高性能玻璃纤维复合材料耐腐蚀性研究
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高性能玻璃纤维复合材料耐腐蚀性研究摘要:随着科学技术的不断发展,各种高性能材料获得了非常广泛的应用,促进了工业生产水平的不断提高。
本文对高性能玻璃纤维复合材料的耐腐蚀性进行了比较深入的分析,有助于推动其在更大的范围内进行推广应用,对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。
关键词:玻璃纤维;复合材料;腐蚀1前言玻璃纤维材料是指由玻璃纤维增强热固性树脂基而形成的一种多相材料玻璃钢材料,其具有非常优良的性能,在多个领域都获得了广泛的应用。
通常来说,复合材料的工作环境往往较为恶劣,这就导致其会长期受到大气、水以光等多种不利因素的影响,进而导致复合材料逐渐发生老化和化学降解,这就会影响其整体性能。
由于玻璃钢材料具有较好的耐腐蚀性,常用于化学储罐和输油管道等具有腐蚀性的环境,但是在实际的应用过程中发现,玻璃钢材料仍旧会发生不同程度的腐蚀,这就会大大缩短其使用寿命。
对于输油管道而言,相较于传统的金属管道,各种玻璃钢材质管道的使用寿命虽然有所延长,但是每运行3~6个月就需要进行维护或者更换。
这主要是因为复合材料的制作工艺较为复杂,如果没有对整个制作过程进行系统全面的有效控制,这就会导致其表面出现缺陷和微裂纹,进而会对表面的耐腐蚀性造成严重的不利影响。
因此,为了确保玻璃纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性,通过对其耐腐性进行科学合理的分析研究,进而采取有针对性的改善控制措施,确保玻璃纤维复合材料的抗腐蚀性满足安全运行的需求。
2实验2.1材料与试剂(1)增强纤维:高性能玻璃纤维和无碱玻璃纤维。
(2)树脂基体:环氧树脂、环氧树脂固化剂、环氧树脂促进剂、乙烯基树脂、乙烯基树脂固化剂、乙烯基树脂促进剂。
(3)其他材料:纯度为99.8%的分析纯硫酸、分析纯氯化钠、二次去离子水。
2.2设备及仪器千分天平、烘箱、盐雾箱、强力试验机、场发射扫描电镜。
2.3试样的制备、试验与测试(1)严格按照国标GB/T 20310-2006中的相关规定,进行浸胶纱样品的制定,并对其拉伸强度进行系统全面的测定。
玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料(GFRP)是一种重要的结构材料,具有较高的强度、较低的密度和良好的耐腐蚀性。
它由玻璃纤维和热固性树脂组成,通常采用层叠的方式制备。
GFRP的广泛应用领域包括航空航天、汽车、建筑和民用设备等。
首先,玻璃纤维增强复合材料的优点之一是其高强度和刚度。
玻璃纤维具有很高的拉伸强度和模量,这使得GFRP在比同等重量的金属材料更具抵抗力的条件下提供相似的强度。
由于玻璃纤维的高强度和刚度,GFRP在航空航天领域广泛应用于飞机部件和航天器部件的制造。
它们还常用于制造汽车部件,如车身和悬挂系统。
此外,由于具有高强度和刚度,GFRP也常用于建筑结构、桥梁和风力发电机等民用设备。
其次,玻璃纤维增强复合材料具有较低的密度。
与金属相比,GFRP的密度更低,这意味着相同体积的GFRP比金属更轻。
这种轻量化的特性使得GFRP在航空航天和汽车领域得到广泛应用。
它们能有效减少重量,提高燃油效率和运载能力。
此外,GFRP的低密度还使得它们在建筑领域中成为一种理想的结构材料,因为它们能够减少建筑物的自重,提高建筑物的抗震性能。
另外,玻璃纤维增强复合材料具有良好的耐腐蚀性。
与金属相比,玻璃纤维对化学品和湿度更具抵抗力。
金属在潮湿或腐蚀性环境中容易腐蚀和氧化,而GFRP不能。
这使得GFRP在海洋环境和化工领域得到广泛应用。
例如,它们常用于制造海洋油井设备和化学储罐。
此外,GFRP的良好耐腐蚀性还使得它们在建筑领域中具有应用潜力,因为它们能够提供长时间的耐久性。
然而,玻璃纤维增强复合材料也存在一些缺点。
首先,它们的成本较高。
相比于传统的金属材料,GFRP的制造成本较高,这主要是由于玻璃纤维和树脂的价格较高。
这使得GFRP在一些应用领域的竞争力较弱。
