王新營(yíng)， 嚴(yán)　波， 宋時(shí)森， 黃國(guó)飛， 徐太龍

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.東麗中國(guó)投資有限公司，上海200040）

導(dǎo)線增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料耐候性能的研究

王新營(yíng)1， 嚴(yán)波1， 宋時(shí)森1， 黃國(guó)飛1， 徐太龍2

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.東麗中國(guó)投資有限公司，上海200040）

討論了碳纖維復(fù)合芯使用環(huán)境中所受到的紫外線、酸性介質(zhì)、水等環(huán)境因素對(duì)其性能的影響，表明碳纖維復(fù)合芯受環(huán)境影響較為嚴(yán)重，導(dǎo)致其表觀顏色發(fā)生改變、纖維裸露、力學(xué)及耐熱性能下降。通過在其表面涂覆一種防護(hù)涂層，能夠有效地提高碳纖維復(fù)合芯的耐候性能，使其在架空導(dǎo)線中發(fā)揮更加安全可靠的承載作用。

碳纖維復(fù)合芯；架空導(dǎo)線；耐候性能；涂覆；耐候涂層

0 引 言

新型碳纖維復(fù)合芯增強(qiáng)架空導(dǎo)線所具有的綜合優(yōu)勢(shì)使其得到快速的發(fā)展，但其運(yùn)行安全取決于其中的關(guān)鍵材料碳纖維復(fù)合材料的使用壽命。架空導(dǎo)線架設(shè)在不同的環(huán)境中，不可避免地會(huì)受到各種因素的影響，如光線中的紫外線、大氣濕度、大氣酸度、雨水等，這些環(huán)境因素將加速碳纖維復(fù)合芯的粘結(jié)劑-環(huán)氧樹脂的降解，進(jìn)而影響到碳纖維復(fù)合芯的使用壽命。

碳纖維復(fù)合材料中所用到的環(huán)氧樹脂經(jīng)過固化成型后，由線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中含有C—C、O=C、C—O—C、O=C—O—C等鍵合結(jié)構(gòu)，而酯鍵O=C—O—C不耐水解。光照中的紫外線（波長(zhǎng)≤400 nm）不同波長(zhǎng)的能量范圍為3.1～12.4 eV，而有機(jī)基團(tuán)中的共價(jià)鍵的斷裂能量C—C、C—O、C=O分別近似為3.47 eV、3.5S eV、7.45 eV，太陽中的紫外線能量遠(yuǎn)大于高分子材料中的鍵能，長(zhǎng)期暴露在空氣中容易使樹脂共價(jià)鍵斷裂而導(dǎo)致降解。

我們通過拉擠成型方式制備碳纖維復(fù)合芯作為研究樣品，碳纖維選用東麗公司所生產(chǎn)的高強(qiáng)度高模量的碳纖維T700S；樹脂體系選用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到190℃的高耐溫樹脂；固化劑選擇對(duì)紫外線老化有優(yōu)勢(shì)的酸酐系固化劑。對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試以評(píng)估耐候性能，并通過在其表面涂覆耐候涂層來制備一種新型的碳纖維復(fù)合芯，討論新型碳纖維復(fù)合芯的耐候性能變化趨勢(shì)。在本研究中，上海電纜研究所與東麗公司共同開發(fā)了碳纖維復(fù)合芯高速穩(wěn)定成型技術(shù)，借助東麗公司的拉擠成型技術(shù)制備出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的樣品。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1原材料

碳纖維：T700S（東麗公司），12 K，拉伸強(qiáng)度4 900 MPa，拉伸模量230 GPa。

玻璃纖維：OC366（歐文斯科寧），線密度1 0S5 tex，拉伸強(qiáng)度2 5S7 MPa，模量S1.3 GPa。

樹脂：粘度3 000～7 000 mPa·s，環(huán)氧值S.5～9.5 Eq/kg。

固化劑：粘度400～1 200 mPa·s

耐候涂料：粘度500 mPa·s。

1.2碳纖維復(fù)合芯樣品的制備

碳纖維復(fù)合芯采用6 t液壓式拉擠成型機(jī)組，主成型模具φSmm、長(zhǎng)S0 cm，拉擠速度60 cm/min，樣品標(biāo)記為1#；采用1#樣品進(jìn)行涂料涂敷制備含涂層的樣品，標(biāo)記為2#。并且1#、2#通過了GB/T 29324—2012的測(cè)試。

為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選擇有代表性廠家的碳纖維復(fù)合芯樣品作為對(duì)比，分別標(biāo)記為3#和4#樣品。

1.3耐紫外試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 29324—2012中的耐紫外試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行。

1.4耐酸性試驗(yàn)

