复合材料在海水淡化设备上的研究与应用

温振刚，张洪毅，孙亚静，吴青玉，高晨晓

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北浩正检测服务有限公司，河北 冀州 053200）

复合材料在海水淡化设备上的研究与应用

温振刚1，张洪毅2，孙亚静2，吴青玉2，高晨晓2

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北浩正检测服务有限公司，河北 冀州 053200）

通过对不同种类玻璃纤维增强树脂复合材料高温高浓度海水长期浸泡模拟测试，从试样外观、吸湿率、力学保留率及破坏形貌对海水腐蚀原理进行分析，从材料、结构、工艺设计对复合材料进行优化设计，提高复合材料在高温高浓度海水中使用的可靠性，从而应用在海水淡化蒸馏设备上，解决设备耐腐蚀性差、维护费用高的技术难题。

海水淡化；复合材料；海水腐蚀；优化设计

0 概述

据国际组织预测，到2050年，生活在缺水国家中的人口将增加到10.6~24.3亿之间，约占全球预测人口的13%~20%。淡水资源匮乏已经成为全世界面临的难题。海水淡化是有效解决水资源问题的重要途径之一。目前海水淡化达到商业规模的主要有膜法和蒸馏法两大类，蒸馏法中海水淡化设备需要储存高温高浓度海水，对设备腐蚀严重，影响设备长期稳定运行，本文通过复合材料耐海水腐蚀性能的研究，解决该技术难题。

所谓复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。其具有优良的耐高温、耐腐蚀性能，同时还具有可设计性强的特点，可以选择不同的增强材料与基体材料，通过不同的成型工艺制作。本文通过分析现有复合材料海水腐蚀的研究，进行选材制作FRP样板，进行长期耐高温高浓度海水腐蚀试验，在测试数据分析基础上对复合材料进行优化设计，从而满足耐高温高浓度海水的腐蚀要求。

1 复合材料海水腐蚀原理

随着科学技术的不断进步，试验条件不断完善，新方法、新设备的诞生，国内外对复合材料-纤维增强塑料在海水环境下的腐蚀行为和规律有了一定数据积累，具体如下。

胡海涛、杨永新等[1]研究了海水腐蚀环境对树脂性能的影响。将试样置于实验室条件下的人工海水中腐蚀后对其拉伸测试，试验结果表明，海水主要通过扩散和渗透的方式进入树脂内部，使得树脂的强度、伸长率等性能受到了影响。

Ramirez等[2]将E-玻璃纤维浸泡在不同海水溶解和蒸馏水中，考察单丝拉伸性能的退化情况，结果表明E-玻璃纤维在20℃、40℃、60℃海水浸泡一个月时，拉伸强度发生明显下降，之后下降速率减缓，并保持稳定。在常温水中拉伸强度下降明显小于常温海水中的下降量。

Abdel-Hamid I.Mourad等[3]研究了FRP在海水和湿热环境下的耐腐蚀性能，分别研究了纤维增强环氧树脂和聚亚安酯两种复合材料的吸水率、盐和其他污染物的渗透率、表面的化学和物理键、机械性能的降低以及机械失效。研究发现，材料的吸水率随着海水中浸泡时间的增长以及温度的升高而增加；高温会加速机械性能的降低。

Shiva Eslami等[4]对玻璃纤维/环氧树脂复合材料在吸水腐蚀后的破坏形貌进行分析，与正常破坏形貌相比，吸水后的界面脱粘较为严重。

总结以上研究成果，纤维增强塑料由增强纤维、树脂基体和界面三部分组成，海水腐蚀可分为增强纤维腐蚀、基体树脂腐蚀和界面腐蚀三种，其中界面腐蚀对复合材料性能影响最大。所以本文选择耐海水腐蚀性强的增强纤维以及树脂基体制作复合材料进行耐海水腐蚀试验。

2 海水腐蚀环境下可靠性测试

2.1 试验方案

海水淡化设备厂商提供材料使用条件：渤海湾海水，波美度9°，温度107℃。根据公式：海水比重=144.3/(144.3-波美度)=1.07。高温是海水腐蚀加速的关键因素，所以本次试选择2种耐高温的基体材料、2种增强材料组合制作4种复合材料进行测试。测试项目为外观、吸水率、力学保留率。测试期龄0、15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d。

2.2 试验原料与设备

2.2.1 原材料

（1）树脂：酚醛型乙烯基树脂、双酚A型乙烯基树脂。

（2）纤维：450 g/m2的E型无碱玻璃短切毡、400 g/m2的E型无碱玻璃纤维布。

（3）引发剂：阿克苏LPT。

（4）促进剂：环烷酸钴，钴含量6%，紫色澄清液体。

2.2.2 主要试验设备

（1）上海精科提供的FA2204B电子天平。

（2）上海慧泰生产的DHG-9245A鼓风干燥箱。

（3）剑桥仪器公司生产的STE-240扫描电子显微镜。

（4）长春机械科学研究院生产的DDL300电子万能试验机。

（5）我公司自制智能温控耐腐蚀试验机。设备自动采集数据；试验温度：室温-160℃；精度±0.5℃（图1）。

图1 智能温控耐腐蚀试验机

2.3 FRP试样制作

（1）在玻璃模具上均匀涂抹高效脱模剂，风干15 min。

（2）裁剪250 mm×350 mm纤维织物。

（3）树脂配制，树脂：引发剂：促进剂=100∶1.2∶0.3，25℃凝胶时间控制30 min。

（4）采用手糊成型工艺制作FRP板，按以上配比，在搅拌容器中先加入树脂，再加入引发剂，用玻璃棒顺时针搅拌均匀；最后加入促进剂搅拌5 min，使树脂、引发剂和促进剂能够充分混合，保证固化完成。在模具上均匀涂刷一层树脂，然后铺设玻纤织物，采用压辊使纤维与树脂完全融合，重复以上操作，达到设计厚度。

