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        紫外線和鹽霧腐蝕對(duì)拉擠成型復(fù)合材料(FRP)性能的影響研究

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-04-29  來源:m.liyangcaoping.com  瀏覽次數(shù):185
        核心提示:拉擠成型復(fù)合材料(拉擠玻璃鋼)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛,已成為地鐵三軌防護(hù)系統(tǒng)的絕緣防護(hù)罩最佳選擇,地鐵(尤其隧道外部分)受日光照射、雨淋、污穢等環(huán)境因素影響嚴(yán)重。運(yùn)用1000小時(shí)UV老化試驗(yàn)和鹽霧腐蝕試驗(yàn),之后將測(cè)試后的試件互換再次進(jìn)行1000小時(shí)UV老化試驗(yàn)和鹽霧腐蝕試驗(yàn)并測(cè)試,模擬自然環(huán)境老化因素,通過對(duì)力學(xué)性能、電氣性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究和分析,為使用壽命評(píng)估提供了一定的依據(jù)。結(jié)果表明:耐沖擊電壓和泄漏電流均在紫外線照射表面漏紗和損傷后,再經(jīng)鹽霧侵蝕,電性能衰減最嚴(yán)重。而力學(xué)性能在鹽霧35℃和UV60℃溫度下

        1
              復(fù)合材料具有良好的絕緣性能、電性能和力學(xué)性能以及抗微生物附著性能。廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,因而也是地鐵三軌防護(hù)系統(tǒng)的絕緣防護(hù)罩的理想材料。但在隧道外由于受日光、雨淋、風(fēng)化等腐蝕嚴(yán)重,其耐老化性能尤為重要,材料在使用過程中會(huì)遇到老化的問題。為評(píng)價(jià)復(fù)合材料的耐老化性能,有兩類老化試驗(yàn)方法:一類是自然老化試驗(yàn)方法,即直接利用自然環(huán)境進(jìn)行的老化試驗(yàn);另一類是人工加速老化試驗(yàn)方法,即在實(shí)驗(yàn)室利用老化箱模擬自然環(huán)境條件的某些老化因素進(jìn)行的老化試驗(yàn)。由于老化因素的多樣性及老化機(jī)理的復(fù)雜性,自然老化無疑是最重要最可靠的老化試驗(yàn)方法。但是,由于自然老化周期相對(duì)較長(zhǎng),不同年份、季節(jié)、地區(qū)氣候條件的差異性導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果的不可比性;而人工加速老化試驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)化了自然氣候中的某些重要因素,如陽光、溫度、濕度、降雨等,縮短了老化試驗(yàn)的周期,且由于試驗(yàn)條件的可控性,試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性強(qiáng)。人工老化作為自然老化的重要補(bǔ)充被運(yùn)用于復(fù)合材料的研究、開發(fā)、檢測(cè)中。拉擠成型復(fù)合材料(拉擠玻璃鋼)受日照輻射產(chǎn)生老化主要是紫外線,尤其是UV-B段紫外線。故選用UV-B段的加速老化試驗(yàn)方式進(jìn)行老化測(cè)試。
              鹽在地球上分布非常廣泛。海洋、大氣、地面、湖水和河流中都有鹽 ,尤以沿海地區(qū)含鹽量比較大。因此復(fù)合材料在其壽命周期中都處于某種形式的鹽環(huán)境中。供電系統(tǒng)的污穢屬于VI級(jí),按照大氣特別嚴(yán)重污染地區(qū),離海岸鹽場(chǎng)1km以內(nèi),離化學(xué)污染源和爐煙污穢300m以內(nèi)的地區(qū),鹽密度0.35 mg/cm2。所以在老化評(píng)估加入鹽霧腐蝕試驗(yàn)。鹽霧試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)含鹽潮濕大氣對(duì)拉擠玻璃鋼性能的影響。
              根據(jù)UV老化和鹽霧試驗(yàn)討論玻璃鋼復(fù)合材料的電性能、力學(xué)性能、絕緣性能隨著老化會(huì)受到一定影響。根據(jù)結(jié)果得出性能變化情況以及哪些老化對(duì)其性能變化影響的程度。
              本次通過UV老化1000小時(shí),鹽霧腐蝕1000小時(shí),UV1000小時(shí)后再1000小時(shí)鹽霧,1000小時(shí)鹽霧后再1000小時(shí)UV四組試驗(yàn)。將得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,拉擠玻璃鋼受哪些環(huán)境因素的影響程度,性能變化數(shù)據(jù)對(duì)該材料老化壽命評(píng)估提供參考。
        2 實(shí)驗(yàn)部分
        2.1
              玻璃纖維為4800無堿紗,基體為不飽和聚酯樹脂(HS-307PH),連續(xù)氈,填料為AlOH,采用拉擠工藝制作厚度3.5㎜ 玻璃鋼拉擠材料。