本部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容由歐文斯科寧協(xié)助提供，根據(jù)GB/T 3S57—2005中規(guī)定的方法進(jìn)行，通過電鏡觀察表面纖維和樹脂侵蝕狀況，判斷復(fù)合芯的耐酸性能。耐酸腐蝕試驗(yàn)方法采用10％硫酸和稀硝酸對(duì)復(fù)合芯樣品進(jìn)行常溫和加熱腐蝕，常溫測(cè)試條件：溫度23±3℃，時(shí)間為14 d；加熱測(cè)試條件：溫度93± 3℃，加熱時(shí)間分別為3 d、7 d和14 d。

1.5耐水加速試驗(yàn)

耐水加速試驗(yàn)參考GB/T 2573—200S中的方法進(jìn)行，將樣品在100℃蒸餾水或去離子水中浸泡，以24 h為一周期，分別在1、2、6個(gè)周期后取出樣品，每組樣品2個(gè)，檢查其外觀，稱重測(cè)試重量變化率，并進(jìn)行抗沖擊、彎曲試驗(yàn)，評(píng)估樣品性能變化。

2 結(jié)果與討論

2.1紫外線對(duì)碳纖維復(fù)合芯的性能的影響

1#、3#、4#樣品的復(fù)合芯在紫外烘箱中暴露后，顏色出現(xiàn)明顯變化，由黃色變?yōu)樽厣?，并且?xì)微處出現(xiàn)纖維裸露現(xiàn)象。這表明在紫外線長(zhǎng)時(shí)間暴露后，環(huán)氧樹脂發(fā)生降解出現(xiàn)粉化現(xiàn)象；而含有涂層的2#樣品則在試驗(yàn)前后外觀沒有發(fā)生變化。表1為復(fù)合芯在紫外試驗(yàn)前后的彎曲性能對(duì)比。由表1可知，無涂層1#試樣在經(jīng)歷紫外試驗(yàn)后彎曲強(qiáng)度都有一定程度降低，而含涂層2#復(fù)合芯彎曲性能幾乎沒有改變，這表明涂層具有良好的抗紫外性能且能保護(hù)內(nèi)層碳纖維復(fù)合材料。

表1　復(fù)合芯耐紫外試驗(yàn)前后彎曲性能對(duì)比

2.2酸性介質(zhì)對(duì)碳纖維復(fù)合芯的影響

2.2.1耐稀硝酸試驗(yàn)

表2為碳纖維復(fù)合芯在稀硝酸中侵蝕前后重量變化。由表2可知，碳纖維復(fù)合芯在稀硝酸環(huán)境中，常溫條件下放置7 d，表觀和重量無明顯變化，表明碳纖維復(fù)合材料在室溫環(huán)境中具有較好的耐稀硝酸性能。

表2　碳纖維復(fù)合芯在稀硝酸中侵蝕前后重量變化

2.2.2耐10％硫酸腐蝕試驗(yàn)

表3為碳纖維復(fù)合芯在10％硫酸加熱侵蝕前后重量變化。由表3可知，不同樣品的重量出現(xiàn)明顯的變化，4#樣品重量損失最大。圖1為碳纖維復(fù)合芯在10％硫酸加熱侵蝕后電鏡形貌。由圖1發(fā)現(xiàn)，4#樣品中的大部分樹脂已經(jīng)被腐蝕，纖維呈現(xiàn)松弛裸露狀態(tài)，表明該樣品樹脂耐酸性能較差。

表3　碳纖維復(fù)合芯在10％硫酸加熱侵蝕前后重量變化

圖2為1#和2#碳纖維復(fù)合芯樣品耐酸試驗(yàn)對(duì)比。將不含涂層的1#和含涂層的2#碳纖維復(fù)合芯樣品放置在10％硫酸（93±3℃）中浸泡一定時(shí)間，1#樣品的復(fù)合芯表面的樹脂被侵蝕，出現(xiàn)纖維裸露顏色改變等變化，而2#的復(fù)合芯表面幾乎沒有變化。

表4為碳纖維復(fù)合芯耐酸性能變化對(duì)比試驗(yàn)。從表4可知，隨著浸泡時(shí)間的增加，1#試樣質(zhì)量損失加大，而2#試樣的質(zhì)量損失率較小，以浸泡7d為例，1#樣品質(zhì)量損失達(dá)到0.36％，而2#樣品損失為0.109％，為1#樣品質(zhì)量損失率的30％。隨著耐酸試驗(yàn)時(shí)間的增加，1#復(fù)合芯的彎強(qiáng)度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而2#復(fù)合芯試驗(yàn)彎曲性能幾乎沒有變化。通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比表明，涂層有效地提高了復(fù)合芯耐酸腐蝕性能。

