玄武巖纖維復(fù)合材料防鳥擋板的制備及性能研究

劉 璽，楊金明，王文忠

（1 江蘇祥泰電力實(shí)業(yè)有限公司 江蘇 泰州 225300）

（2 泰州科聚新材料技術(shù)研究院有限公司 江蘇 泰州 225300）

0 引言

隨著國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)安全對(duì)國家經(jīng)濟(jì)的重要性凸顯出來[1]。電網(wǎng)的快速擴(kuò)張導(dǎo)致各種線路故障不斷涌現(xiàn)。鳥類對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的威脅程度日益加劇，已經(jīng)成為線路故障的主要原因之一，因此防鳥害工作任務(wù)艱巨[2-3]。

鑒于長(zhǎng)江流域鳥類給電網(wǎng)造成的威脅較嚴(yán)重，工作人員采取了各種措施，包括：聲光電驅(qū)鳥裝置、空間阻隔裝置等，這類方法各有優(yōu)勢(shì)，但都需要根據(jù)輸電線路不同的部位和環(huán)境條件選擇。

在輸電線路的絕緣子上方安裝防鳥擋板，是解決鳥害的常用措施。防鳥擋板一般特指安裝在輸電線路桿塔橫擔(dān)或絕緣子上方的防護(hù)板，可以有效防止異物粘附在絕緣子及相關(guān)器件上，其常用材料為環(huán)氧樹脂板、耐紫外PC 板等材質(zhì)[4]。制備防鳥擋板需考慮材料的密度、力學(xué)性能、耐候、耐老化等性能。玄武巖纖維復(fù)合材料擋板相比常用的EP，擁有較好的力學(xué)性能、耐紫外老化、耐酸雨腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。本文采用BF/EP 復(fù)合材料制備輸電線路防鳥擋板，設(shè)計(jì)了易拆裝，且便于打開檢修的結(jié)構(gòu)組件，并表征了復(fù)合材料板材的力學(xué)性能以及耐紫外老化、耐腐蝕等性能。這一新型易拆裝、可打開檢修的防鳥結(jié)構(gòu)組件及其相關(guān)技術(shù)，將為保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行做出重要貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

玄武巖纖維（BFCS–13–6），產(chǎn)地：四川成都；環(huán)氧樹脂（E–51、E44），中國石化；固化劑（ZY–S885），產(chǎn)地：徐州。

電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)(WDW–100 KN)，產(chǎn)地：濟(jì)南；紫外老化實(shí)驗(yàn)箱(QUV/spray)，產(chǎn)地：上海；鼓風(fēng)干燥箱(DHG9140AD)，產(chǎn)地：北京；恒溫水浴箱（HH–2），產(chǎn)地：上海；平板硫化機(jī)(100T)，產(chǎn)地：河北邢臺(tái)。

1.2 防鳥擋板的制備

按重量比4 ∶1 將EP（E51 ∶E44=1 ∶1）與固化劑混合均勻，排除氣泡后備用。采用手工鋪料法制備BF/EP復(fù)合板坯料，隨后將坯料置于干燥箱中，80 ℃烘干1 h，得到BF/EP 預(yù)浸料[5]。

將預(yù)浸料裁剪成600 mm×600 mm 的預(yù)浸料片，并堆疊成8 層，置于平板硫化機(jī)上進(jìn)行模壓成型，模壓成型溫度為130 ℃，成型壓力為3 ～5 MPa，制備層壓板復(fù)合材料[8]。130 ℃固化成型4 h，制得復(fù)合材料板的厚度為4 mm[9]。將板材開孔，便于變電站的金屬件連接加固，制得BF/EP 防鳥擋板。

1.3 樣品的性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率：按照GB/T 1040.2-2006 和GB/T 1447-2005 測(cè)試防鳥擋板的相關(guān)性能，拉伸速率為2 mm/min。

彎曲強(qiáng)度：參照GB/T 1449-2005 測(cè)試防鳥擋板的彎曲性能，彎曲速率為1 mm/min。

耐紫外老化性能：按照GB/T 15596-1995 測(cè)試防鳥擋板的耐紫外老化性能，紫外照射強(qiáng)度為39 mW/cm2，照射時(shí)間為30 h[10-11]。

耐酸雨腐蝕性能：參照GB/T 20312-2006 測(cè)試防鳥擋板的耐酸雨腐蝕性能，水浴箱的溫度保持在25±1℃，實(shí)驗(yàn)采用濃硫酸溶液配置了pH 值為3.0 的酸性水溶液，來模擬酸雨條件[12-13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 BF 用量對(duì)力學(xué)性能的影響

