復合材料在海水淡化設備上的研究與應用

溫振剛，張洪毅，孫亞靜，吳青玉，高晨曉

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北浩正檢測服務有限公司，河北 冀州 053200）

復合材料在海水淡化設備上的研究與應用

溫振剛1，張洪毅2，孫亞靜2，吳青玉2，高晨曉2

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北浩正檢測服務有限公司，河北 冀州 053200）

通過對不同種類玻璃纖維增強樹脂復合材料高溫高濃度海水長期浸泡模擬測試，從試樣外觀、吸濕率、力學保留率及破壞形貌對海水腐蝕原理進行分析，從材料、結構、工藝設計對復合材料進行優(yōu)化設計，提高復合材料在高溫高濃度海水中使用的可靠性，從而應用在海水淡化蒸餾設備上，解決設備耐腐蝕性差、維護費用高的技術難題。

海水淡化；復合材料；海水腐蝕；優(yōu)化設計

0 概述

據國際組織預測，到2050年，生活在缺水國家中的人口將增加到10.6~24.3億之間，約占全球預測人口的13%~20%。淡水資源匱乏已經成為全世界面臨的難題。海水淡化是有效解決水資源問題的重要途徑之一。目前海水淡化達到商業(yè)規(guī)模的主要有膜法和蒸餾法兩大類，蒸餾法中海水淡化設備需要儲存高溫高濃度海水，對設備腐蝕嚴重，影響設備長期穩(wěn)定運行，本文通過復合材料耐海水腐蝕性能的研究，解決該技術難題。

所謂復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，組成具有新性能的材料。其具有優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕性能，同時還具有可設計性強的特點，可以選擇不同的增強材料與基體材料，通過不同的成型工藝制作。本文通過分析現有復合材料海水腐蝕的研究，進行選材制作FRP樣板，進行長期耐高溫高濃度海水腐蝕試驗，在測試數據分析基礎上對復合材料進行優(yōu)化設計，從而滿足耐高溫高濃度海水的腐蝕要求。

1 復合材料海水腐蝕原理

隨著科學技術的不斷進步，試驗條件不斷完善，新方法、新設備的誕生，國內外對復合材料-纖維增強塑料在海水環(huán)境下的腐蝕行為和規(guī)律有了一定數據積累，具體如下。

胡海濤、楊永新等[1]研究了海水腐蝕環(huán)境對樹脂性能的影響。將試樣置于實驗室條件下的人工海水中腐蝕后對其拉伸測試，試驗結果表明，海水主要通過擴散和滲透的方式進入樹脂內部，使得樹脂的強度、伸長率等性能受到了影響。

Ramirez等[2]將E-玻璃纖維浸泡在不同海水溶解和蒸餾水中，考察單絲拉伸性能的退化情況，結果表明E-玻璃纖維在20℃、40℃、60℃海水浸泡一個月時，拉伸強度發(fā)生明顯下降，之后下降速率減緩，并保持穩(wěn)定。在常溫水中拉伸強度下降明顯小于常溫海水中的下降量。

Abdel-Hamid I.Mourad等[3]研究了FRP在海水和濕熱環(huán)境下的耐腐蝕性能，分別研究了纖維增強環(huán)氧樹脂和聚亞安酯兩種復合材料的吸水率、鹽和其他污染物的滲透率、表面的化學和物理鍵、機械性能的降低以及機械失效。研究發(fā)現，材料的吸水率隨著海水中浸泡時間的增長以及溫度的升高而增加；高溫會加速機械性能的降低。

Shiva Eslami等[4]對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料在吸水腐蝕后的破壞形貌進行分析，與正常破壞形貌相比，吸水后的界面脫粘較為嚴重。

總結以上研究成果，纖維增強塑料由增強纖維、樹脂基體和界面三部分組成，海水腐蝕可分為增強纖維腐蝕、基體樹脂腐蝕和界面腐蝕三種，其中界面腐蝕對復合材料性能影響最大。所以本文選擇耐海水腐蝕性強的增強纖維以及樹脂基體制作復合材料進行耐海水腐蝕試驗。

