風(fēng)能玻璃鋼產(chǎn)品耐鹽霧腐蝕性能研究

崔峰波，蔣斌兵，冉文華，沈 剛，崔麗榮，張 萍，岳林海

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，也是目前可再生資源中最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件及最具商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。具有風(fēng)速大、主導(dǎo)方向更穩(wěn)定以及具有豐富風(fēng)電資源的海上風(fēng)電被更多國(guó)家所研究和運(yùn)用［1］。海上風(fēng)能資源豐富，這也使得風(fēng)電設(shè)施年利用時(shí)間更長(zhǎng)，機(jī)組發(fā)電量更穩(wěn)定及使用壽命更長(zhǎng)。此外我國(guó)有著豐富的海域資源，加之沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用電需求量大，因此在我國(guó)可利用海域面積大的環(huán)境下，海上風(fēng)電設(shè)施有著更廣闊的應(yīng)用前景［2］。

海上風(fēng)電的發(fā)展受限于海洋大氣對(duì)風(fēng)電設(shè)備的腐蝕問題。海洋大氣的腐蝕成分和因素包括氯化物、氧氣、濕度、溫度變化和污染物等［3］。海洋上的鹽霧是指含有氯化物的空氣，主要腐蝕成分是氯化物鹽—氯化鈉。鹽霧試驗(yàn)是一種主要利用鹽霧試驗(yàn)設(shè)備所創(chuàng)造的人工模擬鹽霧環(huán)境條件來(lái)考核產(chǎn)品耐腐蝕性能的環(huán)境試驗(yàn)［4-5］。它分為兩大類，一類為天然環(huán)境暴露試驗(yàn)，另一類為人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗(yàn)。人工模擬環(huán)境具有較高的氯化物鹽濃度，可以是一般天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，使腐蝕速度大大提高，時(shí)間可以縮短為幾十分之一或幾百分之一。人工模擬鹽霧試驗(yàn)包括中性鹽霧試驗(yàn)、醋酸鹽霧試驗(yàn)、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(yàn)和交變鹽霧試驗(yàn)［6］。

而解決鹽霧腐蝕問題的核心關(guān)鍵就在于風(fēng)電材料，要設(shè)計(jì)出耐鹽霧腐蝕的材料是重中之重。玻璃鋼具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性能好、熱性能好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此玻璃鋼被大量應(yīng)用在航空航天、電子信息、汽車、新能源以及國(guó)防軍工等領(lǐng)域［7-9］。風(fēng)電材料經(jīng)歷了3代變革，如今的風(fēng)電材料更多采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片，極大地改善了力學(xué)性能、工藝性能及耐環(huán)境侵蝕性能。由于使用樹脂品種不同，玻璃鋼有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等，風(fēng)電材料運(yùn)用最廣泛的是環(huán)氧玻璃鋼。目前全球大部分風(fēng)電葉片都采用玻璃鋼做支撐梁，因此對(duì)玻璃鋼在海上的腐蝕研究顯得尤為重要。

本文主要研究鹽霧腐蝕對(duì)玻璃鋼的影響，側(cè)重于對(duì)鹽霧環(huán)境的模擬選擇和腐蝕試樣的表觀形態(tài)、力學(xué)性能以及不同的玻纖紗和織物制備的玻璃鋼的耐鹽霧腐蝕性能研究，對(duì)風(fēng)能產(chǎn)品的選擇以及質(zhì)量改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

表1 試驗(yàn)原材料

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

鹽霧試驗(yàn)箱：YED YWX Q-250型，無(wú)錫易爾達(dá)公司；

濕熱試驗(yàn)箱：C/340/7/5型，德國(guó)Weiss Technik公司；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT5105型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

本次試樣通過真空導(dǎo)入樹脂模塑［10］制造，采用上緯2511-1A/2511-1BS環(huán)氧樹脂體系制成試樣。試樣類型采用2種，分別是0°（纖維方向）拉伸和90°（垂直于纖維方向）拉伸的真空灌注層壓板試樣以及0°拉伸和90°拉伸的單向纏繞板試樣，真空灌注層壓板的鋪層方式見圖1。試驗(yàn)形式為2種試樣類型、3種嚴(yán)酷等級(jí)及2類力學(xué)性能測(cè)試。

