绝缘支架用纤维增强不饱和树脂复合材料老化性能评估

徐 阳，赵金凤，邢甲第，周 琳，徐建坦，巩建绘

0 引言

纤维增强不饱和树脂模塑料（SMC）具有机械强度高、绝缘性能好、耐腐蚀、质轻、可设计等优点，广泛应用于电力、船舶、机械制造、轨道交通等行业。在城市轨道交通接触轨供电系统中，SMC复合材料常用于绝缘支架的生产制作。绝缘支架使用环境恶劣，长期受紫外线、高温和雨水侵蚀，易造成复合材料的基体树脂发生降解，与增强材料的界面粘结强度降低，影响材料的机械强度，长此以往将危及行车安全[1～3]。本文以SMC复合材料为研究对象，考虑温度、湿度、紫外线等影响因素，采用热重点斜法对材料的使用寿命进行评估，并探究表面涂层对材料老化性能的影响，为玻璃纤维增强不饱和树脂复合材料制品的设计、使用、维修维护提供参考[4，5]。

1 性能试验内容及原理

本次试验的主要原材料为SMC：SMC-2，四川欣达复合材料有限公司生产。主要仪器与设备为紫外光耐气候试验箱（QUV/SPRAY，Q-Lab Corporation）、恒温恒湿试验机（KTHC-015TBS，昆山庆声电子科技有限公司）、伺服控制拉力试验机（AI-7000-M1，高铁检测仪器（东莞）有限公司）、热重分析仪（Q500-Auto，美国TA 公司）。

测试样品采用SMC 原材料模压成型，成型温度150 ℃，样品规格120 mm×15 mm×4 mm。测试样品分2 组：1 组表面喷涂氟碳漆，厚度40 μm；另1 组表面无喷涂。

1.1 性能测试内容

（1）热重分析。样品在50℃烘箱中处理24 h，冷却后研磨成粉末（100～150 目）；升温速率：5℃/min；升温范围：室温～650 ℃；试验气氛：常压干燥空气，流量为60 ml/min[6]。

（2）恒温恒湿试验。依照GB/T 12000-2017，试验温度80 ℃，湿度95% RH。将13 组试样置于试验箱中，间隔一定的老化时间（取3d，7d，14d，21d，28d，35d，42d，49d，56d，63d，70d，77d，84d）取样，测试弯曲强度[7，8]。

（3）紫外光耐候试验。依据GB/T 16422.3-2014，采用UVA-340 灯管，黑标温度80 ℃，光照条件0.83 W/m2，喷淋条件18 min/102 min。对13组试样（表面喷涂）进行加速老化，采取与湿热老化相同的取样频率测试弯曲强度[9]。

（4）弯曲强度测试。按照GB/T 1449-2015，加载速度为2 mm/min。

1.2 试验原理

结合绝缘支架产品实际使用工况，在人工加速老化试验中引入紫外、湿度、温度3 种环境因素，参考JB/T 1544-2015《电气绝缘浸渍漆和漆布快速热老化试验方法-热重点斜法》，对材料的使用寿命进行评估[10]。

材料寿命的对数与绝对温度的倒数成直线关系，由式（1）可看出，先求得材料老化过程中的反应活化能，再进行一次材料的恒温老化性能实验，即可推算出材料的寿命评估方程。

式中：τ为绝缘热寿命；a为系数；b为热寿命线的斜率；T为绝对温度；R为气体常数，取8.314 J/(K·mol)；Ep为活化能。

2 试验结果分析

2.1 热失重分析

在热失重试验过程中，样品发生氧化分解，质量不断减少。图1 所示为复合材料失重曲线，可以看出，复合材料分解呈现2 个阶段：第1 阶段是230～280 ℃时，氢氧化铝受热脱水；第2 阶段是200～500 ℃时，不饱和树脂的脱水及聚合物断链分解。根据标准JB/T 1544- 2015，选取E0= 57 739，RC0= 8.20，取质量损失率5%~50%（间隔5%）对应温度的10 组数据（表1）代入式（2），计算得表观活化能Ep= 103 470.4 J/mol，对应曲线如图2所示。

