Prečo sa pri používaní musí UD prepreg chrániť pred vlhkosťou?

Vplyv vlhkosti na pryskyričné systémy UD prepregu

Pryskyričné systémy používané pre jednosmerné predimpregnované materiály (prepregy), a to ako epoxidové, tak aj fenolové, sú vysokej hygroskopicity a absorbuje vodu, najmä pri teplote sklenového prechodu (Tg) pryskyričných systémov. Polymérne reťazce v pryskyričných systémoch obsahujú polárne skupiny, ktoré sa viažu na vodu. To vedie k dvom hlavným problematickým situáciám: (i) plastifikácii pryskyričného systému spôsobenej vodou a (ii) hydrolýze, čo je štiepenie chemických väzieb v pryskyričnom systéme spôsobené vodou. Významná absorpcia vlhkosti (viac ako 60 % relatívnej vlhkosti) nastáva v priebehu niekoľkých dní v oblastiach bohatých na pryskyricu medzi vláknami, čo spôsobuje roztváranie a napätia vyvolané absorpciou vody v pryskyrici. Pryskyrica sa zmäkčí a zhorší sa jej adhézia k vláknam. V dôsledku toho je narušený prenos zaťaženia cez rozhranie medzi pryskyricou a vláknami. Toto je obzvlášť problematické pre jednosmerné (UD) prepregy, pretože pryskyrica je v smere vlákien viac koncentrovaná.

Vlhkosť podporuje potenciálne miesta poruchy už pred začiatkom tuhnutia. Výrobcovia musia tento riziko znížiť počas skladovania a manipulácie.

Difúzne dynamiky: Mechanizmus jednosmerného vláknového usporiadania a okolitej vlhkosti

Unidirekčný (UD) prepreg absorbuje vodu výrazne rýchlejšie ako tkané materiály, a hlavným dôvodom tohto javu je spôsob, akým sa vlhkosť vzájomne ovplyvňuje s vláknami. Keď sú všetky vlákna zarovnané rovnobežne, v miestach spojenia vlákna a pryskyriny sa vytvárajú mikrokanály. To umožňuje pohyb vlhkosti cez zväzky vlákien rýchlosťou 3 až 5-krát vyššou v porovnaní s ich pryskyrinovými protikusmi za rovnakých podmienok relatívnej vlhkosti. Napríklad pri relatívnej vlhkosti 75 % začne UD prepreg štandardnej hrúbky absorbovať vodu už po 8 hodinách, čo je výrazne skôr ako tkané materiály, ktoré na to potrebujú 2 dni. Tento jav je spôsobený tromi hlavnými faktormi. Prvým je, že rovnobežné vlákna v prepregu majú vyšší pomer objemu ku povrchu, čo umožňuje účinnejší pohyb vlhkosti. Druhým je, že erózia zväzkov vlákien necháva po sebe kanály pre vlhkosť, čo ďalšie zvyšuje pohyb vlhkosti cez pryskyrinu. Tieto podmienky rýchlo poškodzujú celistvosť prepregu. Cykly zahrievania a ochladzovania spôsobia vznik veľmi malých prúdov v zväzkoch vlákien, ktoré zrýchlia eróziu prepregu spôsobenú vlhkosťou.

Mikroprázdnoty, puchýre a delaminácie v jednosmerne orientovaných predimpregnovaných laminátoch

Vznik prázdnot spôsobený vlhkosťou (>0,3 hmotnostného % → >15 % nárast objemu prázdnot podľa ASTM D2734)

Mikroprázdnoty v kompozitných materiáloch vznikajú počas procesu tuhnutia, keď sa vlhkosť absorbovaná materiálmi premení na paru a rozšíri. Prázdnoty môžu predstavovať viac ako 15 % celkového objemu, aj keď je obsah vlhkosti len 0,3 hmotnostného %. Tento stav je neprijateľný podľa leteckých noriem ASTM D2734. Následne prázdnoty spôsobujú závažné problémy v spojoch medzi pryskuričnou zložkou a vláknami, čím tieto spoje ochudobia o dostatok pryskuričnej zložky a znížia pevnosť kompozitu. Jednosmerne orientované predimpregnované materiály sú citlivé na vlhkosť a majú tendenciu absorbovať vlhkosť ľahšie ako iné kompozitné predimpregy. Výrobcovia preto musia prísne kontrolovať úroveň relatívnej vlhkosti, aby zabránili nadmernému vzniku prázdnot a zabezpečili, že kompozitné predimpregové materiály nebudú vyradené z výroby.