此外,GFRP的制造过程也较为复杂,需要特殊的设备和技术,这进一步增加了成本。
此外,GFRP的耐久性和可靠性还存在一定的挑战。
由于玻璃纤维和树脂的性质,GFRP材料容易受到冲击和剪切等外力的破坏。
《玻璃纤维-环氧树脂复合材料力学性能研究》篇一玻璃纤维-环氧树脂复合材料力学性能研究一、引言复合材料是近年来科学研究和技术开发的重要领域,具有卓越的物理、化学和力学性能。
其中,玻璃纤维/环氧树脂复合材料因具有优异的强度、刚度、耐腐蚀性等特点,被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等多个领域。
因此,对其力学性能的深入研究具有重要意义。
本文将探讨玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能,包括其拉伸性能、弯曲性能、冲击性能等,以期为相关领域的研究和应用提供理论依据。
二、材料与方法2.1 材料实验所使用的玻璃纤维/环氧树脂复合材料由高质量的玻璃纤维和环氧树脂基体组成。
玻璃纤维具有高强度、高模量等特点,而环氧树脂基体则具有良好的粘结性和耐腐蚀性。
2.2 方法(1)样品制备:将玻璃纤维与环氧树脂按照一定比例混合,制备成复合材料样品。
(2)力学性能测试:采用万能材料试验机进行拉伸性能测试,采用三点弯曲法进行弯曲性能测试,采用冲击试验机进行冲击性能测试。
(3)数据分析:对实验数据进行统计分析,计算各项力学性能指标的平均值、标准差等。
三、结果与分析3.1 拉伸性能通过拉伸性能测试,我们发现玻璃纤维/环氧树脂复合材料具有较高的拉伸强度和拉伸模量。
这主要归因于玻璃纤维的高强度和高模量特性,以及其与环氧树脂基体之间的良好界面结合。
此外,适当的纤维含量和分布也对提高复合材料的拉伸性能起到了重要作用。
3.2 弯曲性能在弯曲性能测试中,玻璃纤维/环氧树脂复合材料表现出较高的弯曲强度和弯曲模量。
这得益于玻璃纤维的优异性能以及其在复合材料中的有效承载作用。
此外,环氧树脂基体的良好韧性和粘结性也有助于提高复合材料的弯曲性能。
3.3 冲击性能冲击性能测试结果表明,玻璃纤维/环氧树脂复合材料具有较好的冲击强度和韧性。
这主要归因于玻璃纤维的增强作用以及环氧树脂基体的能量吸收能力。
此外,复合材料的微观结构对其冲击性能也有一定影响。
四、讨论通过对玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能研究,我们可以得出以下结论:(1)玻璃纤维的增强作用对复合材料的力学性能具有显著影响。
玻璃纤维复合材料热性能研究玻璃纤维复合材料是一种由玻璃纤维和树脂等粘合剂组成的新型材料,具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点,被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
随着工程材料的不断发展,对其热性能的研究也日益受到重视。
本文将对玻璃纤维复合材料的热性能进行研究,并探讨其影响因素和应用前景。
1. 玻璃纤维复合材料的热性能热性能是材料的重要性能之一,对于复合材料来说尤为重要。
玻璃纤维复合材料的热性能包括导热性能、热膨胀性能和热稳定性能等。
导热性能是指材料在热传导过程中所表现出的特性,通常用热导率来描述。
热膨胀性能是指材料在温度变化时的尺寸变化情况,通常用线膨胀系数来描述。
热稳定性能则是指材料在高温环境下的稳定性。
这些性能的好坏直接影响着材料的使用寿命和安全性,因此对其热性能的研究非常重要。
2. 影响玻璃纤维复合材料热性能的因素玻璃纤维复合材料的热性能受多种因素影响,主要包括纤维类型、树脂类型、填料类型和制备工艺等。
玻璃纤维的种类和长度对热性能有较大影响。
一般来说,长纤维比短纤维具有更好的导热性能和热稳定性能。
树脂的选择也是影响热性能的重要因素,不同类型的树脂具有不同的热性能表现。
填料的加入可以改善复合材料的热膨胀性能,提高其应用范围。
制备工艺对复合材料的热性能同样有重要影响,包括制备温度、压力、时间等参数都会影响材料的热性能。
3. 热性能的测试方法热性能的测试是对复合材料进行评估的重要手段。
