resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2021-26-2-11resar-164Research ArticleМеталлургия и материаловедение. МатериаловедениеMetallurgy and materials science. Materials scienceОценка начальной стадии климатического старения базальтои стеклопластиков в условиях экстремально холодного климатаEstimate of the early stage of climatic aging of basaltand glass-fiber reinforced plasticsЛукачевскаяИ. Г.LukachevskayaI. G.

ЛУКАЧЕВСКАЯ Ирина Григорьевна, научный сотрудник

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Researcher ID: AAV-2000-2020, Scopus ID: 57203801622

LUKACHEVSKAYA Irina Grigoreevna, researcher

1 Oktyabrskaya st., Yakutsk 677980

Researcher ID: AAV-2000-2020, Scopus ID: 57203801622

mirkin1611@gmail.comГаврильеваА. А.GavrilievaA. A.

ГАВРИЛЬЕВА Анна Андреевна, научный сотрудник

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Researcher ID: ABC-7487-2020, Scopus ID: 57194330692

GAVRIL’EVA Anna Andreevna, researcher

1 Oktyabrskaya st., Yakutsk 677980

Researcher ID: ABC-7487-2020, Scopus ID: 57194330692

gav-ann@yandex.ruКычкинА. К.KychkinA. K.

КЫЧКИН Анатолий Константинович, ведущий научный сотрудник

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Researcher ID: D-9234-2014, Scopus ID: 35300061400

KYCHKIN Anatolii Konstantinovich, leading researcher

1 Oktyabrskaya st., Yakutsk 677980

Researcher ID: D-9234-2014, Scopus ID: 35300061400

kychkinplasma@mail.ruКычкинА. А.KychkinA. A.

КЫЧКИН Айсен Анатольевич, научный сотрудник

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Researcher ID: AAO-3471-2020, Scopus ID: 57215690274

KYCHKIN Ajsen Anatoleevich, researcher

1 Oktyabrskaya st., Yakutsk 677980

Researcher ID: AAO-3471-2020, Scopus ID: 57215690274

icen.kychkin@mail.ruСтручковН. Ф.StruchkovN. F.

СТРУЧКОВ Николай Федорович, старший научный сотрудник

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Scopus ID: 35335217600

STRUCHKOV Nikolaj Fedorovich, senior researcher

1 Oktyabrskaya st., Yakutsk 677980

Scopus ID: 35335217600

struchkov_n@rambler.ruДьяконовА. А.DiakonovA. A.

ДЬЯКОНОВ Афанасий Алексеевич, научный сотрудник

677980, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Researcher ID: E-5710-2014. Scopus ID: 57204699045

DYAKONOV Afanasii Alekseevich, researcher

1 Oktyabrskaya st., Yakutsk 677980

Researcher ID: E-5710-2014, Scopus ID: 57204699045

afonya71185@mail.ruИнститут физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАНРоссияV.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North SB RASRussian Federation202117092021262159175Copyright © Лукачевская И.Г., Гаврильева А.А., Кычкин А.К., Кычкин А.А., Стручков Н.Ф., Дьяконов А.А., 20212021Лукачевская И.Г., Гаврильева А.А., Кычкин А.К., Кычкин А.А., Стручков Н.Ф., Дьяконов А.А.Lukachevskaya I.G., Gavrilieva A.A., Kychkin A.K., Kychkin A.A., Struchkov N.F., Diakonov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/164

Бурно развивающееся сегодня освоение арктических регионов требует повышенного внимания исследователей к проблеме климатического старения полимерных композитных материалов в условиях экстремально холодного климата. После двухлетнего климатического старения в условиях экстремально холодного климата г. Якутск базальтопластика (БП) на основе базальтовой ткани БТ-11П-кв-12 и стеклопластика (СП) на основе стеклоткани Ортекс 560, пропитанных трехкомпонентным связующим, состоящим из эпоксидного полимерной матрицы ЭД-22, отвердителя Изо-МТГФА и ускорителя Агидола 53, обнаружены признаки деструкции связующего в поверхностном слое: в виде растрескивания глубиной до 1 мкм в БП и до 4 мкм в СП; в виде оголения волокон и единичных углублений не более 30 мкм. Сравнением морфологии поверхности лицевой и обратной сторон пластиков показано, что СП больше подвержен солнечному излучению, чем БП, в результате чего открытая пористость у СП оказалась в 2 раза больше, чем у БП. Обоснована применимость модели сорбции влаги, состоящей из закона Фика для диффузии при постоянных или релаксационных граничных условиях, при стационарных термовлажностных условиях. Показано, что после старения коэффициент диффузии у пластиков увеличился в 5 раз. При всем этом после 2-летнего изучаемого климатического старения наблюдается увеличение механических показателей пластиков. Таким образом, изменение рассчитанных величин, характеризующих деструкцию поверхностного слоя пластиков, может служить количественной оценкой для диагностики начальной стадии климатического старения пластика.

