Исследование неравномерного старения полимерных композиционных материалов под влиянием ультрафиолетового излучения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-01050

НазваниеИсследование неравномерного старения полимерных композиционных материалов под влиянием ультрафиолетового излучения

Руководитель Лукачевская Ирина Григорьевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Республика Саха (Якутия)

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Ультрафиолетовое излучение, композиционный материал, эпоксидное связующее, деструкция, прочность, фрактография, неравномерное старение

Код ГРНТИ81.09.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В течение двух последних десятилетий в нашей стране и за рубежом расширяется применение базальтовых волокон (БВ) как альтернативы стекловолокну (СВ). По многим показателям БВ превосходят СВ. Сырьевая база для производства БВ доступна и практически не ограничена. Поэтому требуется изучение эффектов старения этого класса композитных материалов в сопоставлении с имеющимися надежными данными для СП. Полимерная матрица ПКМ, как и другие полимерные системы, подвержена деградации, вызванной солнечным ультрафиолетовым излучением, циклическим нагревом / охлаждением, влагой и другими факторами окружающей среды, в процессе, известном как «климатическое воздействие». Ультрафиолетовое (УФ) излучение считается наиболее важным фактором климатического воздействия поскольку оно инициирует фотохимические реакции, которые приводят к необратимому разрушению материала, однако многие из его воздействий на композиты из базальто- и стеклопластика до конца не изучены. Поскольку полимерная матрица связывает и передает нагрузку на армирующие волокна, повреждение данного критического компонента может отрицательно сказаться на общих механических свойствах ПКМ и ограничить срок его службы. После длительных периодов воздействия могут возникнуть более серьезные повреждения в виде зазубрин на поверхности и растрескивания. Растрескивание часто является результатом реакций разрыва цепи, инициируемых воздействием ультрафиолета, при которых фрагменты, образующиеся в результате разрыва цепи, занимают больший объем, чем исходные полимеры, вызывая напряжения, которые приводят к образованию трещин. Если продукты разложения являются летучими или газообразными, также может произойти образование пор и углублений. Морфологические особенности поверхности, возникающие в результате воздействия ультрафиолета указанные выше участки потенциально могут служить местами сорбции влаги и инициирования разрушения, что способствует ухудшению механических свойств. В целом, опубликованная литература о влиянии ультрафиолетового излучения на механические свойства композитов из стеклопластика говорит о неоднозначных результатах, и существуют различные выводы о стойкости материалов из стеклопластика к ультрафиолетовому излучению. В некоторых случаях после воздействия ультрафиолетового излучения в лаборатории или в полевых условиях наблюдались лишь незначительные изменения механических свойств. В общем было отмечено, что влияние ультрафиолетового излучения на механические свойства, как правило, менее заметно в более толстых образцах, в то время как более тонкие образцы демонстрируют большие изменения механических свойств. Таким образом, остается не до конца исследованным фактор неравномерного старения стеклопластиков под влиянием УФ-излучения. Необходимы дальнейшие исследования для полного понимания основных механизмов, ответственных за данные эффекты, и разработки эффективных стратегий для повышения устойчивости композитных материалов к УФ-излучению. Научная новизна проекта заключается в получении зависимости неравномерного старения ПКМ под влиянием УФ-излучения. Учет этого влияния неоднородности старения позволит уменьшить погрешности измерений механических показателей ПКМ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лукачевская И.Г, Иванов А.Н., Васильева Е.Д., Кычкин А.А., Марков А.Е. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОМЕРНОГО СТАРЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Сборник трудов XI Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Ларионова (11–15 сентября 2023 г., г. Якутск) (год публикации - 2023)

2. И.Г. Лукачевская, Е.Д. Васильева, А.Н. Иванов, А.А. Кычкин ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕСТРУКЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП–2023): материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 26-27 октября 2023 года, Лукачевская И.Г. Проектирование ультрафиолетовой камеры для исследования деструкции полимерных композиционных материалов / Васильева Е.Д., Иванов А.Н., Кычкин А.А. // (год публикации - 2023)

