紫外线和盐雾腐蚀对拉挤成型复合材料（FRP）性能的影响研究.pdf

第 3期 6 2 0 1 0年 9月 纤维复合材料 fi ber co m po si tes no 3 s e p ， 2 01 0 紫外线和盐雾腐蚀对拉挤成型复合 材料 ( f r p ) 性能的影 响研究 李春平 ， 王海鹏 ( 天津市金锚集团有限责任公司， 天津 3 0 0 4 0 2 ) 摘要拉挤成型复合材料( 拉挤玻璃钢) 应用领域 日益广泛 ， 已成为地铁三轨防护系统的绝缘防护罩最佳选择， 地铁( 尤其隧道外部分) 受日光照射、 雨淋、 污秽等环境因素影响严重。运用 1 0 0 0 h u v老化试验和盐雾腐蚀试验 。 之后将测试后的试件互换再次进行 1 0 0 0 h u v老化试验和盐雾腐蚀试验并测试 ， 模拟 自然环境老化 因素， 通过对力 学性能 、 电气性能实验数据 的研究和分析 ， 为使用寿命评估提供 了一定 的依据 。结果 表明 ： 耐 冲击电压和泄漏 电流 均在紫外线照射表面漏纱和损伤后， 再经盐雾侵蚀， 电性能衰减最严重。而力学性能在盐雾 3 5 和 u v 6 0 温度 下， 树脂充分固化， 1 0 0 0 h之内力学性能增强。随着进一步的加速老化， 尤其盐雾腐蚀后再经紫外线照射， 各项性能 衰减最为严重。 关键词复合材料； 拉挤玻璃钢； u v老化 ； 盐雾腐蚀； 力学性能； 电气性能； 加速老化 s t u dy o n t he effe c t s 0 f uv a nd sa l t s pr a y co r r o s i o n o n t h e p e r f o r ma n c e o f p u l t r u d e d co mp o s i t e s( frp) l i chu n p i n g，w ang ha i p e n g ( t i a n j i n j i n ma o g r o u p c o ， l t d t i a n j i n 3 0 0 4 0 2 ) a b s t r a c t p u h r u d e d c o m p o s i t e s( f r p )w e r e a p p l i e d m o r e w i d e l y ， a n d h a s b e e n t h e b e s t c h o i c e f o r t h e i n s u l a t i o n p r o - t e c t i o n s h i e l d o f t h e t h i r d t r a c k s u b w a y s y s t e m， t h e m t r ( e s p e c i a l l y o u t s i d e t h e t u n n e l s e c t i o n s )b y s u n l i g h t ，r a i n ， fi l t h a nd o t h e r e n v i r o nme n t a l f a c t o r s s e rio us l y a f f e c t e d1 0 0 0 h ou r s a g i ng t e s t i n t he uv a nd s a l t s p r a y c o r r o s i o n t e s t ，a f t e r t e s t s a mp l e s a f t e r 1 0 0 0 h o u r s u v s wa p a g a i n a g i n g t e s t a n d s a l t s p r a y c o r r o s i o n t e s t ， s i mu l a t e n a t u r a l a g i n g f a c t o r s o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，e l e c t r i c al p e r f o r ma n c e t e s t r e s e a r c h a n d a n aly s i s o f d a t a f o r