導線增強碳纖維復合材料耐候性能的研究

王新營， 嚴　波， 宋時森， 黃國飛， 徐太龍

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.東麗中國投資有限公司，上海200040）

導線增強碳纖維復合材料耐候性能的研究

王新營1， 嚴波1， 宋時森1， 黃國飛1， 徐太龍2

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.東麗中國投資有限公司，上海200040）

討論了碳纖維復合芯使用環境中所受到的紫外線、酸性介質、水等環境因素對其性能的影響，表明碳纖維復合芯受環境影響較為嚴重，導致其表觀顏色發生改變、纖維裸露、力學及耐熱性能下降。通過在其表面涂覆一種防護涂層，能夠有效地提高碳纖維復合芯的耐候性能，使其在架空導線中發揮更加安全可靠的承載作用。

碳纖維復合芯；架空導線；耐候性能；涂覆；耐候涂層

0 引 言

新型碳纖維復合芯增強架空導線所具有的綜合優勢使其得到快速的發展，但其運行安全取決于其中的關鍵材料碳纖維復合材料的使用壽命。架空導線架設在不同的環境中，不可避免地會受到各種因素的影響，如光線中的紫外線、大氣濕度、大氣酸度、雨水等，這些環境因素將加速碳纖維復合芯的粘結劑-環氧樹脂的降解，進而影響到碳纖維復合芯的使用壽命。

碳纖維復合材料中所用到的環氧樹脂經過固化成型后，由線性結構轉變為網狀結構，其中含有C—C、O=C、C—O—C、O=C—O—C等鍵合結構，而酯鍵O=C—O—C不耐水解。光照中的紫外線（波長≤400 nm）不同波長的能量范圍為3.1～12.4 eV，而有機基團中的共價鍵的斷裂能量C—C、C—O、C=O分別近似為3.47 eV、3.5S eV、7.45 eV，太陽中的紫外線能量遠大于高分子材料中的鍵能，長期暴露在空氣中容易使樹脂共價鍵斷裂而導致降解。

我們通過拉擠成型方式制備碳纖維復合芯作為研究樣品，碳纖維選用東麗公司所生產的高強度高模量的碳纖維T700S；樹脂體系選用玻璃化轉變溫度達到190℃的高耐溫樹脂；固化劑選擇對紫外線老化有優勢的酸酐系固化劑。對碳纖維復合材料進行性能測試以評估耐候性能，并通過在其表面涂覆耐候涂層來制備一種新型的碳纖維復合芯，討論新型碳纖維復合芯的耐候性能變化趨勢。在本研究中，上海電纜研究所與東麗公司共同開發了碳纖維復合芯高速穩定成型技術，借助東麗公司的拉擠成型技術制備出符合國家標準的樣品。

1 實驗方法

1.1原材料

碳纖維：T700S（東麗公司），12 K，拉伸強度4 900 MPa，拉伸模量230 GPa。

玻璃纖維：OC366（歐文斯科寧），線密度1 0S5 tex，拉伸強度2 5S7 MPa，模量S1.3 GPa。

樹脂：粘度3 000～7 000 mPa·s，環氧值S.5～9.5 Eq/kg。

固化劑：粘度400～1 200 mPa·s

耐候涂料：粘度500 mPa·s。

1.2碳纖維復合芯樣品的制備

碳纖維復合芯采用6 t液壓式拉擠成型機組，主成型模具φSmm、長S0 cm，拉擠速度60 cm/min，樣品標記為1#；采用1#樣品進行涂料涂敷制備含涂層的樣品，標記為2#。并且1#、2#通過了GB/T 29324—2012的測試。