图1 复合材料热失重曲线

表1 热失重试验数据

图2 复合材料质量损失率-温度曲线

2.2 湿热老化试验

SMC材料（表面无喷涂）在温度80 ℃、湿度95%RH条件下进行湿热老化试验，弯曲强度呈现出不规律变化（图3）。一方面，在老化初期，受到水分子渗透影响，界面性能恶化，导致材料弯曲强度下降；另一方面，在高温环境下，复合材料固化度进一步提升，弯曲强度提高。受上述两方面因素的综合影响，材料性能在老化初期产生波动。当材料完全固化后，随着老化试验的继续，树脂分子链发生裂解，弯曲性能下降。观察50 天后的老化数据，弯曲强度保留率ε0和老化时间t呈线性相关：

图3 湿热老化弯曲强度保留率曲线

通过式（3）可以推测出弯曲强度保留率下降到80%、70%、60%、50%的老化时间如表2 所示。

表2 临界性能和老化时间

将老化温度80 ℃、EP= 103 470.4 J/mol和不同性能保留率对应的老化时间代入式（1），可得到各个临界状态下材料的寿命方程，从而推算材料在40 ℃（最高使用环境温度）下的使用寿命，如表3 所示。

表3 40 ℃时不同临界状态下材料的使用寿命

2.3 紫外老化分析

紫外试验箱设置辐照度为0.83 W/m2@340nm，根据QUV的光谱分布积分可以得出在紫外光波段（290～400 nm）的辐照度为45 W/ m2（设备参数决定），因此材料在老化箱中1 天接收的紫外辐照量为3.888 MJ/m2。依据国家气象科学数据中心的数据，以广州市为例，广州市日均辐照量为11.66 MJ/m2，参考GB/T 16422.3-2014，紫外辐照度占总辐照度的11%，材料在户外1 天的紫外辐照量为1.283 MJ/m2，即材料在户外受到的紫外老化影响为紫外箱中的0.33 倍。

将材料在紫外箱中老化的性能下降看作是湿热和紫外光2 个因素独立作用的结果，可以通过变换（1 - 0.33）ε0+ 0.33ε1转换成样品在80 ℃、95%RH、室外自然环境辐照强度下的弯曲强度保留率ε2（其中，ε0为湿热老化弯曲强度保留率，ε1为紫外老化弯曲强度保留率，ε2为理论换算模拟室外环境老化弯曲强度保留率）。

试验结果如表4、图4 所示。试验结果表明：紫外和湿热老化的弯曲强度变化趋势及强度保留率基本一致，2 组数据的变异系数偏差小于5%；说明表面涂层可以很好地保护基体树脂，紫外线仅对材料的表面产生影响，未对材料内部的微观结构、界面强度等造成较大影响。

表4 紫外老化试验结果

老化时间t/天紫外老化弯曲强度/MPa紫外老化弯曲强度保留率ε1/%湿热老化弯曲强度保留率ε0/%模拟室外弯曲强度保留率ε2/%77 177 86 84 85 84 172 84 81 82

图4 湿热、紫外老化对弯曲强度的影响

3 结论

（1）湿热老化试验表明：SMC 材料对温度、湿度敏感，以弯曲强度保留率为50%、60%、70%、80%作为临界值，计算得在40 ℃下产品的使用寿命大约为34 年、30 年、25 年和20 年。该结论对玻璃钢产品的设计、制造具有一定的参考意义。

（2）紫外老化试验表明：表面涂层具有很好的抗紫外线性能，能较好地保护基材免受紫外线侵蚀。

（3）本文通过热失重分析、湿热和紫外老化试验相结合的方法评估材料的使用寿命，为纤维增强复合材料的寿命评估提供了一种新思路。