王國建,孫耀寧,王曉寧,蔣萬樂
(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊８３００４７)
摘 要:對玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料在溫濕環(huán)境下進(jìn)行了人工紫外照射老化試驗,研究了紫外老化對復(fù)合材料的質(zhì)量損失率、巴氏硬度、拉伸與彎曲力學(xué)性能及其失效形態(tài)等的影響,并對其微觀形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:隨著紫外老化時間的延長,復(fù)合材料的質(zhì)量損失率不斷增加;照射面巴氏硬度低于未照射面的,巴氏硬度保留率隨紫外老化時間的延長呈先增大后減小的趨勢;隨著紫外老化時間的延長,復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度均呈先增大后緩慢降低的
趨勢;老化后復(fù)合材料中的孔隙率和韌性白色條帶數(shù)量增加,呈現(xiàn)出明顯的層片狀海浪花樣;復(fù)合材料中存在化學(xué)鍵斷裂的現(xiàn)象,紫外照射使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.
關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;紫外老化;巴氏硬度;質(zhì)量損失率
中圖分類號:TB３３２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ００３４Ｇ０５
EffectofUVIrradiationonGlassFiberReinforcedUnsaturatedPolyesterResinCompositeunderWarmＧWetEnvironment
WANGGuojian,SUNYaoning,WANGXiaoning,JIANG Wanle
(DepartmentofMechanicalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi８３００４７,China)
Abstract:ArtificialUVirradiationagingtestunderwarmＧwetenvironmentwasconductedforglassfiber
reinforcedunsaturatedpolyesterresincomposite．TheeffectofUVagingonmasslossrate,barcolhardness,tensile
andbendingmechanicalpropertiesandtheirfailurepatternsofcompositewasstudied．Thestructureand micro
morphologywereanalyzed．Resultsshowthatthemasslossrateofcompositeincreasedcontinuelywiththeincrease
ofUVagingtime．ThebarcolhardnessoftheirradiatedsurfacewaslowerthanthatofnonＧirradiationsurface,and
theretainedrateofbarcolhardnessincreasedfirstandthendedecreasedwiththeincreaseofUVagingtime．The
tensileandbendingstrengthofcompositewereimprovedfirstandthendecreasedslowly．Cavitydensityandtenacity
whitestripeincompositeafteragingincreased,anditpresentedobviouslamellarwavepattern．Reptureofchemical
bondstookplaceincompositeandUVirradiationmadethestructurechanged．
Keywords:composite;UVaging;barcolhardness;masslossrate
０ 引 言
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料因具有高的比強(qiáng)度、比剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性能等,近年來在航空航天、機(jī)械工程、土木工程、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[１Ｇ２].其中,不飽和聚酯樹脂(UPR)是一類通用型樹脂,以此樹脂為基體的玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)通常稱為“玻璃鋼”[３],該材料由玻璃纖維增強(qiáng)體和樹脂基體構(gòu)成.GFRP在工程服役中不可避免地會受到光、溫度、氧和降雨等多種介質(zhì)的腐蝕和老化作用,使制品表面失去光澤、造成樹脂的降解等,從而導(dǎo)致GFRP宏觀力學(xué)性能的退化.紫外線照射對樹脂的老化作用是一個沿著材料厚度逐漸深入的過程.在溫度、濕度、紫外線照射的條件下,GFRP會發(fā)生一系列物理化學(xué)變化,從而降低其服役性能.王榮華等[４]對光老化后玻璃纖維/尼龍６６復(fù)合材料進(jìn)行了傅里葉紅外光譜檢測,結(jié)果表明光作用加速了樹脂基體自由基產(chǎn)生的光氧化效應(yīng),導(dǎo)致分子長鏈的斷裂,造成了材料表面的粉化和纖維剝離等老化現(xiàn)象的發(fā)生.喬琨等[５]對碳纖維/環(huán)氧樹脂(CF/EP)復(fù)合材料的研究表明,紫外輻射導(dǎo)致復(fù)合材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度升高,老化初期玻璃態(tài)轉(zhuǎn)溫度的增長率較高,而中后期的變化較為平緩.BLIAN[６]分析了紫外輻射對層合板復(fù)合材料的影響,研究表明層合板呈現(xiàn)非脆性斷裂的失效形態(tài),紫外線無法穿透層合板,且拉伸強(qiáng)度隨輻照周期的增加而降低.
