玻璃纤维增强环氧复合材料耐海水性能研究进展
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3 GFＲP 的吸水性研究
GFＲP 的吸水性用吸水率来表示，用下式计算： Mt = （ Wt － W0） / W0 × 100%
其中： Mt 为吸水率； W0 为试件浸泡前质量； Wt 为浸 泡 t 时刻后试件质量。按温度、水质、纤维体积含量和 制备方法等实验条件不同，GFＲP 吸水率随时间变化 情况列于表 1。图 1 显示了真空灌注法制备 GFＲP 的 吸水率随浸泡时间平方根的变化规律。研究表明，水 在 GFＲP 中的初期扩散行为符合菲克扩散模型［11-18］， GFＲP 初期 吸 水 率 随 着 浸 泡 时 间 的 增 加 而 迅 速 增 加，且温度对吸水率影响极大。如图 1 所示： 60 ℃ 下， 大约 120 d 后 GFＲP 吸水率约为 0. 79%，达短期平衡， 但 144 d 后吸水率又有所上升； 而在 40 ℃ 下，GFＲP 初期吸水率增加较慢，576 d 后 GFＲP 吸水率约为 0. 68%，趋于稳定［14］。通常，浸泡温度适宜控制在 60 ℃ 以下。而湿热老化下，水分以蒸汽形式存在，扩散运 动极快，材料会在短期内吸收大量水分［11，18］。
2 FＲP 耐老化性能测试方法
评估 FＲP 耐老化性能的实验方法主要有自然 老化法和人工加速老化法两大类。前者以自然曝晒 为主，通常需老化 10 年甚至更久［8］，后者在强化实 验条件下，通常只需三四个月，长则一年［9］，即可获 得老化性能变化，涉及海洋环境工程材料的加速老化 方法主要有湿热老化、浸泡老化、盐雾老化等方法。
mxshen@hhu. edu. cn。
FＲP / CM 2019. No. 2
2019 年第 2 期
玻璃钢 /复合材料
109Biblioteka 表 1 GFＲP 吸水率随老化时间变化情况 Table 1 Variation of water absorption of GFＲP with aging time
湿热老化主要包括恒温恒湿法和交变温湿度循
环法两种方法。前者试验条件简单，可重复性好； 而 后者一般以 24 h 为一个周期，包括温度和湿度的升 高、保持、降低和低温低湿四个阶段，FＲP 性能变化 较大。
浸泡老化法是将复合材料浸泡在 DW 或者（ 模 拟） SW 中，研究其吸水性和力学性能。
盐雾老化法是通过在盐雾箱内模拟海上大气盐 雾、温湿度等因素，开展材料耐盐雾性能研究［10］。
收稿日期： 2018-05-21 本文作者还有薛逸娇，郑益飞和郝凌云 （ 金陵科技学院材料工程学院，南京 211100） 。 作者简介： 陈尚能 （ 1993-） ，男，硕士，主要从事碳纳米管改性乙烯基酯树脂力学性能方面的研究。 通讯作者： 申明霞 （ 1966-） ，女，博士，教授，主要从事微 / 纳米粒子改性和聚合物复合材料制备、性能、界面及其应用方面的研究，
1 /60 0．9 /90 0．22 /30 0．55 /30 2．8 /90 0．11 /5 0．13 /3 0．9 /10 0．16 /5 0．22 /3
108
玻璃纤维增强环氧复合材料耐海水性能研究进展
2019 年 2 月
玻璃纤维增强环氧复合材料耐海水性能研究进展
陈尚能，申明霞* ，曾少华，陆凤玲
（ 河海大学力学与材料学院，南京 211100）
摘要： 综述了玻璃纤维增强环氧复合材料（ GFＲP） 耐海水（ SW） 性能进展，讨论了随浸泡时间的变化其吸水率和力学性 能的变化，并探讨了海水浸泡对 GFＲP 性能的影响因素和腐蚀机理。结果表明： GFＲP 纤维体积分数、制备工艺、水质和温度等 因素均对 GFＲP 的吸水率和力学性能有较大影响； 海水中所含的酸、碱、盐等化学物质及微生物将导致 GFＲP 物理和化学降解 损坏。此外，老化初期，水分在 GFＲP 中塑化溶胀产生的积极作用和腐蚀引起的结构破坏的双重作用机制导致材料力学性能 存在波动。
