Оценка влияния ускоренного выветривания на механические свойства композита лен / эпоксидная смола:

Хадж-Джилани Абдельхади, Хабиба Бугерара, Редуан Зитун, Лотфи Тубал

Оценка влияния ускоренного выветривания на механические свойства композита лен / эпоксидная смола: исследование характеристик при растяжении и влияния веса при падении. Композиты, часть А: Прикладная наука и производство. 2024

Assessing the impact of accelerated weathering on the mechanical properties of a flax/epoxy composite: A study on tensile performance and drop-weight impact// Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2024

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108277

АННОТАЦИЯ

(автоматизиованный перевод)

В этом исследовании изучалось, как воздействие ультрафиолета и влажность (ускоренное выветривание) влияют на композиты лен / эпоксидная смола. Три конфигурации (однонаправленная, поперечно-слоистая и квазиизотропная) выдерживались в течение 1200 часов. 

Испытания на растяжение и ударную вязкость выявили значительное ухудшение свойств во всех конфигурациях. Предел прочности при растяжении, модуль упругости и деформация снизились после старения. Модуль Юнга снизился на 8-11,5%, напряжение – на 12,2-18%, а деформация - на 10-18,59%. 

Испытания на удар показали снижение допустимой ударной нагрузки (на 6-10%), но увеличение поглощенной энергии (на 7-12%). Это говорит о большем повреждении поверхности после старения. Эти результаты подчеркивают существенное влияние факторов окружающей среды на долгосрочные эксплуатационные характеристики композитов лен / эпоксидная смола.

Графическая аннотация

Введение

Композиты из натуральных волокон стали многообещающей альтернативой обычным синтетическим композитам для различных промышленных применений благодаря своим устойчивым и экологически чистым характеристикам. Среди этих натуральных волокон льняные волокна привлекли значительное внимание благодаря своим превосходным механическим свойствам, снижению выбросов углекислого газа, доступности по цене и способности к биологическому разложению. 

Одной из основных причин прочных механических свойств волокон льна являются их внутренние компоненты. Их основные компоненты включают целлюлозу, гемицеллюлозу, воск, лигнин и пектин. Примечательно, что целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин играют ключевую роль в определении физических свойств этих волокон. Целлюлоза является самым жестким и долговечным органическим компонентом льняных волокон. В сочетании с эпоксидной смолой, широко используемым матричным материалом, композиты лен / эпоксидная смола обладают высокой механической прочностью, легким весом и экологически устойчивы. 

Однако одним из важнейших аспектов, который требует тщательного рассмотрения при использовании композитов из натуральных волокон в приложениях, является их долговечность, особенно при воздействии факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое (УФ) излучение и влага. Со временем воздействие ультрафиолетового излучения и влаги может привести к значительному снижению механических свойств. Это еще более важно, учитывая низкое содержание лигнина в волокнах льна. Лигнин играет важную роль в устойчивости к УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ излучению в качестве естественного ингибитора, поглощая ультрафиолетовые лучи, тем самым уменьшая их влияние на свойства композита.

Для лигноцеллюлозных волокон, таких как лён, старение или деградация происходит из-за поглощения лигнином УФ-излучения, образования хиноидных структур, реакций Норриша и реакций фотожелтения, которые происходят в лигнине.  Кроме того, из-за присутствия гидроксильных групп на их поверхности, волокна льна по своей природе гидрофильны. Эта характеристика обеспечивает более высокую способность к поглощению влаги, что может ускорить разложение гемицеллюлозы. Однако при воздействии влаги эпоксидная смола может подвергаться сшиванию цепи, что делает ее хрупкой или снижает ее прочность из-за разрыва цепи. Оба сценария отрицательно влияют на прочность эпоксидной смолы при растяжении и жесткость. Кроме того, повышенные температуры могут еще больше усугубить разрушение эпоксидных смол. 

Учитывая эти факторы, проведение комплексных испытаний этих композитов лен / эпоксидная смола остается важным для их предполагаемого длительного применения. Однако их тестирование в течение очень длительных периодов, например, лет, непрактично и может замедлить разработку продукта. Вот почему использование методов ускоренного выветривания, которые имитируют долговременное разрушение за более короткий период, является подходящим подходом. Преимуществом тестов на ускоренное старение является их способность воспроизводить (за недели) разложение биокомпозитов, которое обычно происходит на открытом воздухе в течение нескольких месяцев или лет. Кроме того, с помощью камер ускоренного старения можно оценить и количественно оценить вклад каждого фактора (влажность, УФ и т.д.) В механизмы разрушения. Температура и ультрафиолетовое облучение вызывают фотоокисление в биокомпозитах, что приводит к обесцвечиванию, увеличению шероховатости поверхности, потере массы и ухудшению механических свойств.

Фрагменты:

Материалы и образцы

Композитные пластины, состоящие из 16 слоев препрега лен/ эпоксидная смола, были изготовлены методом прессования (горячий пресс). Используемый препрег поставлялся компанией Lineo NV (Бельгия) и характеризовался плотностью 150 г/м22. В этом исследовании были исследованы три различные последовательности укладки: однонаправленная (UFE) [0]16, поперечно-слоистая (CFE) [0/90]4s и квазиизотропная (QFE) [90/45/0 /-45]2s конфигурации. Средняя толщина каждой пластины составляла около 3,47 мм. 

Выводы

В этом исследовании пластины из композита лён / эпоксидная смола с различными последовательностями укладки (UFE, CFE и QFE) подвергались ускоренному старению для изучения влияния атмосферных воздействий как на их механические свойства, так и на микроструктуру. На основе тщательного анализа экспериментальных данных было сделано следующее заключение:

• ускоренное старение привело к видимому изменению цвета поверхности, особенно при 900 и 1200 ч выдержки. 
• анализ SEM показал эрозию матрицы и микротрещины 

------  

Публикуется в оборазовательных целях