接觸軌防護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)品的老化問題研究

馬 燁,張 木,白雪蓮

(1.北京鼎昌復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100076； 2.中鐵電氣化勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300250)

1 概述

接觸軌防護(hù)系統(tǒng)中的整體絕緣支座、防護(hù)罩、防護(hù)罩支架等采用材料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料,這是一種人工合成的高分子材料,以合成樹酯(酚醛塑料或環(huán)氧樹酯或聚酯樹酯)為粘結(jié)劑,以玻璃纖維及其制品作為增強(qiáng)材料而制成的合成材料,并與合成樹酯(酚醛塑料或環(huán)氧樹酯或聚酯樹酯)凝為一體而制成。因其密度為1.5～2.0 g/cm3,只有碳素鋼的1/4～1/5,可是拉伸強(qiáng)度很高,甚至接近碳素鋼,因而俗稱為玻璃鋼。更由于電熱性能良好,為優(yōu)良的絕緣材料,因而用于制造絕緣體,高頻下仍能保護(hù)良好介電性,微波透過性良好,已廣泛用于雷達(dá)天線罩。所以將玻璃鋼材料用于接觸軌防護(hù)系統(tǒng)無疑是正確選擇。雖然具有耐腐蝕性,對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力,但不能在高溫下長期使用,通用聚酯類玻璃鋼在50 ℃以上強(qiáng)度就明顯下降,環(huán)氧樹酯類玻璃鋼60 ℃以上,強(qiáng)度有明顯下降。老化現(xiàn)象是塑料的共同缺陷,玻璃鋼也不例外,在紫外線、風(fēng)沙雨雪、化學(xué)介質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力等作用下容易導(dǎo)致性能下降。更由于它的彈性模量低,比鋼小10倍,故它的耐久性實(shí)為研究玻璃鋼制品廣受關(guān)注的課題。

2 玻璃鋼制品老化現(xiàn)象

玻璃鋼制品長期暴露在大氣中,在自然環(huán)境因素如：陽光(紫外線)、濕氣、熱、空氣(氧氣)作用下,會(huì)出現(xiàn)顏色變淺,表面失去光澤,龜裂、粉化、變形等表面老化現(xiàn)象和力學(xué)、電性能指標(biāo)下降等內(nèi)在質(zhì)量變化的現(xiàn)象[1]。一般而言,玻璃鋼制品的老化現(xiàn)象呈現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)在大氣暴曬條件下,產(chǎn)品表面變化明顯,力學(xué)性能變化緩慢

據(jù)常州253廠玻璃鋼板材加速老化試驗(yàn)的資料，試驗(yàn)環(huán)境溫度50 ℃,相對(duì)濕度(80±5)%,每小時(shí)降雨12 min,對(duì)聚酯基體的玻璃鋼板進(jìn)行性能測試。測得數(shù)據(jù)如表1所列。[2]

表1 聚酯基體的玻璃鋼板材老化試驗(yàn)測定結(jié)果 %

我公司也在北京市化學(xué)工業(yè)研究院進(jìn)行了500 h加速老化試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。

注：500 h加速老化,40 ℃水蒸汽噴射,紫外線照射。

常州253廠在已運(yùn)行4年的聚酯玻璃鋼制造的汽車拖車上取樣,測得力學(xué)性能保留在80%以上。

2000年安裝使用的北京地鐵13號(hào)線玻璃鋼防護(hù)罩取樣試驗(yàn),測得結(jié)果如表3所列,也反映了產(chǎn)品的性能情況。

但產(chǎn)品表面老化現(xiàn)象卻根據(jù)不同的表面狀態(tài),區(qū)別很大。1999年德黑蘭地鐵防護(hù)罩采用的玻璃鋼制品表面未噴涂處理,使用不到1年就出現(xiàn)光澤減退,顏色變化,纖維“起毛”等情況。而2003年經(jīng)過面噴涂處理的武漢輕軌1號(hào)線一期工程的防護(hù)罩,至今表面狀態(tài)良好。國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)中也有類似記錄,圖1為用FOE3000氈制成的191型聚酯玻璃鋼產(chǎn)品有膠衣和無膠衣兩種情況下的自然老化情況。加膠衣的玻璃鋼產(chǎn)品經(jīng)5年大氣老化,光澤基本沒有損失(圖1中曲線1),不加膠衣的玻璃鋼產(chǎn)品,經(jīng)5年大氣老化后光澤降低到20%左右(圖1中曲線2)。

圖1 191型聚酯玻璃鋼自然老化情況

(2)庫存老化

如果玻璃鋼制品在溫度低于35 ℃,相對(duì)濕度小于80%,沒有直接的陽光照射條件下,一般其彎曲強(qiáng)度10年內(nèi)可以保留在90%以上，外觀變化不明顯。同時(shí)壓制成型的產(chǎn)品比手糊制品耐庫存老化性能好[2]。

通過試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用得出結(jié)論：10年內(nèi)玻璃鋼制品的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均保持在80%以上,電性能損失更小,但若制品表面加以防護(hù)處理,更能使外觀變化不明顯。

(3)耐水、耐潮濕、耐腐蝕性能良好

玻璃鋼在水浸泡條件下,開始階段力學(xué)性能變化較大,但一般3年就趨于穩(wěn)定,一直到10年以后,仍保持在同一水平,即達(dá)到濕度極限強(qiáng)度。一般拉伸強(qiáng)度保持在70%以上,彎曲強(qiáng)度保持在40%以上,沖擊韌性沒有降低[2]。