l i f e p r o v i d e s a b a s i s for e v a l u a t i o n t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e i mp a c t o f v o l t a g e a n d l e a k a g e c u rr e n t r e s i s t a n c e t o b o t h uv i rra d i a t i o n a n d d a ma g e t h e s u rf a c e o f y a m aft e r t h e l e a k ，a n d t h e n b y s alt s p r a y c o rro s i o n。e l e c t r i c al p r o p e r t i e s o f t h e mo s t s e rio u s d e c a y t h e me c h a n i c al p r o p e rt i e s o f t h e s alt s p r a y a n d uv 6 0 3 5 o c t e mp e r a t u r e s ，t h e r e s i n t o f u l l y c u r e ，a n d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s wi t h i n 1 0 0 0 h o u rs i n c r e a s e d wi t h f u rt h e r a c c e l e r a t e d a g i n g ，e s p e c i all y aft e r e x p o s u r e t o ult r a v i o l e t l i g h t ，s a l t s p r a y c o rro s i o n，t h e p e rf o rm a n c e d e g r a d a t i o n w a s t h e mo s t s e r i o u s k e y wor ds c o m p o s i t e s ；p u h r u d e d f r p ；u v a gi n g ；s a h s p r a y c o rr o s i o n ；m e c h ani c al p r o p e r t i e s ； e l e c t r i c al p r o p e r - t i e s ；ac c e l e r a t e d a g i n g 1 引 言 复合材料具有 良好 的绝缘性能 、 电性能和力学 性能以及抗微生物附着性能。广泛的应用于多个领 域， 因而也是地铁三轨防护系统 的绝缘防护罩的理 想材料。但在隧道外 由于受 13 光 、 雨淋 、 风化等腐蚀 严重 ， 其耐老化性能尤为重要 ， 材料在使用过程中会 遇到老化的问题。为评价复合材料的耐老化性能 ， 有两类老化试验方法 ： 一类是 自然老化试验方法 ， 即 直接利用 自然环境进行的老化试验 ； 另一类是人工 加速老化试验方法 ， 即在实验室利用老化箱模拟 自 然环境条件的某些老化因素进行 的老化试验 。由于 老化因素的多样性及老化机理的复杂性， 自然老化 无疑是最重要最可靠 的老化试验方法。但是 ， 由于 自然老化周期相对较长 ， 不同年份、 季节、 地 区气候 条件的差异性导致 了试验结果 的不可 比性 ； 而人工 加速老化试验模拟强化了自然气候中的某些重要因 素 ， 如阳光、 温度、 湿度 、 降雨等 ， 缩短了老化试验的 周期 ， 且由于试验条件 的可控性 ， 试验结果再 现性 强。人工老化作为 自然老化的重要补充被运用于复 合材料的研究、 开发 、 检测 中。拉挤成型复合材料 3期 李春平等 ： 紫外线和盐雾腐蚀 对拉挤成 型复合材料 ( f r p) 性 能的影 响研究 ( 拉挤玻璃钢) 受 日照辐射产生老化 主要是紫外线 ， 尤其是 u vb段紫外线 。故选用 u vb段 的加速 老化试验方式进行老化测试 。 盐在地球上分布非常广泛 。