3. И.Г. Лукачевская, Е.Д. Васильева, А.Н. Иванов, А.А. Кычкин ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕСТРУКЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Южно-Сибирский научный вестник (год публикации - 2023)
10.25699/SSSB.2023.52.6.043

4. Е.Д. Васильева, А.Н. Иванов, И.Г. Лукачевская, А.А. Кычкин Design of an ultraviolet chamber for studying the destruction of polymer composite materials Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, Design of an ultraviolet chamber for studying the destruction of polymer composite materials / E. D. Vasilyeva, A. N. Ivanov, I. G. Lukachevskaya, A. A. Kychkin //, 27–29 ноября 2023 года, 2023. – P. 43-44. – EDN SWXJAB. (год публикации - 2023)

5. Лукачевская И.Г., Васильева Е.Д., Иванов А.Н., Кычкин А.А. Design of an uv chamber for studying the destruction of polymer composite materials (review) Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Lukachevskaya, I.G., Vasilyeva, E.D., Ivanov, A.N. et al. Design of a UV Chamber for Studying the Destruction of Polymer Composite Materials (Review). Theor Found Chem Eng (2024). https://doi.org/10.1134/S0040579524601249 (год публикации - 2024)
10.1134/S0040579524601249

6. Васильева Е.Д., Лукачевская И.Г., Кычкин А.К., Кычкин А.А., Иванов А.Н., Сивцев С.И., Марков А.Е. Исследование влияния уф-излучения на деградацию стекло- базальтопластиков с использованием разработанной уф-камеры ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции. Томск, 2024 Издательство: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Исследование влияния УФ-излучения на деградацию стекло- базальтопластиков с использованием разработанной УФ-камеры / Е. Д. Васильева, И. Г. Лукачевская, А. К. Кычкин [и др.] // Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения : Сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, Томск, 21–25 октября 2024 года. – Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2024. – С. 13-15. – EDN MSEZYS. (год публикации - 2024)

7. Лукачевская И. Г., Васильева Е. Д., Сивцев С. И., Кычкин А. К. Исследование влияния фотодеградации эпоксидной матрицы на общую деструкцию поверхности текстолитов Природные ресурсы Арктики и Субарктики (год публикации - 2025)

8. Лукачевская И.Г., Иванов А.Н. Разработка ультрафиолетовой камеры для анализа деструкции полимерных композитов: технологические решения и актуальность для информационного общества Трансформация российской науки в эпоху информационного общества / Сборник научных трудов по материалам Х Международной научно-практической конференции (22 ноября 2024 г., г. Москва). – Москва: Изд. АНО ДПО «ЦРОН», 2024. – 133 с., Трансформация российской науки в эпоху информационного общества / Сборник научных трудов по материалам Х Международной научно-практической конференции (22 ноября 2024 г., г. Москва). – Москва: Изд. АНО ДПО «ЦРОН», 2024. с. 115-118 (год публикации - 2024)

9. Лукачевская И.Г., Иванов А. Н. Разработка ультрафиолетовой камеры для анализа деструкции полимерных композитов: технологические решения и актуальность для информационного общества Сборник научных трудов по материалам Х Международной научно-практической конференции, Лукачевская, И. Г. Разработка ультрафиолетовой камеры для анализа деструкции полимерных композитов: технологические решения и актуальность для информационного общества / И. Г. Лукачевская, А. Н. Иванов // Трансформация российской науки в эпоху информационного общества : Сборник научных трудов по материалам Х Международной научно-практической конференции, Москва, 22 ноября 2024 года. – Москва: Центр развития образования и науки, 2024. – С. 115-118. – EDN LKUINX. (год публикации - 2024)

10. Влияние ультрафиолетового излучения в течение 2000 часов на общую деструкцию поверхности стекло- и базальтопластиков Effect of 2000-Hour Ultraviolet Irradiation on Surface Degrada-tion of Glass and Basalt Fiber-Reinforced Laminates Polymers, Lukachevskaia, I.G.; Kychkin, A.; Kychkin, A.K.; Vasileva, E.D.; Markov, A.E. Effect of 2000-Hour Ultraviolet Irradiation on Surface Degradation of Glass and Basalt Fiber Reinforced Laminates. Polymers 2025,17, 1980. https://doi.org/10.3390/polym17141980 (год публикации - 2025)
10.3390/polym17141980

