Исследование сохранения физико-механических свойств стекло-углепластиков при провокационном биозаражении в условиях холодного климата

Общепринятой практикой для определения сроков безопасной эксплуатации полимерных композитов является их климатическая стойкость. Она основана на экспериментальных исследованиях влияния агрессивных климатических факторов на физико-механические свойства материалов, используемых в различных климатических зонах. В данной статье представлены результаты исследований климатических испытаний (старения) в условиях экстремально холодного климата образцов стекло-углепластиков. Для оценки влияния климатических и биогенных факторов на полимерные композиты использовались методы микроструктурного анализа, динамического механического анализа (ДМА) и исследования упругопрочностных характеристик. Образцы подвергались двухлетнему климатическому экспонированию с провокационным внесением микроорганизмов для изучения изменений их свойств и структурных особенностей. Установлено, что образование микробных колоний, выделение ими продуктов метаболизма разрушают полимерную матрицу, что приводит к снижению предела прочности при растяжении у стеклопластика (СП) на 57 %, у углепластика (УП) на 8 %. Полученные результаты подтверждены исследованиями методами ДМА, профилометрии и измерения открытой пористости. Данные, полученные при изучении поверхностной деструкции, пористости и ДМА, свидетельствуют о старении материала, начинающемся с поверхностного слоя. Это проявляется в увеличении пористости, изменении степени полимеризации полимерной матрицы слоистых пластиков, а также в значительном снижении упруго-прочностных характеристик при провокационном внесении микроорганизмов. Выявленные изменения подтверждаются снижением динамического модуля упругости и повышением температуры стеклования. Полученные результаты о влиянии биогенных микроорганизмов на процессы старения полимерных композитов при одновременном воздействии УФ- излучения и низких температур могут быть применены для решения вопросов по снижению старения полимеров.

1. Каблов Е.Н., Старцев О.В. Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях (обзор). Авиационные материалы и технологии. 2015; Т.4(37):38–52.

2. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М. Обзор зарубежного опыта исследований коррозии и средств защиты от коррозии. Авиационные материалы и технологии. 2015;2(35):76–87.

3. Kablov E.N., Startsev O.V., Krotov A.S et al. Climatic aging of composite materials: 1. Aging mechanisms. Russian Metallurgy (Metally). 2011;10.993–1000.

4. Kablov E.N., Startsev O.V., Krotov A.S., et al. Climatic aging of composite aviation materials: 2. Relaxation of the initial structural nenequilibrium and through thickness gradient of properties. Russisn Metallrgy (Metally). 2011;(10):1001–1007.

5. Kablov E.N., Startsev O.V., Krotov A.S., et al. Climatic aging of composite aviation materials: 3. Significant aging factors. Russian Metallurgy (Metally). 2012;(4). 323–329.

6. Кузьмин Д.А. Использование монотерпеноидов в качестве средств защиты промышленных материалов от микробиологических повреждений: Автореф. дис. канд. биол. наук. Нижний Новгород; 2006. 27 с.

7. Кряжев Д.В. Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней среды: : Автореф. дис. докт. биол. наук. Нижний Новгород; 2014. 305 с.

8. Кычкин А.А., Кычкин А.К., Туисов А.Г. Создание гибридных композиционных полимерных материалов для исследования взаимосвязей “составструктура-технология” при длительном воздействии климатических факторов. В кн.: Лукин Е.С. (ред.) EURASTRENCOLD-2022: Сборник трудов X Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященный 100-летию образования ЯАССР и 300-летию Российской Академии наук, г. Якутск, 12–16 сентября 2022 года. Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании; 2022. С. 250–257.

9. Копырин М.М., Марков А.Е., Иванов А.Н. и др. Исследование упруго-прочностных свойств гибридных композиционных пластиков. В кн.: Лукин Е.С. (ред.) EURASTRENCOLD-2022: Сборник трудов X Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященный 100-летию образования ЯАССР и 300-летию Российской Академии наук, г. Якутск, 12–16 сентября 2022 года. Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании; 2022. С. 233–237.

10. Кычкин А.А., Кычкин А.К., Туисов А.Г., и др. Прочностные свойства комбинированных полимерных композиционных пластиков из базальто- углетканей, полученных методом инфузии. В кн.: Лукин Е.С. (ред.) EURASTRENCOLD-2023: 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, г. Якутск, 11–15 сентября 2023 года. Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании; 2023. С. 324–329.

11. Kychkin A.K., Erofeevskya L.A., Kychkin A., et. al. Investigation of biofouling and its effect on the properties of basalt fiber reinforced plastic rebars exposed to extremely cold climate conditions. Polymers. 2022;(14): 369. https://doi.org/10.3390/polym14030369.

12. Ерофеевская Л.А., Кычкин А.К., Кычкин А.А. и др. Исследование биологического воздействия на базальтопластиковую арматуру. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2022;27(1):153–167. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2022-27-1-153-167.

13. Курс М.Г., Николаев Е.В., Абрамов Д.В. Натурно-ускоренные испытания металлических и неметаллических материалов: ключевые факторы и специализированные стенды. Авиационные материалы и технологии. 2019;54(1):66–73. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2019-0-1-66-73

14. Chin J.W. Durability of Composites for Civil Structural Applications. Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering. 2007;80–97.

15. Николаев Е.В., Барботько С.Л., Андреева Н.П. и др. 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 испытаний на основе эпоксидной матрицы. Труды ВИАМ. 2016;42(6):93–108.

16. Павлов М.Р., Николаев Е.В., Андреева Н.П. и др. К вопросу о методике оценки стойкости полимерных материалов к воздействию солнечного излучения (обзор). Труды ВИАМ. 2016;7(43):11.

17. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Кычкин А.К. и др. Оценка предельных значений пористости базальтопластиковых композиционных материалов при климатических испытаниях в условиях Севера. Химическая технология. 2022;23(6):270–279. https://doi.org/10.31044/1684-5811-2022-23-6-270-279

18. Васильева Е.Д., Ерофеевская Л.А., Стручков Н.Ф. и др. Поверхностная деструкция полимерных композиционных материалов в условиях Севера. В кн.: Всероссийская конференция “XXIV Всероссийское совещание по неорганическим и органосиликатным покрытиям”: Сборник тезисов докладов, г. Санкт-Петербург, 05–09 июня 2023 года. Санкт-Петербург: ООО “Издательство “ЛЕМА”; 2023. С. 56–59.