纤维含量 55% － 30% － 52% 55% 55% 52% 71% 54% 30% 71% 54% 30% 37% 37% 60%
制备工艺 真空灌注
热压 手糊 手糊 层压 真空灌注 真空灌注 层压 长丝缠绕 手糊 手糊 长丝缠绕 手糊 手糊 湿压 湿压 真空灌注
0．1 /30 0．15 /10 0．8 /10
关键词： GFＲP； 吸水率； 海水老化； 力学性能； 界面脱粘 中图分类号： TB332 文献标识码： A 文章编号： 1003－0999（2019）02－0108－07
1引言
纤维增强环氧复合材料（ FＲP ） 具有轻质高强、 耐温、耐腐蚀、可设计性好等优势，可用于海洋环境 下的结构工程材料［1］，然而海洋环境下，材料不仅要 承受台风、波浪、潮汐、冰凌等考验，还会受到高盐和 海洋生物的腐 蚀，因 此 开 展 FＲP 在 海 水 中 的 吸 水 性、力学性能以及耐久性的研究具有重要意义［2］。
为此，众多研究者针对海洋环境下 FＲP 耐海水 性能开展研究，探讨其纤维（ 玻璃纤维、碳纤维等） 、 树脂（ 聚酯、环氧、乙烯基酯树脂等） 及其纤维 / 树脂 界面腐蚀前 后 的 变 化［3-7］。 本 文 以 工 程 应 用 中 性 价 比较高的玻纤增强环氧复合材料 （ GFＲP ） 为例，研 究其海水（ SW） 浸泡过程中吸水率、力学性能等的变 化趋势，并与其在蒸馏水（ DW） 中的变化比较； 进一 步探讨海洋生物对 GFＲP 腐蚀性能的影响以及海水 腐蚀机制。
序号 1 2 3 4 5
6
7 8 9 10 11 12 13
14
15
浸泡条件 20 ℃ / SW 25 ℃ / SW 20 ℃ / SW 25 ℃ / SW 23 ℃ / SW 40 ℃ / SW 60 ℃ / SW 65 ℃ / SW 20 ℃ / DW 20 ℃ / DW 20 ℃ / DW 50 ℃ / DW 35 ℃ / DW 50 ℃ / DW 50 ℃ /95%ＲH 70 ℃ /95%ＲH 80 ℃ /90%ＲH
GFＲP 的吸水性用吸水率来表示，用下式计算： Mt = （ Wt － W0） / W0 × 100%
其中： Mt 为吸水率； W0 为试件浸泡前质量； Wt 为浸 泡 t 时刻后试件质量。按温度、水质、纤维体积含量和 制备方法等实验条件不同，GFＲP 吸水率随时间变化 情况列于表 1。图 1 显示了真空灌注法制备 GFＲP 的 吸水率随浸泡时间平方根的变化规律。研究表明，水 在 GFＲP 中的初期扩散行为符合菲克扩散模型［11-18］， GFＲP 初期 吸 水 率 随 着 浸 泡 时 间 的 增 加 而 迅 速 增 加，且温度对吸水率影响极大。如图 1 所示： 60 ℃ 下， 大约 120 d 后 GFＲP 吸水率约为 0. 79%，达短期平衡， 但 144 d 后吸水率又有所上升； 而在 40 ℃ 下，GFＲP 初期吸水率增加较慢，576 d 后 GFＲP 吸水率约为 0. 68%，趋于稳定［14］。通常，浸泡温度适宜控制在 60 ℃ 以下。而湿热老化下，水分以蒸汽形式存在，扩散运 动极快，材料会在短期内吸收大量水分［11，18］。
2 FＲP 耐老化性能测试方法
评估 FＲP 耐老化性能的实验方法主要有自然 老化法和人工加速老化法两大类。前者以自然曝晒 为主，通常需老化 10 年甚至更久［8］，后者在强化实 验条件下，通常只需三四个月，长则一年［9］，即可获 得老化性能变化，涉及海洋环境工程材料的加速老化 方法主要有湿热老化、浸泡老化、盐雾老化等方法。
mxshen@hhu. edu. cn。
FＲP / CM 2019. No. 2
2019 年第 2 期
玻璃钢 /复合材料
109Biblioteka 表 1 GFＲP 吸水率随老化时间变化情况 Table 1 Variation of water absorption of GFＲP with aging time
湿热老化主要包括恒温恒湿法和交变温湿度循