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект № 23-79-01050, «Исследование неравномерного старения полимерных композиционных материалов под влиянием ультрафиолетового излучения», направлен на изучение механизмов старения полимерных композиционных материалов, армированных стекловолокном и базальтовым волокном, при длительном воздействии ультрафиолетового (УФ) излучения. Исследования проводились с целью выявления закономерностей деградации данных материалов в лабораторных условиях, что позволит более точно прогнозировать их долговечность в реальных эксплуатационных условиях, где они подвергаются воздействию солнечного излучения. Для реализации поставленных целей были выбраны два типа материалов: стеклопластики и базальтопластики. Данные материалы были подвергнуты ультрафиолетовому облучению на протяжении различных интервалов времени (0, 500, 1000, 1500 и 2000 часов) в специализированной УФ-камере. В качестве оценочных критериев использовались изменения механических, физических и химических свойств материалов, таких как визуальные дефекты поверхности, шероховатость, открытая пористость, изменения в химической структуре и механическая прочность. В ходе экспериментов было установлено, что оба типа полимерных композиционных материалов демонстрируют различную степень устойчивости к УФ-облучению. Стеклопластики (СП) проявили существенные изменения уже после 500 часов воздействия УФ-излучения. Поверхность материала приобрела помутнение, появились мелкие поры, что свидетельствует о начале термофотоокисления эпоксидного связующего. По мере увеличения времени облучения (1000 и 1500 часов) происходило усиление деградации: утрата однородности, изменение цвета (желтоватый оттенок), увеличение количества пор и микротрещин, что указывает на разрушение полимерной матрицы. После 2000 часов облучения дефекты стали значительно выраженными. Профилометрические измерения показали увеличение средней шероховатости поверхности (Ra) с 2,28 мкм до 7,78 мкм, а глубина микродефектов увеличилась до 60-65 мкм. Эти изменения сопровождались значительным увеличением влагопоглощения, что повышает риск образования микропустот и расслоений. Базальтопластики (БП) продемонстрировали значительно большую стойкость к воздействию УФ-излучения. Внешний вид материала оставался практически неизменным на протяжении первых 1500 часов, с минимальными изменениями, такими как увеличение размеров существующих пор. Это свидетельствует о более низкой степени деградации. Профилометрические данные показали, что после 2000 часов облучения шероховатость поверхности увеличилась с 8,07 мкм до 15,66 мкм, однако глубина разрушения слоя оставалась меньше, чем у стеклопластиков. Аналогично, потеря массы составила всего 0,076%, в то время как у стеклопластиков это значение было значительно выше (0,101%). С помощью методов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР)-спектроскопии и гидростатического взвешивания была исследована динамика изменений в открытой пористости и структуре эпоксидной матрицы. Для стеклопластиков открытая пористость увеличилась в 10,6 раз, что указывает на значительное разрушение поверхностного слоя полимера. В случае базальтопластиков этот показатель возрос в 2,6 раза, что также подтверждает более низкий уровень деградации. Результаты ЯМР-спектроскопии выявили значительные изменения в химической структуре эпоксидной матрицы, включая разрывы химических связей и образование новых химических групп в области 50-80 ppm (алкильные углероды) и 110-150 ppm (ароматические углероды), что свидетельствует о разрушении полимерной цепи. Деградация механических свойств полимерных материалов была оценена с использованием метода трехточечного изгиба. Результаты показали, что стеклопластики теряют до 59-64% своей прочности на изгиб после 500-2000 часов УФ-облучения. В отличие от этого, базальтопластики сохраняют значительную прочность, снижая её на 5-17%, что соответствует коэффициенту сохранения механических свойств в диапазоне от 83% до 95%. Это подтверждает более высокую стойкость базальтопластиков к УФ-старению. Микроструктурные исследования методом растровой электронной микроскопии выявили, что разрушение базальтопластиков при трёхточечном изгибе носит смешанный характер, сочетающий разрушение по растянутым и сжатым волокнам со сколом вдоль волокон. При увеличении времени УФ-экспонирования наблюдается развитие микротрещин, рыхлости, расслоений и отрыва волокон от матрицы. Однако, несмотря на нарастающие