海 洋、 大气、 地面、 湖水和河流 中都有盐， 尤 以沿海 地区含盐 量 比较 大。因此复合材料在其寿命周期 中都处于某种形式 的盐环境中。供电系统 的污秽属于 v i 级 ， 按照大气 特别严重污染地 区， 离海岸盐场 1 k m以内 ， 离化学 污染源和炉烟污秽 3 0 0 m 以内的地 区， 盐密度 0 3 5 m g e m 。所 以在老化评估加入盐雾腐蚀试 验。盐 雾试验的 目的是检验含盐潮湿大气对拉挤玻璃钢性 能 的影 响 。 根据 u v老化和盐雾试验讨论玻璃钢复合材料 的电性能、 力学性能、 绝缘性能随着老化会受到一定 影响 。根据结 果得 出性 能变 化情况 以及 哪些 老化 对 其性能变化影响的程度。 本次 通 过 u v 老化 1 0 0 0 h ， 盐 雾 腐 蚀 1 0 0 0 h ， u v 1 0 0 0 h后 再 1 0 0 0 h盐雾 ， 1 0 0 0 h盐雾后 再 1 0 0 0 h u v四组试 验。将得出 的数据进行统 计分析 ， 拉挤 玻璃钢受哪些环境 因素的影 响程度 ， 性能变化数据 对该材料老化寿命评估提供参考。 2 实验部分 2 1 原料 玻璃纤维为4 8 0 0无碱纱 ， 基体为不饱和聚酯树 脂( h s一3 0 7 p h) ， 连续毡 ， 填料为 a t o h， 采用拉挤 工艺制作厚度 3 5 m m玻璃钢拉挤材料。 2 2老化试 验 2 2 1 uv老化试 验 应用 l d v 型紫 外 线加 速 老化 试 验箱 。依 照 g b t 1 4 5 2 29 3标准。采 用波长 3 1 3纳 米， u v b i i 型 0 2 k w 紫 外 灯 3支 照 射 。在 6 0 o 【 = ， 每 隔 1 0 2分 钟 ， 喷水 1 8分钟的条件下， 将材料放置 1 0 0 0 h 。 2 2 2盐 雾腐 蚀试 验 应用气流式盐雾试验箱 ， 依照 g b t 1 0 1 2 5 9 7 ， 浓度为 5氯化 钠 ， 3 5 实验 温度 。盐雾沉降量 1 2 ml 8 0 c m h 。在此条件下放置 1 0 0 0 h 。 2 2 3 按 照 2 2 1和 2 2 2方 法 uv 老 化 试 验 1 0 0 0 h之后再盐雾腐蚀 1 0 0 0 h 。 2 2 4 按 照 2 2 2和 2 2 1方 法 盐 雾腐 蚀 1 0 0 0 h 之后 再 u v老 化试验 1 0 0 0 h 。 2 5性能试验 2 5 1 弯曲性 能 采用 wd w 一1 0 0 万 能 材 料 试 验 机 ， 依 照 g b 1 4 4 92 0 0 8标 准 测 试 弯 曲 强度 ， 试 件 尺 寸 为 1 0 0 ra m1 5 m m3 5 mm。试验标距 5 0 m m， 实验速 度 1 0 m m mi n ， 室温 1 4 。 2 5 2电击 穿试验 采用 t q s b一1 0 0 k v变压器测试电击穿强度 ， 试 件尺寸为 5 0 mm5 0 m m 3 5 m m。放置于绝缘 油 中， 加电压至试样碳化击穿的电压值 。 2 5 3耐 泄痕 性 采用 电痕化试验机测试耐泄痕性 ， 试件尺寸为 2 0 m m2 0 mm x 3 5 ram。依 照 i e c 6 0 1 1 2 ， 6 0 0 v 电 压 ， 拉挤玻璃钢在电场作用下表面暴露于氯化铵与 去离子水配制 3 9 50 0 5欧米溶液时。测试拉挤 玻璃钢在潮湿条件下相比电痕化指数和耐电痕化指 数 。当将电压施加到放在材料表面上规定的电极装 置之间。电解溶液以间隔 3 0 s ， 连续 5 0滴滴到试样 上的两电极之间， 未发生过流装置工作和不灭 明火 产 生 。 2 5 4泄 漏 电 流 试 验 采用 t q s b一1 0 0 k v变压器 ， 依据 g b 1 4 0 8标准 测试 泄 漏 电流 ， 试 件 尺 寸 为 1 0 2 ram 1 5 0 ram 3 5 mm。在加压 1 5 k v下 ， 用微安表测试泄漏电流。 2 5 5绝缘 电 阻和 体积 电阻 采用高 阻计 ， 依 照 a s t m d 2 5 7测试 绝缘 电 阻 体 积 电阻 ， 试件 尺寸 为直径 1 1 0 ra m 3 5 m m。 测试并记录电阻数值 。 