GMT-PP材料老化性能及壽命預(yù)測研究

于廣益，李小慧，金石磊,鄭曉龍，金怡新

(1 上海材料研究所，上?！?00437;2 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，四川　成都　610031；3 成都亞佳工程新技術(shù)開發(fā)有限公司，四川　成都　610083)

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GMT-PP材料老化性能及壽命預(yù)測研究

于廣益1，李小慧1，金石磊1,鄭曉龍2，金怡新3

(1 上海材料研究所，上海200437;2 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，四川成都610031；3 成都亞佳工程新技術(shù)開發(fā)有限公司，四川成都610083)

研究GMT-PP材料的老化性能及預(yù)測其壽命，以GMT-PP材料為原料制備試樣，并研究其在不同溫度下GMT-PP材料的失重率、壓縮強(qiáng)度、體積電阻、表面電阻隨時間的變化情況，結(jié)果表明：GMT-PP材料在90、110、130、150 ℃下，失重率上升，壓縮強(qiáng)度、體積電阻率、表面電阻率下降，溫度越高，其變化速率都越大。并推測其壽命(常溫20 ℃下)為：15.1、6.39、6.19年，壓縮強(qiáng)度、體積電阻率、表面電阻下降30%。

GMT-PP材料；熱氧老化；壽命預(yù)測

GMT-PP材料(玻璃纖維氈增強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料)自1972年美國PPG和GE公司大力推廣以來已經(jīng)逐步被廣泛認(rèn)可[1]。其綜合力學(xué)性能優(yōu)異，具有耐老化、電絕緣性以及成型效率高、可回收等優(yōu)點(diǎn)，可以替代以酚醛(俗稱“電木”)、環(huán)氧為基體的等復(fù)合材料。GMT-PP作為結(jié)構(gòu)性材料在外部條件的影響下長期使用后的性能變化也尤為被人們所關(guān)注[2]。在熱氧老化方面，張燕平[3]、BUCH[4]等對環(huán)氧/碳纖復(fù)合體系熱氧老化做了深入研究，但還未見關(guān)于GMT-PP材料研究報(bào)道，本文采用加速老化的方法研究了GMT-PP材料的熱氧老化性能并外推使用壽命，為設(shè)計(jì)和使用部門提供理論指導(dǎo)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1儀器與原料

YX-50壓力成型機(jī)(50 t)，上海偉力機(jī)械廠；CS 101-2 E電熱鼓風(fēng)烘箱，上海和呈儀器制造有限公司；5900型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，美國INSTRON英斯特朗公司；ZC-90E高絕緣電阻測量儀，上海太歐電子有限公司；AL104電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

平板狀GMT-PP材料片材(半成品，厚度3.8 mm)，跨駿塑膠貿(mào)易(上海)有限公司(Quadrant Plastic Composites AG(QPC))。

1.2GMT-PP材料試樣的制備

將平板狀GMT-PP材料片材裁剪到模具適用尺寸，按所需質(zhì)量取用，用烘箱在220 ℃下烘至蓬松狀態(tài)，采用不溢式模具保證試樣各向均勻，經(jīng)壓機(jī)壓制成型(模溫100 ℃，比壓15 MPa)，得到試樣尺寸毛坯，最后再機(jī)加工到相應(yīng)尺寸。

1.3性能測試

1.3.1失重率

電子分析天平稱取試樣在熱氧老化電熱鼓風(fēng)烘箱中的重量變化, 試樣尺寸：10 mm×10 mm×30 mm，并計(jì)算失重率:

失重率=(m0-mt)/m0×100%

(1)

式中：m0——試樣初始質(zhì)量

mt——天時間后試樣質(zhì)量

1.3.2壓縮性能

按照GB/T1448-2005測試試樣在熱氧老化電熱鼓風(fēng)烘箱中的壓縮強(qiáng)度變化，試樣尺寸：10 mm×10 mm×30 mm，加載速度為2 mm/min，測試溫度為20 ℃，采用Instron-1195型萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.3.3電學(xué)性能

