南海環(huán)境下乙烯基酯玻璃纖維復合材料拉伸性能

本次試驗選用E-玻璃纖維多軸向布.纖維的主要方向為0°和90°,其中0°方向含量70%,90°方向25%,隨機方向5%.基體選用430 LV GT 250環(huán)氧雙酚A乙烯基酯樹脂(以下簡稱430)作為研究對象,并選用1967-G-3多環(huán)戊二烯樹脂(以下簡稱1967)作為對比,所選樹脂的性能如表1所示.

表1 樹脂的性能
Tab.1 Properties of resins

拉伸試樣由北玻院(滕州)復合材料有限公司按照國際標準ISO 527-4/B/2的要求制作.試樣的纖維體積含量為72%.試樣形狀如圖1所示,其中L、b₁、b₂分別為180 mm、10 mm、20 mm,試樣的厚度h為6 mm,長度L方向的纖維為總纖維含量的70%.

采用真空灌注的方法生產(chǎn)厚度為6 mm的板材,按照試樣的尺寸進行線切割.實際工程應用中纖維受樹脂保護,不會直接和海水接觸.本次試驗為了更加真實地模擬材料在海水中的劣化,對切割面用樹脂進行了封邊處理.未封邊試樣與封邊試樣如圖2所示.

圖1 拉伸試樣幾何形狀
Fig.1 Geometry of tensile specimen

圖2 GFRP拉伸試樣
Fig.2 GFRP tensile specimens

本試驗采用我國南海的海鹽和蒸餾水調(diào)配鹽度為34.9‰的人工海水模擬南海海水.兩種不同基體的GFRP(430樹脂為基體的復合材料簡稱430復材,以1967樹脂為基體的簡稱1967復材)分別在室溫和60 ℃海水中浸泡.加速試驗溫度選擇參考ASTM D7705標準確定^[11].室溫海水浸泡時間為15 d、30 d、60 d、90 d、150 d、210 d,60 ℃海水浸泡的時間為30 d、60 d、90 d.

拉伸試驗在青島海檢集團有限公司依據(jù)ISO 527-4:1997標準完成,室溫和60 ℃下計劃浸泡天數(shù)達到以后,取出試樣擦干其表面水分后用WDW-100E拉伸試驗機測量其拉伸強度.拉伸速率按照規(guī)范要求取2 mm/min.

取拉伸試驗完成后試樣表面的樹脂粉末,用精度為十萬分之一的METTLER TOLEDO天平進行稱重然后使用南方科技大學分析測試中心的差示掃描量熱儀Discovery DSC進行T_g測量.

對未經(jīng)海水浸泡和60 ℃海水浸泡30 d、60 d、90 d的430復材試樣,依據(jù)規(guī)范GB-T19466.1、GB-T19466.2-2004進行DSC測試,以10 ℃/min的速率從0 ℃加溫到200 ℃進行兩次升溫并記錄如圖3.第一次升溫將試驗材料的熱歷史消除,取第二次升溫曲線記錄的數(shù)據(jù)計算玻璃轉(zhuǎn)化溫度.

圖3 DSC測量數(shù)據(jù)
Fig.3 DSC test data

圖4從左到右依次為室溫海水浸泡0 d、30 d、90 d、120 d、180 d、210 d的430復材試樣,可見試樣表面樹脂光潔度隨著浸泡時間的增加而降低.

圖4 室溫海水浸泡后的試樣(430復材)
Fig.4 Specimens after seawater immersion at room temperature(430 FRP)

在60 ℃海水中浸泡的430復材試樣如圖5所示,從左到右依次高溫海水浸泡時間為30 d、60 d、90 d,試樣表面的顏色及光潔度并無明顯變化.

經(jīng)過60 ℃海水分別在30 d、60 d、90 d浸泡的430復材試樣的T_g測量結果如圖6所示.可見T_g值隨著浸泡時間的增加而降低.在浸泡初期T_g下降速率較大但隨著浸泡時間的增加T_g的下降減慢.導致T_g下降的原因:由于水擴散進入樹脂基體,起了增塑劑的作用,使樹脂基體大分子溶脹,分子之間距離增大,破壞了分子鏈間的范德華力和氫鍵,因此,減小了大分子鏈間的作用力,使分子鏈的運動能力增強 ^[9].