目前常用的测试方法包括热导率测试、热膨胀性能测试和热稳定性能测试。
热导率测试可以通过热导率仪器对复合材料的热传导性能进行测试,热膨胀性能测试则可以通过热膨胀系数仪器对其尺寸变化情况进行实验。
而热稳定性能测试则可以通过热失重仪器对材料在高温环境下的稳定性进行测试。
这些测试方法可以全面评估复合材料的热性能,为其应用提供科学依据。
4. 玻璃纤维复合材料热性能在应用中的重要性玻璃纤维复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域的应用越来越广泛,其热性能的优劣直接影响着其应用性能和寿命。
玻璃纤维增强PVC复合材料研究进展玻璃纤维增强PVC复合材料是一种将玻璃纤维与聚氯乙烯(PVC)基体相结合的复合材料。
由于PVC具有优良的电绝缘性能、耐腐蚀性能和可塑性等特点,而玻璃纤维具有优异的力学性能和强度,因此玻璃纤维增强PVC复合材料在各个领域得到了广泛应用。
以下是玻璃纤维增强PVC复合材料研究的一些进展。
首先,研究者对玻璃纤维增强PVC复合材料的制备方法进行了改进。
传统的制备方法主要是采用浸渍法、干法覆盖法等,但是这些方法存在工艺复杂、制备周期长等问题。
近年来,研究者提出了新的制备方法,如溶胶-凝胶法、层压法等。
溶胶-凝胶法是将玻璃纤维浸泡在PVC溶液中,然后通过凝胶化和干燥等步骤得到复合材料。
层压法则是将PVC薄片与玻璃纤维层层叠加,经过热压而形成复合材料。
这些新的制备方法可以提高制备效率和质量。
其次,研究者对玻璃纤维增强PVC复合材料的性能进行了研究。
实验表明,添加适量的玻璃纤维可以显著提高复合材料的强度和刚度。
在静态力学性能方面,玻璃纤维增强PVC复合材料的抗张强度、弹性模量和屈服强度明显优于纯PVC材料。
在动态力学性能方面,玻璃纤维增强PVC复合材料的冲击强度和耐疲劳性能也得到了提高。
此外,这种复合材料还具有良好的耐候性和耐腐蚀性能。
此外,研究者还对玻璃纤维增强PVC复合材料的界面性能进行了研究。
玻璃纤维与PVC基体之间的界面黏结强度对复合材料的性能有重要影响。
研究者通过对界面改性剂的引入、表面处理和复合材料结构设计等方式,改善了玻璃纤维与PVC基体之间的黏结强度。
增强了复合材料的综合性能。
总之,玻璃纤维增强PVC复合材料在制备方法、性能研究和界面性能改善等方面都取得了一定的进展。
这种复合材料不仅具有PVC的优良性能,还具有玻璃纤维的高强度和刚度。
因此,玻璃纤维增强PVC复合材料有望在建筑、电气、汽车等领域得到更广泛的应用。
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究齐齐哈尔大学摘要:玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,种类繁多,优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好,机械强度高,但缺点是性脆,耐磨性较差,并不适于作为结构用材,但若抽成丝后,则其强度大为增加且具有柔软性,配合树脂赋予其形状以后可以成为优良之结构用材。
本文将对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的的研究现状及研究方向进行分析,为新的研究方向探索道路。
关键词:玻璃纤维环氧树脂复合材料研究现状研究方向1、前言玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强,疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点,在各个领域都有着广泛的应用,用玻璃纤维和环氧树脂可以制造层合制品,是一类性能优良的绝缘材料,广泛用于电力、电器、电子等领域,玻璃纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比模量,而且耐疲劳、耐腐蚀。
最早用于飞机、火箭等,近年来在民用方面发展也很迅猛,在舰船、建筑和体育器械等领域得到应用,并且用量不断增加。