為了進行對比試驗，選擇有代表性廠家的碳纖維復合芯樣品作為對比，分別標記為3#和4#樣品。

1.3耐紫外試驗

根據GB/T 29324—2012中的耐紫外試驗內容進行。

1.4耐酸性試驗

本部分數據內容由歐文斯科寧協助提供，根據GB/T 3S57—2005中規定的方法進行，通過電鏡觀察表面纖維和樹脂侵蝕狀況，判斷復合芯的耐酸性能。耐酸腐蝕試驗方法采用10％硫酸和稀硝酸對復合芯樣品進行常溫和加熱腐蝕，常溫測試條件：溫度23±3℃，時間為14 d；加熱測試條件：溫度93± 3℃，加熱時間分別為3 d、7 d和14 d。

1.5耐水加速試驗

耐水加速試驗參考GB/T 2573—200S中的方法進行，將樣品在100℃蒸餾水或去離子水中浸泡，以24 h為一周期，分別在1、2、6個周期后取出樣品，每組樣品2個，檢查其外觀，稱重測試重量變化率，并進行抗沖擊、彎曲試驗，評估樣品性能變化。

2 結果與討論

2.1紫外線對碳纖維復合芯的性能的影響

1#、3#、4#樣品的復合芯在紫外烘箱中暴露后，顏色出現明顯變化，由黃色變為棕色，并且細微處出現纖維裸露現象。這表明在紫外線長時間暴露后，環氧樹脂發生降解出現粉化現象；而含有涂層的2#樣品則在試驗前后外觀沒有發生變化。表1為復合芯在紫外試驗前后的彎曲性能對比。由表1可知，無涂層1#試樣在經歷紫外試驗后彎曲強度都有一定程度降低，而含涂層2#復合芯彎曲性能幾乎沒有改變，這表明涂層具有良好的抗紫外性能且能保護內層碳纖維復合材料。

表1　復合芯耐紫外試驗前后彎曲性能對比

2.2酸性介質對碳纖維復合芯的影響

2.2.1耐稀硝酸試驗

表2為碳纖維復合芯在稀硝酸中侵蝕前后重量變化。由表2可知，碳纖維復合芯在稀硝酸環境中，常溫條件下放置7 d，表觀和重量無明顯變化，表明碳纖維復合材料在室溫環境中具有較好的耐稀硝酸性能。

表2　碳纖維復合芯在稀硝酸中侵蝕前后重量變化

2.2.2耐10％硫酸腐蝕試驗

表3為碳纖維復合芯在10％硫酸加熱侵蝕前后重量變化。由表3可知，不同樣品的重量出現明顯的變化，4#樣品重量損失最大。圖1為碳纖維復合芯在10％硫酸加熱侵蝕后電鏡形貌。由圖1發現，4#樣品中的大部分樹脂已經被腐蝕，纖維呈現松弛裸露狀態，表明該樣品樹脂耐酸性能較差。

表3　碳纖維復合芯在10％硫酸加熱侵蝕前后重量變化

圖2為1#和2#碳纖維復合芯樣品耐酸試驗對比。將不含涂層的1#和含涂層的2#碳纖維復合芯樣品放置在10％硫酸（93±3℃）中浸泡一定時間，1#樣品的復合芯表面的樹脂被侵蝕，出現纖維裸露顏色改變等變化，而2#的復合芯表面幾乎沒有變化。

表4為碳纖維復合芯耐酸性能變化對比試驗。從表4可知，隨著浸泡時間的增加，1#試樣質量損失加大，而2#試樣的質量損失率較小，以浸泡7d為例，1#樣品質量損失達到0.36％，而2#樣品損失為0.109％，為1#樣品質量損失率的30％。隨著耐酸試驗時間的增加，1#復合芯的彎強度也呈現下降趨勢，而2#復合芯試驗彎曲性能幾乎沒有變化。通過以上數據對比表明，涂層有效地提高了復合芯耐酸腐蝕性能。

