接触轨防护系统产品的老化问题研究

马 烨,张 木,白雪莲

(1.北京鼎昌复合材料有限责任公司，北京 100076； 2.中铁电气化勘察设计院有限公司，天津 300250)

1 概述

接触轨防护系统中的整体绝缘支座、防护罩、防护罩支架等采用材料为玻璃纤维增强塑料,这是一种人工合成的高分子材料,以合成树酯(酚醛塑料或环氧树酯或聚酯树酯)为粘结剂,以玻璃纤维及其制品作为增强材料而制成的合成材料,并与合成树酯(酚醛塑料或环氧树酯或聚酯树酯)凝为一体而制成。因其密度为1.5～2.0 g/cm3,只有碳素钢的1/4～1/5,可是拉伸强度很高,甚至接近碳素钢,因而俗称为玻璃钢。更由于电热性能良好,为优良的绝缘材料,因而用于制造绝缘体,高频下仍能保护良好介电性,微波透过性良好,已广泛用于雷达天线罩。所以将玻璃钢材料用于接触轨防护系统无疑是正确选择。虽然具有耐腐蚀性,对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力,但不能在高温下长期使用,通用聚酯类玻璃钢在50 ℃以上强度就明显下降,环氧树酯类玻璃钢60 ℃以上,强度有明显下降。老化现象是塑料的共同缺陷,玻璃钢也不例外,在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。更由于它的弹性模量低,比钢小10倍,故它的耐久性实为研究玻璃钢制品广受关注的课题。

2 玻璃钢制品老化现象

玻璃钢制品长期暴露在大气中,在自然环境因素如：阳光(紫外线)、湿气、热、空气(氧气)作用下,会出现颜色变浅,表面失去光泽,龟裂、粉化、变形等表面老化现象和力学、电性能指标下降等内在质量变化的现象[1]。一般而言,玻璃钢制品的老化现象呈现如下几个特点。

(1)在大气暴晒条件下,产品表面变化明显,力学性能变化缓慢

据常州253厂玻璃钢板材加速老化试验的资料，试验环境温度50 ℃,相对湿度(80±5)%,每小时降雨12 min,对聚酯基体的玻璃钢板进行性能测试。测得数据如表1所列。[2]

表1 聚酯基体的玻璃钢板材老化试验测定结果 %

我公司也在北京市化学工业研究院进行了500 h加速老化试验。试验数据如表2所列。

注：500 h加速老化,40 ℃水蒸汽喷射,紫外线照射。

常州253厂在已运行4年的聚酯玻璃钢制造的汽车拖车上取样,测得力学性能保留在80%以上。

2000年安装使用的北京地铁13号线玻璃钢防护罩取样试验,测得结果如表3所列,也反映了产品的性能情况。

但产品表面老化现象却根据不同的表面状态,区别很大。1999年德黑兰地铁防护罩采用的玻璃钢制品表面未喷涂处理,使用不到1年就出现光泽减退,颜色变化,纤维“起毛”等情况。而2003年经过面喷涂处理的武汉轻轨1号线一期工程的防护罩,至今表面状态良好。国内相关文献中也有类似记录,图1为用FOE3000毡制成的191型聚酯玻璃钢产品有胶衣和无胶衣两种情况下的自然老化情况。加胶衣的玻璃钢产品经5年大气老化,光泽基本没有损失(图1中曲线1),不加胶衣的玻璃钢产品,经5年大气老化后光泽降低到20%左右(图1中曲线2)。

图1 191型聚酯玻璃钢自然老化情况

(2)库存老化

如果玻璃钢制品在温度低于35 ℃,相对湿度小于80%,没有直接的阳光照射条件下,一般其弯曲强度10年内可以保留在90%以上，外观变化不明显。同时压制成型的产品比手糊制品耐库存老化性能好[2]。

通过试验及实际应用得出结论：10年内玻璃钢制品的弯曲强度和拉伸强度均保持在80%以上,电性能损失更小,但若制品表面加以防护处理,更能使外观变化不明显。

(3)耐水、耐潮湿、耐腐蚀性能良好

玻璃钢在水浸泡条件下,开始阶段力学性能变化较大,但一般3年就趋于稳定,一直到10年以后,仍保持在同一水平,即达到湿度极限强度。一般拉伸强度保持在70%以上,弯曲强度保持在40%以上,冲击韧性没有降低[2]。