目前,紫外線對玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的老化作用還未有系統(tǒng)的研究,其老化機(jī)理尚不明確,而且沒有考慮光、度、降水等多種因素的綜合作用.為此,作者采用紫外燈老化箱來模擬并強(qiáng)化自然環(huán)境中太陽光中紫外線的輻射強(qiáng)度,綜合考慮溫度、降水等多種因素的共同作用,研究了溫濕環(huán)境下紫外照射對玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料表面形貌、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等的影響,對其光老化的機(jī)理進(jìn)行了初步探索.的UVAＧ３４０紫外燈,按GB/T１４５２２－２００８標(biāo)準(zhǔn)«機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法熒光紫外燈»對試樣進(jìn)行紫外燈人工加速老化試驗.加速老化試驗的參數(shù):紫外光強(qiáng)度為０．８５ W??m－２;老化溫度為(６０±３)℃;相對濕度為６５％;每個老化暴露周期均包括８h干燥、０．２５h噴淋、３．７５h冷凝;老化時間為１４４０h,分別在０,１６０,３２０,６４０,９６０,１４４０h后取出試樣進(jìn)行相應(yīng)的測試.
采用CMT５２０５型力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行拉伸、彎曲測試,拉伸試驗按照GB/T１０４０．５－２００８標(biāo)準(zhǔn),試樣尺寸為２５０mm×２５mm×５mm,拉伸時速度為２mm??min－１;彎曲試驗按照GB/T１４４９－２００５標(biāo)準(zhǔn),試樣尺寸為２５０mm×１５mm×５mm,彎曲壓下速度為２mm??min－１.采用GYZJ９３４型巴氏硬度計,對紫外老化試樣的照射面(正面)和非照射面(反面)分別進(jìn)行硬度測試.如果試樣的巴氏硬度高于５０HBa,取試樣的８個點進(jìn)行測試,否則?。保祩€點進(jìn)行測試,最后取其平均值作為該試樣的巴氏硬度.巴氏硬度保留率為輻照一定時間后的巴氏硬度值與未經(jīng)紫外照射巴氏硬度的比值.
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
玻璃纖維預(yù)浸帶來自南京玻璃鋼研究設(shè)計院,預(yù)浸帶主要由E型玻璃纖維２D 編織而成,鋪層方式為[(０,９０)/(±４５)]３;牌號G３００的不飽和聚酯樹脂(UP)、固化劑S６８８和稀釋劑均來自亞什蘭特種化學(xué)品有限公司.采用真空袋壓成型工藝,纖維的體積分?jǐn)?shù)為６０％.復(fù)合材料制備的步驟為:檢查模具的密封性;預(yù)浸纖維布鋪放與抽真空,依次鋪放預(yù)浸纖維布、脫模紙、真空袋膜,通入樹脂導(dǎo)流管,密封抽真空;常溫固化４８h,固化劑能量比為２５％;后固化階段,高溫后固化１２h完成玻璃纖維不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料的制備.
１．２ 試驗方法
采用SUＧ８０１０型掃描電鏡(SEM)觀察復(fù)合材料老化前后的形貌;采用Magna７５０FTＧIR型傅里變換紅外光譜儀測試材料的組成結(jié)構(gòu);采用LUVＧII型紫外加速老化試驗箱進(jìn)行加速老化試驗,利用能量較高的短波紫外光進(jìn)行照射.
老化光源為３根南京華強(qiáng)電子有限公司生產(chǎn)的UVAＧ３４０紫外燈,按GB/T１４５２２－２００８標(biāo)準(zhǔn)«機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法熒光紫外燈»對試樣進(jìn)行紫外燈人
工加速老化試驗.加速老化試驗的參數(shù):紫外光強(qiáng)度為０．８５ W??m－２;老化溫度為(６０±３)℃;相對濕度為６５％;每個老化暴露周期均包括８h干燥、
０．２５h噴淋、３．７５h冷凝;老化時間為１４４０h,分別在０,１６０,３２０,６４０,９６０,１４４０h后取出試樣進(jìn)行相應(yīng)的測試.
采用CMT５２０５型力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行拉伸、彎曲測試,拉伸試驗按照GB/T１０４０．５－２００８標(biāo)準(zhǔn),試樣尺寸為２５０mm×２５mm×５mm,拉伸時速度為２mm??min－１;彎曲試驗按照GB/T１４４９－２００５標(biāo)準(zhǔn),試樣尺寸為２５０mm×１５mm×５mm,彎曲壓下速度為２mm??min－１.采用GYZJ９３４型巴氏硬度計,對紫外老化試樣的照射面(正面)和非照射面(反面)分別進(jìn)行硬度測試.如果試樣的巴氏硬度高于５０HBa,取試樣的８個點進(jìn)行測試,否則?。保祩€點進(jìn)行測試,最后取其平均值作為該試樣的巴氏硬度.巴氏硬度保留率為輻照一定時間后的巴氏硬度值與未經(jīng)紫外照射巴氏硬度的比值.
