Отправить статью по E-mail Влияние влагосодержания на климатическую стойкость полимерных материалов
- Авторы: Низин Д.Р.1, Низина Т.А.1, Пивкин Н.А.1, Спирин И.П.1, Чибулаев И.А.1
-
Учреждения:
- Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва
- Выпуск: Том 12, № 9 (2024)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 19.11.2024
- Статья одобрена: 19.11.2024
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/270676
- ID: 270676
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Представленырезультаты исследования изменения сорбционных и упруго-прочностных характеристик полимерных образцов на основе модифицированной эпоксидной смолы и отвердителей различных видов в условиях натурного климатического старения. Установлено влияние длительности экспонирования на изменение характера зависимости предела прочности при растяжении и относительного удлинения при максимальной нагрузке. Проанализировано влияние сорбированной влаги на изменение упруго-прочностных свойств эпоксидных полимеров.
Полный текст
Климатическое воздействие, представляя собой самую распространенную агрессивную среду, требует достоверных и воспроизводимых методов оценки стойкости строительных материалов, изделий и конструкций, в то числе на полимерной основе [1–3]. Наряду с температурой и интенсивностью актинометрических воздействий, наиболее значимыми климатическими факторами, оказывающими влияние на свойства полимерных композитов в процессе эксплуатации, являются влажность окружающего воздуха, а также интенсивность атмосферныхосадков[4–7]. Сорбируемая полимерными композитами влага активирует процессы структурной релаксации, оказывает частично обратимое пластифицирующее воздействие, а также участвует в реакциях гидролиза и доотверждения [8]. В естественных климатических условиях эксплуатации предельное влагонасыщение полимерного материала практически не достигается вследствие нестабильности самого климатического воздействия, присутствия конкурирующих процессов сушки и десорбции влаги, изменения атмосферного давления и т.д. Однако необходимость учета влияния влагосодержания полимеров, в том числе в их предельных равновесно-влажностных состояниях (высушенном и влагонасыщенном), крайне важна для понимания работы полимеров в натурных климатических условиях.
В качестве объектов исследования выступали образцы полимерных материалов на основе модифицированной эпоксидной смолы Этал-247 (ТУ 2257-247-18826195-07) и трех отвердителей производства АО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ» – Этал-45М, Этал-1472, Этал-45TZ2. Эпоксидная смола Этал-247 представляет собой низковязкую модифицированную смолу с вязкостью по Брукфильду при 25 °С 650÷750 СПз. Массовая доля эпоксидных групп для Этал- 247 составляет не менее 21,4÷22,8 %, вязкость по Брукфильду при 25 °С – 650÷750 СПз. Этал-1472 представляет собой отвердитель аминного типа; Этал-45TZ2 – полиамидного типа; Этал- 45М – смесь ароматических и алифатических ди- или полиаминов, модифицированную салициловой кислотой.
Экспонирование образцов проводилось на испытательных стендах научно- исследовательской лаборатории эколого-метеорологического мониторинга, строительных технологий и экспертиз Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва (г. Саранск, умеренно континентальный климат) [3; 9]. Механические испытания образцов эпоксидных полимеров осуществлялись через 2, 5, 10 и 18 месяцев от начала натурного экспонирования. Испытания образцов исследуемых полимеров на растяжение проводили с помощью разрывной машины серии AGS–X с программным обеспечением TRAPEZIUM X при температуре 23±2 °С и относительной влажности воздуха 50±5% согласно требованиям ГОСТ 11262-2017 «Пластмассы. Метод испытания на растяжение». Прочностные и деформативные характеристики образцов исследуемых полимеров определяли в трех различных влажностных состояниях – равновесно-влажностном (сразу после снятия с испытательной площадки и контроля массы), высушенном и влагонасыщенном. Сушка образцов осуществлялась при температуре 60±2 °C, увлажнение – в эксикаторах над водой при температуре 23±2 °C в соответствии с ГОСТ Р 56762-2015 «Композиты полимерные. Метод определения влагопоглощения и равновесного состояния».