(4)不同地域环境条件下抗老化的差异很大

图2 不同地区聚酯玻璃钢裸露大气弯曲强度变化

广州年平均温度21～22 ℃，全年温差也小,全年降雨量在1 300～2 000 mm,年相对平均湿度在80%左右,有的月份高达90%,全年日照集中在下半年,太阳的水平面幅射很强,属湿热或亚湿热带气候。哈尔滨年平均温度仅2～4 ℃,全年温差可达60～70 ℃,年降雨量400～600 mm,年平均湿度在70%以下。全年日照比较均衡,属寒温带气候。玻璃钢在这两个地区进行大气曝晒时,结果是不同的。图2是聚酯玻璃钢在哈尔滨、兰州、上海、广州4个地区的大气曝晒结果,试验结果证明广州、上海气候对玻璃钢的性能影响比哈尔滨、兰州严重。玻璃钢产品经3年曝晒后,在哈尔滨、兰州的弯曲强度保留百分率一般比广州、上海要高10%～20%。[1]

3 影响玻璃钢制品抗老化性能的因素

玻璃钢产品主要由树酯基体和玻璃纤维复合而成。自然因素对玻璃钢制品的侵蚀,体现在对树酯、玻纤及其两者界面的影响上。

树酯基体的化学结构和物理状态是决定树酯耐候性能的基本因素,化学结合键能大,分子量分布广,含有双键,树酯中的辅剂中含有光稳定剂等都会影响到树酯的耐候性。

界面破坏是玻璃钢老化的主要因素[3]，环境介质对界面的破坏主要来自于水分。界面相中大量存在的孔隙,使水分子在“毛细管效应”的作用下迅速沿界面扩散；这是玻璃钢湿热老化的重要原因[4]。

因此选择经过偶联剂处理的玻璃纤维,同时选择加热加压的成型工艺,都会对界面粘接质量起到重要作用。

由此得出结论：不同的原材料和不同的成型工艺制成的玻璃钢产品的耐老化能力是不一样的。

4 提高接触轨防护系统耐老化能力

(1)表面处理

玻璃钢产品不同的工艺制作产生不同的表面状态。像手糊、喷射、袋压和RTM等工艺可以在产品表面制作胶衣层。而其他的一些工艺方法,如拉挤、缠绕、模压、层压等工艺,需要在表面制作好的树酯保护层,或者需要进行表面喷涂处理,以达到提高产品耐老化能力的目的。

(2)产品结构和工艺控制

通过对玻璃钢产品的老化分析,根据不同产品的使用环境、使用要求,综合考虑产品老化后的性能衰减,选择合理的工艺技术,设计合理的产品结构及厚度,是保证产品长期使用的前提条件。同时在生产过程中控制好工艺参数,使产品界面牢固、无孔隙、无裂纹等都会大大提高产品的使用寿命。

(3)运输、维护

产品的装卸、运输及现场施工中对产品的保护也是一个重要的环节。如果不慎将产品边角或表面碰出裂纹,这个微小的部分就会成为湿气等自然介质的侵蚀线路进而逐步扩大到产品界面而影响整个产品使用。而定期维护可以在产品表面有老化变化时重新增加保护层来延长产品的使用寿命。

5 结论

玻璃钢接触轨防护系统的各个生产环节的质量采取严格控制,产品的耐老化性能可大大提高,这样产品的使用寿命可以延长。据美国管道标准AWWAC—950要求,玻璃钢管道设计寿命为50年,国内某厂引进加拿大拉挤门窗生产线,其产品设计使用寿命为30年。目前,国内玻璃钢制品应用在轨道交通中最早的产品距现在约11年,期间有10年、8年的产品相继使用,整体使用状态良好。通过对玻璃钢制品老化现象的分析,有理由相信,只要严格、认真、科学的对待产品的每个生产环节,接触轨防护系统中的玻璃钢制品的使用寿命完全可以达到30年甚至更长。

参考文献：

[1]编委会.玻璃钢与玻璃钢制品新技术、新标准及工程应用技术实用手册·第六章[M].长春：银声音像出版社，2008.

[2]北京二五一厂，等.玻璃钢老化和防老化[M].北京：国家建材总局，1978.

[3]鲁蕾，付敏，郭宝星.玻纤增强塑料的基体/玻纤界面粘接及其老化机理研究[J].绝缘材料，2003(2)：37-40.

[4]Nagae S, et al. Effect of sizing on corrosion of GFRP in water[J]. J. Mater.sci. letter, 1996(15)．