Defekty súvisiace s vytvrdzovaním: Puchýre a medzivrstvové oddelenie spôsobené vlhkosťou

Keď je vlhkosť zachytená v kompozitných materiáloch, pri prítomnosti vlhkosti dochádza počas autoklávovania k nárastu páry a tlaku, čo má za následok vznik púpok v pryskuri a oddelenie vrstiev. Údaje sú jasné: počas autoklávovania sa u kompozitného prepregu s relatívnou vlhkosťou vyššou ako 75 % počas laminácie prepregu vyskytli púpky takmer dva krát častejšie v porovnaní s kompozitným prepregom s relatívnou vlhkosťou nižšou ako 30 % počas laminácie prepregu. Keď raz dojde k vytekanie pryskuru a oddeleniu vrstiev, škodlivé mechanické napätia môžu tieto problémy ešte zhoršiť. Tieto problémy majú významný vplyv na únavovú odolnosť lietadlových komponentov vzhľadom na kritický význam štrukturálnej integrity lietadlových komponentov. Skladovanie a preprava prepregových materiálov ukazujú, aká dôležitá je správa suchých miestností, aby sa zabezpečilo, že jednosmerné prepregové kompozity budú mať ideálne výkonnostné vlastnosti v okamihu ich uvedenia do prevádzky.

Skutočné dôsledky: Vplyv na poruchy v prevádzke a certifikácie v leteckej a vesmírnej technike

Incident oddeľovania vrstiev povrchu krídla lietadla Airbus A350: Príčinou bola zistená vysoká vlhkosť v jednosmerne orientovanom predimpregnovanom materiáli (UD Prepreg)

Počas letových skúšok jedného z najnovšie vyvinutých lietadiel inžinieri zaznamenali oddeľovanie povrchu krídel spôsobené príliš vysokou vlhkosťou jednosmerného (UD) predimpregnovaného materiálu. Čo znamená „príliš vlhko“? Jednoducho: viac ako 0,4 hmotnostného percenta. Čo sa teda stalo? UD predimpregnovaný materiál utrpel mikrotrhliny, ktoré nielen spôsobili oddeľovanie povrchu, ale mali aj vážne dôsledky vo výške 200 miliónov USD nákladov na prekonštruovanie a oneskorenia o 11 mesiacov pred získaním certifikácie v súlade s Bezpečnostným bulletinom EASA z roku 2022. Takéto uvedené oneskorenia ilustrujú dôležitosť monitorovania vlhkosti v predimpregnovaných materiáloch, aby sa predišlo nákladným prekonštruovaniam a regulačným oneskoreniam. Predimpregnované materiály vystavené nadmernému množstvu vlhkosti ovplyvňujú vlastnosti materiálov a vyžadujú drahé opätovné kvalifikačné postupy v súlade s požiadavkami FAA a EASA. Údaje o paneloch trupu Boeing 787: Vystavenie relatívnej vlhkosti 75 % spôsobuje dvojnásobné vznikanie púpok v porovnaní so skladovaním pri kontrolovanej relatívnej vlhkosti < 30 %.