Количественные значения влагосодержания образцов эпоксидных полимеров в равновесно-влажностном и влагонасыщенном состояниях в зависимости от длительности натурного экспонирования в условиях умеренно континентального климата приведены в таблице 1. Установлено, что наибольшее значение предельного влагонасыщения (вне зависимости от длительности экспонирования), достигающее 3,686 ÷5 ,088 % по массе, зафиксировано для образцов на основе полиамидного отвердителя Этал-45TZ2 . При этом для образцов на основе исследуемых отвердителей аминного типа предельное влагонасыщение образцов как в контрольном состоянии, так и после экспонирования не превышает 2,5 % по массе.
Таблица 1
Среднее влагосодержание полимерных образцов исследуемых составов в зависимости от длительности натурного экспонирования в равновесно влажностном и влагонасыщенном состояниях, % по массе
Вид отвердителя | Длительность натурного экспонирования, мес. | ||||
0 | 2 | 5 | 10 | 18 | |
равновесно-влажностное состояние / влагонасыщенное состояние | |||||
Этал-45М | 0,804 2,414 | 0,673 2,100 | 0,691 2,464 | 1,087 2,124 | 0,796 2,169 |
Этал-1472 | 0,689 2,164 | 0,681 1,970 | 0,641 2,424 | 0,903 1,960 | 0,616 2,147 |
Этал-45TZ2 | 1,494 5,088 | 0,890 3,686 | 0,884 4,607 | 1,583 4,201 | 1,010 4,471 |
Согласно полученным данным, натурное климатическое старение эпоксидных полимеров в большинстве случаев сопровождается снижением предельного значения влагонасыщения образцов. При этом, максимальное снижение значения предельного влагонасыщения варьируется от 9% для состава на основе отвердителя Этал 1472 до 27% для состава на основе Этал-45TZ2 . В качестве возможной причины снижения уровня предельного влагонасыщения образцов исследуемых составов можно рассматривать необратимую потерю массы образцов.
На основе анализа результатов изменения предела прочности образцов исследуемых составов в высушенном, влагонасыщенном и равновесно влажностном состояниях в зависимости от длительности натурного экспонирования установлено (рис. 1 , а, в, д), что в контрольном состоянии для всех составов наблюдается непрерывное снижение механической прочности в зависимости от влагосодержания. Однако, для ряда составов для сроков экспонирования свыше 10 месяцев наблюдается изменение характера зависимости предела прочности при растяжении образцов от их влагосодержания. Так, механическая прочность образцов в высушенном и влагонасыщенном состояниях оказывается меньше аналогичного показателя в равновесно влажностном состоянии для составов на основе отвердителей Этал-45М и Этал-45TZ2.
Рис. 1. Изменение предела прочности и относительного удлинения при растяжении серий образцов полимеров на основе эпоксидной смолы Этал-247, отвержденных Этал-45М (а, б), Этал-1472 (в, г) и Этал-45TZ2 (д, е), в процессе натурного экспонирования в условиях умеренно континентального климата (с учетом влажностного состояния).
Следует отметить, что временной период с 5 до 10 месяц экспонирования соответствует месяцам с июня по октябрь включительно, что, в свою очередь, соответствует наибольшему в масштабах календарного года уровню суммарной солнечной радиации и ультрафиолетового излучения диапазонов А и В. Это позволяет предположить, что именно действие актинометрических факторов делает сорбированную влагу основным пластификатором эпоксидных полимеров, эксплуатируемых в условиях действия натурных климатических факторов. Дальнейшее экспонирование (в т.ч. «повторное» воздействие высоких уровней актинометрических факторов) не приводит к восстановлению исходной зависимости механической прочности от влагосодержания образцов эпоксидных полимеров. Исключением является состав на основе отвердителя Этал-1472. Для него исходный характер зависимости между пределом прочности при растяжении и влагосодержанием сохраняется на всем протяжении экспонирования.
Для составов на основе отвердителя аминноготипа механическая прочность в предельном влагонасыщенном состоянии меняется незначительно, в отличие от образцов на основе полиамидного отвердителя Этал-45TZ2. В свою очередь, предел прочности при растяжении образцов в высушенном состоянии для сроков экспонирования свыше 10 месяцев снижается вне зависимости от исследуемого состава. Наибольшее снижение зафиксировано для отвердителя Этал-45TZ2, наименьшее –для отвердителя Этал-1472.
