玻璃鋼復(fù)合材料耐腐蝕性能研究

摘 要：文章研究了分別以環(huán)氧乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體材料的玻璃鋼復(fù)合材料在苛刻外部使用環(huán)境下的耐腐蝕性能，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)前后復(fù)合材料表面形貌的變化、耐熱性能的衰退、硬度、拉伸及彎曲強(qiáng)度、模量等的一系列變化來(lái)綜合評(píng)價(jià)此玻璃鋼復(fù)合材料的耐腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼復(fù)合材料；環(huán)氧乙烯基樹脂；耐腐蝕

1 前言

我國(guó)的玻璃鋼復(fù)合材料開發(fā)和應(yīng)用在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展，無(wú)論在材料制備技術(shù)、材料設(shè)計(jì)種類以及生產(chǎn)規(guī)模等各個(gè)方面有了明顯的突破。雖然如此，但是目前國(guó)內(nèi)玻璃鋼復(fù)合材料的新產(chǎn)品的開發(fā)和性能研究等方面還需進(jìn)一步提高。使用性能方面的研究對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用具有著重要的戰(zhàn)略意義，同時(shí)性能的系統(tǒng)性研究有助于新產(chǎn)品的系列開發(fā)和其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

本文分別以環(huán)氧乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體材料的玻璃鋼復(fù)合材料，系統(tǒng)研究其在極端外部使用條件下耐腐蝕性，以期積累此復(fù)合材料使用過(guò)程中的各種性能數(shù)據(jù)，為完善和優(yōu)化復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出重要的數(shù)據(jù)積累。

2 材料、試樣制備和試驗(yàn)儀器

2.1 材料

試驗(yàn)基體材料：環(huán)氧乙烯基不飽和聚酯樹脂-961（黑龍江石化所）、不飽和聚酯樹-191（常州精細(xì)化工有限公司）；增強(qiáng)材料： SW110 玻璃纖維布（北京航空制造工程研究所）；引發(fā)劑：過(guò)氧化甲乙酮（活性氧含量10.8%）；促進(jìn)劑：環(huán)烷酸鈷。

2.2 試樣制備

本次試驗(yàn)試樣形式為板材，通過(guò)濕法手糊工藝制造，接觸壓力為0.017kg/cm。分別采用環(huán)氧乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體材料的玻璃鋼層合對(duì)比試件板（11層）。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：采用diamond630型差熱分析儀（美國(guó)PerkinElmer公司）；硬度測(cè)試：采用巴氏硬度計(jì)；拉伸強(qiáng)度：采用Instron5582萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗公司），溫度18℃，濕度42%；彎曲強(qiáng)度：Instron5582采用Instron5582萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗公司），溫度18℃，濕度42%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試樣實(shí)驗(yàn)前后表面形貌的變化分析

進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)前后對(duì)每個(gè)試樣的表面形貌（缺陷、裂紋、光潔度及材料表面有平整度等）進(jìn)行詳細(xì)觀察記錄。通過(guò)觀察浸泡液的顏色、PH值等變化分析復(fù)合材料有無(wú)樹脂的溶解甚至脫落，導(dǎo)致試樣發(fā)生尺寸變化。試樣在高溫100℃，模擬海洋環(huán)境的腐蝕30天試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)后樣品的表面光潔度下降并且有鼓包出現(xiàn)，產(chǎn)生了軟化，原因歸結(jié)為樹脂基體在腐蝕液中，由于腐蝕液擴(kuò)散、滲透進(jìn)入材料內(nèi)部致樹脂基體發(fā)生了溶脹、化學(xué)降解、水解，而造成這種現(xiàn)象。

3.2 試樣實(shí)驗(yàn)前后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的對(duì)比分析

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為非晶態(tài)的高分子聚合物其分子鏈開始運(yùn)動(dòng)的溫度也可定義為分子鏈作為運(yùn)動(dòng)單元被凍結(jié)的溫度，此溫度為非晶態(tài)聚合物的最高使用溫度。下圖1為實(shí)驗(yàn)中玻璃鋼復(fù)合材料的熱重分析。