其中,环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系,它适用于多种成型工艺,可配制成不同配方,调节粘度范围大,以便适应不同的生产工艺。
它的贮存寿命长,固化时不释放挥发物,同化收缩率低,固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热、耐湿性能和高的绝缘性,因此,环氧树脂“统治”着高性能复合材料的市场目前,复合材料输电杆塔已在欧美和日本得到应用,其中以美国的研究开发和应用最为成熟。
我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究,鉴于当时材料性能和制造工艺的限制,复合材料电杆未能得到推广使用。
近年来,随着复合材料技术的飞速发展和传统输电杆塔的缺陷逐步显露,电力行业开始重视复合材料杆塔的应用研究。
随着电网建设的快速发展,出现了全国联网、西电东送、南北互供的建设格局,输电线路工程口益增多,对钢材的需求越来越大,消耗了大量的矿产资源和能源,在一定程度上加剧了生态环境破坏。
并且,线路杆塔采用全钢制结构,存在质量大、施工运输和运行维护困难等问题。
复合材料的抗腐蚀性能分析在现代工业和科技的快速发展中,材料的性能要求越来越高。
其中,抗腐蚀性能是许多应用场景中至关重要的一个方面。
复合材料由于其独特的结构和组成,在抗腐蚀领域展现出了巨大的潜力。
复合材料通常由两种或两种以上不同性质的材料组成,通过特定的工艺结合在一起,从而综合了各组分材料的优点。
这种特性使得复合材料在面对腐蚀环境时,能够表现出比单一材料更出色的性能。
首先,我们来了解一下腐蚀的基本原理。
腐蚀是材料与周围环境发生化学反应或电化学反应,导致材料的性能下降甚至失效的过程。
常见的腐蚀类型包括化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀等。
化学腐蚀是材料直接与化学物质发生反应,如金属在酸中的溶解。
电化学腐蚀则是由于材料表面形成了原电池,导致电子的转移和材料的损耗。
微生物腐蚀则是由微生物的代谢活动引起的材料破坏。
复合材料在抗腐蚀方面具有多种优势。
其一,复合材料可以通过选择合适的组分来避免或减少与腐蚀介质的反应。
例如,在纤维增强复合材料中,纤维材料如碳纤维、玻璃纤维等通常具有良好的化学稳定性,不易与大多数腐蚀介质发生反应。
而基体材料如树脂可以经过特殊的处理或选择具有耐腐蚀性的树脂,从而提高整体的抗腐蚀性能。
其二,复合材料的微观结构也有助于提高抗腐蚀性能。
复合材料中的纤维分布和界面结构可以有效地阻止腐蚀介质的渗透和扩散。
纤维与基体之间的良好结合能够减少缝隙和缺陷的存在,降低腐蚀介质侵入的可能性。
以碳纤维增强复合材料(CFRP)为例,碳纤维具有极高的强度和优异的化学稳定性,而常用的环氧树脂基体经过适当的改性处理后,能够抵抗多种化学物质的侵蚀。
在航空航天领域,CFRP 被广泛应用于飞机结构部件,不仅减轻了重量,还能够在恶劣的环境中保持良好的性能,减少腐蚀带来的安全隐患。
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)也是常见的一种复合材料。
玻璃纤维成本相对较低,但其耐腐蚀性也相当不错。
在化工管道、船舶制造等领域,GFRP 被用于替代传统的金属材料,有效地延长了设备的使用寿命,降低了维护成本。
E-CR玻璃纤维复合材料耐腐蚀性能探讨韩利雄;刘奇;钟景军【摘要】通过加速腐蚀试验,从腐蚀痕迹、微观形貌、质量变化、强度保留率等方面对比分析了3种类型玻璃纤维复合材料耐腐蚀情况.结果表明,普通ER玻璃纤维在酸性环境下性能下降非常明显,而改进型的无硼无氟ECT玻璃纤维耐酸性能与典型的E-CR玻璃纤维一样出色,可应用于对耐酸性能、力学强度和使用寿命都有较高要求的应用领域.