Аналогичная картина наблюдается и для показателя относительного удлинения образцов при максимальной нагрузке. Для экспериментальной точки, соответствующей 10 месяцам натурного экспонирования, для образцов, отверждаемых Этал-45М и Этал-45TZ2 выявлено резкое падение относительного удлинения при максимальной нагрузке в высушенном состоянии (рис. 1, б, е). При этом, в отличие от показателя механической прочности, относительное удлинение в высушенном состоянии оказывается меньше аналогичного показателя во влагонасыщенном состоянии в 1,5-2 раза.
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о важности оценки и контроля показателя влагосодержания для эпоксидных полимеров, эксплуатируемых в условиях действия натурных климатических факторов. При этом значимыми критериями оценки эксплуатационных показателей полимерных материалов в процессе климатического старения становятся необратимая потеря массы, а также изменение характера зависимости механической прочности от влагосодержания.
Об авторах
Дмитрий Рудольфович Низин
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва
Email: ogarevonline@yandex.ru
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории эколого-метеорологического мониторинга, строительных технологий и экспертиз
Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68Татьяна Анатольевна Низина
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва
Email: nizinata@yandex.ru
Доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций
Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68Николай Андреевич Пивкин
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва
Email: spirinil2000@yandex.ru
Магистрант кафедры строительных конструкций института архитектуры и строительства
Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68Илья Петрович Спирин
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва
Email: spirinil2000@yandex.ru
Магистрант кафедры строительных конструкций института архитектуры и строительства
Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68Игорь Александрович Чибулаев
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва
Автор, ответственный за переписку.
Email: chibulaev98@mail.ru
Аспирант кафедры строительных конструкций института архитектуры и строительства
Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68Список литературы
- Каблов Е. Н., Старцев О. В., Кротов А. С., Кириллов В. Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. – 2010. – № 11. – С. 19–27.
- Каблов Е. Н., Старцев В. О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. – 2018. – № 2. – С. 47–58.
- Низина Т. А., Селяев, В. П., Низин, Д. Р. Климатическая стойкость эпоксидных полимеров в умеренно континентальном климате: монография. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2020. – 188 с.
- Низин Д. Р., Низина Т. А., Селяев В. П., Климентьева Д. А., Канаева Н. С. Изменение влагосодержания образцов эпоксидных полимеров в условиях натурного климатического старения // Климат-2021: Современные подходы к оценке воздействия внешних факторов на материалы и сложные технические системы. Материалы VI Всероссийской научно-технической конференции. – М., 2021. – С. 41–52.
- Низина Т. А., Низин Д. Р., Канаева Н. С., Климентьева Д. А., Порватова А. А. Влияние влажностного состояния на кинетику накопления повреждений в структуре образцов эпоксидных полимеров под действием растягивающих напряжений // Эксперт: теория и практика. – 2022. – № 1. – С. 37–45.
- Старцев В. О., Панин С. В., Старцев О. В. Сорбция и диффузия влаги в полимерных композитных материалах с ударными повреждениями // Механика композитных материалов. – 2015. – № 6. – С. 1081–1094.
- Maxwell A. S., Broughton W. R., Dean G., Sims G. D. Review of accelerated ageing methods and lifetime prediction techniques for polymeric materials: NPL Report DEPC MPR 016, 2005. – 84 p.
- Старцев В.О., Плотников В. И., Антипов Ю. В. Обратимые эффекты влияния влаги при определении механических свойств ПКМ при климатических воздействиях // Труды ВИАМ. – 2018. – № 5. – С. 110–118.
- Низин Д. Р., Низина Т. А., Селяев В. П., Спирин И. П. Анализ влияния климатических факторов на изменение физико-механических характеристик полимерных материалов с учетом их влагосодержания // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТМТ-2023: сборник научных трудов Восьмой межд. научно-практ. конф. – М., 2023. – С. 275–279.
Дополнительные файлы