眾所周知，在復(fù)合材料中，纖維對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大。圖1 為玄武巖纖維（BF）用量對(duì)防鳥擋板力學(xué)性能的影響曲線。從圖1 可以看出：隨著BF 用量的增大，BF/EP 復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)度先增大后減?。划?dāng)BF 用量為60%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較大，達(dá)到374.1 MPa，繼續(xù)增加玄武巖纖維用量，拉伸強(qiáng)度反而下降，主要是由于樹脂含量降低后，復(fù)合材料容易出現(xiàn)部分?jǐn)嗔眩霈F(xiàn)表觀測(cè)試數(shù)據(jù)下降。從斷裂伸長(zhǎng)率分析，未加BF 的復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率最大，達(dá)到4.5%；隨著BF 用量的增大，復(fù)合材料擋板的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小，主要原因在于玄武巖纖維斷裂伸長(zhǎng)率較小，在復(fù)合材料測(cè)試時(shí)，玄武巖纖維含量高的復(fù)合材料板，斷裂伸長(zhǎng)率更接近玄武巖纖維。綜上所述，當(dāng)BF 用量為50%～60%時(shí)，復(fù)合材料擋板的力學(xué)性能較好，它的拉伸強(qiáng)度最高達(dá)到374.1 MPa，它的斷裂伸長(zhǎng)率為4.5%～4.6%。因此，高強(qiáng)度復(fù)合材料板的纖維含量為50%～60%。

2.2 耐紫外老化性能

圖2 為BF/EP 防鳥擋板在紫外老化實(shí)驗(yàn)箱中老化0 d、1 d、3 d、10 d、13 d、23 d、30 d 后，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲強(qiáng)度的變化曲線。從0 d 到10 d，防鳥擋板的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲強(qiáng)度逐步降低，第10 d 復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)度仍能達(dá)到340 MPa；隨著紫外老化時(shí)間的繼續(xù)增加，復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲強(qiáng)度逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。原因是紫外老化過程中，表層環(huán)氧樹脂首先老化，隨著樹脂降解變脆，造成老化初期復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)度明顯降低；在老化10 d 左右時(shí)，紫外線開始刻蝕內(nèi)部玄武巖纖維，而玄武巖纖維具有更強(qiáng)的耐紫外老化性能，隨著紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，力學(xué)性能的下降曲線趨于平緩。同初始力學(xué)性能相比，防鳥擋板老化30 d 后，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲強(qiáng)度分別下降10%、14%和15%，拉伸強(qiáng)度降低值10%，大于330 MPa，仍高于防鳥擋板復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)的300 MPa（未經(jīng)紫外老化），玄武巖纖維復(fù)合材料達(dá)到防鳥擋板的使用要求。

通過耐紫外老化實(shí)驗(yàn)研究，可以預(yù)測(cè)防鳥擋板的使用壽命。在本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境條件下，防鳥擋板經(jīng)過30 d 后，其力學(xué)性能滿足GB/T 35695-2017 的性能要求。由此可知，該防鳥擋板在加速紫外老化實(shí)驗(yàn)條件下，最大使用壽命可以超過30 d，滿足戶外5 年使用要求。

2.3 耐酸雨腐蝕性能

對(duì)于常用的防鳥擋板（PC 材質(zhì)、環(huán)氧樹脂板等），尤其是PC 塑料板耐酸雨腐蝕的能力較差，現(xiàn)場(chǎng)使用3 年左右的PC 板，經(jīng)常出現(xiàn)降解紋路，強(qiáng)度顯著下降，甚至小于30 MPa。本文對(duì)玄武巖纖維復(fù)合材料板進(jìn)行耐酸雨測(cè)試，以改善防鳥擋板的性能。圖3 為酸雨腐蝕前后BF/EP 防鳥擋板力學(xué)性能的變化曲線。由圖可知，酸雨腐蝕216 h 后，防鳥擋板的拉伸強(qiáng)度下降為369.1 MPa（降低0.97%），其彎曲強(qiáng)度下降為283.2 MPa（降低2.14%），可見酸雨對(duì)玄武巖纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較小，力學(xué)性能的損失可以忽略不計(jì)，相關(guān)復(fù)合材料板的力學(xué)性能滿足GB/T 35695-2017 的指標(biāo)要求。由此可知，本文提供的玄武巖纖維復(fù)合材料防鳥擋板，耐酸雨壽命超過216 h，可以長(zhǎng)期戶外使用。

3 結(jié)論

本文以BF 和EP 為原料，使用手工鋪料法制備了BF/EP 復(fù)合材料，采用模壓成型法制備了BF/EP 防鳥擋板。研究結(jié)果表明：（1）當(dāng)BF 用量為50%～60%左右時(shí)，復(fù)合材料擋板的力學(xué)性能較好，拉伸強(qiáng)度達(dá)到374.1 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為5.4%；（2）玄武巖纖維復(fù)合材料板耐紫外性能良好。在紫外照射強(qiáng)度為39 mW/cm2的條件下，耐紫外老化的最大使用壽命超過30 d；（3）玄武巖纖維復(fù)合材料板耐酸雨性能滿足戶外使用要求。在pH 值為3.0 的模擬酸雨環(huán)境中，耐酸雨壽命超過216 h。因此，本文研制的BF/EP 防鳥擋板，滿足輸電線路材料的性能指標(biāo)要求，未來在輸變電線路領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景。