Пузыри на поверхности гелькоута обычно воспринимают как начало проблемы. Но для стеклопластика это скорее уже видимый результат процессов, которые некоторое время идут внутри материала.
В исследовании Гданьского политехнического университета изучали водопоглощение и образование пузырей у стеклопластиковых ламинатов с полиэфирной и винилэфирной матрицей. Авторы сравнивали разные технологии изготовления, толщину гелькоута и поведение образцов при длительном контакте с водой.
Их вывод достаточно показателен: когда на поверхности уже появились пузыри, вода может быть далеко не только в поверхностном слое.
Почему вода вообще проникает в стеклопластик
Полимерная матрица и гелькоут не являются абсолютно непроницаемым барьером. При длительном контакте с водой молекулы воды постепенно проникают в материал.
Авторы исследования связывают развитие пузырчатости (blistering) главным образом с осмотическими процессами. Вода проходит в структуру ламината, взаимодействует с находящимися там растворимыми компонентами, а в локальных полостях постепенно растёт давление. В результате наружный слой начинает приподниматься — появляется характерный пузырь.
По мере дальнейшего проникновения воды процесс может затрагивать более глубокие слои и сопровождаться снижением межслойной адгезии.
То есть видимый пузырь — это не просто «вода под гелькоутом». За ним может стоять уже развивающееся повреждение системы гелькоут — матрица — армирование.
Что увидели в эксперименте
Один из исследованных вариантов представлял собой полиэфирный стеклопластиковый ламинат, изготовленный методом инфузии и покрытый гелькоутом толщиной 0,5 мм. Его выдерживали в воде при 20, 50 и 70 °C.
При 20 °C примерно за год содержание поглощённой воды достигло порядка 1%. В ускоренном испытании при 70 °C близкое значение было достигнуто примерно за 50 дней.
Авторы отдельно подчёркивают, что испытание при 70 °C не следует буквально воспринимать как реальный режим эксплуатации корпуса лодки: высокая температура использовалась именно для ускорения процесса и сравнения поведения материалов.
Здесь хорошо видно, насколько сильно температура ускоряет диффузионные процессы.
Водопоглощение стеклопластикового ламината при разных температурах. По данным Landowski, Budzik, Imielińska, 2012.
Схематическая иллюстрация тенденции, а не воспроизведение полного массива данных источника. Достоверно подтверждены источником только две точки: ≈1% водопоглощения при 20 °C после примерно года выдержки и близкое значение при 70 °C примерно через 50 дней.
Что происходило с поверхностью при 70 °C
В ускоренном испытании процесс развивался следующим образом:
| Время выдержки | Наблюдение |
|---|---|
| около 4 суток | появились первые небольшие пузыри |
| 8–10 суток | поверхность покрылась крупными пузырями диаметром примерно 1–2 мм |
| 27 суток | отдельные пузыри начали объединяться, часть крупных пузырей разрушилась |
Эти сроки относятся только к условиям конкретного ускоренного испытания при 70 °C и не являются прогнозом срока появления осмоса при реальной эксплуатации изделия.
Пока снаружи виден пузырь, внутри уже могут образовываться трещины
После 27 дней выдержки исследователи изучили поперечные срезы повреждённых образцов под электронным микроскопом.
В материале были обнаружены длинные трещины, распространявшиеся параллельно слою гелькоута, а также подповерхностные трещины непосредственно в гелькоуте.
Авторы сделали вывод, что пузыри и трещины, наблюдавшиеся снаружи после испытания, соответствовали уже серьёзному повреждению по толщине ламината.
Именно поэтому оценивать состояние стеклопластика только по внешнему виду поверхности опасно.
До определённого момента процесс может развиваться практически незаметно.
Почему одни ламинаты поглощают воду быстрее других
Ещё один важный результат исследования: водостойкость зависела не только от вида смолы или наличия гелькоута, но и от качества сформированной структуры ламината.
Исследователи сравнивали образцы, изготовленные:
- ручным формованием;
- вакуумным мешком;
- инфузией.
У образцов ручного формования наблюдались значительные участки, богатые смолой, и крупные пустоты.
В образце, изготовленном с вакуумным мешком, чрезмерное уплотнение в данном конкретном эксперименте привело к недостатку смолы и появлению непропитанных участков. По таким слабым зонам вода могла распространяться вдоль интерфейса волокно–матрица и способствовать образованию расслоений и трещин.
