем состоянии. Отвержденные слоистые материалы должны храниться в физически защищающей таре и не требуют хранения в контролируемом климате.