        2.2 老化試驗(yàn)
              2.2.1 UV老化試驗(yàn)
              應(yīng)用LDV型紫外線加速老化試驗(yàn)箱。依照GB/T14522-93標(biāo)準(zhǔn)。采用波長(zhǎng)313納米,UVBII型0.2kW紫外燈3支照射。在60℃,每隔102分鐘,噴水18分鐘的條件下,將材料放置1000小時(shí)。
              2.2.2 鹽霧腐蝕試驗(yàn)
              應(yīng)用氣流式鹽霧試驗(yàn)箱,依照GB/T10125-97,濃度為5℅氯化鈉,35℃實(shí)驗(yàn)溫度。鹽霧沉降量1-2ml/80cm2h。在此條件下放置1000小時(shí)。
              2.2.3 按照2.2.1和2.2.2方法UV老化試驗(yàn)1000小時(shí)之后再鹽霧腐蝕1000小時(shí)。
              2.2.4按照2.2.2和2.2.1方法鹽霧腐蝕1000小時(shí)之后再UV老化試驗(yàn)1000小時(shí)。
        2.5 性能試驗(yàn)
              2.5.1 彎曲性能
              采用WDW-100萬能材料試驗(yàn)機(jī),依照GB1449-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試彎曲強(qiáng)度,試件尺寸為100mm×15mm×3.5mm。試驗(yàn)標(biāo)距50mm,實(shí)驗(yàn)速度10mm/分。室溫14℃.
              2.5.2 電擊穿試驗(yàn)
              采用TQSB-100kV變壓器測(cè)試電擊穿強(qiáng)度,試件尺寸為50mm×50mm×3.5mm。放置于絕緣油中,加電壓至試樣碳化擊穿的電壓值。
              2.5.3 耐泄痕性
              采用電痕化試驗(yàn)機(jī)測(cè)試耐泄痕性,試件尺寸為20mm×20mm×3.5mm。依照IEC60112,600V電壓,拉擠玻璃鋼在電場(chǎng)作用下表面暴露于氯化銨與去離子水配制3.95±0.05歐米溶液時(shí)。測(cè)試?yán)瓟D玻璃鋼在潮濕條件下相比電痕化指數(shù)和耐電痕化指數(shù)。當(dāng)將電壓施加到放在材料表面上規(guī)定的電極裝置之間。電解溶液以間隔30秒,連續(xù)50滴滴到試樣上的兩電極之間,未發(fā)生過流裝置工作和不滅明火產(chǎn)生。
              2.5.4 泄漏電流試驗(yàn)
              采用TQSB-100KV變壓器,依據(jù)GB1408標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試泄漏電流,試件尺寸為102mm×150mm×3.5mm。在加壓15kV下,用微安表測(cè)試泄漏電流。
              2.5.5 絕緣電阻和體積電阻
              采用高阻計(jì),依照ASTM-D257測(cè)試絕緣電阻/體積電阻,試件尺寸為直徑110mm×3.5mm。測(cè)試并記錄電阻數(shù)值。
              2.5.6 巴氏硬度
              采用巴氏硬度計(jì),依照ASTM-D2583,測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。
        3 結(jié)果與討論
              1#試驗(yàn)為原樣品試驗(yàn)。
              2#試驗(yàn)為UV老化1000小時(shí)。
              3#試驗(yàn)為鹽霧腐蝕1000小時(shí)。
              4#試驗(yàn)為UV1000小時(shí)后再1000小時(shí)鹽霧。
              5#試驗(yàn)為1000小時(shí)鹽霧后再1000小時(shí)UV。
        3.1彎曲性能試驗(yàn)
              3.1.1試驗(yàn)前試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果(單位MPa):
              就同一材料來說,在老化過程中不同性能的下降是不等速的。某些性能對(duì)環(huán)境敏感,下降得最快,則是引起材料破壞的主要因素,彎曲過程對(duì)材料試樣一面有拉伸力,一面有壓縮力,相對(duì)反映材料綜合性能。對(duì)于熱固性塑料來說,彎曲性能下降能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
        試樣編號(hào)
        原試樣1
        原試樣2
        原試樣3
        原試樣4
        原試樣5
        均值
        彈性模量
        13633
        13329
        12522
        12975
        14862
        13464
        屈服強(qiáng)度
        422.61
        494.42
        431.80