2 海水腐蝕環(huán)境下可靠性測試

2.1 試驗方案

海水淡化設備廠商提供材料使用條件：渤海灣海水，波美度9°，溫度107℃。根據公式：海水比重=144.3/(144.3-波美度)=1.07。高溫是海水腐蝕加速的關鍵因素，所以本次試選擇2種耐高溫的基體材料、2種增強材料組合制作4種復合材料進行測試。測試項目為外觀、吸水率、力學保留率。測試期齡0、15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d。

2.2 試驗原料與設備

2.2.1 原材料

（1）樹脂：酚醛型乙烯基樹脂、雙酚A型乙烯基樹脂。

（2）纖維：450 g/m2的E型無堿玻璃短切氈、400 g/m2的E型無堿玻璃纖維布。

（3）引發(fā)劑：阿克蘇LPT。

（4）促進劑：環(huán)烷酸鈷，鈷含量6%，紫色澄清液體。

2.2.2 主要試驗設備

（1）上海精科提供的FA2204B電子天平。

（2）上?；厶┥a的DHG-9245A鼓風干燥箱。

（3）劍橋儀器公司生產的STE-240掃描電子顯微鏡。

（4）長春機械科學研究院生產的DDL300電子萬能試驗機。

（5）我公司自制智能溫控耐腐蝕試驗機。設備自動采集數據；試驗溫度：室溫-160℃；精度±0.5℃（圖1）。

圖1 智能溫控耐腐蝕試驗機

2.3 FRP試樣制作

（1）在玻璃模具上均勻涂抹高效脫模劑，風干15 min。

（2）裁剪250 mm×350 mm纖維織物。

（3）樹脂配制，樹脂：引發(fā)劑：促進劑=100∶1.2∶0.3，25℃凝膠時間控制30 min。

（4）采用手糊成型工藝制作FRP板，按以上配比，在攪拌容器中先加入樹脂，再加入引發(fā)劑，用玻璃棒順時針攪拌均勻；最后加入促進劑攪拌5 min，使樹脂、引發(fā)劑和促進劑能夠充分混合，保證固化完成。在模具上均勻涂刷一層樹脂，然后鋪設玻纖織物，采用壓輥使纖維與樹脂完全融合，重復以上操作，達到設計厚度。

（5）常溫固化24 h后，對試樣進行裁邊，封邊處理。

（6）對不同材料、不同測試項目的試樣做永久性標識。

（7）后固化處理，室溫環(huán)境放置30 d后，80℃恒溫24 h。

2.4 試驗方法

（1）試驗介質采用天津港天然海水，通過蒸發(fā)濃縮至波美度9°，比重1.07，裝入耐腐蝕試驗機，加熱107℃，將試樣放入進行7個期齡的測試。

（2）外觀：按照《GB/T 3857-2005 玻璃纖維增強熱固性塑料耐化學介質性能試驗方法》對每個期齡的試樣進行外觀檢測，觀察試樣表面是否有裂紋、失光、腐蝕、氣泡、軟化等缺陷。

（3）吸濕性：按照《GB/T 1462-2005纖維增強塑料吸水性試驗方法》對每個期齡的試樣進行吸濕百分率的檢測，并繪制曲線圖。

（4）力學性能保留率：按照《GB/T 1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》對每個期齡的試樣進行拉伸強度檢測；按照《GB/T 3857-2005 玻璃纖維增強熱固性塑料耐化學介質性能試驗方法》對每個期齡的試樣拉伸強度性能保留率進行計算，并繪制曲線圖。

2.5 分析與小結

（1）外觀分析：經過150天的海水浸泡，4種試樣表面光澤度明顯降低，纖維發(fā)白，文理清晰；雙酚A試樣厚度明顯厚于未浸泡前，表面氣泡處開裂成凹坑，薄樹脂處出現腐蝕，比酚醛基試樣外觀變化明顯。

