絕緣支架用纖維增強(qiáng)不飽和樹脂復(fù)合材料老化性能評(píng)估

徐 陽(yáng)，趙金鳳，邢甲第，周 琳，徐建坦，鞏建繪

0 引言

纖維增強(qiáng)不飽和樹脂模塑料（SMC）具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、耐腐蝕、質(zhì)輕、可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、船舶、機(jī)械制造、軌道交通等行業(yè)。在城市軌道交通接觸軌供電系統(tǒng)中，SMC復(fù)合材料常用于絕緣支架的生產(chǎn)制作。絕緣支架使用環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期受紫外線、高溫和雨水侵蝕，易造成復(fù)合材料的基體樹脂發(fā)生降解，與增強(qiáng)材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度降低，影響材料的機(jī)械強(qiáng)度，長(zhǎng)此以往將危及行車安全[1～3]。本文以SMC復(fù)合材料為研究對(duì)象，考慮溫度、濕度、紫外線等影響因素，采用熱重點(diǎn)斜法對(duì)材料的使用壽命進(jìn)行評(píng)估，并探究表面涂層對(duì)材料老化性能的影響，為玻璃纖維增強(qiáng)不飽和樹脂復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)、使用、維修維護(hù)提供參考[4，5]。

1 性能試驗(yàn)內(nèi)容及原理

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

測(cè)試樣品采用SMC 原材料模壓成型，成型溫度150 ℃，樣品規(guī)格120 mm×15 mm×4 mm。測(cè)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(wú)噴涂。

1.1 性能測(cè)試內(nèi)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(yàn)氣氛：常壓干燥空氣，流量為60 ml/min[6]。

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

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

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

1.2 試驗(yàn)原理

結(jié)合絕緣支架產(chǎn)品實(shí)際使用工況，在人工加速老化試驗(yàn)中引入紫外、濕度、溫度3 種環(huán)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(yàn)方法-熱重點(diǎn)斜法》，對(duì)材料的使用壽命進(jìn)行評(píng)估[10]。

材料壽命的對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度的倒數(shù)成直線關(guān)系，由式（1）可看出，先求得材料老化過(guò)程中的反應(yīng)活化能，再進(jìn)行一次材料的恒溫老化性能實(shí)驗(yàn)，即可推算出材料的壽命評(píng)估方程。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱失重分析

在熱失重試驗(yàn)過(guò)程中，樣品發(fā)生氧化分解，質(zhì)量不斷減少。圖1 所示為復(fù)合材料失重曲線，可以看出，復(fù)合材料分解呈現(xiàn)2 個(gè)階段：第1 階段是230～280 ℃時(shí)，氫氧化鋁受熱脫水；第2 階段是200～500 ℃時(shí)，不飽和樹脂的脫水及聚合物斷鏈分解。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1544- 2015，選取E0= 57 739，RC0= 8.20，取質(zhì)量損失率5%~50%（間隔5%）對(duì)應(yīng)溫度的10 組數(shù)據(jù)（表1）代入式（2），計(jì)算得表觀活化能Ep= 103 470.4 J/mol，對(duì)應(yīng)曲線如圖2所示。

圖1 復(fù)合材料熱失重曲線

表1 熱失重試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 復(fù)合材料質(zhì)量損失率-溫度曲線

2.2 濕熱老化試驗(yàn)

SMC材料（表面無(wú)噴涂）在溫度80 ℃、濕度95%RH條件下進(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)，彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出不規(guī)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(dǎo)致材料彎曲強(qiáng)度下降；另一方面，在高溫環(huán)境下，復(fù)合材料固化度進(jìn)一步提升，彎曲強(qiáng)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(chǎn)生波動(dòng)。當(dāng)材料完全固化后，隨著老化試驗(yàn)的繼續(xù)，樹脂分子鏈發(fā)生裂解，彎曲性能下降。觀察50 天后的老化數(shù)據(jù)，彎曲強(qiáng)度保留率ε0和老化時(shí)間t呈線性相關(guān)：

圖3 濕熱老化彎曲強(qiáng)度保留率曲線

通過(guò)式（3）可以推測(cè)出彎曲強(qiáng)度保留率下降到80%、70%、60%、50%的老化時(shí)間如表2 所示。

表2 臨界性能和老化時(shí)間

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

表3 40 ℃時(shí)不同臨界狀態(tài)下材料的使用壽命

2.3 紫外老化分析

紫外試驗(yàn)箱設(shè)置輻照度為0.83 W/m2@340nm，根據(jù)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(shè)備參數(shù)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(jù)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，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(gè)因素獨(dú)立作用的結(jié)果，可以通過(guò)變換（1 - 0.33）ε0+ 0.33ε1轉(zhuǎn)換成樣品在80 ℃、95%RH、室外自然環(huán)境輻照強(qiáng)度下的彎曲強(qiáng)度保留率ε2（其中，ε0為濕熱老化彎曲強(qiáng)度保留率，ε1為紫外老化彎曲強(qiáng)度保留率，ε2為理論換算模擬室外環(huán)境老化彎曲強(qiáng)度保留率）。

試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖4 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：紫外和濕熱老化的彎曲強(qiáng)度變化趨勢(shì)及強(qiáng)度保留率基本一致，2 組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)偏差小于5%；說(shuō)明表面涂層可以很好地保護(hù)基體樹脂，紫外線僅對(duì)材料的表面產(chǎn)生影響，未對(duì)材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、界面強(qiáng)度等造成較大影響。

表4 紫外老化試驗(yàn)結(jié)果

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

圖4 濕熱、紫外老化對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

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

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

（3）本文通過(guò)熱失重分析、濕熱和紫外老化試驗(yàn)相結(jié)合的方法評(píng)估材料的使用壽命，為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壽命評(píng)估提供了一種新思路。