圖1 真空灌注層壓板的鋪層方式

1.4 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按ISO 527《塑料 拉伸性能的測(cè)定》［11］測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試樣表面形態(tài)分析

對(duì)試樣進(jìn)行外觀檢查，目測(cè)試樣的顏色和光澤度，觀察是否產(chǎn)生裂紋、小孔以及對(duì)樹脂的外觀變化進(jìn)行初步判斷。觀察得到在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)1時(shí)，試樣外觀幾乎與初始狀態(tài)相同，而在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)3時(shí)，試樣的顏色較之前變深。這主要是隨著腐蝕時(shí)間的增加，試樣經(jīng)受的腐蝕越嚴(yán)重。另外值得注意的是，在3個(gè)鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)試驗(yàn)中，在外觀上均未產(chǎn)生明顯裂紋。

由圖2可以觀察到經(jīng)過了鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)1，試件的表面腐蝕主要是在90°方向，且腐蝕較為明顯，而在0°方向幾乎沒有影響。這是由于90°方向的玻璃纖維在單向玻纖織物表層，因此在腐蝕過程中優(yōu)先腐蝕90°方向玻纖；而在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)2時(shí)，在90°方向腐蝕明顯加劇，裂紋明顯增多，并已經(jīng)開始腐蝕0°方向玻纖；在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)3時(shí)，90°方向玻纖已經(jīng)被嚴(yán)重腐蝕并已經(jīng)發(fā)生斷裂，而在0°方向上的腐蝕也已經(jīng)明顯產(chǎn)生。這也說(shuō)明通過設(shè)計(jì)不同鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)來(lái)對(duì)玻璃鋼鹽霧腐蝕進(jìn)行梯度模擬是可行的。

圖2 為試件表面形態(tài)SEM微觀掃描圖

2.2 力學(xué)性能測(cè)試與分析

本次試樣數(shù)量為13組，試驗(yàn)環(huán)境溫度為23，相對(duì)濕度為50，鹽霧噴霧裝置的噴霧溫度為35，噴霧量（80 cm3面積沉積量為1.0-2.0 mL/h）。通過材料力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)得拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同鹽霧嚴(yán)酷條件下玻璃鋼試樣初始和腐蝕后的拉伸強(qiáng)度

從表2可觀察得出，在純濕熱環(huán)境下隨著溫度的升高，試樣的拉伸強(qiáng)度變化并不大，這也說(shuō)明如無(wú)外界因素的影響，溫度并不是影響力學(xué)性能的關(guān)鍵。而在鹽霧濕熱環(huán)境下，由表2數(shù)據(jù)可知試樣的拉伸強(qiáng)度有著明顯的下降，尤其是隨著時(shí)間的推移，力學(xué)性能下降更為明顯。由此可知鹽霧腐蝕對(duì)風(fēng)能玻璃鋼制品的性能影響更大。另外通過對(duì)濕熱溫度的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)溫度越高，鹽霧腐蝕更強(qiáng)，這是因?yàn)樵诟邷氐那闆r下分子流動(dòng)更快，更利于氯化鈉噴霧的傳播，也從側(cè)面說(shuō)明了鹽霧腐蝕對(duì)玻璃鋼制品性能的影響。另外從圖2的SEM微觀掃描圖也可以看到，樹脂與玻璃纖維受到了腐蝕破壞，而這正是影響其力學(xué)性能下降的原因所在。

2.3 不同玻纖及玻纖織物的抗鹽霧腐蝕力學(xué)性能測(cè)試與分析

針對(duì)2種不同的玻纖織物分別為市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物和390織物（玻纖織物結(jié)構(gòu)為單向玻纖織物，0°玻纖量∶90°玻纖量=24∶1）的真空灌注層壓板和2種不同的玻纖紗，分別為市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖紗和390玻纖紗的單向纏繞板（纏繞角度＜3°）進(jìn)行了抗鹽霧腐蝕性能試驗(yàn)。將試樣放置于溫度為23和相對(duì)濕度505%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，溫度60、相對(duì)濕度935%和5%的氯化鈉溶液的濕熱環(huán)境鹽霧噴霧箱內(nèi)，試驗(yàn)以4天噴霧環(huán)境和3天標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境為一個(gè)周期，嚴(yán)酷等級(jí)1、2、3分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)周期、兩個(gè)周期和三個(gè)周期。測(cè)試結(jié)果見圖3~圖6。

