劉亞平，王榮華，王登霞，李元哲，李暉，孫巖，李倩倩

(1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031； 2.臨沂市科學(xué)技術(shù)合作與應(yīng)用研究院，山東臨沂 273400)

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玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在漠河地區(qū)的自然老化研究

劉亞平1，王榮華1，王登霞1，李元哲2，李暉1，孫巖1，李倩倩1

(1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031； 2.臨沂市科學(xué)技術(shù)合作與應(yīng)用研究院，山東臨沂 273400)

摘要：對(duì)玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在漠河地區(qū)的大氣暴露三年和庫(kù)內(nèi)暴露八年的樣品分別進(jìn)行研究，考察了其拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、壓縮強(qiáng)度5種力學(xué)性能及變化趨勢(shì)；對(duì)樣品進(jìn)行了掃描電鏡微觀(guān)分析；同時(shí)對(duì)漠河地區(qū)的玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)，計(jì)算出材料彎曲性能保留率下降到75%時(shí)所需時(shí)間。

關(guān)鍵詞：玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂；漠河地區(qū)；力學(xué)性能；表面形貌；壽命預(yù)測(cè)

聯(lián)系人： 劉亞平，副研究員，主要從事非金屬材料的老化與防老化研究

玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂作為新型材料[1-4]，因輕量、耐腐蝕、易成型及良好力學(xué)性能等在實(shí)際使用過(guò)程中得到了大量的應(yīng)用。作為一種高分子材料，其在應(yīng)用過(guò)程中常會(huì)接觸到多種環(huán)境因素，導(dǎo)致材料的性能隨使用時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生變化即出現(xiàn)老化現(xiàn)象，關(guān)于玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂老化性能的研究已引起人們的普遍重視，對(duì)于其老化性能的研究在新材料的研發(fā)與應(yīng)用方面具有十分重要的意義。

大氣自然暴露試驗(yàn)是評(píng)估材料壽命最直接和最有效的方法，筆者通過(guò)對(duì)玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在漠河地區(qū)多年的自然老化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行宏觀(guān)和微觀(guān)性能研究，明確了玻纖增強(qiáng)材料在漠河地區(qū)性能的變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)其老化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)研究[5-12]。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

玻纖：EKB450，常州宏發(fā)土工復(fù)合材料有限公司；

乙烯基酯樹(shù)脂：swancor 905–2，上海上緯企業(yè)股份有限公司。

1.2主要設(shè)備及儀器

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：RGT–10A型，深圳瑞格爾儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：QUANTA200型，荷蘭FEI公司。

1.3性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1447–2005測(cè)試，拉伸速度為2 mm/min，每組樣品數(shù)為5根，試樣類(lèi)型：Ⅱ型。

壓縮強(qiáng)度按GB/T 1448–2005測(cè)試，壓縮速度為5 mm/min，每組樣品數(shù)為5根。

彎曲強(qiáng)度按GB/T 1449–2005測(cè)試，彎曲速度為2 mm/min，每組樣品數(shù)為5根。

SEM分析：樣品表面噴金處理，放大倍數(shù)分別為100，200，400，800倍，采用SEM進(jìn)行分析。

大氣暴露試驗(yàn)：按GB/T 2573–1989進(jìn)行測(cè)試，采用朝南45o暴露角。庫(kù)內(nèi)暴露試驗(yàn)：按WJ 2156–1993進(jìn)行測(cè)試，樣品的擺放應(yīng)單層水平。大氣暴露樣品取樣周期為：3，6，9，12，18，24，30，36個(gè)月。庫(kù)內(nèi)暴露樣品取樣周期為：1，2，3，4，5，6，7，8年。

2　結(jié)果與討論

2.1玻纖增強(qiáng)乙烯基酯外觀(guān)的變化

筆者以彎曲強(qiáng)度為指標(biāo)對(duì)庫(kù)內(nèi)自然老化樣品存儲(chǔ)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。圖1為玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在漠河大氣暴露試驗(yàn)樣品外觀(guān)圖。

圖1　玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂漠河大氣暴露試驗(yàn)樣品外觀(guān)圖

經(jīng)過(guò)漠河三年的大氣暴露試驗(yàn)，玻纖增強(qiáng)乙烯基樹(shù)脂見(jiàn)光面上的乙烯基酯樹(shù)脂逐漸脫落，露出了玻纖織布。而漠河庫(kù)內(nèi)暴露三年的樣品外觀(guān)幾無(wú)變化。

2.2玻纖增強(qiáng)乙烯基酯力學(xué)性能的變化規(guī)律

表1、表2分別為玻纖增強(qiáng)乙烯基酯漠河地區(qū)自然老化樣品力學(xué)性能保留率數(shù)據(jù)。

表1　玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂大氣暴露樣品力學(xué)性能保留率

從表1可以看出，拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量開(kāi)始均保持較高的保留率，隨著老化時(shí)間的加大，以光、熱為主的環(huán)境因素對(duì)材料的破壞程度加重，力學(xué)性能保留率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度保留率下降較大。

表2　玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂庫(kù)內(nèi)暴露樣品力學(xué)性能保留率

從表2可以看出，拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量開(kāi)始均保持較高的保留率，隨著老化時(shí)間加長(zhǎng)，力學(xué)性能保留率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