（5）常温固化24 h后，对试样进行裁边，封边处理。

（6）对不同材料、不同测试项目的试样做永久性标识。

（7）后固化处理，室温环境放置30 d后，80℃恒温24 h。

2.4 试验方法

（1）试验介质采用天津港天然海水，通过蒸发浓缩至波美度9°，比重1.07，装入耐腐蚀试验机，加热107℃，将试样放入进行7个期龄的测试。

（2）外观：按照《GB/T 3857-2005 玻璃纤维增强热固性塑料耐化学介质性能试验方法》对每个期龄的试样进行外观检测，观察试样表面是否有裂纹、失光、腐蚀、气泡、软化等缺陷。

（3）吸湿性：按照《GB/T 1462-2005纤维增强塑料吸水性试验方法》对每个期龄的试样进行吸湿百分率的检测，并绘制曲线图。

（4）力学性能保留率：按照《GB/T 1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法》对每个期龄的试样进行拉伸强度检测；按照《GB/T 3857-2005 玻璃纤维增强热固性塑料耐化学介质性能试验方法》对每个期龄的试样拉伸强度性能保留率进行计算，并绘制曲线图。

2.5 分析与小结

（1）外观分析：经过150天的海水浸泡，4种试样表面光泽度明显降低，纤维发白，文理清晰；双酚A试样厚度明显厚于未浸泡前，表面气泡处开裂成凹坑，薄树脂处出现腐蚀，比酚醛基试样外观变化明显。

吸湿率：图2为4种复合材料不同期龄吸湿百分率的曲线图，双酚A基体复合材料吸湿率较高；和玻璃布相比，采用短切毡增强的复合材料吸湿率较高；吸湿率主要发生在前30 d，后达到饱和；吸湿出现波动，树脂气泡破裂、小分子溶出，溶胀作用导致有缺陷的试样表面出现树脂掉落。

图2 吸湿率曲线图

力学性能保留率：从图3分析试样在前30 d内，力学性能下降严重，之后趋于稳定；图3与图2趋势相反，说明吸湿性是影响力学下降的重要因素。由图4分析确定，力学性能下降主要原因是高温海水破坏增强纤维与树脂基体粘结界面，纤维表面出现严重脱胶，导致力学性能下降。

图3 力学性能保留率曲线图

图4 双酚A+短切毡试样破坏形貌

3 结束语

本文通过模拟海水淡化设备运行环境，进行高温高浓度海水浸泡腐蚀试验，利用外观、吸湿率、力学保留率以及电子显微镜分析了4种复合材料的腐蚀情况。引起复合材料力学性能变化主要原因：

（1）成型工艺带来试样外观缺陷，气泡、贫胶、气孔等经高温海水浸泡放大。

（2）浸泡过程先发生物理吸附，液体通过表面的孔隙、微裂纹等进入内部，质量迅速增加，吸水量达到一定程度，基体发生化学反应，树脂亲水基团吸水，增塑，造成纤维与树脂膨胀不匹配，发生脱粘，进而形成更大孔隙。

（3）界面脱落由于基体开裂、微裂纹、溶胀等物理变化引起。

（4）从力学保留率分析，复合材料结构层优选酚醛树脂增强玻璃布。在此基础上从材料、结构、工艺设计方面进行优化，提高复合材料耐高温高浓度海水腐蚀性能，满足海水淡化设备的要求。

3.1 材 料选择

采用耐高温性能优良、力学保留率高的酚醛乙烯基树脂作为基体材料。通过改性提高树脂柔韧性，使树脂断裂延伸性与玻璃钢断裂延伸率匹配，避免应力集中。同时在树脂中加入界面剂，界面处理剂的作用即与树脂产生铰链，又与碳化硅、纤维织物发生化学反应，提高界面粘结力。

3.2 结构设计

设备主体采用三明治夹层结构设计：与高温海水接触的内衬层，采用颗粒和纤维共同增强的结构设计，在树脂中加入5%~10% ，250目的碳化硅，采用ECR表面毡增强，碳化硅均匀分布在树脂中形成致密的保护层，防止海水进入；结构层采用酚醛乙烯基增强玻璃布，适当铺设短切毡改善层间剪切；外表层喷涂胶衣，起到美观且抗老化作用。

3.3 工艺设计

采用真空热反应釜成型工艺：将制作好的产品连同模具一起放入反应釜中，抽真空，去除气泡，提高密实度与粘接力；然后升温80℃，恒温固化2 h，脱模，制品达到最佳固化度及力学性能。

参考文件：

[1] 胡 海涛，杨勇新，郭春红. 海水对树脂耐久性影响的分析[J].工业建筑，2006.36(8):13~15.

[2] Ramirez F A，Carlesson L A，Acha B A.Evaluation of Water Degradation of Vinylester and Epoxy Matrix Composites by Single Fiber and Composite Tests[J]. Journal of Materials Science，2008.43(15):5230~5242.

[3] Abdel-Hamid I M，Beckry M A，Tamer E，et al.Effect of Seawater and Warm Environment on Glass/Epoxy and Glass/Polyurethane Composites[J].Appl Composite Mater，2010,17:557~573.

[4] SHIVA E，FATHOLLAHTB，FARID T.Long-Term Hygrothermal Response of Perforated GGFRP Plates With/ Without Application of constant External Loading[J]. Polymer Composites.2012,21:467~475.

TQ424；P747

A

1671-0711（2016）07（上）-0076-03