纖維增強樹脂基復(fù)合材料濕熱老化研究進展

文/哈爾濱樂普實業(yè)有限公司 邱東

引言

20 世紀(jì)80 年代以后，隨著改革開放的深入，我國給水處理引進吸收了外國先進技術(shù)和設(shè)備[1]，開啟了現(xiàn)代化水處理的進程。目前，纖維增強樹脂基復(fù)合材料的反滲透膜外殼在電力、冶金、化工、醫(yī)藥、食品飲料、工業(yè)污水處理、海水淡化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。由于反滲透膜外殼在使用過程中，長期與各種溫度的水介質(zhì)接觸，且須承受一定的壓力，因此，膜外殼用復(fù)合材料的耐濕熱老化性能研究對于膜外殼的使用壽命和安全性具有重要的意義。對于纖維增強樹脂基復(fù)合材料的濕熱老化和加速濕熱老化特性，國內(nèi)外已開展諸多研究[3-5]，對于預(yù)測復(fù)合材料材料的使用壽命具有一定的指導(dǎo)意義。

1 老化研究

1.1 老化反應(yīng)機理

纖維增強樹脂基復(fù)合材料是多相結(jié)構(gòu)材料，影響其老化性能的因素主要由各組分材料固有的特性決定，并且與界面特性也密切相關(guān)。復(fù)合材料在含水介質(zhì)環(huán)境中發(fā)生腐蝕，首先發(fā)生老化的是基體樹脂，其次是纖維/樹脂界面，再者為纖維增強材料。復(fù)合材料之所以出現(xiàn)老化，是由于水介質(zhì)向復(fù)合材料中滲透擴散，在溫度的影響下，形成腐蝕老化的基本破壞力，其中化學(xué)降解和機械能降解為基體樹脂破壞的主要形式，它表現(xiàn)為起泡、粉化、褪色、龜裂等。

復(fù)合材料樹脂基體濕熱老化，包括化學(xué)降解、溶劑化作用和斷裂等。

化學(xué)降解過程中，水分子與樹脂基體大分子之間發(fā)生氧化、水解等反應(yīng)，使樹脂大分子的共價鍵發(fā)生破壞和裂解；此外，水分子滲入樹脂基體中，樹脂大分子與介質(zhì)發(fā)生溶劑化作用，出現(xiàn)溶脹和溶解。而在應(yīng)力（外加應(yīng)力或內(nèi)部應(yīng)力）和水的共同作用下，樹脂基體會出現(xiàn)微裂紋，并進一步生長成裂縫，直至發(fā)生脆性斷裂。

復(fù)合材料中存在纖維/樹脂、填料/樹脂等界面，界面完好與否對復(fù)合材料的耐老化性能有重要影響。水介質(zhì)與復(fù)合材料接觸時，水介質(zhì)首先滲透到纖維表面，由于纖維和基體樹脂間存在諸多微觀缺陷，且纖維表面的偶聯(lián)劑分子較小，故水分子滲入后，與纖維表面的偶聯(lián)劑進行反應(yīng)，將在樹脂和纖維粘結(jié)不充分處形成滲透壓，水介質(zhì)便以毛細方式急速滲透到界面的孔隙中，加速了界面的脫粘剝離。

復(fù)合材料中纖維的老化，主要為水介質(zhì)與纖維之間的相互作用，使纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響纖維性能。以水處理膜殼中常用的玻璃纖維為例，玻璃纖維的主要成份是SiO2，其余的是Ca、Mg、Al等金屬氧化物。與水介質(zhì)接觸后，Ca、Mg、Al等便以離子形式析出，使玻纖晶格中出現(xiàn)顯微高應(yīng)力區(qū)，最終導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。

復(fù)合材料的濕熱老化是一個長期的過程，可用應(yīng)力松弛、蠕變、疲勞特性等來表征。同時，長期效應(yīng)的老化破壞主要形式是應(yīng)力開裂，且大多數(shù)發(fā)生在界面中，因此設(shè)計老化試驗來預(yù)測復(fù)合材料的使用壽命，是一種重要的研究方法。