按照GB/T1410-2006測試試樣在熱氧老化電熱鼓風(fēng)烘箱中的體積電阻率和表面電阻率的變化，試樣尺寸：Ф100 mm×1 mm，取1 min時的穩(wěn)態(tài)電流，測試溫度為20 ℃，采用ZC-90E高絕緣電阻測量儀。

2　結(jié)果與討論

2.1GMT-PP材料的老化失重

圖1為GMT-PP材料分別在90、110、130和150 ℃條件下熱氧老化的失重率變化。從圖1 可以看出，GMT-PP材料的失重率隨時間的增加而增加，而失重率的變化速率隨著時間的增加逐漸減緩，在0～200 h的范圍內(nèi)，失重率直線上升，當(dāng)>200 h后，失重率緩慢上升并且在溫度高的條件下失重率更大，在90、110、130和150 ℃時, 最高失重率分別為0.41%、0.46%、0.56%和0.75%。這主要是由于在老化初期，失重主要由于試樣中的水分揮發(fā)造成的，當(dāng)水分揮發(fā)完全，失重主要是由于試樣中的大分子分解成小分子并揮發(fā)造成的，速率相對較慢[5]。而材料在較高溫度的時候水分較易揮，大分子更容易降解。

圖1　不同溫度下GMT-PP材料的失重率隨時間的變化曲線

2.2GMT-PP材料的力學(xué)性能

圖2　不同溫度下GMT-PP材料的壓縮強(qiáng)度隨時間的變化值

圖2為在90、110、130和150 ℃條件下GMT-PP材料的壓縮強(qiáng)度隨時間的變化值，從圖2中可以看出GMT-PP材料壓縮強(qiáng)度隨時間的增加而呈線性下降的趨勢，數(shù)值波動變化，溫度越高下降速率越大，分別為0.00186、0.00307、0.00451、0.00846 MPa/h。在0～24 h范圍內(nèi)在四個溫度下壓縮強(qiáng)度均會有小幅上升，達(dá)到最大值分別為70.5、71.0、71.3、72.5 MPa。這主要是由于GMT-PP材料的熱氧老化過程主要是由于材料中的聚丙烯遇熱而發(fā)生降解的過程，降低了與玻璃纖維的結(jié)合強(qiáng)度，造成整體壓縮強(qiáng)度的下降。聚丙烯降解過程是先受熱激發(fā)為活性自由基中間體再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為羰基化合物的過程，溫度越高產(chǎn)生的活性自由基越多，降解速率也越快[6]。在初期0～24 h內(nèi)，由于GMT-PP材料中的聚丙烯在加工過程中驟冷等原因，造成部分聚丙烯不規(guī)則排列，所以初期受熱后，聚丙烯重新排列，壓縮強(qiáng)度反而上升[7]。

2.3GMT-PP材料的電學(xué)性能

圖3和圖4分別為在90、110、130和150 ℃條件下GMT-PP材料的體積電阻率和表面電阻率隨時間變化的曲線，從圖中可以看出GMT-PP材料的體積電阻率和表面電阻率的對數(shù)均隨時間的增加而有明顯下降，而且溫度越高電阻率下降的越快。而表面電阻率的下降速度比體積電阻率下降速度更快。GMT-PP材料的體積電阻率和表面電阻率的變化可能是由于：GMT-PP材料老化過程中產(chǎn)生的的自由基，在強(qiáng)電場的作用下產(chǎn)生的遷移，溫度越高產(chǎn)生的自由基越多，體積電阻率和表面電阻率下降越明顯。而熱氧老化首先發(fā)生在GMT-PP材料試樣與空氣接觸的外表面，所以表面電阻率有更明顯的變化。