圖1　碳纖維復合芯在10％硫酸加熱侵蝕后電鏡形貌

圖2　1#和2#碳纖維復合芯樣品耐酸試驗對比（上為1#樣品，下為2#樣品）

表4　碳纖維復合芯耐酸性能變化對比試驗?。▎挝唬海ィ?/p>

2.3耐水加速試驗

表5為1#碳纖維復合芯耐水加速試驗結果。由表5可以看出，碳纖維復合芯在熱水中重量變化率經過 6d后重量增加 17％，彎曲強度下降了7.29％，彈性模量變化不明顯，樹脂耐水性能下降導致其彎曲強度下降。而含有涂層的2#復合芯試樣在加速耐水性試驗中則表觀幾乎無變化，無涂層的1#試樣表面逐漸無光澤（見圖3）。

表5　1#碳纖維復合芯耐水加速試驗結果

圖3　加速耐水對不含涂層1#和含涂層2#碳纖維復合材料的影響（上為1#，下為2#）

隨著水煮時間的增加，對樹脂體體系的玻璃化轉變溫度的影響也越明顯，加速耐水試驗對碳纖維復合芯玻璃化轉變溫度的影響結果見表6。1#的玻璃化轉變溫度降低了2.64℃，而帶有涂層的2#樣品玻璃化轉變溫度幾乎沒有變化。水分子的侵入使得樹脂體系的在高溫條件下更容易降解，而涂層能夠非常有效地避免水分子的影響而維持樹脂體系的耐溫性能。

表6　加速耐水試驗對碳纖維復合芯玻璃化轉變溫度的影響

加速耐水試驗對碳纖維復合芯抗壓扁性能的影響見表7。由表7可知，水分子對復合芯的抗壓性能影響較大，對彎曲強度影響相對較小，其中1#經過7d的浸泡，抗壓性能下降了25％，而彎曲強度下降4.6％，而含有涂層的2#樣品抗壓性能則僅下降了2.6％，彎曲強度卻略微增加，這是因為試驗高溫促進了樹脂進一步交聯。

耐候涂層能夠有效地保護碳纖維復合材料，明顯降低了水分子對樹脂體系的影響，提高了碳纖維復合芯的耐水性能。

表7　加速耐水試驗對碳纖維復合芯抗壓扁性能的影響

3 結 論

（1）國內碳纖維復合芯用的樹脂及纖維來源不一致，造成碳纖維復合芯耐候性能差別較大，選擇質量穩定的樹脂及纖維等原材料才能夠保證高質量的產品。

（2）經過紫外線測試后，碳纖維復合芯出現顏色明顯變化、表面變粗燥等現象，而進行加速耐水和耐酸試驗后，樣品性能則出現更為明顯的下降。

（3）通過在碳纖維復合材料表面涂覆一層耐候涂層，有效地提高其耐紫外、耐酸性能、耐水性能、耐高溫性能，從而更加保證了碳纖維復合材料在導線上的使用安全性。

［1］ GB/T 29324—2012 架空導線用纖維增強樹脂基復合材料芯棒［8］.

［2］ GB/T 3S57—2005 玻璃纖維增強熱固性塑料耐化學介質性能試驗方法［8］.

［3］ GB/T 2573—200S 玻璃纖維增強塑料老化性能試驗方法［8］.

A Study on the Weather Resistance of Carbon Fiber Composite Applied in Overhead Wire

WANG Xin-ying1，YAN Bo1，SONG Shi-sen1，HUANG Guo-fei1，XU Tai-long2
（1.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China；2.Toray Industries（China）Co.，Ltd.，Shanghai200040，China）

The weather resistance of carbon fiber composite applied in overhead wire are disscussed including anti-ultraviolet，anti-acid and water absorption.The results show that the properties of carbon fiber composite are degraded severely.The weather resistance of carbon fiber composite can be improved by applying a thin coating on it which can improve its safety Performance effectively.

carbon fiber composite core；overhead wire；weather resistance；coating；weater resistance coating

TM244.2

A

1672-6901（2015）02-0037-04

2014-0S-11

王新營（1975-），男，博士，高級工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.