在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)樣品腐蝕前、腐蝕20天、40天、60天（腐蝕條件：溫度為50℃、鹽度為3%）進(jìn)行測(cè)試。Tg：159.3℃、150.6℃、145.2℃、147.1℃。結(jié)構(gòu)決定性能，聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與其分子鏈結(jié)構(gòu)（柔順性）、支化程度、支鏈長(zhǎng)短、分子鏈之間的相互作用力以及交聯(lián)聚合物的交聯(lián)密度等因素有關(guān)。作為線性聚合物，其分子量剛性越大，鏈的運(yùn)動(dòng)能力越差，Tg越大，一般支化程度越高，Tg越大，而作為交聯(lián)聚合物，交聯(lián)密度越大Tg越大。當(dāng)分子量高的聚合物中摻雜了小分子聚合物，則小分子在聚合物中起到增塑劑的作用，其材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)降低。試樣腐蝕后Tg發(fā)生了10℃左右的下降，可以歸結(jié)為腐蝕造成高分子樹脂基體的溶脹分解，小分子有機(jī)體的生成，起到增塑效應(yīng)導(dǎo)致。此為溶劑在高分子體系中的殘存也是造成Tg下降不可忽視的原因。

3.3 試樣實(shí)驗(yàn)前后硬度測(cè)試對(duì)比

硬度測(cè)試采用近代國(guó)際上廣泛采用巴氏硬度進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)方法參考GB/T3854-2005纖維增強(qiáng)塑料巴氏硬度試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于玻璃鋼復(fù)合材料進(jìn)行表面硬度超過(guò)50時(shí)每個(gè)樣品測(cè)10個(gè)點(diǎn)；玻璃鋼復(fù)合材料進(jìn)行表面硬度低于50時(shí)，每個(gè)樣品測(cè)20個(gè)點(diǎn)，取算術(shù)平均值作為樣品硬度值。樣品表面硬度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下表。

巴氏硬度保留百分率（A）用下式計(jì)算：

A=（H/H0）×100%

式中，H為腐蝕后樣品的巴氏硬度；H0為腐蝕前樣品的巴氏硬度。由表1中數(shù)據(jù)可知，隨著延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間和增加腐蝕強(qiáng)度，材料的硬度保留率逐漸下降，巴氏硬度均隨之下降，硬度的下降可歸結(jié)為腐蝕液對(duì)材料表面結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致，此外材料是非極性材料，因此發(fā)生酯化的水解反應(yīng)，但這個(gè)反應(yīng)只發(fā)生在表面。

3.4 試樣實(shí)驗(yàn)前后拉伸強(qiáng)度對(duì)比

拉伸強(qiáng)度是指材料在拉伸斷裂之前所承受的最大應(yīng)力，當(dāng)最大應(yīng)力發(fā)生在屈服點(diǎn)時(shí)稱為屈服拉伸強(qiáng)度，當(dāng)最大應(yīng)力發(fā)生在斷裂時(shí)稱為斷裂拉伸強(qiáng)度。如圖2

試樣腐蝕實(shí)驗(yàn)前后的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的變化值可以相應(yīng)的反映出玻璃鋼復(fù)合材料的耐腐蝕性能，本次測(cè)試依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1447-2005，測(cè)試樣品數(shù)量為20。在鹽霧濃度均為3%條件下，樣品分別在高溫高壓、100℃、50℃、20℃下，拉伸強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)如下。

在擴(kuò)散理論體系中RandomWalk理論，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T成指數(shù)函數(shù)關(guān)系等規(guī)律理論，可以很好的解釋腐蝕性環(huán)境中腐蝕性氣體、液體等對(duì)高分子材料，腐蝕的時(shí)間和溫度依懶性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行了玻璃鋼復(fù)合材料在不同溫度，鹽度下的腐蝕耐性實(shí)驗(yàn)。研究分析了玻璃纖維增強(qiáng)玻璃鋼復(fù)合材料的腐蝕機(jī)制及老化規(guī)律。腐蝕性溶劑及氣體向復(fù)合材料內(nèi)部的的擴(kuò)散、滲透是腐蝕產(chǎn)生的基本途徑，并且與時(shí)間和溫度存在關(guān)系。在腐蝕實(shí)驗(yàn)中，玻璃鋼復(fù)合材料除了表面形貌發(fā)生變化外，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、表面巴氏硬度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且隨著腐蝕溫度的提高和腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，下降會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]閔玉勤，方琳，張興宏，等.新型無(wú)鹵阻燃環(huán)氧樹脂的合成及性能研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）：429～438.

[2]張宏軍，周曉東，戴干策.玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂復(fù)合材料的增韌[J].高分子材料科學(xué)與工程，2005，21（3）：21～25.