%The traces of corrosion,microstructure,quality variation and strength retention ratio of three types of glass fibers and composites were investigated by means of accelerated corrosion test.The results have indicated that the properties of normal ER glass fiber degrade obviously in the acid environment,but modified ECT glass fiber and classic E-CR glass fiber show excellent corrosion resistance under the same conditions.So ECT glass fiber can be used in the fields requiring higher corrosion resistance,strength and service life.【期刊名称】《玻璃纤维》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】玻璃纤维;复合材料;耐腐蚀;强度保留率【作者】韩利雄;刘奇;钟景军【作者单位】重庆国际复合材料有限公司,重庆400082;重庆国际复合材料有限公司,重庆400082;重庆国际复合材料有限公司,重庆400082【正文语种】中文【中图分类】TQ171.77+1.13E-CR(E-glass of chemical resistance/E-glass of corrosion resistance)玻璃纤维是一种耐腐蚀性能尤其是耐酸性能非常优越的增强材料,它与环氧树脂、乙烯基树脂等结合形成的复合材料可广泛应用于化学化工储罐、石油管道、污水处理设备、湿法排烟筒、环保设施等各种环境要求比较苛刻的领域[1-2]。
高性能玻璃纤维复合材料耐腐蚀性研究宋伟; 王帅; 张焱; 薛志伟; 黄松林【期刊名称】《《玻璃纤维》》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】8页(P14-20,26)【关键词】高性能玻璃纤维; 树脂基复合材料; 耐腐蚀性能【作者】宋伟; 王帅; 张焱; 薛志伟; 黄松林【作者单位】中材科技股份有限公司南京210012; 特种纤维复合材料国家重点实验室南京210012; 南京航空航天大学材料科学技术学院南京210016; 中国运载火箭技术研究院物流中心北京100076【正文语种】中文【中图分类】TQ171.77+7.770 前言防腐蚀复合材料是为了满足防腐蚀目的而开发的一种复合材料,在本文中,是指由玻璃纤维增强热固性树脂基而成的一种多相材料玻璃钢材料(GFRP)。
大多数的树脂基复合材料的使用环境为暴露在大气环境、水或海水湿热环境或者深埋在地下,空气、水、化学介质、光线及微生物对材料产生单一或综合的作用,造成材料的结构变化、老化、化学降解等腐蚀现象。
在本文中,着重探讨的是高性能玻纤增强热固性树脂基复合材料耐酸性介质及湿热盐雾的特性。
腐蚀现象已经成为一个世界性的严重问题,由于玻璃钢材料良好的耐蚀性及可设计性,在国内越来越多的玻璃钢材料被应用于化学储罐、输油管道等腐蚀性环境下,并且很多学者对聚合物的降解机理和模式进行了研究,提出了热降解,射线降解,力学降解等破坏模型,对树脂进行了改性,提高了树脂的耐蚀性能[1]。
但在实际应用中,却发现GFRP材料在使用时仍存在耐蚀性不佳,使用寿命短等问题,如在油田使用的输油管道,相比传统的金属管道,虽然普通E型玻璃钢管道的使用寿命已经延长,但是在使用3~6个月内还是需要对管道进行维护甚至更换。
单一树脂的耐腐蚀性确实优于单一的纤维基材,在完全理想的情况下,包覆完好的玻璃钢材料只有在树脂被完全破坏后才会对增强基材产生影响。
但在实际应用时,即使复合材料生产工艺已经非常成熟和完备,但生产出的制品也会百分之百存在缺陷和微裂纹,复合材料的表面状态直接影响了其耐蚀性能,纤维末端暴露或表面有明显缺陷的材料更易受到破坏,因此考虑到制品必然存在的表面及内部缺陷,选择增强基材时使用耐腐蚀性能良好的玻璃纤维非常重要[2]。
欧文斯科宁研究人员认为,在即使有树脂包裹的情况下,考虑到试样的表面缺陷,酸介质对玻纤和树脂的侵蚀仍然是同步发生的,复合材料被侵蚀的因素有:固化不好,渗透,微裂纹,应用压力,膨胀,环境循环等。