圖3 市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物和390織物的0°拉伸強(qiáng)度性能

圖6 市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖紗和390玻纖紗單向纏繞板90°拉伸強(qiáng)度性能

由圖3和圖4可觀察到，織物層壓板在0°方向的拉伸強(qiáng)度保留率在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)1和2時(shí)下降較快，在等級(jí)3時(shí)強(qiáng)度保留率趨緩；而90°方向的拉伸強(qiáng)度保留率在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)1下降較快，在等級(jí)2和3時(shí)趨向平緩，說(shuō)明腐蝕點(diǎn)的產(chǎn)生主要在等級(jí)1和2中。由圖可知在經(jīng)過嚴(yán)酷等級(jí)3后，市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物的0°拉伸和90°拉伸強(qiáng)度保留率分別為75%和87%左右。而改進(jìn)后的390織物經(jīng)過嚴(yán)酷等級(jí)3后，其0°拉伸強(qiáng)度保留率達(dá)到了82%，較市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物提高了7%以上。此外，其90°方向拉伸強(qiáng)度保留率較市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物也有大幅提升，在嚴(yán)酷等級(jí)3后，90°拉伸強(qiáng)度還有近50 MPa，強(qiáng)度保留率達(dá)到了91%以上，相比市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物提高了4%以上。由這些數(shù)據(jù)可知390織物是更優(yōu)的抗鹽霧腐蝕增強(qiáng)材料。

圖4 市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖織物和390織物的90°拉伸強(qiáng)度性能

由圖5和圖6可觀察到，兩組單向纏繞板試樣在0°方向和90°方向的拉伸強(qiáng)度保留率均在鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)1和2時(shí)下降較快，而在等級(jí)3時(shí)強(qiáng)度保留率趨緩。這說(shuō)明腐蝕點(diǎn)的產(chǎn)生主要在等級(jí)1和2中。390玻纖紗在0°和90°方向的初始拉伸強(qiáng)度略高于市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖紗，更重要的是其拉伸保留率明顯高于市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖紗，分別達(dá)到了82%和86%，而市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖紗的0°和90°拉伸強(qiáng)度保留率僅為76%和78%，并呈現(xiàn)逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。由這些數(shù)據(jù)可知經(jīng)過改進(jìn)后的390玻纖紗是一種更優(yōu)的抗鹽霧腐蝕增強(qiáng)織物材料。

圖5 市場(chǎng)其他風(fēng)電玻纖紗和390玻纖紗單向纏繞板0°拉伸強(qiáng)度性能

3 結(jié)論

本文主要通過采用不同鹽霧腐蝕試驗(yàn)條件來(lái)人工模擬海上風(fēng)電的自然環(huán)境，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的鹽霧腐蝕，玻璃鋼試樣的表面光澤度有一定程度下降，但并未產(chǎn)生明顯裂紋。

通過對(duì)試件表面形態(tài)SEM微觀掃描，可以發(fā)現(xiàn)玻璃鋼試件的腐蝕程度是隨著鹽霧嚴(yán)酷等級(jí)的遞增而遞增的，主要影響的是接觸表面，而玻璃鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未造成特別腐蝕破壞。

此外不同玻纖織物玻璃鋼材料在經(jīng)過鹽霧腐蝕后的力學(xué)性能存在差異，試驗(yàn)研究的390玻纖紗及玻纖織物是一種更優(yōu)的抗鹽霧腐蝕玻璃纖維性能的材料。通過對(duì)不同玻纖紗單向纏繞板玻璃鋼試件的鹽霧腐蝕對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)品之間的耐鹽霧腐蝕性能有著較大的區(qū)別。說(shuō)明基材的選擇，會(huì)對(duì)后期風(fēng)能玻璃鋼產(chǎn)品的耐鹽霧腐蝕性能造成影響。人工模擬海上風(fēng)電的自然環(huán)境，可以明顯分辨出玻璃鋼產(chǎn)品耐鹽霧腐蝕的能力，為海上風(fēng)電所用玻纖及其制品的開發(fā)提供理論支撐。