玻璃鋼復合材料耐腐蝕性能研究

摘 要：文章研究了分別以環氧乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體材料的玻璃鋼復合材料在苛刻外部使用環境下的耐腐蝕性能，通過對比試驗前后復合材料表面形貌的變化、耐熱性能的衰退、硬度、拉伸及彎曲強度、模量等的一系列變化來綜合評價此玻璃鋼復合材料的耐腐蝕性能。

關鍵詞：玻璃鋼復合材料；環氧乙烯基樹脂；耐腐蝕

1 前言

我國的玻璃鋼復合材料開發和應用在近年來得到了快速的發展，無論在材料制備技術、材料設計種類以及生產規模等各個方面有了明顯的突破。雖然如此，但是目前國內玻璃鋼復合材料的新產品的開發和性能研究等方面還需進一步提高。使用性能方面的研究對玻璃鋼復合材料在各個領域應用具有著重要的戰略意義，同時性能的系統性研究有助于新產品的系列開發和其應用領域的拓展。

本文分別以環氧乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體材料的玻璃鋼復合材料，系統研究其在極端外部使用條件下耐腐蝕性，以期積累此復合材料使用過程中的各種性能數據，為完善和優化復合材料的結構設計做出重要的數據積累。

2 材料、試樣制備和試驗儀器

2.1 材料

試驗基體材料：環氧乙烯基不飽和聚酯樹脂-961（黑龍江石化所）、不飽和聚酯樹-191（常州精細化工有限公司）；增強材料： SW110 玻璃纖維布（北京航空制造工程研究所）；引發劑：過氧化甲乙酮（活性氧含量10.8%）；促進劑：環烷酸鈷。

2.2 試樣制備

本次試驗試樣形式為板材，通過濕法手糊工藝制造，接觸壓力為0.017kg/cm。分別采用環氧乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體材料的玻璃鋼層合對比試件板（11層）。

2.3 實驗儀器

玻璃化轉變溫度（Tg）：采用diamond630型差熱分析儀（美國PerkinElmer公司）；硬度測試：采用巴氏硬度計；拉伸強度：采用Instron5582萬能材料試驗機（美國英斯特朗公司），溫度18℃，濕度42%；彎曲強度：Instron5582采用Instron5582萬能材料試驗機（美國英斯特朗公司），溫度18℃，濕度42%。

3 實驗結果與討論

3.1 試樣實驗前后表面形貌的變化分析

進行腐蝕試驗前后對每個試樣的表面形貌（缺陷、裂紋、光潔度及材料表面有平整度等）進行詳細觀察記錄。通過觀察浸泡液的顏色、PH值等變化分析復合材料有無樹脂的溶解甚至脫落，導致試樣發生尺寸變化。試樣在高溫100℃，模擬海洋環境的腐蝕30天試驗，腐蝕試驗后樣品的表面光潔度下降并且有鼓包出現，產生了軟化，原因歸結為樹脂基體在腐蝕液中，由于腐蝕液擴散、滲透進入材料內部致樹脂基體發生了溶脹、化學降解、水解，而造成這種現象。

3.2 試樣實驗前后玻璃化轉變溫度的對比分析

玻璃化轉變溫度（Tg）為非晶態的高分子聚合物其分子鏈開始運動的溫度也可定義為分子鏈作為運動單元被凍結的溫度，此溫度為非晶態聚合物的最高使用溫度。下圖1為實驗中玻璃鋼復合材料的熱重分析。

在玻璃化轉變溫度的測試實驗中分別對樣品腐蝕前、腐蝕20天、40天、60天（腐蝕條件：溫度為50℃、鹽度為3%）進行測試。Tg：159.3℃、150.6℃、145.2℃、147.1℃。結構決定性能，聚合物的玻璃化轉變溫度與其分子鏈結構（柔順性）、支化程度、支鏈長短、分子鏈之間的相互作用力以及交聯聚合物的交聯密度等因素有關。作為線性聚合物，其分子量剛性越大，鏈的運動能力越差，Tg越大，一般支化程度越高，Tg越大，而作為交聯聚合物，交聯密度越大Tg越大。當分子量高的聚合物中摻雜了小分子聚合物，則小分子在聚合物中起到增塑劑的作用，其材料的玻璃化轉變溫度會降低。試樣腐蝕后Tg發生了10℃左右的下降，可以歸結為腐蝕造成高分子樹脂基體的溶脹分解，小分子有機體的生成，起到增塑效應導致。此為溶劑在高分子體系中的殘存也是造成Tg下降不可忽視的原因。

3.3 試樣實驗前后硬度測試對比

硬度測試采用近代國際上廣泛采用巴氏硬度進行測試。試驗方法參考GB/T3854-2005纖維增強塑料巴氏硬度試驗方法進行測試，對于玻璃鋼復合材料進行表面硬度超過50時每個樣品測10個點；玻璃鋼復合材料進行表面硬度低于50時，每個樣品測20個點，取算術平均值作為樣品硬度值。樣品表面硬度統計數據如下表。

巴氏硬度保留百分率（A）用下式計算：

A=（H/H0）×100%

式中，H為腐蝕后樣品的巴氏硬度；H0為腐蝕前樣品的巴氏硬度。由表1中數據可知，隨著延長腐蝕時間和增加腐蝕強度，材料的硬度保留率逐漸下降，巴氏硬度均隨之下降，硬度的下降可歸結為腐蝕液對材料表面結構的破壞導致，此外材料是非極性材料，因此發生酯化的水解反應，但這個反應只發生在表面。

3.4 試樣實驗前后拉伸強度對比

拉伸強度是指材料在拉伸斷裂之前所承受的最大應力，當最大應力發生在屈服點時稱為屈服拉伸強度，當最大應力發生在斷裂時稱為斷裂拉伸強度。如圖2

試樣腐蝕實驗前后的拉伸強度和拉伸模量的變化值可以相應的反映出玻璃鋼復合材料的耐腐蝕性能，本次測試依據國家標準GB/T1447-2005，測試樣品數量為20。在鹽霧濃度均為3%條件下，樣品分別在高溫高壓、100℃、50℃、20℃下，拉伸強度的測試數據如下。

在擴散理論體系中RandomWalk理論，擴散系數D與溫度T成指數函數關系等規律理論，可以很好的解釋腐蝕性環境中腐蝕性氣體、液體等對高分子材料，腐蝕的時間和溫度依懶性。

4 結束語

本文進行了玻璃鋼復合材料在不同溫度，鹽度下的腐蝕耐性實驗。研究分析了玻璃纖維增強玻璃鋼復合材料的腐蝕機制及老化規律。腐蝕性溶劑及氣體向復合材料內部的的擴散、滲透是腐蝕產生的基本途徑，并且與時間和溫度存在關系。在腐蝕實驗中，玻璃鋼復合材料除了表面形貌發生變化外，其玻璃化轉變溫度、表面巴氏硬度、拉伸強度和彎曲強度均呈現下降趨勢，并且隨著腐蝕溫度的提高和腐蝕時間的延長，下降會繼續進行。

參考文獻

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