环法两种方法。前者试验条件简单，可重复性好； 而 后者一般以 24 h 为一个周期，包括温度和湿度的升 高、保持、降低和低温低湿四个阶段，FＲP 性能变化 较大。
浸泡老化法是将复合材料浸泡在 DW 或者（ 模 拟） SW 中，研究其吸水性和力学性能。
盐雾老化法是通过在盐雾箱内模拟海上大气盐 雾、温湿度等因素，开展材料耐盐雾性能研究［10］。
收稿日期： 2018-05-21 本文作者还有薛逸娇，郑益飞和郝凌云 （ 金陵科技学院材料工程学院，南京 211100） 。 作者简介： 陈尚能 （ 1993-） ，男，硕士，主要从事碳纳米管改性乙烯基酯树脂力学性能方面的研究。 通讯作者： 申明霞 （ 1966-） ，女，博士，教授，主要从事微 / 纳米粒子改性和聚合物复合材料制备、性能、界面及其应用方面的研究，
1 /60 0．9 /90 0．22 /30 0．55 /30 2．8 /90 0．11 /5 0．13 /3 0．9 /10 0．16 /5 0．22 /3
108
玻璃纤维增强环氧复合材料耐海水性能研究进展
2019 年 2 月
玻璃纤维增强环氧复合材料耐海水性能研究进展
陈尚能，申明霞* ，曾少华，陆凤玲
（ 河海大学力学与材料学院，南京 211100）
摘要： 综述了玻璃纤维增强环氧复合材料（ GFＲP） 耐海水（ SW） 性能进展，讨论了随浸泡时间的变化其吸水率和力学性 能的变化，并探讨了海水浸泡对 GFＲP 性能的影响因素和腐蚀机理。结果表明： GFＲP 纤维体积分数、制备工艺、水质和温度等 因素均对 GFＲP 的吸水率和力学性能有较大影响； 海水中所含的酸、碱、盐等化学物质及微生物将导致 GFＲP 物理和化学降解 损坏。此外，老化初期，水分在 GFＲP 中塑化溶胀产生的积极作用和腐蚀引起的结构破坏的双重作用机制导致材料力学性能 存在波动。
纤维含量 55% － 30% － 52% 55% 55% 52% 71% 54% 30% 71% 54% 30% 37% 37% 60%
制备工艺 真空灌注
热压 手糊 手糊 层压 真空灌注 真空灌注 层压 长丝缠绕 手糊 手糊 长丝缠绕 手糊 手糊 湿压 湿压 真空灌注
0．1 /30 0．15 /10 0．8 /10
关键词： GFＲP； 吸水率； 海水老化； 力学性能； 界面脱粘 中图分类号： TB332 文献标识码： A 文章编号： 1003－0999（2019）02－0108－07
1引言
纤维增强环氧复合材料（ FＲP ） 具有轻质高强、 耐温、耐腐蚀、可设计性好等优势，可用于海洋环境 下的结构工程材料［1］，然而海洋环境下，材料不仅要 承受台风、波浪、潮汐、冰凌等考验，还会受到高盐和 海洋生物的腐 蚀，因 此 开 展 FＲP 在 海 水 中 的 吸 水 性、力学性能以及耐久性的研究具有重要意义［2］。
为此，众多研究者针对海洋环境下 FＲP 耐海水 性能开展研究，探讨其纤维（ 玻璃纤维、碳纤维等） 、 树脂（ 聚酯、环氧、乙烯基酯树脂等） 及其纤维 / 树脂 界面腐蚀前 后 的 变 化［3-7］。 本 文 以 工 程 应 用 中 性 价 比较高的玻纤增强环氧复合材料 （ GFＲP ） 为例，研 究其海水（ SW） 浸泡过程中吸水率、力学性能等的变 化趋势，并与其在蒸馏水（ DW） 中的变化比较； 进一 步探讨海洋生物对 GFＲP 腐蚀性能的影响以及海水 腐蚀机制。
序号 1 2 3 4 5
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浸泡条件 20 ℃ / SW 25 ℃ / SW 20 ℃ / SW 25 ℃ / SW 23 ℃ / SW 40 ℃ / SW 60 ℃ / SW 65 ℃ / SW 20 ℃ / DW 20 ℃ / DW 20 ℃ / DW 50 ℃ / DW 35 ℃ / DW 50 ℃ / DW 50 ℃ /95%ＲH 70 ℃ /95%ＲH 80 ℃ /90%ＲH