CFRP复合材料板材的耐水酸碱性能研究.pdf

第 卷第期 年月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J X i a nU n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o F e b 收稿日期:修回日期:基金项目:中国石化科技攻关项目()第一作者:韩庆(),男,本科,高级工程师,主要从事设备设施检验检测研究E m a i l:h a n q i n g s l y t s i n o p e c c o mD O I:j C F R P复合材料板材的耐水酸碱性能研究韩庆,韩玮,刘海波,刘延峰,杨超,王少强,咸贵军(中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司技术检测中心,山东 东营 ;哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:腐蚀环境下碳纤维增强环氧树脂(C F R P)复合材料的性能退化是影响材料与结构安全服役的关键为获得C F R P板材在腐蚀溶液中的耐久性能,将C F R P板材浸泡在水、酸与碱溶液中长达 d 通过水吸收、热力学测试与微观结构分析获得C F R P板材的长期性能演化结果表明:树脂板与C F R P板材在水、酸与碱溶液中的水吸收行为类似在酸溶液中,树脂板与C F R P板材均获得较高的水吸收量,这是因为酸溶液促进了树脂的松弛作用,为水分子的进一步侵入提供了更多的扩散空间此外,树脂的水解作用降低了树脂板与C F R P板材水吸收量长期的加速老化导致C F R P板材拉伸强度退化高达 ,玻璃化转变温度退化高达 C F R P板材拉伸强度的退化主要由树脂的塑化与水解、纤维与树脂界面的脱粘所导致碱溶液加速纤维与树脂界面脱粘、树脂水解,这导致碱溶液浸泡下的C F R P板材拉伸强度退化远大于水与酸溶液,其纤维与树脂界面完整性最差,纤维表面没有树脂残留C F R P板材玻璃化转变温度的退化主要受控于树脂的塑化酸溶液下玻璃化转变温度的退化程度远大于水与碱溶液,这是因为酸溶液下C F R P板材拥有更高的吸水率,导致树脂发生更严重的塑化作用关键词:C F R P复合材料;腐蚀溶液;性能演化;树脂塑化与水解;界面脱粘中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()H y g r o t h e r m a l r e s i s t a n c eo fC F R Pc o m p o s i t e s i nw a t e r,a c i da n da l k a l i e n v i r o n m e n t sHANQ i n g,HAN W e i,L I UH a i b o,L I UY a n f e n g,Y ANGC h a o,W a n gS h a o q i a n g,X I ANG u i j u n(T e c h n o l o g yI n s p e c t i o nC e n t e ro fS h e n g l iO i l f i e l d,S I N O P E C,D o n g y i n g ,C h i n a;S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y(H I T),H a r b i n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed e g r a d a t i o no f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e de p o x yp o l y m e r(C F R P)c o m p o s i t e s i nc o r r o s i v e e n v i r o n m e n t i st h ek e yt ot h es e r v i c es e c u r i t yo fm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s I no r d e r t oo b t a i nt h ea g i n gr e s i s t a n c eo fC F R Pp l a t e i nc o r r o s i v es o l u t i o n,C F R Pp l a t ei si mm e r s e di n w a t e r,a c i da n da l k a l is o l u t i o nf o r d a y s T h el o n g t e r mp e r f o r m a n c ee v o l u t i o n s o f C F R P p l a t e a r e o b t a i n e d b y w a t e r a b s o r p t i o n,t h e r m a la n d m e c h a n i c a lt e s t s,m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e ra b s o r p t i o nb e h a v i o ro fr e s i np l a t ei ss i m i l a rt ot h a to fC F R Pp l a t ei nw a t e r,a c i da n da l k a l is o l u t i o n I nt h ea c i ds o l u t i o n,b o t ht h er e s i na n dC F R Pp l a t eh a v eh i g h e rw a t e ra b s o r p t i o n,w h i c h i sb e c a u s e t h ea c i ds