接觸軌防護系統產品的老化問題研究

馬 燁,張 木,白雪蓮

(1.北京鼎昌復合材料有限責任公司，北京 100076； 2.中鐵電氣化勘察設計院有限公司，天津 300250)

1 概述

接觸軌防護系統中的整體絕緣支座、防護罩、防護罩支架等采用材料為玻璃纖維增強塑料,這是一種人工合成的高分子材料,以合成樹酯(酚醛塑料或環氧樹酯或聚酯樹酯)為粘結劑,以玻璃纖維及其制品作為增強材料而制成的合成材料,并與合成樹酯(酚醛塑料或環氧樹酯或聚酯樹酯)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,為優良的絕緣材料,因而用于制造絕緣體,高頻下仍能保護良好介電性,微波透過性良好,已廣泛用于雷達天線罩。所以將玻璃鋼材料用于接觸軌防護系統無疑是正確選擇。雖然具有耐腐蝕性,對大氣、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 ℃以上強度就明顯下降,環氧樹酯類玻璃鋼60 ℃以上,強度有明顯下降。老化現象是塑料的共同缺陷,玻璃鋼也不例外,在紫外線、風沙雨雪、化學介質、機械應力等作用下容易導致性能下降。更由于它的彈性模量低,比鋼小10倍,故它的耐久性實為研究玻璃鋼制品廣受關注的課題。

2 玻璃鋼制品老化現象

玻璃鋼制品長期暴露在大氣中,在自然環境因素如：陽光(紫外線)、濕氣、熱、空氣(氧氣)作用下,會出現顏色變淺,表面失去光澤,龜裂、粉化、變形等表面老化現象和力學、電性能指標下降等內在質量變化的現象[1]。一般而言,玻璃鋼制品的老化現象呈現如下幾個特點。

(1)在大氣暴曬條件下,產品表面變化明顯,力學性能變化緩慢

據常州253廠玻璃鋼板材加速老化試驗的資料，試驗環境溫度50 ℃,相對濕度(80±5)%,每小時降雨12 min,對聚酯基體的玻璃鋼板進行性能測試。測得數據如表1所列。[2]

表1 聚酯基體的玻璃鋼板材老化試驗測定結果 %

我公司也在北京市化學工業研究院進行了500 h加速老化試驗。試驗數據如表2所列。

注：500 h加速老化,40 ℃水蒸汽噴射,紫外線照射。

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

2000年安裝使用的北京地鐵13號線玻璃鋼防護罩取樣試驗,測得結果如表3所列,也反映了產品的性能情況。

但產品表面老化現象卻根據不同的表面狀態,區別很大。1999年德黑蘭地鐵防護罩采用的玻璃鋼制品表面未噴涂處理,使用不到1年就出現光澤減退,顏色變化,纖維“起毛”等情況。而2003年經過面噴涂處理的武漢輕軌1號線一期工程的防護罩,至今表面狀態良好。國內相關文獻中也有類似記錄,圖1為用FOE3000氈制成的191型聚酯玻璃鋼產品有膠衣和無膠衣兩種情況下的自然老化情況。加膠衣的玻璃鋼產品經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品,經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 ℃,相對濕度小于80%,沒有直接的陽光照射條件下,一般其彎曲強度10年內可以保留在90%以上，外觀變化不明顯。同時壓制成型的產品比手糊制品耐庫存老化性能好[2]。

通過試驗及實際應用得出結論：10年內玻璃鋼制品的彎曲強度和拉伸強度均保持在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,開始階段力學性能變化較大,但一般3年就趨于穩定,一直到10年以后,仍保持在同一水平,即達到濕度極限強度。一般拉伸強度保持在70%以上,彎曲強度保持在40%以上,沖擊韌性沒有降低[2]。

(4)不同地域環境條件下抗老化的差異很大

圖2 不同地區聚酯玻璃鋼裸露大氣彎曲強度變化

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,年相對平均濕度在80%左右,有的月份高達90%,全年日照集中在下半年,太陽的水平面幅射很強,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。玻璃鋼在這兩個地區進行大氣曝曬時,結果是不同的。圖2是聚酯玻璃鋼在哈爾濱、蘭州、上海、廣州4個地區的大氣曝曬結果,試驗結果證明廣州、上海氣候對玻璃鋼的性能影響比哈爾濱、蘭州嚴重。玻璃鋼產品經3年曝曬后,在哈爾濱、蘭州的彎曲強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

玻璃鋼產品主要由樹酯基體和玻璃纖維復合而成。自然因素對玻璃鋼制品的侵蝕,體現在對樹酯、玻纖及其兩者界面的影響上。

樹酯基體的化學結構和物理狀態是決定樹酯耐候性能的基本因素,化學結合鍵能大,分子量分布廣,含有雙鍵,樹酯中的輔劑中含有光穩定劑等都會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]，環境介質對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“毛細管效應”的作用下迅速沿界面擴散；這是玻璃鋼濕熱老化的重要原因[4]。

因此選擇經過偶聯劑處理的玻璃纖維,同時選擇加熱加壓的成型工藝,都會對界面粘接質量起到重要作用。

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

4 提高接觸軌防護系統耐老化能力

(1)表面處理

玻璃鋼產品不同的工藝制作產生不同的表面狀態。像手糊、噴射、袋壓和RTM等工藝可以在產品表面制作膠衣層。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層,或者需要進行表面噴涂處理,以達到提高產品耐老化能力的目的。

(2)產品結構和工藝控制

通過對玻璃鋼產品的老化分析,根據不同產品的使用環境、使用要求,綜合考慮產品老化后的性能衰減,選擇合理的工藝技術,設計合理的產品結構及厚度,是保證產品長期使用的前提條件。同時在生產過程中控制好工藝參數,使產品界面牢固、無孔隙、無裂紋等都會大大提高產品的使用壽命。

(3)運輸、維護

產品的裝卸、運輸及現場施工中對產品的保護也是一個重要的環節。如果不慎將產品邊角或表面碰出裂紋,這個微小的部分就會成為濕氣等自然介質的侵蝕線路進而逐步擴大到產品界面而影響整個產品使用。而定期維護可以在產品表面有老化變化時重新增加保護層來延長產品的使用壽命。

5 結論

玻璃鋼接觸軌防護系統的各個生產環節的質量采取嚴格控制,產品的耐老化性能可大大提高,這樣產品的使用壽命可以延長。據美國管道標準AWWAC—950要求,玻璃鋼管道設計壽命為50年,國內某廠引進加拿大拉擠門窗生產線,其產品設計使用壽命為30年。目前,國內玻璃鋼制品應用在軌道交通中最早的產品距現在約11年,期間有10年、8年的產品相繼使用,整體使用狀態良好。通過對玻璃鋼制品老化現象的分析,有理由相信,只要嚴格、認真、科學的對待產品的每個生產環節,接觸軌防護系統中的玻璃鋼制品的使用壽命完全可以達到30年甚至更長。

參考文獻：

[1]編委會.玻璃鋼與玻璃鋼制品新技術、新標準及工程應用技術實用手冊·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.玻纖增強塑料的基體/玻纖界面粘接及其老化機理研究[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)．