絕緣支架用纖維增強不飽和樹脂復合材料老化性能評估

徐 陽，趙金鳳，邢甲第，周 琳，徐建坦，鞏建繪

0 引言

纖維增強不飽和樹脂模塑料（SMC）具有機械強度高、絕緣性能好、耐腐蝕、質輕、可設計等優點，廣泛應用于電力、船舶、機械制造、軌道交通等行業。在城市軌道交通接觸軌供電系統中，SMC復合材料常用于絕緣支架的生產制作。絕緣支架使用環境惡劣，長期受紫外線、高溫和雨水侵蝕，易造成復合材料的基體樹脂發生降解，與增強材料的界面粘結強度降低，影響材料的機械強度，長此以往將危及行車安全[1～3]。本文以SMC復合材料為研究對象，考慮溫度、濕度、紫外線等影響因素，采用熱重點斜法對材料的使用壽命進行評估，并探究表面涂層對材料老化性能的影響，為玻璃纖維增強不飽和樹脂復合材料制品的設計、使用、維修維護提供參考[4，5]。

1 性能試驗內容及原理

本次試驗的主要原材料為SMC：SMC-2，四川欣達復合材料有限公司生產。主要儀器與設備為紫外光耐氣候試驗箱（QUV/SPRAY，Q-Lab Corporation）、恒溫恒濕試驗機（KTHC-015TBS，昆山慶聲電子科技有限公司）、伺服控制拉力試驗機（AI-7000-M1，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司）、熱重分析儀（Q500-Auto，美國TA 公司）。

測試樣品采用SMC 原材料模壓成型，成型溫度150 ℃，樣品規格120 mm×15 mm×4 mm。測試樣品分2 組：1 組表面噴涂氟碳漆，厚度40 μm；另1 組表面無噴涂。

1.1 性能測試內容

（1）熱重分析。樣品在50℃烘箱中處理24 h，冷卻后研磨成粉末（100～150 目）；升溫速率：5℃/min；升溫范圍：室溫～650 ℃；試驗氣氛：常壓干燥空氣，流量為60 ml/min[6]。

（2）恒溫恒濕試驗。依照GB/T 12000-2017，試驗溫度80 ℃，濕度95% RH。將13 組試樣置于試驗箱中，間隔一定的老化時間（取3d，7d，14d，21d，28d，35d，42d，49d，56d，63d，70d，77d，84d）取樣，測試彎曲強度[7，8]。

（3）紫外光耐候試驗。依據GB/T 16422.3-2014，采用UVA-340 燈管，黑標溫度80 ℃，光照條件0.83 W/m2，噴淋條件18 min/102 min。對13組試樣（表面噴涂）進行加速老化，采取與濕熱老化相同的取樣頻率測試彎曲強度[9]。

（4）彎曲強度測試。按照GB/T 1449-2015，加載速度為2 mm/min。

1.2 試驗原理

結合絕緣支架產品實際使用工況，在人工加速老化試驗中引入紫外、濕度、溫度3 種環境因素，參考JB/T 1544-2015《電氣絕緣浸漬漆和漆布快速熱老化試驗方法-熱重點斜法》，對材料的使用壽命進行評估[10]。

材料壽命的對數與絕對溫度的倒數成直線關系，由式（1）可看出，先求得材料老化過程中的反應活化能，再進行一次材料的恒溫老化性能實驗，即可推算出材料的壽命評估方程。

式中：τ為絕緣熱壽命；a為系數；b為熱壽命線的斜率；T為絕對溫度；R為氣體常數，取8.314 J/(K·mol)；Ep為活化能。

2 試驗結果分析

2.1 熱失重分析

在熱失重試驗過程中，樣品發生氧化分解，質量不斷減少。圖1 所示為復合材料失重曲線，可以看出，復合材料分解呈現2 個階段：第1 階段是230～280 ℃時，氫氧化鋁受熱脫水；第2 階段是200～500 ℃時，不飽和樹脂的脫水及聚合物斷鏈分解。根據標準JB/T 1544- 2015，選取E0= 57 739，RC0= 8.20，取質量損失率5%~50%（間隔5%）對應溫度的10 組數據（表1）代入式（2），計算得表觀活化能Ep= 103 470.4 J/mol，對應曲線如圖2所示。