2 5 6巴氏硬 度 采用 巴氏硬度计 ， 依照 a s t m d 2 5 8 3 ， 测试并 记录数据。 3 结果 与讨论 1 # 试验为原样品试验。 2 试验为 u v老化 1 0 0 0 h 。 3 # 试验为盐雾腐蚀 1 0 0 0 h 。 4 # 试验为 u v 1 0 0 0 h后再 1 0 0 0 h盐雾 。 5 # 试验为 1 0 0 0 h盐雾后再 u v1 0 0 0 h 。 3 1 弯 曲性 能试验 就同一材料来说 ， 在老化过程 中不同性能的下 降是不等速 的。某些性能对环境敏感 ， 下降得最快 ， 则是引起材料破坏的主要因素 ， 弯 曲过程对材料试 样一面有拉伸力 ， 一面有压缩力 ， 相对反映材料综合 性能。对于热固性塑料来说 ， 弯 曲性能下降能作为 评 价指 标 。 3 1 1 试验 前试样 弯 曲试验 结 果 ( mp a ) 8 纤维复合材料 2 0 1 0年 3 1 2 u v老化 l o 0 0 h试 样 弯 曲试 验结 果( mp a ) 3 1 3盐雾腐蚀 l o 0 0 h试样弯曲试验结果 ( mp a ) 3 1 4先 u v老化 l o 0 0 h 后 盐雾 l o 0 0 h弯曲试验结果( mp a ) 3 1 5 先盐雾 l o 0 0 h后 u v老化 l o 0 0 h弯曲测试结果( mp a ) 3 1 6弯曲强度 综合 测试 结果与 分析 通过 以上数据得 出了拉挤玻璃钢在生产过程 中， 固化可能不充分 ， 在 u v 6 0 和盐雾 ( 3 5 ) 过程 中， 由于温度较高 ， 树脂完全 固化后 ， 力学性能出现 增强趋势( 2 #和 3 # ) 5 #经过盐雾腐蚀后表面树脂破 坏 ， u v老化后表面纤维暴露严 重， 力学性能下降。 比4 # u v老化之后再盐雾老化性能下降更明显。 3 2电击穿试验( k v m m) 8 g 昌 4 o 广_ 厂_ 厂_ 厂_ 在高电压作用下 ， 气体或液体介质沿绝缘表面 善越矮羞静 3期 李 春平等 ： 紫外线和盐雾腐蚀对拉挤成型复合材料 ( f r p ) 性能的影响研究 发生的破坏性放 电。其放 电时的电压称为击穿 电 压。发生击穿后 ， 电极 问的电压迅速下降到零或接 近于零。闪络通道中的火花或电弧使绝缘表面局部 过热造成炭化。加速 u v老化后拉挤玻璃钢的工频 介电强度下降 ， 材料易被击穿。盐雾试验后 ， 拉挤玻 璃钢被氯化钠溶 液腐 蚀 ， 击穿 电压保 留率低于 u v 老化后材料 的保 留率。在此 四项 实验 中， 材料 在 u v紫外线照射后 ， 玻璃纤维暴露 ， 在盐雾腐蚀时氯 化钠侵蚀严重 。耐击穿电压下降最严重 。 3 3耐 泄痕性 耐漏痕性 ， 一定程度反映污秽环境对 电性能的 影响。通过试验， 拉挤玻璃钢受污秽环境影响并不 明显 。 3 4泄漏 电流 在试样上加 1 5 k v电压 ， 测试其泄漏电流数值 ， 拉挤玻璃钢泄漏 电流小于 0 1 u a， 在加 速老化后泄 漏电流增加 ， 盐雾试验对材 料的泄漏 电流影响程度 大于 u v紫外线老化。而在整个实验过程 中， 紫外 线照射使拉挤玻璃钢表面纤维暴露 ， 后经盐雾腐蚀 ， 使 内部材料受侵蚀严重 ， 泄漏 电流增大 。 3 5 电阻 3 5 1 体 积 电 阻 体积 电阻是物质固有 的电阻特性 ， 在试样的相 对两表面上放置的两电极间所加直流 电压与流过两 个电极之间的稳态电流之商 ， 该 电流不包括沿材料 表面的电流。在两 电极 间可能形成 的极化 忽略不 计 在整个加速老化试验中， 体积电阻损失率很高 ， 尤其 5 # 试验中， 下降了3个数量级。 3 5 2 表面电阻 表面电阻是指在试样的某一表面上两电极间所 加电压与经过 一定 时间后 流过两 电极 间的电流之 商， 该电流主要为流过试样表层的电流。 在加速老化实验 中， 由于紫外线照射 ， 淋水、 高 温 ， 盐雾腐蚀 ， 拉挤玻璃钢表面树脂遭 到严重破坏。 表面电阻下降最为严重 ， 下降 5个数量级。 3 6巴氏硬度 在玻璃钢配方一定的情况下 ， 巴氏硬度能反映 树脂的固化反应 的程度 ， 一般情况树脂不可能恰好 完全反应。在生产过程中， 巴氏硬度用于检查固化 程度 ， 巴氏硬度主要考察老化试验。在老化试验过 程 中， 树脂性