Údaje, ktoré sprístupnil jeden významný výrobca leteckej techniky týkajúce sa absorpcie vlhkosti panelmi trupu lietadla, prinášajú niektoré znepokojujúce výsledky. Údaje ukazujú, že panely vystavené relatívnej vlhkosti 75 % po dobu 48 hodín dosahujú približne 32 % obsahu dutín. UD predimpregnované materiály uložené pri relatívnej vlhkosti pod 30 % majú 16 % dutín, čo sa považuje za menší stupeň puchýrkovania spôsobeného vlhkosťou. Puchýrkovanie spôsobené vlhkosťou sa už považuje za mimo prijateľných limitov podľa noriem letových vlastností, ktoré – podľa štandardu SAE AIR 7292 – vyžadujú toleranciu dutín 5 % pre primárne konštrukčné komponenty v trupe lietadla. A samozrejme to tiež znamená, že náklady na opravy sa stanú neúnosne vysoké. Ďalším zaujímavým zistením z dodatočných laboratórnych prác je, že pri každom zvýšení relatívnej vlhkosti o 10 % sa bezpečný čas manipulácie s predimpregnovanými materiálmi skráti približne o 15 hodín, čo znamená čas do okamihu, kým dôjde k nevratnej degradácii pryskyria vplyvom tepla. Preto v výrobných prostrediach účinná kontrola vlhkosti výrazne zvyšuje prevádzkový rozsah.

Úspešná kontrola vlhkosťi pre UD predimpregnované materiály

Najlepšie metódy: špecifikácie suchých miestností (ISO 12944-2), suché balíčky a reálny čas NIR

Kontrola kvality materiálov UD prepreg alebo dokonca len udržiavanie úrovne vlhkosťa pod kontrolou je nevyhnutná. Napríklad suché miestnosti postavené tak, aby vyhovovali alebo splňovali normu ISO 12944-2, dokážu udržiavať relatívnu vlhkosť na úrovni 30 % (RH) alebo nižšej, čím sa zabráni rozkladu pryskyriny počas manipulácie. Okrem toho vakuovo zabalené indikátorové pásky s vysušovacím prostriedkom dokážu zablokovať približne 95 % kontaktu vzduchu s pryskyrinou v porovnaní so štandardnými fóliami proti vlhkosti. Pre nepretržité a neobmedzené meranie obsahu vlhkosti v pryskyrine (nad 0,1 hmotnostného %) sú k dispozícii senzory na meranie vlhkosti v blízkom infračervenom spektre (NIR), ktoré vydajú alarm pri dosiahnutí stanovenej hranice. Použitie všetkých vyššie uvedených metód v kombinácii funguje mimoriadne dobre a umožňuje znížiť počet dutín o 80 % a úplne eliminovať vznik pľuzgierov počas procesu tuhnutia. Toto je obzvlášť pozoruhodné s ohľadom na dôveru, ktorú si výrobcovia získali vo svojich postupoch skladovania materiálov na základe štúdií zrýchleného starnutia vykonaných v umelo vytvorených teplých a vlhkých prostrediach, ktoré sú reprezentatívne pre tropické podmienky.

Často kladené otázky

Aký je hlavný problém s pryskyričnými systémami UD prepreg?

Hlavným problémom s pryskyričnými systémami UD prepreg je absorpcia vlhkosti, ktorá vedie k plasticizácii a hydrolýze a tým kompromituje štrukturálnu celistvosť materiálu.

Prečo absorbujú UD prepregy vlhkosť viac ako tkané materiály?

Priame usporiadanie vlákien v UD preprego umožňuje prenikanie vlhkosti ľahšie ako tkaným materiálom. Okrem toho zhoršujú prenikanie vlhkosti aj teplotné kolísania.

Aké sú účinky nadmernej vlhkosti v UD preprego?

Nadbytok vlhkosti môže spôsobiť vznik dutín, púpok a odlepení, čo všetko kompromituje štrukturálnu celistvosť a môže viesť k katastrofálnym zlyhaniam.

Ako sa dá vlhkosť v UD preprego kontrolovať?

Na kontrolu hladiny vlhkosti sa môžu použiť suché miestnosti, suché obaly a monitorovanie v reálnom čase pomocou blízkeho infračerveného žiarenia.