        485.36
        405.67
        447.97
        彎曲強(qiáng)度
        456.91
        537.24
        469.03
        532.93
        422.49
        483.72
        3.1.2 UV老化1000小時(shí)試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果(單位MPa):
        試樣編號(hào)
        UV-1
        UV-2
        UV-3
        UV-4
        UV-5
        均值
        彈性模量
        12385
        13843
        12559
        12397
        13940
        13025
        屈服強(qiáng)度
        425.39
        447.71
        431.14
        441.44
        405.05
        430.14
        彎曲強(qiáng)度
        503.74
        495.66
        506.70
        488.14
        478.97
        494.64
        3.1.3鹽霧腐蝕1000小時(shí)試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果(單位MPa):
        試樣編號(hào)
        鹽霧-1
        鹽霧-2
        鹽霧-3
        鹽霧-4
        鹽霧-5
        均值
        彈性模量
        12888
        13061
        14920
        12502
        14007
        13476
        屈服強(qiáng)度
        436.82
        485.86
        425.13
        435.15
        483.59
        453.31
        彎曲強(qiáng)度
        475.25
        531.11
        474.07
        468.87
        557.95
        501.45
        3.1.4先UV老化1000小時(shí)后鹽霧1000小時(shí)彎曲試驗(yàn)結(jié)果(單位MPa):
        試樣編號(hào)
        UV-1
        UV-2
        UV-3
        UV-4
        UV-5
        均值
        彈性模量
        13930
        15001
        12776
        11955
        13130
        13358
        屈服強(qiáng)度
        425.69
        444.59
        393.21
        409.67
        363.32
        407.29
        彎曲強(qiáng)度
        496.24
        512.41
        417.73
        463.61
        410.61
        460.12
        3.1.5先鹽霧1000小時(shí)后UV老化1000小時(shí)彎曲測(cè)試結(jié)果:(單位MPa):
        試樣編號(hào)
        先鹽霧-1
        先鹽霧-2
        先鹽霧-3
        先鹽霧-4
        先鹽霧-5
        平均值
        彈性模量
        9818
        11061
        10467
        11150
        12741
        11047
        屈服強(qiáng)度
        345.63
        376.87
        358.40
        356.72
        334.15
        354.35
        彎曲強(qiáng)度
        383.14
        416.15
        405.52
        395.14
        338.24
        387.63
        3.1.6彎曲強(qiáng)度綜合測(cè)試結(jié)果與分析
        1#
        2#
        3#
        4#
        5#
        483.72
        494.64
        501.45
        460.12
        387.63