吸濕率：圖2為4種復合材料不同期齡吸濕百分率的曲線圖，雙酚A基體復合材料吸濕率較高；和玻璃布相比，采用短切氈增強的復合材料吸濕率較高；吸濕率主要發(fā)生在前30 d，后達到飽和；吸濕出現波動，樹脂氣泡破裂、小分子溶出，溶脹作用導致有缺陷的試樣表面出現樹脂掉落。

圖2 吸濕率曲線圖

力學性能保留率：從圖3分析試樣在前30 d內，力學性能下降嚴重，之后趨于穩(wěn)定；圖3與圖2趨勢相反，說明吸濕性是影響力學下降的重要因素。由圖4分析確定，力學性能下降主要原因是高溫海水破壞增強纖維與樹脂基體粘結界面，纖維表面出現嚴重脫膠，導致力學性能下降。

圖3 力學性能保留率曲線圖

圖4 雙酚A+短切氈試樣破壞形貌

3 結束語

本文通過模擬海水淡化設備運行環(huán)境，進行高溫高濃度海水浸泡腐蝕試驗，利用外觀、吸濕率、力學保留率以及電子顯微鏡分析了4種復合材料的腐蝕情況。引起復合材料力學性能變化主要原因：

（1）成型工藝帶來試樣外觀缺陷，氣泡、貧膠、氣孔等經高溫海水浸泡放大。

（2）浸泡過程先發(fā)生物理吸附，液體通過表面的孔隙、微裂紋等進入內部，質量迅速增加，吸水量達到一定程度，基體發(fā)生化學反應，樹脂親水基團吸水，增塑，造成纖維與樹脂膨脹不匹配，發(fā)生脫粘，進而形成更大孔隙。

（3）界面脫落由于基體開裂、微裂紋、溶脹等物理變化引起。

（4）從力學保留率分析，復合材料結構層優(yōu)選酚醛樹脂增強玻璃布。在此基礎上從材料、結構、工藝設計方面進行優(yōu)化，提高復合材料耐高溫高濃度海水腐蝕性能，滿足海水淡化設備的要求。

3.1 材 料選擇

采用耐高溫性能優(yōu)良、力學保留率高的酚醛乙烯基樹脂作為基體材料。通過改性提高樹脂柔韌性，使樹脂斷裂延伸性與玻璃鋼斷裂延伸率匹配，避免應力集中。同時在樹脂中加入界面劑，界面處理劑的作用即與樹脂產生鉸鏈，又與碳化硅、纖維織物發(fā)生化學反應，提高界面粘結力。

3.2 結構設計

設備主體采用三明治夾層結構設計：與高溫海水接觸的內襯層，采用顆粒和纖維共同增強的結構設計，在樹脂中加入5%~10% ，250目的碳化硅，采用ECR表面氈增強，碳化硅均勻分布在樹脂中形成致密的保護層，防止海水進入；結構層采用酚醛乙烯基增強玻璃布，適當鋪設短切氈改善層間剪切；外表層噴涂膠衣，起到美觀且抗老化作用。

3.3 工藝設計

采用真空熱反應釜成型工藝：將制作好的產品連同模具一起放入反應釜中，抽真空，去除氣泡，提高密實度與粘接力；然后升溫80℃，恒溫固化2 h，脫模，制品達到最佳固化度及力學性能。

參考文件：

[1] 胡 海濤，楊勇新，郭春紅. 海水對樹脂耐久性影響的分析[J].工業(yè)建筑，2006.36(8):13~15.

[2] Ramirez F A，Carlesson L A，Acha B A.Evaluation of Water Degradation of Vinylester and Epoxy Matrix Composites by Single Fiber and Composite Tests[J]. Journal of Materials Science，2008.43(15):5230~5242.

[3] Abdel-Hamid I M，Beckry M A，Tamer E，et al.Effect of Seawater and Warm Environment on Glass/Epoxy and Glass/Polyurethane Composites[J].Appl Composite Mater，2010,17:557~573.

[4] SHIVA E，FATHOLLAHTB，FARID T.Long-Term Hygrothermal Response of Perforated GGFRP Plates With/ Without Application of constant External Loading[J]. Polymer Composites.2012,21:467~475.

TQ424；P747

A

1671-0711（2016）07（上）-0076-03