1.2 碳纖維/樹脂基復(fù)合材料的老化性能研究

黃超等通過T300/648 碳纖維樹脂基復(fù)合材料加速濕熱老化試驗，分析老化后的機理與性能變化，為碳纖維樹脂基復(fù)合材料在貯存條件的使用可靠性提供相關(guān)依據(jù)[6]。余治國等針對某樹脂基復(fù)合材料部件在制造車間、產(chǎn)品庫房和露天條件三種濕熱老化環(huán)境中，對T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基和T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料以及兩種復(fù)合材料與金屬膠接結(jié)構(gòu)進行濕熱加速老化試驗, 并對老化前后的材料進行了力學(xué)性能試驗和無損檢測[7]。呂小軍等針對南海地域的自然環(huán)境，在實驗室對編織型碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層合板的濕熱老化性能進行加速仿真腐蝕實驗，研究結(jié)果顯示，復(fù)合材料吸收水份，導(dǎo)致其靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能都下降[8]。Mcbagonluri F. 等研究了碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸濕特點。結(jié)果表明，吸濕前后，碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷面由纖維表面由樹脂粘結(jié)變?yōu)檩^光滑，說明吸濕引起了界面破壞[9]。

1.3 玻璃纖維/樹脂基復(fù)合材料的老化性能研究

董琳琳對玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料進行海水浸泡試驗，并對浸泡前后材料的彎曲性能進行研究，結(jié)果表明，材料浸泡在海水中，短時間內(nèi)不會發(fā)生彎曲模量的顯著性下降，影響復(fù)合材料彎曲性能的主要原因是水分子對復(fù)合材料樹脂-基體界面的浸蝕[10]。肖迎紅等采用加速老化的方法研究了玻璃纖維增強PET、PB T復(fù)合材料在濕熱老化條件下的性能變化[11]。高坤等研究了濕熱老化對玻璃纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)及介電性能的影響，并對其初期濕熱老化機理進行探究，以期為更好地應(yīng)用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料提供科學(xué)依據(jù)[12]。Rita Roy等研究了不同纖維含量的玻璃纖維增強乙烯基酯樹脂復(fù)合材料的沸水浸泡情況，對沸水浸泡2～24h后材料的斷面進行了SEM觀察，發(fā)現(xiàn)纖維發(fā)生了斷裂并脫出，并可觀察到基體破裂[13]。

1.4 其他樹脂、復(fù)合材料的老化性能研究

王曉潔等研究了F-12芳綸纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括層間剪切強度、拉伸強度、拉伸模量和熱變形溫度等。結(jié)果表明復(fù)合材料濕、熱兩種作用對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有促進和抵消兩種效果，使復(fù)合材料性能變化較單純熱或濕作用更為復(fù)雜[14]。張暉等研究了環(huán)氧樹脂在80 ℃/90%RH 的濕熱條件下，抗拉強度、斷面形貌、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和高溫模量等性能的變化情況，結(jié)果顯示環(huán)氧樹脂吸濕符合Fick 第二定律，濕熱老化主要體現(xiàn)為對材料的塑化作用，沒有明顯的后固化和物理老化作用[15]。Bradley W.L.研究了水分對石墨纖維／乙烯基酯復(fù)合材料的影響，結(jié)果表明，吸濕后，材料的ILSS沒有下降[16]。

2 加速老化試驗?zāi)Ｐ?/h2>

我國的加速濕熱老化研究在1984年已經(jīng)開始了[17]，但加速老化試驗?zāi)Ｐ偷奶岢鰟t較少。

黃超等利用實驗得到的高應(yīng)力水平下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征，其關(guān)鍵在于確定壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系[18]。選用廣義艾林模型作為T300/648 復(fù)合材料的濕熱老化壽命預(yù)測模型，溫度與濕度共同作用下的廣義艾林模型如下式：

其中: A，B，C，D 為待定常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；H為相對濕度。

3 結(jié)論

濕熱老化是復(fù)合材料老化最主要的形式，國內(nèi)外對纖維增強樹脂基復(fù)合材料的老化進行了大量研究，以期獲得在單純濕熱老化條件下，復(fù)合材料的使用壽命的預(yù)期計算。但目前加速濕熱老化測試與實際條件中濕熱老化之間的關(guān)系尚無統(tǒng)一的計算方法，仍需進行進一步研究。