структурные дефекты, базальтопластики демонстрируют высокую стабильность механических характеристик: предел прочности снижается незначительно — с 432,54 МПа (0 ч) до 410,83 МПа (2000 ч), а коэффициент сохраняемости остается на уровне 0,95–0,96. Это свидетельствует о высокой устойчивости материала к УФ-деструкции. В отличие от базальтопластиков, стеклопластики проявили высокую чувствительность к УФ-воздействию. Уже после 500 часов облучения предел прочности снижается на 40 % − с 632,73 до 374,5 МПа, а коэффициент сохраняемости падает до 0,59. Столь значительное снижение прочностных характеристик на раннем этапе сопровождается выраженными микроструктурными изменениями, зафиксированными на микрофотографиях. Для более глубокого понимания механизма старения материалов было проведено разделение образцов на лицевую (Л) и тыльную (Т) стороны с последующим испытанием на прочность после различных интервалов УФ-облучения. Выявлена значительная анизотропия старения: коэффициент сохранения прочности для стеклопластиков на тыльной стороне составил 0,79, что значительно ниже, чем для базальтопластиков (0,93). Это подтверждает различную степень фотохимической деградации в зависимости от ориентации волокон и распределения наполнителя в материалах. Проведенные исследования показали, что полимерные композиционные материалы, армированные стекловолокном и базальтовым волокном, демонстрируют значительные различия в поведении под воздействием ультрафиолетового излучения. Стеклопластики более чувствительны к УФ-старению, что проявляется в быстром ухудшении их физических и механических свойств. Базальтопластики обладают значительно лучшей устойчивостью, что делает их более перспективными для применения в условиях интенсивного солнечного излучения. Для повышения долговечности данных материалов в условиях реальной эксплуатации необходимо учитывать их микроструктурные особенности и применять ускоренные методы старения для точного прогнозирования их ресурса.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта № 23-79-01050 обладают высоким потенциалом практического применения в различных отраслях экономики и социальной сферы, в первую очередь — в строительстве, энергетике, транспорте, оборонной и авиационно-космической промышленности, а также в производстве изделий, эксплуатируемых в условиях открытой атмосферы и агрессивного климатического воздействия. 1. Формирование научно-технологических заделов: Разработанная методология оценки климатической стойкости полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе УФ-облучения с использованием профилометрии, фрактографии, механических и спектроскопических методов может быть использована как основа для стандартизации испытаний новых материалов. Полученные данные о кинетике и механизмах фотодеструкции армированных композитов позволяют прогнозировать ресурс изделий, что критически важно при проектировании объектов в регионах с высокой инсоляцией (Юг России, Дальний Восток, Арктика). 2. Возможности промышленного применения: Установлена высокая устойчивость базальтопластиков к УФ-старению, что даёт основания для расширения их применения в качестве конструкционных и защитных материалов в строительных фасадных панелях, трубопроводах, элементах транспортной инфраструктуры (опоры ЛЭП, дорожные барьеры, инженерные конструкции). Данные исследования могут быть использованы в оптимизации составов связующего и выбора армирующего наполнителя при разработке новых марок ПКМ с повышенным сроком службы и сниженной стоимостью жизненного цикла. 3. Развитие производственных и технологических решений: Результаты проекта способствуют созданию новых или усовершенствованных технологий испытаний, включая ускоренное климатическое старение, что позволяет оценивать свойства новых материалов в сжатые сроки без многолетних натурных наблюдений. Конструкция УФ-камеры, разработанная в ходе проекта, может быть тиражирована и внедрена в профильных НИИ, ЦЗЛ, учебных заведениях и сертификационных центрах как отечественный аналог импортных установок для климатических испытаний. 4. Вклад в социальное развитие: Улучшение стойкости материалов позволяет повысить надёжность и безопасность объектов, эксплуатируемых на открытом воздухе, в том числе инфраструктурных и социальных объектов (мосты, школы, больницы, линии связи). Реализация результатов способствует снижению затрат на ремонт и замену материалов, увеличению межремонтных интервалов и, как следствие, экономии бюджетных и корпоративных средств.