圖1　碳纖維復(fù)合芯在10％硫酸加熱侵蝕后電鏡形貌

圖2　1#和2#碳纖維復(fù)合芯樣品耐酸試驗(yàn)對(duì)比（上為1#樣品，下為2#樣品）

表4　碳纖維復(fù)合芯耐酸性能變化對(duì)比試驗(yàn)?。▎挝唬海ィ?/p>

2.3耐水加速試驗(yàn)

表5為1#碳纖維復(fù)合芯耐水加速試驗(yàn)結(jié)果。由表5可以看出，碳纖維復(fù)合芯在熱水中重量變化率經(jīng)過 6d后重量增加 17％，彎曲強(qiáng)度下降了7.29％，彈性模量變化不明顯，樹脂耐水性能下降導(dǎo)致其彎曲強(qiáng)度下降。而含有涂層的2#復(fù)合芯試樣在加速耐水性試驗(yàn)中則表觀幾乎無變化，無涂層的1#試樣表面逐漸無光澤（見圖3）。

表5　1#碳纖維復(fù)合芯耐水加速試驗(yàn)結(jié)果

圖3　加速耐水對(duì)不含涂層1#和含涂層2#碳纖維復(fù)合材料的影響（上為1#，下為2#）

隨著水煮時(shí)間的增加，對(duì)樹脂體體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響也越明顯，加速耐水試驗(yàn)對(duì)碳纖維復(fù)合芯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響結(jié)果見表6。1#的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低了2.64℃，而帶有涂層的2#樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度幾乎沒有變化。水分子的侵入使得樹脂體系的在高溫條件下更容易降解，而涂層能夠非常有效地避免水分子的影響而維持樹脂體系的耐溫性能。

表6　加速耐水試驗(yàn)對(duì)碳纖維復(fù)合芯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響

加速耐水試驗(yàn)對(duì)碳纖維復(fù)合芯抗壓扁性能的影響見表7。由表7可知，水分子對(duì)復(fù)合芯的抗壓性能影響較大，對(duì)彎曲強(qiáng)度影響相對(duì)較小，其中1#經(jīng)過7d的浸泡，抗壓性能下降了25％，而彎曲強(qiáng)度下降4.6％，而含有涂層的2#樣品抗壓性能則僅下降了2.6％，彎曲強(qiáng)度卻略微增加，這是因?yàn)樵囼?yàn)高溫促進(jìn)了樹脂進(jìn)一步交聯(lián)。

耐候涂層能夠有效地保護(hù)碳纖維復(fù)合材料，明顯降低了水分子對(duì)樹脂體系的影響，提高了碳纖維復(fù)合芯的耐水性能。

表7　加速耐水試驗(yàn)對(duì)碳纖維復(fù)合芯抗壓扁性能的影響

3 結(jié) 論

（1）國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯用的樹脂及纖維來源不一致，造成碳纖維復(fù)合芯耐候性能差別較大，選擇質(zhì)量穩(wěn)定的樹脂及纖維等原材料才能夠保證高質(zhì)量的產(chǎn)品。

（2）經(jīng)過紫外線測(cè)試后，碳纖維復(fù)合芯出現(xiàn)顏色明顯變化、表面變粗燥等現(xiàn)象，而進(jìn)行加速耐水和耐酸試驗(yàn)后，樣品性能則出現(xiàn)更為明顯的下降。

（3）通過在碳纖維復(fù)合材料表面涂覆一層耐候涂層，有效地提高其耐紫外、耐酸性能、耐水性能、耐高溫性能，從而更加保證了碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)線上的使用安全性。

［1］ GB/T 29324—2012 架空導(dǎo)線用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料芯棒［8］.

［2］ GB/T 3S57—2005 玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料耐化學(xué)介質(zhì)性能試驗(yàn)方法［8］.

［3］ GB/T 2573—200S 玻璃纖維增強(qiáng)塑料老化性能試驗(yàn)方法［8］.

A Study on the Weather Resistance of Carbon Fiber Composite Applied in Overhead Wire

WANG Xin-ying1，YAN Bo1，SONG Shi-sen1，HUANG Guo-fei1，XU Tai-long2
（1.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China；2.Toray Industries（China）Co.，Ltd.，Shanghai200040，China）

The weather resistance of carbon fiber composite applied in overhead wire are disscussed including anti-ultraviolet，anti-acid and water absorption.The results show that the properties of carbon fiber composite are degraded severely.The weather resistance of carbon fiber composite can be improved by applying a thin coating on it which can improve its safety Performance effectively.

carbon fiber composite core；overhead wire；weather resistance；coating；weater resistance coating

TM244.2

A

1672-6901（2015）02-0037-04

2014-0S-11

王新營(yíng)（1975-），男，博士，高級(jí)工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.