２ 試驗結(jié)果與討論
２．１ 表面形貌
從圖１可看出,紫外照射后試樣表面出現(xiàn)變色、龜裂及翹曲變形等現(xiàn)象,且隨老化時間的延長,表面顏色不斷加深.這是由于不飽和聚酯樹脂吸收紫外線后發(fā)生分子鏈斷裂,并與空氣中的O２ 發(fā)生光氧化反應(yīng),產(chǎn)生新的發(fā)色基團(tuán);在紫外線、溫度和溫度三種因素的共同作用下[７Ｇ１０],樹脂中交聯(lián)的酯鍵發(fā)生水解反應(yīng),從而引起聚合物分子鏈的斷裂和解交聯(lián),樹脂基體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致基體的開裂,而增強(qiáng)相玻璃纖維中的Si－O－Si鏈不易發(fā)生水解反應(yīng),能夠提高其化學(xué)穩(wěn)定性[１１Ｇ１２].
２．２ 質(zhì)量損失率
由圖２可見:隨著紫外老化時間的延長,試樣的質(zhì)量損失率不斷地增加;經(jīng)過１４４０h老化后試樣的質(zhì)量損失率達(dá)到了４．２％;在最初３２０h內(nèi)試樣的質(zhì)量損失較為嚴(yán)重,其質(zhì)量損失率達(dá)到了近１．４％.這主要是因為:在老化前期,溫度和紫外照射共同作用導(dǎo)致殘余固化劑與水分子的揮發(fā)以及光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致樹脂分子的降解[１３];在老化后期,殘余固化劑
和水分子的揮發(fā)已基本完成,僅發(fā)生樹脂分子的降解,所以在老化前期試樣的質(zhì)量損失較為嚴(yán)重.１６．７％和１５．６％,彈性模量和彎曲模量分別下降了２３．８％和２２％.在老化初期,溫度和紫外線的共同作用使試樣產(chǎn)生后固化效應(yīng),樹脂中大分子鏈延長,試樣的塑化度增加,強(qiáng)度增加;但在老化后期,試樣中的光氧化與水解反應(yīng)起主導(dǎo)作用,容易形成裂紋和孔隙,玻璃纖維和基體的界面結(jié)合強(qiáng)度降低,導(dǎo)致試樣的拉伸與彎曲強(qiáng)度和模量下降.
２．３ 巴氏硬度
由圖３可知:經(jīng)過１４４０h紫外照射后,試樣照射面的巴氏硬度保留率為８８．６％,而在紫外照射１６０h時試樣照射面的巴氏硬度保留率為１０４．２％;試驗結(jié)束后試樣非照射面的巴氏硬度保留率為９８．６％,其變化趨勢與照射面的一致,先升后降.在老化初期,樹脂基體中未完全固化的不飽和雙鍵與空氣或者水中的氧元素發(fā)生后固化反應(yīng),使樹脂的交聯(lián)程度增加,所以巴氏硬度增大;隨著紫外老化時間的延長,試樣表面發(fā)生了樹脂分子的光氧化降解,這導(dǎo)致了巴氏硬度的降低.
２．４ 拉伸與彎曲性能
由圖４可看出:隨著紫外老化時間的延長,試樣的拉伸與彎曲強(qiáng)度和模量均呈先增大后減小的變化趨勢;老化時間為１６０h時,試樣的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了９．９％和６．２％;彈性模量和彎曲模量分別提高了７．１％和１９％;當(dāng)老化時間達(dá)到１４４０h時,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度與老化前相比分別下降了１６．７％和１５．６％,彈性模量和彎曲模量分別下降了２３．８％和２２％.在老化初期,溫度和紫外線的共同作用使試樣產(chǎn)生后固化效應(yīng),樹脂中大分子鏈延長,
試樣的塑化度增加,強(qiáng)度增加;但在老化后期,試樣中的光氧化與水解反應(yīng)起主導(dǎo)作用,容易形成裂紋和孔隙,玻璃纖維和基體的界面結(jié)合強(qiáng)度降低,導(dǎo)致試樣的拉伸與彎曲強(qiáng)度和模量下降.