针对玻璃钢耐腐蚀性能的试验方法,各国制定了很多标准,如国际标准ISO 175,美国标准ASTM C581,德国标准DIN 53393,日本标准JISK 7114及国内标准GB/T 3857等,但如何根据上述标准测试所得的数据来评价玻璃钢材料在试验条件下的耐腐蚀性能,尚无一个统一的准则,由于判定方法不统一,对同一材料可能会得到不同的结论。
上述标准都基于试样在腐蚀介质中静态浸泡后力学与质量的变化结果,通常评价方法大致分为3类:(1)按试样及介质变化数据直接评价法。
(2)按质量指数综合评价法。
(3)双对数坐标直线外推评价法。
上述3种方法,最终只是给出耐或不耐腐蚀的结论,在同样等级的范围内并不能明确给出不同材料的耐蚀性优劣[3]。
因此在本文的研究中,根据GB/T 3857-2017“玻璃纤维增强热固性塑料耐化学介质性能试验方法”对HMS/EP(环氧基),E/EP,HMS/VE(乙烯基),E/VE浸胶纱和HMS/EP,E/EP诺尔环进行平行加速腐蚀试验,再进行拉伸性能考核来对比HMS和E玻璃纤维耐介质腐蚀的性能。
1 实验1.1 材料与试剂1.1.1 增强纤维高性能玻璃纤维(牌号HMS-1100),南京玻璃纤维研究设计院提供。
无碱玻璃纤维(牌号为E-1200),市售普通无碱直接粗纱。
玻璃纤维组分见表1[4],性能见表2。
表1 玻璃纤维组分成分/wt% HMS E SiO2 58~63 54.7 B2O3 / 6.6 Al2O3 18~23 14.4 MgO 7~13 0.3 CaO 8~16 22 Na2O+K2O <0.5 < 1表2 玻璃纤维性能基本指标 HMS E单丝公称直径/μm 13 14公称Tex 1100 1200偶联剂类型硅烷型硅烷型纤维密度/(g·cm-3) 2.54~ 2.59 2.62浸胶束纱拉伸强度/MPa 2900~3200 2400浸胶束纱拉伸模量/GPa 89~92 73适用基体树脂种类 UP,VE,EP UP,VE,EP1.1.2 树脂基体环氧树脂: E51,凤凰树脂厂;环氧树脂固化剂:三乙烯四胺,分析纯;环氧树脂固化剂:甲基四氢邻苯二甲酸酐,化学纯;环氧树脂促进剂:N,N-二甲基苄胺,化学纯;乙烯基树脂:901,上纬化工;乙烯基树脂固化剂:氧化甲乙酮,化学纯;乙烯基树脂促进剂:环烷酸钴,化学纯。
1.1.3 其他材料硫酸:99.8%纯度,分析纯;氯化钠:分析纯;二次去离子水:自制。
1.2 设备及仪器千分天平:梅特勒AL204-IC;烘箱:DHG9240A型电热鼓风;盐雾箱:上海林频;强力试验机:SANS;场发射扫描电镜:美国nova nanosem230。
1.3 试样的制备、试验与测试(1)浸胶纱的制备与测试参照标准GB/T 20310-2006“玻璃纤维无捻粗纱浸胶纱试样的制作和拉伸强度的测定”。
(2)诺尔环的制备与测试参照标准GB/T 1458-2008“纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法”。
(3)试样的耐介质腐蚀试验参照标准GB/T 3857-2017“玻璃纤维增强热固性塑料耐化学介质性能试验方法”。
(4)试样的耐中性盐雾试验参照标准GB/T 1771-2007“色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定”。
无论采用何种测试条件,保证选用的高性能玻璃纤维和无碱纤维试样处于同一试验条件下。
同一试验试样制备采用同一次配制的树脂;试样在进行腐蚀试验前,于105°C热风烘干6 h去除吸附的水;腐蚀试验完成后取样,使用约25°C去离子水冲洗表面后,用滤纸将表面水分擦干后立刻进行强力测试。
2 结果与讨论2.1 耐水煮性能试验将玻璃纤维粗纱制备成环氧树脂浸胶纱,试样浸没在99°C的去离子水中,按照试验节点取出部分试样,按上述2.3处理后进行强度测试。
结果如表3。
表3 环氧浸胶纱的水浸泡试验说明:0h指不参加介质浸泡的基准试样。