               通過以上數(shù)據(jù)得出了拉擠玻璃鋼在生產(chǎn)過程中,固化可能不充分,在UV60和鹽霧(35℃)過程中,由于溫度較高,樹脂完全固化后,力學(xué)性能出現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)(2# 和3#)5# 經(jīng)過鹽霧腐蝕后表面樹脂破壞,UV老化后表面纖維暴露嚴(yán)重,力學(xué)性能下降。比4#UV老化之后再鹽霧老化性能下降更明顯。
        3.2電擊穿試驗(yàn)(單位kV/mm)

        在高電壓作用下,氣體或液體介質(zhì)沿絕緣表面發(fā)生的破壞性放電。其放電時(shí)的電壓稱為擊穿電壓。發(fā)生擊穿后,電極間的電壓迅速下降到零或接近于零。閃絡(luò)通道中的火花或電弧使絕緣表面局部過熱造成炭化。 加速UV老化后拉擠玻璃鋼的工頻介電強(qiáng)度下降,材料易被擊穿。鹽霧試驗(yàn)后,拉擠玻璃鋼被氯化鈉溶液腐蝕,擊穿電壓保留率低于UV老化后材料的保留率。在此四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,材料在UV紫外線照射后,玻璃纖維暴露,在鹽霧腐蝕時(shí)氯化鈉侵蝕嚴(yán)重。耐擊穿電壓下降最嚴(yán)重。

        3.3 耐泄痕性
              耐漏痕性,一定程度反映污穢環(huán)境對(duì)電性能的影響。通過試驗(yàn),拉擠玻璃鋼受污穢環(huán)境影響并不明顯。
        3.4泄漏電流
             在試樣上加15kV電壓,測(cè)試其泄漏電流數(shù)值,拉擠玻璃鋼泄漏電流小于0.1uA,在加速老化后泄漏電流增加,鹽霧試驗(yàn)對(duì)材料的泄漏電流影響程度大于UV紫外線老化。而在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,紫外線照射使拉擠玻璃鋼表面纖維暴露,后經(jīng)鹽霧腐蝕,使內(nèi)部材料受侵蝕嚴(yán)重,泄漏電流增大。
        1#
        2#
        3#
        4#
        5#
        0.1uA
        1.95uA
        2.6uA
        272uA
        3.4uA
        3.5電阻
        3.5.1體積電阻
              體積電阻是物質(zhì)固有的電阻特性,在試樣的相對(duì)兩表面上放置的兩電極間所加直流電壓與流過兩個(gè)電極之間的穩(wěn)態(tài)電流之商,該電流不包括沿材料表面的電流。在兩電極間可能形成的極化忽略不計(jì)。   
        1#
        2#
        3#
        4#
        5#
        2.18×1014
        18.49℅
        2.9℅
        0.12℅
        1.58×10-3
              在整個(gè)加速老化試驗(yàn)中,體積電阻損失率很高,尤其5#試驗(yàn)中,下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)。
        3.5.2表面電阻
              表面電阻是指在試樣的某一表面上兩電極間所加電壓與經(jīng)過一定時(shí)間后流過兩電極間的電流之商,該電流主要為流過試樣表層的電流。
        1#
        2#
        3#
        4#
        5#
        1016
        3.18℅
        0.32℅
        2.08×10-4
        9.37×10-6
              在加速老化實(shí)驗(yàn)中,由于紫外線照射,淋水、高溫,鹽霧腐蝕,拉擠玻璃鋼表面樹脂遭到嚴(yán)重破壞。表面電阻下降最為嚴(yán)重,下降5個(gè)數(shù)量級(jí)。
        3.6巴氏硬度
              在玻璃鋼配方一定的情況下,巴氏硬度能反映樹脂的固化反應(yīng)的程度,一般情況樹脂不可能恰好完全反應(yīng)。在生產(chǎn)過程中,巴氏硬度用于檢查固化程度,巴氏硬度主要考察老化試驗(yàn)。在老化試驗(yàn)過程中,樹脂性能損失或破壞。
        1#
        2#
        3#
        4#
        5#
        59.4
        55.5
        58.9
        45.4
        42.7
        4 結(jié) 語
               拉擠玻璃鋼受紫外線照射,表面樹脂破壞,玻璃纖維暴露,在潮濕、雨淋使該材料的裂紋、孔隙增加,材料韌性下降。鹽霧腐蝕隨著玻璃鋼表面樹脂受侵蝕加重,再經(jīng)紫外線照射后。其絕緣性能、電性能均下降,泄漏電流增大。耐沖擊電壓和泄漏電流均在紫外線照射表面漏紗和損傷后,再經(jīng)鹽霧侵蝕,電性能衰減最嚴(yán)重。而力學(xué)性能在鹽霧35℃和UV60℃溫度下,樹脂充分固化,內(nèi)部組織均勻,1000小時(shí)之內(nèi)力學(xué)性能增強(qiáng)。隨著進(jìn)一步的加速老化,尤其鹽霧腐蝕后再經(jīng)紫外線照射,性能衰減最為嚴(yán)重。
         
         
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