圖1 復合材料熱失重曲線

表1 熱失重試驗數據

圖2 復合材料質量損失率-溫度曲線

2.2 濕熱老化試驗

SMC材料（表面無噴涂）在溫度80 ℃、濕度95%RH條件下進行濕熱老化試驗，彎曲強度呈現出不規律變化（圖3）。一方面，在老化初期，受到水分子滲透影響，界面性能惡化，導致材料彎曲強度下降；另一方面，在高溫環境下，復合材料固化度進一步提升，彎曲強度提高。受上述兩方面因素的綜合影響，材料性能在老化初期產生波動。當材料完全固化后，隨著老化試驗的繼續，樹脂分子鏈發生裂解，彎曲性能下降。觀察50 天后的老化數據，彎曲強度保留率ε0和老化時間t呈線性相關：

圖3 濕熱老化彎曲強度保留率曲線

通過式（3）可以推測出彎曲強度保留率下降到80%、70%、60%、50%的老化時間如表2 所示。

表2 臨界性能和老化時間

將老化溫度80 ℃、EP= 103 470.4 J/mol和不同性能保留率對應的老化時間代入式（1），可得到各個臨界狀態下材料的壽命方程，從而推算材料在40 ℃（最高使用環境溫度）下的使用壽命，如表3 所示。

表3 40 ℃時不同臨界狀態下材料的使用壽命

2.3 紫外老化分析

紫外試驗箱設置輻照度為0.83 W/m2@340nm，根據QUV的光譜分布積分可以得出在紫外光波段（290～400 nm）的輻照度為45 W/ m2（設備參數決定），因此材料在老化箱中1 天接收的紫外輻照量為3.888 MJ/m2。依據國家氣象科學數據中心的數據，以廣州市為例，廣州市日均輻照量為11.66 MJ/m2，參考GB/T 16422.3-2014，紫外輻照度占總輻照度的11%，材料在戶外1 天的紫外輻照量為1.283 MJ/m2，即材料在戶外受到的紫外老化影響為紫外箱中的0.33 倍。

將材料在紫外箱中老化的性能下降看作是濕熱和紫外光2 個因素獨立作用的結果，可以通過變換（1 - 0.33）ε0+ 0.33ε1轉換成樣品在80 ℃、95%RH、室外自然環境輻照強度下的彎曲強度保留率ε2（其中，ε0為濕熱老化彎曲強度保留率，ε1為紫外老化彎曲強度保留率，ε2為理論換算模擬室外環境老化彎曲強度保留率）。

試驗結果如表4、圖4 所示。試驗結果表明：紫外和濕熱老化的彎曲強度變化趨勢及強度保留率基本一致，2 組數據的變異系數偏差小于5%；說明表面涂層可以很好地保護基體樹脂，紫外線僅對材料的表面產生影響，未對材料內部的微觀結構、界面強度等造成較大影響。

表4 紫外老化試驗結果

老化時間t/天紫外老化彎曲強度/MPa紫外老化彎曲強度保留率ε1/%濕熱老化彎曲強度保留率ε0/%模擬室外彎曲強度保留率ε2/%77 177 86 84 85 84 172 84 81 82

圖4 濕熱、紫外老化對彎曲強度的影響

3 結論

（1）濕熱老化試驗表明：SMC 材料對溫度、濕度敏感，以彎曲強度保留率為50%、60%、70%、80%作為臨界值，計算得在40 ℃下產品的使用壽命大約為34 年、30 年、25 年和20 年。該結論對玻璃鋼產品的設計、制造具有一定的參考意義。

（2）紫外老化試驗表明：表面涂層具有很好的抗紫外線性能，能較好地保護基材免受紫外線侵蝕。

（3）本文通過熱失重分析、濕熱和紫外老化試驗相結合的方法評估材料的使用壽命，為纖維增強復合材料的壽命評估提供了一種新思路。