At present, the rapidly expanding development of the Arctic regions requires increased attention of researchers to the problem of climatic aging of polymer composite materials in extremely cold climate. After two years of climatic aging in extremely cold climate of Yakutsk, basalt-fiber reinforced plastic (BFRP) and glass-fiber reinforced plastic (GFRP) based on basalt fabric BT-11P-kv-12 and glass fabric Ortex 560 impregnated with a three-component binder consisting of an epoxy polymer matrix ED-22, a hardener Iso-MTGFA and accelerator Agidol 53, binder destruction was found in the surface layer: in the form of cracking to a depth of up to 1 micron in BFRP and up to 4 microns in GFRP; in the form of bare fibers and single depressions no more than 30 microns deep. Comparison of the surface morphology of the front and back sides of the plastics showed that GFRP is more exposed to solar radiation than BFRP, so that the open porosity of GFRP was 2 times higher than the open porosity of BFRP. Applicability of the moisture sorption and diffusion model consisting of Fick’s law for diffusion and constant or relaxation boundary conditions, under stationary thermal and humidity conditions was substantiated. It was shown that the diffusion coefficient of the plastics increased 5 times after climatic aging. With all this, an increase in the mechanical parameters of the plastics is observed after 2 years of climatic aging. Thus, the change in the calculated parameters characterizing the destruction of the surface layer of the plastics can serve as a quantitative estimate for diagnosing the early stage of climatic aging of plastics.