圖5 高溫海水浸泡后的試樣(430復材)
Fig.5 Specimens after seawater immersion at 60 ℃(430 FRP)

圖6 浸泡時間對Tg的影響(430復材)
Fig.6 Effect of immersion time on Tg(430 Matrix)

1967復材和430復材試樣在室溫海水中浸泡后的拉伸強度如表2、3所示,各測試點的平均值變化如圖7所示.430復材的拉伸強度在浸泡前后均比1967復材高.浸泡210 d后兩種復材的拉伸強度都變化不大,短期內(nèi)兩種復材性能都不會降低.

表2 室溫下海水浸泡試樣拉伸強度(1967復材)
Tab.2 Tensile strength of specimens after seawater immersion at room temperature(1967 Matrix)

表3 室溫下海水浸泡試樣拉伸強度(430復材)
Tab.3 Tensile strength of specimens after seawater immersion at room temperature(430 Matrix)

圖7 室溫下試樣拉伸強度
Fig.7 Tensile strength at room temperature

由于玻璃纖維和樹脂基體的膨脹系數(shù)不同,從固化溫度冷卻到室溫時在復合材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余熱應力^[12],該殘余熱應力一般在纖維中為壓應力,在基體中為拉應力.水分子進入樹脂基體會產(chǎn)生多種效應:一是潤滑樹脂分子減少運動阻力并產(chǎn)生增塑作用, 此效應有助于消除部分殘余應力; 二是樹脂吸水膨脹大于纖維,從而在纖維中產(chǎn)生拉應力而基體中產(chǎn)生壓應力,此效應與殘余熱應力相反.兩種效應都有利于釋放殘余熱應力而提高拉伸強度,海水浸泡早期這種作用強于海水劣化作用時試樣強度有所升高.在浸泡60 d后,1967復材試樣比初始值提高了9.6%,430復材試樣提高了7.0%.由于不同的基體及生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的殘余熱應力會不同,這種初始強度升高的程度也會不同,有的情況可能沒有這一階段因而拉伸強度從浸泡開始就隨著時間的增加而降低.

1967復材和430復材的試樣在60 ℃海水下浸泡后的拉伸強度如表4、5所示,變化如圖8所示.由于高溫加速了水分子進入材料導致拉伸強度在7 d的時候達到了最大值.浸泡90 d后,1967復材的拉伸強度降低了6%,430復材降低了18.5%.

表4 60 ℃海水浸泡下試樣拉伸強度(1967復材)
Tab.4 Tensile strength of specimens after seawater immersion at 60 ℃(1967 Matrix)

表5 60 ℃海水浸泡下試樣拉伸強度(430復材)
Tab.5 Tensile strength of specimens after immersed at 60 ℃(430 FRP)

圖8 60 ℃ 高溫下試樣拉伸強度
Fig.8 Tensile strength of specimens after seawater immersion at 60 ℃

從圖7和8可見海水對GFRP的劣化作用分為三個階段,可以用公式(1)對其拉伸強度的變化進行擬合:第一個階段海水浸泡初期材料吸水潤滑樹脂分子并產(chǎn)生增塑作用,因樹脂膨脹高于纖維而在纖維中產(chǎn)生拉應力、基體中產(chǎn)生壓應力,有助于殘余熱應力的釋放,拉伸強度升高(f^-₁起主要作用); 第二階段殘余熱應力已比較充分釋放,材料吸水后產(chǎn)生的纖維拉應力和基體壓應力起主要作用而導致拉伸強度降低(f^-₂起主要作用); 第三階段水分子進入材料破壞基體和纖維的界面,拉伸強度快速降低(f^-3_起主要作用).

式中:f^-_r為對未浸泡強度歸一化后的剩余強度; α、β、s₁、s₂、s₃為擬合系數(shù).對本試驗的兩種不同基體GFRP,擬合系數(shù)如表6所示.圖9,10表明擬合結果與試驗結果吻合.

表6 公式(1)的擬合參數(shù)
Tab.6 Fitted coefficients

圖9 試驗數(shù)據(jù)擬合曲線(1967復材)
Fig.9 Fitted curve of test data(Matrix 1967)

圖 10 試驗數(shù)據(jù)擬合曲線(430復材)
Fig.10 Fitted curve of test data(Matrix 430)

公式(1)可以用來預測復合材料海水浸泡后的剩余拉伸強度.如圖 11所示,20 a后室溫下1967樹脂基體的復合材料拉伸強度降低了22%,430樹脂基體的復合材料降低了13.7%,說明乙烯基酯玻璃纖維復合材料長時間浸泡在海水中仍能保持較高的強度.

圖 11 拉伸強度預測曲線
Fig.11 Model predictions of tensile strength