Инфузионный образец имел наиболее компактную структуру без заметных зон с избытком смолы и сухих участков и показал минимальное водопоглощение среди исследованных образцов.
Это хороший пример того, почему формулировка «изделие сделано из винилэфирной смолы» сама по себе ещё мало говорит о его долговечности — подробнее о том, почему список материалов не описывает всю систему, в статье «Из чего состоит стеклопластик».
Если внутри есть пустоты, непропитанные волокна, локальные избытки смолы или слабый интерфейс между волокном и матрицей, путь для воды и последующего повреждения может оказаться значительно проще.
Спасает ли толстый гелькоут
В исследовании увеличение толщины гелькоута действительно снижало водопоглощение: слой толщиной 3 мм обеспечивал лучшую барьерную защиту, чем слой 0,5 мм.
Но появился другой эффект: после возникновения пузырчатости более толстый гелькоут оказался склоннее к разрушению, чем тонкий.
Поэтому простой принцип «сделаем гелькоут толще — проблема исчезнет» некорректен.
Гелькоут является частью всей конструкции и должен рассматриваться вместе с матрицей, армированием, качеством пропитки и технологией изготовления.
Что вода делает с механическими свойствами
Другая работа тех же исследователей позволяет увидеть следующий этап процесса.
Стеклопластиковые образцы после ускоренного водного старения испытывали на изгиб. Прочность снизилась у всех технологий изготовления, но в разной степени: у образцов ручного формования — с 333 до 177 МПа (−47%), у образцов вакуумного формования — с 369 до 194 МПа (−48%), у инфузионных образцов — с 370 до 225 МПа (−40%).
При исследовании структуры авторы обнаружили сеть расслоений (debonding) между волокнами и матрицей и микротрещины в поверхностной зоне.
Это не означает, что «любой стеклопластик в воде теряет половину прочности». Цифры относятся к конкретным материалам и условиям ускоренного испытания.
Но эксперимент хорошо показывает сам механизм: водопоглощение постепенно перестаёт быть только поверхностной проблемой и начинает влиять на структуру и механическую работу композита.
Пузырь на поверхности — уже внешний признак процесса, который может начаться внутри ламината раньше.
Что это означает на практике
При проектировании стеклопластикового изделия для постоянного или длительного контакта с водой нельзя оценивать водостойкость только по одному параметру — например, по названию смолы.
- Тип матрицы и защитного покрытия
- Качество пропитки армирования
- Наличие пустот, сухих участков и зон с избытком смолы
- Качество интерфейса волокно–матрица
- Технологию изготовления
- Толщину и состояние гелькоута
- Фактическую температуру и продолжительность контакта с водой
В исследованных образцах минимальное водопоглощение показали ламинаты с наиболее качественной микроструктурой, полученной инфузией.
Это не означает, что инфузия автоматически гарантирует водостойкость. Вывод другой: качество сформированной структуры композита непосредственно влияет на то, как он ведёт себя при длительном контакте с водой.
Главное
Осмос в стеклопластике — это не момент, когда на поверхности внезапно появляется пузырь.
Сначала вода проникает в материал. Затем она может распространяться по дефектам и границам раздела, способствовать ослаблению связи между волокном и матрицей, образованию внутренних трещин и локального давления. И только после этого часть происходящего становится видимой снаружи.
Поэтому пузырь на гелькоуте — не начало процесса, а один из его внешних признаков.
Именно качество всей конструкции ламината и технологии его изготовления во многом определяет, насколько быстро этот процесс будет развиваться.
Основные экспериментальные данные статьи взяты из работ исследователей Гданьского политехнического университета. Графики и схемы на странице — собственная визуализация Академии по данным указанных публикаций, а не воспроизведение исходных изображений.
- M. Landowski, M. Budzik, K. Imielińska. Water Sorption and Blistering of GFRP Laminates with Varying Structures. Advances in Materials Science, Vol. 12, No. 4 (34), 2012.
- M. Landowski, M. Budzik, K. Imielińska. On Degradation of Glass/Polyester Laminate Immersed in Water. Advances in Materials Science, Vol. 11, No. 1 (27), 2011.
Консультация Академии по дефекту изделия
Эксперты Академии могут помочь разобраться в причинах дефекта, оценить материалы и технологию изготовления, подобрать систему ремонта или скорректировать конструкцию для дальнейшего производства.
Получить консультацию →