базальтопластикстеклопластикклиматическое старениедиффузия влагиоткрытая пористостьдеструкциядоотверждение полимеровхолодный климатbasalt-fiber reinforced plasticglass-fiber reinforced plasticclimatic agingmoisture diffusionopen porositydestructionpost-curing of polymerscold climateРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Тема № 0297-2021-0041).The research was carried out within the State Assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project No. № 0297-2021-0041).ReferencesКаблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»// Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9141-2015-0-1-3-33Kablov E.N. Innovacionny`e razrabotki FGUP “VIAM”GNCz RF po realizacii “Strategicheskix napravlenij razvitiya materialov i texnologij ix pererabotki na period do 2030 goda”// Aviacionny`e Materialy` i Texnologii. 2015. No. 1 (34). P. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9141-2015-0-1-3-33Конструкционные композиционные материалы / под ред. Е.Н. Каблова. М.: ФГУП «ВИАМ», 2012. 58 с.Konstrukcionny`e kompozicionny`e materialy` / pod red. E.N. Kablova. Moskva: FGUP «VIAM», 2012. 58 p.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. 19–26.Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionny`x materialov aviacionnogo naznacheniya. I. Mexanizmy` stareniya // Deformaciya i razrushenie materialov. 2010. No. 11. P. 19–26.Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. II. Релаксация исходной структурной неравновесности и градиент свойств по толщине // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 12. С. 40–46.Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionny`x materialov aviacionnogo naznacheniya. II. Relaksaciya isxodnoj strukturnoj neravnovesnosti i gradient svojstv po tolshhine // Deformaciya i razrushenie materialov. 2010. No. 12. P. 40–46.Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения //Деформация и разрушение материалов. 2011. № 1. С. 34–40.Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionny`x materialov aviacionnogo naznacheniya. III. Znachimy`e faktory` stareniya //Deformaciya i razrushenie materialov. 2011. No. 1. P. 34–40.Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М.: Химия, 1982. 220 с.Pavlov N.N. Starenie plastmass v estestvenny`x i iskusstvenny`x usloviyax. Moskva: Ximiya, 1982. 220 p.Манин В.Н. Физико-химическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации. М.: Химия, 1980. 248 с.Manin V.N. Fiziko-ximicheskaya stojkost` polimerny`x materialov v usloviyax e`kspluatacii. Moskva: Ximiya, 1980. 248 p.Startsev V.O., Lebedev M.P., Kychkin A.K. Influence of moderately warm and extremely cold climate on properties of basalt plastic armature //Heliyon. 2018. Vol. 4. Article e01060. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e01060Startsev V.O., Lebedev M.P., Kychkin A.K. Influence of moderately warm and extremely cold climate on properties of basalt plastic armature //Heliyon. 2018. Vol. 4. Article e01060. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e01060Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2. С. 47–58. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-47-58Kablov E.N., Starcev V.O. Sistemny`j analiz vliyaniya klimata na mexanicheskie svojstva polimerny`x kompozicionny`x materialov po danny`m otechestvenny`x i zarubezhny`x istochnikov // Aviacionny`e materialy` i texnologii. 2018. No. 2. P. 47–58. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-47-58Андреева Н.П., Павлов М.Р., Николаев Е.В., Курносов А.О. Исследование влияния воздействия атмосферных факторов на свойства полимерного конструкционного стеклопластика на цианэфирной основе в естественных условиях холодного, умеренного и тропического климата // Труды ВИАМ. 2019. № 3(75). C. 105–114.Andreeva N.P., Pavlov M.R. Nikolaev E.V., Kurnosov A.O. Issledovanie vliyaniya vozdejstviya atmosferny`x faktorov na svojstva polimernogo konstrukcionnogo stekloplastika na ciane`firnoj osnove v estestvenny`x usloviyax xolodnogo, umerennogo i tropicheskogo klimata // Trudy` VIAM. 2019. No. 3(75). P. 105–114.Старцев О.В., Лебедев М.П., Кычкин А.К. Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата // Известия АлтГУ. Физика. 2020. № 1(111). С. 41–51. DOI 10.14258/izvasu(2020)1-06Starcev O.V., Lebedev M.P., Ky`chkin A.K. Starenie polimerny`x kompozicionny`x materialov v usloviyax e`kstremal`no xolodnogo klimata // Izvestiya AltGU. Fizika. 2020. No. 1(111). P. 41–51. DOI 10.14258/izvasu(2020)1-06Старцев В.О. Климатическая стойкость полимерных композиционных материалов и защитных покрытий в умеренно-теплом климате: Дисс. … д-ра техн. наук. М., 2018. 308 с.Starcev V.O. Klimaticheskaya stojkost` polimerny`x kompozicionny`x materialov i zashhitny`x pokry`tij v umerenno-teplom klimate: diss. … d-ra texn. nauk. Moskva, 2018. 308 p.Авиационные материалы. Справочник в 13 томах. Т. 13. Климатическая и микробиологическая стойкость неметаллических материалов / Е.Н. Каблов. М.: ВИАМ, 2015. 270 с.Aviacionny`e materialy`. Spravochnik v 13 tomax. Tom 13. Klimaticheskaya i mikrobiologicheskaya stojkost` nemetallicheskix materialov / E.N. Kablov. M.: VIAM, 2015. 270 p.Николаев Е.В., Барботько С.Л., Андреева Н.П., Павлов М.Р., Гращенков Д.В. Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных композиционных материалов на его основе. Часть 4. Натурные климатические испытания полимерных композиционных материалов на основе эпоксидной матрицы // Труды ВИАМ. 2016. № 6. С. 93–108.Nikolaev E.V., Barbot`ko S.L., Andreeva N.P., Pavlov M.R., Grashhenkov D.V. Kompleksnoe issledovanie vozdejstviya klimaticheskix i e`kspluatacionny`x faktorov na novoe pokolenie e`poksidnogo svyazuyushhego i polimerny`x kompozicionny`x materialov na ego osnove. Chast` 4. Naturny`e klimaticheskie ispy`taniya polimerny`x kompozicionny`x materialov na osnove e`poksidnoj matricy // Trudy` VIAM. 2016. No. 6. P. 93–108.Baker D.J. Ten-Year Ground Exposure of Composite Materials Used on the Bell Model 206L Helicopter Flight Service Program. NASA Technical Paper 3468, ARL Technical Report 480. Hampton, Virginia: NASA, Sci. a. techn. information branch, 1994. 57 p.Baker D.J. Ten-Year Ground Exposure of Composite Materials Used on the Bell Model 206L Helicopter Flight Service Program. NASA Technical Paper 3468, ARL Technical Report 480. Hampton, Virginia: NASA, Sci. a. techn. information branch, 1994. 57 p.Startsev O.V., Krotov A.S., Startseva L.T. Interlayer shear strength of polymer composite materials during long term climatic ageing // Polym. Degrad. and Stab. 1999. Vol. 63. Р. 183–186. DOI: https://doi.org/10.1016/S0141-3910(98)00086-XStartsev O.V., Krotov A.S., Startseva L.T. Interlayer shear strength of polymer composite materials during long term climatic ageing // Polym. Degrad. and Stab. 1999. Vol. 63. Р. 183–186. DOI: https://doi.org/10.1016/S0141-3910(98)00086-XСтарцев О.В., Кузнецов А.А., Кротов А.С., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г. Моделирование влагопереноса в слоистых пластиках и стеклопластиках //Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 2. С. 109–114.Starcev O.V., Kuzneczov A.A., Krotov A.S., Anixovskaya L.I., Senatorova O.G. Modelirovanie vlagoperenosa v sloisty`x plastikax i stekloplastikax //Fizicheskaya mezomexanika. 2002. Vol. 5, No. 2. P. 109–114.ГОСТ 9.708-83. Единая система защиты от коррозии и старения. Пластмассы. Методы испытаний на старение при воздействии естественных и искусcтвенных климатических факторов. М.: Изд-во стандартов, 1983. 12 с.GOST 9.708-83. Edinaya sistema zashhity` ot korrozii i stareniya. Plastmassy`. Metody` ispy`tanij na starenie pri vozdejstvii estestvenny`x i iskusctvenny`x klimaticheskix faktorov. M.: Izd-vo standartov, 1983. 12 p.ГОСТ 32656-2014. Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение. М.: Стандартинформ, 2014. 38 с.GOST 32656-2014. Kompozity` polimerny`e. Metody` ispy`tanij. Ispy`taniya na rastyazhenie. M.: Standartinform, 2014. 38 p.ГОСТ 25.604-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах. М.: Издво стандартов, 1983. 7 с.GOST 25.604-82. Raschety` i ispy`taniya na prochnost`. Metody` mexanicheskix ispy`tanij kompozicionny`x materialov s polimernoj matricej (kompozitov). Metod ispy`taniya na izgib pri normal`noj, povy`shennoj i ponizhennoj temperaturax. M.: Izd-vo standartov, 1983. 7 p.ГОСТ 9.304-87. Покрытия газотермические. Общие требования и методы контроля. вед. 01.07.89. М.: Изд-во стандартов, 1988. 10 с.GOST 9.304-87. Pokry`tiya gazotermicheskie. Obshhie trebovaniya i metody` kontrolya. ved. 01.07.89. M.: Izd-vo standartov, 1988. 10 p.Исакаев Э.Х., Мордынский В.Б., Подымова Н.Б., Сидорова Е.В., Школьников Е.И. Определение пористости газотермических покрытий // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 5. С. 71–77.Isakaev E`.X., Mordy`nskij V.B., Pody`mova N.B., Sidorova E.V., Shkol`nikov E.I. Opredelenie poristosti gazotermicheskix pokry`tij // Fizika i ximiya obrabotki materialov. 2010. № 5. S. 71–77.Sasaki I., Nishizaki I. Tensile load relaxation of FRP cable system during long-term exposure tests // Proc. of the 6th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2012), Rome, Italy. 13–15 June, 2012. Paper 11-691. P. 1–8.Sasaki I., Nishizaki I. Tensile load relaxation of FRP cable system during long-term exposure tests // Proc. of the 6th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2012), Rome, Italy. 13–15 June, 2012. Paper 11-691. P. 1–8.Материаловедение полимеров и композиционных материалов на их основе: моногр. / В.Н. Вернигорова, С.М. Саденко. Пенза: ПГУАС, 2013. 420 с.Materialovedenie polimerov i kompozicionny`x materialov na ix osnove: monogr. / V.N. Vernigorova, S.M. Sadenko. Penza: PGUAS, 2013. 420 p.Crank J. The Mathematics of diffusion. London: Oxford University Press, 1975. P. 414.Crank J. The Mathematics of diffusion. London, Oxford University Press, 1975. P. 414.Вода в полимерах: Пер. с англ. / Под ред. М. Роуленда. М.: Мир, 1984. 555 с.Voda v polimerax: Per. s angl./Pod red. M. Roulenda. M.: Mir, 1984, 555 s.Старцев О.В., Кузнецов А.А., Кротов А.С., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г. Моделирование влагопереноса в слоистых пластиках и стеклопластиках //Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 2. С. 109–114.Starcev O.V., Kuzneczov A.A., Krotov A.S., Anixovskaya L.I., Senatorova O.G. Modelirovanie vlagoperenosa v sloisty`x plastikax i stekloplastikax //Fizicheskaya mezomexanika. 2002. Vol. 5, No. 2. P. 109–114.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.