HMS E 时间/h 强度保留率/%0 3102 100 2067 100 2 2691 87 1823 88 4 2480 80 1674 81 8 2266 73 1562 76 12 2110 68 1368 66 24 1851 60 1328 64 48 1707 55 1198 58拉伸强度/MPa强度保留率/%拉伸强度/MPa图1 环氧浸胶纱的水浸泡试验由图1可以直观的看到,在条件设定的试验周期内,HMS与E玻纤增强环氧浸胶纱在近沸水中的强度下降速率基本一致,但HMS玻纤复合材料的强度绝对值高于E玻纤,在对力学性能有要求的使用环境中,HMS纤维显然是更优的备选方案。
水对玻纤复合材料的破坏机理和过程可看作是水分子开始吸附在材料表面,对树脂产生溶胀增塑作用,该过程为可逆的,之后水分子逐渐破坏树脂中的官能团及-CH2-O-化学键[5];同时水分子通过材料表面的微裂纹迅速渗透进材料内部,对玻璃纤维基体产生破坏,玻纤表面的易溶元素溶解于热水中,当试验周期足够长时,玻璃纤维的网络结构将最终被破坏,此过程为不可逆的[6~8]。
试验中2种玻璃纤维的强度下降速率一致,说明在试验条件下,去离子水对2种纤维增强的环氧复合材料破坏效率基本相同。
图2为2种玻璃纤维浸胶纱截面的SEM图(该截面在试验中暴露于试验介质中,下同),左边的是HMS,右边的是E。
在进行SEM扫描前,将样品放入超声波仪器中超声6 h,除去截面表层可能吸附的杂质、纤维及树脂碎片,下同。
由图中可以看到,纤维与树脂未发生明显的分层或缺失现象,但二者的纤维表面都有类似鱼鳞状的不规则凹凸,这是水对纤维的腐蚀作用造成的。
图2 HMS/EP与E/EP纤维在水煮后的截面SEM图2.2 耐硫酸介质试验同样将粗纱制备成环氧树脂浸胶纱,试样浸没于10 %的硫酸溶液中,恒温98°C,按试验节点取样测试,处理过程按2.3。
结果如表4所示。
表4 环氧浸胶纱的酸浸泡试验HMS E时间/h 拉伸强度/MPa强度保留率/%拉伸强度/MPa强度保留率/%0 2887 100 2067 100 1 2559 89 1529 74 2 2572 89 1290 62 4 2378 82 1181 57 8 2434 84 836 40 12 2265 78 754 36 24 193867 703 34 48 1564 54 251 12图3 环氧浸胶纱的酸浸泡试验酸性介质对玻璃钢材料的腐蚀除了水的溶胀作用外,还增加了H+的键合作用和金属离子的水解作用。
玻璃纤维的外层为-Si-O-网格结构,O-极易与H+结合,H+占据网格结构后网络中的金属离子(M+)就移动到网格外最后溶解在酸性溶液中。
腐蚀过程可由以下的方程式表示:M+指网格中的金属离子。
当网格表面的金属离子进入到溶液中,网格内部的金属离子就会向表面迁移,继续发生水合反应溶解至溶液中,直到反应达到平衡。
因此有研究认为,影响玻璃纤维的耐腐蚀能力与金属离子的迁移能力有关,而金属离子的迁移能力又取决于玻璃的网格结构,网格结构越完整,越致密,离子越不容易迁移[9]。
在E玻纤中,硼元素的含量较高(见表1),而玻璃网络结构中的硼氧四面体在酸性溶液中极易发生离子交换反应生成硼酸,而硼酸的解离度较大,在玻璃网络结构的四面体中发生离子交换反应的速率很快,会急速破坏网络结构中的硅氧四面体,硅的桥氧键越少,网络结构完整性越差,玻璃纤维的耐酸性越低,宏观的力学性能也就越低;而在HMS玻纤中,硼元素的含量几乎为零,尽管硅氧四面体与铝氧四面体也会与氢离子发生离子交换反应,但其生成的产物硅酸与偏铝酸解离度远远小于硼酸,玻璃网络结构相对更致密,因此发生离子交换的速率就很低,耐酸性也更好[10]。
在表4中可以看到硫酸溶液对E玻璃纤维复合材料的腐蚀作用非常明显,在4~5 h的试验周期内,强度保留就只剩50 %左右了,而HMS纤维在48 h的试验周期内,仍保留了50%的强度;对照表3可以发现,HMS纤维在纯沸水和10%的热硫酸溶液中,强度的下降速率几乎是一致的,强度保留也非常接近,因此可认为在10 %的热硫酸溶液中,在试验周期内酸(H+)和水对HMS的综合作用结果与纯沸水的影响结果一样。
但是通过观察样品截面的SEM图片,样品局部出现了纤维与树脂的剥离现象,产生了空隙,单纤维的表面出现了非常明显的鱼鳞状纹路,这是酸侵蚀纤维表面造成的,在设定的试验周期内,酸只对纤维的表层造成了腐蚀,并没有完全影响玻璃的网格结构,预测如果延长试验的周期,酸介质和纯水对材料的影响结果将会有所区分。