2.3玻纖增強(qiáng)乙烯基酯微觀(guān)性能的變化規(guī)律

圖2為玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在自然老化試驗(yàn)中的SEM圖。

圖2　玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在自然老化試驗(yàn)中的SEM圖

從SEM圖可以看出，自然老化1年后，纖維表面上還附著有大量的樹(shù)脂基體；當(dāng)老化時(shí)間延長(zhǎng)至2年后，樣品表面的樹(shù)脂含量明顯減少，裸露玻纖數(shù)量增加，并伴隨有裂紋的出現(xiàn)，表明材料已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的老化；自然老化3年后，增強(qiáng)纖維表面幾乎沒(méi)有樹(shù)脂粘附，但樣品表面未出現(xiàn)深度方向的擴(kuò)展裂紋，推測(cè)可知，自然老化過(guò)程中樣品表面的樹(shù)脂出現(xiàn)老化、粉化直至與基體脫離，致使增強(qiáng)相玻纖露出。同時(shí)可以看出，在整個(gè)老化過(guò)程中，玻纖基本未發(fā)生變化，玻纖的存在在一定程度上阻止了裂紋的擴(kuò)展，保護(hù)了樹(shù)脂，阻止了其進(jìn)一步的老化。

2.4玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂壽命預(yù)測(cè)

筆者采用回歸分析的方法對(duì)玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)材料的力學(xué)性能變化規(guī)律，分析玻纖增強(qiáng)乙烯基酯材料自然老化過(guò)程中彎曲強(qiáng)度性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其與老化時(shí)間之間存在一元線(xiàn)性回歸方程關(guān)系，設(shè)線(xiàn)性模型方程為：y=a+bx。

(1)漠河大氣暴露壽命預(yù)測(cè)計(jì)算和驗(yàn)證。

這里設(shè)自由度n=9，為求線(xiàn)性回歸方程，對(duì)所需要的計(jì)算列于表3。

表3　相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可得：

可以求得，

漠河地區(qū)玻纖增強(qiáng)乙烯基酯大氣暴露回歸直線(xiàn)方程為y=100–0.4x (y=a+bx)。

下面以T檢驗(yàn)法對(duì)上述回歸方程的回歸效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

查t分布表，n=9，α/2=0.05，t0.05(7)=1.894 6< 16.65，表明上述方程回歸效果顯著。

以拉伸強(qiáng)度保留率下降到75%時(shí)作為衡量指標(biāo)，所需時(shí)間為：

(2)漠河庫(kù)內(nèi)暴露壽命預(yù)測(cè)計(jì)算和驗(yàn)證。

這里n=9，為求線(xiàn)性回歸方程，對(duì)所需要的計(jì)算列于表4。

表4　相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

可以求得：

漠河地區(qū)玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂庫(kù)內(nèi)暴露回歸直線(xiàn)方程為y=100–x (y=a+bx)。

同樣以T檢驗(yàn)法對(duì)上述方程回歸效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

查t分布表，n=9，α/2=0.05，t0.05(7)=1.894 6< 16.43，表明上述方程回歸效果顯著。

以拉伸強(qiáng)度保留率下降到75%時(shí)作為衡量指標(biāo)，所需要的時(shí)間為：

由以上分析可得玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在漠河地區(qū)大氣暴露三年和庫(kù)內(nèi)暴露八年的線(xiàn)性回歸方程見(jiàn)表5。

表5　玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂漠河地區(qū)線(xiàn)性回歸方程

通過(guò)表5得到玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂彎曲強(qiáng)度保留率下降到75%時(shí)所需的實(shí)際時(shí)間，見(jiàn)表6。

表6　玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂保留率下降到75%需要的時(shí)間

3　結(jié)論

(1)玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在漠河地區(qū)三年大氣暴露試驗(yàn)后，樣品表面顏色變化明顯，樹(shù)脂脫落，玻纖外露；庫(kù)內(nèi)暴露八年樣品外觀(guān)幾無(wú)變化。

(2)在漠河三年大氣暴露和八年庫(kù)內(nèi)暴露試驗(yàn)中，玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂在試驗(yàn)初期都出現(xiàn)力學(xué)性能增大的現(xiàn)象，隨著老化時(shí)間增加，總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(3)用線(xiàn)性回歸的方法來(lái)預(yù)測(cè)材料的壽命，玻纖增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂彎曲強(qiáng)度保留率下降到75%為性能失效指標(biāo)時(shí)，大氣暴露需要62.5個(gè)月，庫(kù)內(nèi)暴露需要300個(gè)月，二者之間的加速因子為4.8。

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on Natural Aging of Glass Fiber Reinforced Vinyl Resin in Mohe County Area

Liu Yaping1， Wang Ronghua1， Wang Dengxia1， Li Yuanzhe2，Li Hui1， Sun Yan1， Li Qianqian1
(1. CNGC Institute 53，Jinan 250031，China； 2. Linyi Institute of Science and Technology Cooperation and Application，Linyi 273400，China)

Abstract：Glass fiber reinforced vinyl resin samples exposure to the atmosphere for three years and eight years in the library in Mohe region were studied. The tensile strength，tensile modulus，flexural strength，flexural modulus and compressive strength，such 5 kinds of mechanical properties and their changing tendency were investigated. The samples were analyzed by scanning electron microscope and the service life of glass fiber reinforced vinyl ester resin in Mohe County was predicted，and the required time for its bending property retention rate decreased to 75% was calculated.

Keywords：glass fiber reinforced vinyl ester resin；mohe county area；mechanical property；surface morphology；life prediction

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ325.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539(2016)04-0086-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.020

收稿日期：2016-01-27