(4)不同地域環(huán)境條件下抗老化的差異很大

圖2 不同地區(qū)聚酯玻璃鋼裸露大氣彎曲強(qiáng)度變化

廣州年平均溫度21～22 ℃，全年溫差也小,全年降雨量在1 300～2 000 mm,年相對(duì)平均濕度在80%左右,有的月份高達(dá)90%,全年日照集中在下半年,太陽的水平面幅射很強(qiáng),屬濕熱或亞濕熱帶氣候。哈爾濱年平均溫度僅2～4 ℃,全年溫差可達(dá)60～70 ℃,年降雨量400～600 mm,年平均濕度在70%以下。全年日照比較均衡,屬寒溫帶氣候。玻璃鋼在這兩個(gè)地區(qū)進(jìn)行大氣曝曬時(shí),結(jié)果是不同的。圖2是聚酯玻璃鋼在哈爾濱、蘭州、上海、廣州4個(gè)地區(qū)的大氣曝曬結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果證明廣州、上海氣候?qū)ΣＡт摰男阅苡绊懕裙枮I、蘭州嚴(yán)重。玻璃鋼產(chǎn)品經(jīng)3年曝曬后,在哈爾濱、蘭州的彎曲強(qiáng)度保留百分率一般比廣州、上海要高10%～20%。[1]

3 影響玻璃鋼制品抗老化性能的因素

玻璃鋼產(chǎn)品主要由樹酯基體和玻璃纖維復(fù)合而成。自然因素對(duì)玻璃鋼制品的侵蝕,體現(xiàn)在對(duì)樹酯、玻纖及其兩者界面的影響上。

樹酯基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)是決定樹酯耐候性能的基本因素,化學(xué)結(jié)合鍵能大,分子量分布廣,含有雙鍵,樹酯中的輔劑中含有光穩(wěn)定劑等都會(huì)影響到樹酯的耐候性。

界面破壞是玻璃鋼老化的主要因素[3]，環(huán)境介質(zhì)對(duì)界面的破壞主要來自于水分。界面相中大量存在的孔隙,使水分子在“毛細(xì)管效應(yīng)”的作用下迅速沿界面擴(kuò)散；這是玻璃鋼濕熱老化的重要原因[4]。

因此選擇經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維,同時(shí)選擇加熱加壓的成型工藝,都會(huì)對(duì)界面粘接質(zhì)量起到重要作用。

由此得出結(jié)論：不同的原材料和不同的成型工藝制成的玻璃鋼產(chǎn)品的耐老化能力是不一樣的。

4 提高接觸軌防護(hù)系統(tǒng)耐老化能力

(1)表面處理

玻璃鋼產(chǎn)品不同的工藝制作產(chǎn)生不同的表面狀態(tài)。像手糊、噴射、袋壓和RTM等工藝可以在產(chǎn)品表面制作膠衣層。而其他的一些工藝方法,如拉擠、纏繞、模壓、層壓等工藝,需要在表面制作好的樹酯保護(hù)層,或者需要進(jìn)行表面噴涂處理,以達(dá)到提高產(chǎn)品耐老化能力的目的。

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝控制

通過對(duì)玻璃鋼產(chǎn)品的老化分析,根據(jù)不同產(chǎn)品的使用環(huán)境、使用要求,綜合考慮產(chǎn)品老化后的性能衰減,選擇合理的工藝技術(shù),設(shè)計(jì)合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及厚度,是保證產(chǎn)品長期使用的前提條件。同時(shí)在生產(chǎn)過程中控制好工藝參數(shù),使產(chǎn)品界面牢固、無孔隙、無裂紋等都會(huì)大大提高產(chǎn)品的使用壽命。

(3)運(yùn)輸、維護(hù)

產(chǎn)品的裝卸、運(yùn)輸及現(xiàn)場施工中對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。如果不慎將產(chǎn)品邊角或表面碰出裂紋,這個(gè)微小的部分就會(huì)成為濕氣等自然介質(zhì)的侵蝕線路進(jìn)而逐步擴(kuò)大到產(chǎn)品界面而影響整個(gè)產(chǎn)品使用。而定期維護(hù)可以在產(chǎn)品表面有老化變化時(shí)重新增加保護(hù)層來延長產(chǎn)品的使用壽命。

5 結(jié)論

玻璃鋼接觸軌防護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量采取嚴(yán)格控制,產(chǎn)品的耐老化性能可大大提高,這樣產(chǎn)品的使用壽命可以延長。據(jù)美國管道標(biāo)準(zhǔn)AWWAC—950要求,玻璃鋼管道設(shè)計(jì)壽命為50年,國內(nèi)某廠引進(jìn)加拿大拉擠門窗生產(chǎn)線,其產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用壽命為30年。目前,國內(nèi)玻璃鋼制品應(yīng)用在軌道交通中最早的產(chǎn)品距現(xiàn)在約11年,期間有10年、8年的產(chǎn)品相繼使用,整體使用狀態(tài)良好。通過對(duì)玻璃鋼制品老化現(xiàn)象的分析,有理由相信,只要嚴(yán)格、認(rèn)真、科學(xué)的對(duì)待產(chǎn)品的每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),接觸軌防護(hù)系統(tǒng)中的玻璃鋼制品的使用壽命完全可以達(dá)到30年甚至更長。

參考文獻(xiàn)：

[1]編委會(huì).玻璃鋼與玻璃鋼制品新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)及工程應(yīng)用技術(shù)實(shí)用手冊(cè)·第六章[M].長春：銀聲音像出版社，2008.

[2]北京二五一廠，等.玻璃鋼老化和防老化[M].北京：國家建材總局，1978.

[3]魯蕾，付敏，郭寶星.玻纖增強(qiáng)塑料的基體/玻纖界面粘接及其老化機(jī)理研究[J].絕緣材料，2003(2)：37-40.

[4]Nagae S, et al. Effect of sizing on corrosion of GFRP in water[J]. J. Mater.sci. letter, 1996(15)．