圖3　不同溫度下GMT-PP材料的體積電阻隨時間的變化曲線

圖4　不同溫度下GMT-PP材料的表面電阻氯隨時間的變化曲線

2.4GMT-PP材料的壽命預(yù)測

根據(jù)GB/T 7141-2008，使用回歸分析確定老化時間的對數(shù)與被測性能的關(guān)系[8]。使用回歸方程(阿累尼烏斯公式)預(yù)計(jì)達(dá)到性能變化預(yù)定水平所需的老化時間。表1為根據(jù)達(dá)到性能預(yù)定變化(下降10%、30%、50%)所需時間的對數(shù)，與每次老化試驗(yàn)所用絕對溫度倒數(shù)(1/T，溫度單位K)作線性擬合，回歸方程均滿足r2≥80%，來計(jì)算得到常溫20 ℃下達(dá)到此性能變化所需時間。由表1可以看出在，在常溫20 ℃下，GMT-PP材料壓縮強(qiáng)度、體積電阻率、表面電阻下降10%，需要5.0、3.83、3.71年；下降30%，需要15.1、6.39、6.19年；壓縮強(qiáng)度下降50%，需要25.2年。

表1　GMT-PP材料的壽命預(yù)測

3　結(jié)　論

(1)GMT-PP材料熱氧老化過程中，隨時間的變化失重率上升，壓縮強(qiáng)度、體積電阻率、表面電阻率下降。

(2)溫度越高，失重率、壓縮強(qiáng)度體積電阻率、表面電阻率變化速率越大。

(3)根據(jù)阿累尼烏斯公式，外推GMT-PP材料的常溫(20 ℃)下壽命為: 5.0、3.83、3.71年壓縮強(qiáng)度、體積電阻率、表面電阻下降10%；15.1、6.39、6.19年下降30%；25.2年壓縮強(qiáng)度下降50%。

[1]施輝忠.GMT 材料及其應(yīng)用[J].國外材料,2014,32(3):42-45.

[2]李曉駿,許鳳和,陳新文.先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料的熱氧老化研究[J].材料工程,1999(12):19-22.

[3]張艷萍,熊金平,左禹.碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱氧老化機(jī)理[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,34(5):523-526.

[4]BUCH X,SHANAHAN M E R. Thermal and thermos oxidative aging of an epox y adhesive[J].Polymer Degradation and Stability, 2000,68:403-411.

[5]錢欣,鄭榮華,蔡鵬.聚丙烯的熱氧老化及其影響因素[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(5):475-480.

[6]陳鍵,張桂云,黃仕鋒,等.聚丙烯熱氧老化機(jī)理的研究[J].中國塑料,2015,29(7):63-67.

[7]余劍英,周祖福,晏石林.GMT-PP復(fù)合材料的界面粘結(jié)狀況與動態(tài)疲勞關(guān)系研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2001,18(2):32-35.

[8]張家宜.高分子材料老化壽命的評定方法[J].特種橡膠制品,2011,32(3):61-64.

Study on Aging Performance and Life Prediction of GMT-PP Materials

YUGuang-yi1，LIXiao-hui1，JINShi-lei1,ZHENGXiao-long2,JINYi-xin3

(1 Shanghai Research Institute of Materials，Shanghai 200437;2 Science and Technology Research Institute, China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Sichuan Chengdu 610031; 3 Chengdu Alga Engineering New Technology Development Co., Ltd., Sichuan Chengdu 610083, China)

In order to study the aging properties of GMT-PP materials and predict their life, the samples were prepared using GMT-PP material as raw material. The changes of compressive strength, volume resistivity and surface resistivity of GMT-PP materials at 90, 110, 130 and 150 ℃ were studied. The results showed that the weight loss rate of GMT-PP increased at 90, 110, 130 and 150 ℃, and the compressive strength, volume resistivity and surface resistivity decreased. The higher of the temperature, the greater of the rate of change. The life of materials was predicted that after 15.1, 6.39 and 6.19 years, the compressive strength, volume resistivity and surface resistance decreased by 30% at 20 ℃.

GMT-PP materials; thermal-oxidative aging; life prediction

于廣益(1989-)，男，助理工程師，主要從高分子及復(fù)合材料開發(fā)和應(yīng)用。

金石磊，男，工程師。

TB332

A

1001-9677(2016)010-0096-03