試驗中觀察到試樣的拉伸失效形態(tài)可分三類:爆裂型、層間剪切型和復(fù)合型.由圖５(a)可見,試樣中大量纖維束從基體中拔脫并斷裂,基體開裂,失效形態(tài)為爆裂型破壞.由圖５(b)可見,試樣中少量纖維斷裂,出現(xiàn)明顯的層間剝離,這表明試樣的抗拉
性能較好,失效形態(tài)以層間剪切型為主.由圖５(c)可見,＋４５°方向纖維束從基體中拔脫與斷裂,－４５°方向基體開裂,這屬于復(fù)合型失效模態(tài).試驗中觀察到試樣的彎曲失效形態(tài)也可分三類:壓潰型、層間剪切型和復(fù)合型,如圖６所示.壓潰型失效是加載點附近的表層玻璃纖維首先受到破壞,繼續(xù)加載時,破壞區(qū)域逐漸向試樣的內(nèi)部發(fā)展,形成豎向斷裂,最后試樣下表面的玻璃纖維被拉斷.層間剪切型失效是在壓應(yīng)力作用下,首先在纖維與基體的缺陷處萌生裂紋,并沿平行于纖維方向擴(kuò)展;隨著載荷的增加,裂紋密度不斷增大,裂紋迅速在纖維束間擴(kuò)展并向基體延伸,導(dǎo)致纖維與樹脂基體剝離,現(xiàn)層間剪切破壞;在層間剪切破壞形成的同時,裂紋沿層間向基體延伸,形成微區(qū)層間脫粘,最終導(dǎo)致試樣的局部失效破壞.復(fù)合型失效是壓應(yīng)力破壞和層間剪切破壞兩者形態(tài)引起的基體開裂和分層剝離,由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板的抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其層間剪切強(qiáng)度,因此在纖維未達(dá)到其斷裂強(qiáng)度時,試樣就已發(fā)生脫粘剝離而導(dǎo)致最終的失效[１４].
２．５ 表面SEM 形貌
由圖７可見:未老化試樣的表面平滑;經(jīng)１６０h老化后,試樣表面的致密層被破壞,表面變得疏松并出現(xiàn)較多凹坑;經(jīng)６４０h老化后,試樣表面出現(xiàn)孔隙并產(chǎn)生明顯的韌性白色條帶,這是由聚合物的光氧化和吸濕蠕變造成的;當(dāng)老化時間延長到１４４０h時,孔隙率和韌性白色條帶數(shù)量驟增,呈現(xiàn)出明顯的層片狀海浪花樣.這表明了隨著老化時間的延長,表面缺陷增多,而基體的孔隙與微裂紋又加劇了光氧化和吸濕蠕變效應(yīng),進(jìn)一步使纖維/基體界面結(jié)合強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致試樣宏觀力學(xué)性能的退化.
２．６ 紅外光譜
從圖８可以看到[１５],經(jīng)紫外輻照后,試樣在紅外光譜中吸收峰的數(shù)量不變,但吸收峰的面積發(fā)生了變化.例如:３４９６cm－１處代表的是羥基OH 的伸縮振動峰,１６４０cm－１處代表的是聚酯不飽和雙鍵C＝C的伸縮振動峰,兩者振動峰的面積均增大;２９３１cm－１處代表的是亞甲基的C－H 的不對稱伸縮振動峰,１７２７cm－１處是羧基C＝O 的伸縮振動峰,１６００cm－１處是苯環(huán)的特征峰,１４５０cm－１處是C－H 鍵的彎曲振動峰,１２６１cm－１處是OH 鍵的
彎曲振動峰,１０６８cm－１處是C－O 鍵的伸縮振動峰,８４０cm－１處是聚丙烯中C－H 鍵的彎曲振動峰,７４５cm－１處是單取代苯的C－H 搖擺振動峰,這些振動峰的面積均減小.這表明復(fù)合材料中存在化學(xué)鍵斷裂的現(xiàn)象,紫外線照射使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變.
３ 結(jié) 論
(１)在紫外線、濕度和溫度三種因素的共同作用下,復(fù)合材料表面逐漸出現(xiàn)泛黃、龜裂及翹曲變形等現(xiàn)象,且隨紫外老化時間的延長,表面顏色不斷加
深.
(２)隨著紫外老化時間的延長,復(fù)合材料的質(zhì)量損失率不斷增加;在最初的３２０h內(nèi)質(zhì)量損失較為嚴(yán)重,質(zhì)量損失率達(dá)到了１．４％,經(jīng)過１４４０h老化后質(zhì)量損失率達(dá)到了４．２％.
(３)復(fù)合材料照射面和非照射面的巴氏硬度保留率均隨紫外老化時間的延長呈先增大后減小的趨勢;經(jīng)過１４４０h紫外線照射后,照射面的巴氏硬度保留率為８８．６％,而非照射面的巴氏硬度保留率為９８．６％.
(４)隨著紫外老化時間的延長,復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度和模量均呈先增大后減小的趨勢.
(５)聚合物的光氧化和吸濕蠕變效應(yīng)導(dǎo)致復(fù)合材料表面孔隙率和韌性白色條數(shù)量增加,微觀形貌呈現(xiàn)出明顯的層片狀海浪花樣.
(６)復(fù)合材料中存在化學(xué)鍵斷裂的現(xiàn)象,紫外照射使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變.
（文章來源：材料測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料）