o l u t i o np r o m o t e s t h er e s i nr e l a x a t i o na n dp r o v i d e sm o r es p a c e f o r t h ef u r t h e r i n g r e s so fw a t e rm o l e c u l e s I na d d i t i o n,t h er e s i nh y d r o l y s i sr e d u c e st h ew a t e ra b s o r p t i o no fr e s i na n dC F R Pp l a t e T h el o n g t e r ma c c e l e r a t e da g i n gl e a d st oad e g r a d a t i o no fu pt o i nt h et e n s i l es t r e n g t ha n d i nt h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo fC F R Pp l a t e s T h er e s i np l a s t i c i z a t i o na n dh y d r o l y s i s,t h ei n t e r f a c ed e b o n d i n gb e t w e e nf i b e ra n dr e s i na r e t h em a i nf a c t o r sc a u s i n gt h ed e g r a d a t i o no f t e n s i l es t r e n g t ho fC F R Pp l a t e T h ea l k a l i s o l u t i o na c c e l e r a t e s t h ed e b o n d i n go f t h e f i b e r r e s i n i n t e r f a c e a n d r e s i nh y d r o l y s i s,w h i c h l e a d s t oam u c hg r e a t e rd e g r a d a t i o no ft h et e n s i l es t r e n g t ho fC F R Ps h e e t ss o a k e di na l k a l i n es o l u t i o nt h a ni n w a t e ra n da c i ds o l u t i o n T h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo fC F R Pp l a t ei sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h er e s i np l a s t i c i z a t i o n T h ed e g r a d a t i o nd e g r e eo fg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ei na c i ds o l u t i o ni sm u c hg r e a t e rt h a nt h a to fw a t e ra n da l k a l is o l u t i o n,w h i c h i sb e c a u s eC F R Pp l a t eh a sh i g h e rw a t e r a b s o r p t i o n i na c i ds o l u t i o n,r e s u l t i n g i nm o r es e r i o u s r e s i np l a s t i c i z a t i o n K e yw o r d s:C F R Pc o m p o s i t e s;c o r r o s i v es o l u t i o n;p e r f o r m a n c ee v o l u t i o n s;r e s i np l a s t i c i z a t i o na n dh y d r o l y s i s;i n t e r f a c ed e b o n d i n g西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷碳纤维增强环氧树脂(C F R P)复合材料具有轻质、高强、耐疲劳与耐腐蚀等优异性能 ,在土木工程领域已得到了广泛的关注与应用 相较于航空与航天工程,土木工程具有服役周期长、服役环境恶劣的特点,在潮湿、酸性、碱性、外界荷载的耦合影响下,可能造成C F R P的性能下降此外,尤其是面对高温环境,C F R P中的网状结构会发生损伤,导致树脂性能退化加快 ,进而降低C F R P材料与结构的服役可靠度、安全与寿命目前,国际范围内已有大量C F R P耐久性能相关研究,此类研究主要围绕温湿度、酸碱盐溶液、冻融循环、紫外老化等环境影响开展,依靠试验研究获得力学性能演化规律,并给出工程设计指标但对材料的退化机理研究较少,由于引起C F R P性能退化的主要因素是水分子的侵入,因此,在研究C F R P长期性能演化之前,有必要针对C F R P在各种溶液中的水吸收与扩散行为开展系统的研究 由于纤维不吸水,C F R P复合材料的水吸收主要来源于树脂基体、纤维与树脂界面F i c k扩散模型是最常见的水吸收模型,其水吸收过程与热传导方程类似 ,复合材料在经过一段时间的水吸收后,复合材料内部与外部的水浓度差达到平衡,质量不继续增加有关其他的非F i c k扩散模型,水分子在复合材料内部的扩散受到吸水历史、材料内部性能变化的影响,水吸收还会偏离F i c k定律,吸水过程不会出现平衡阶段例如,水吸收模型还包括T w o s t a g e模型和L a n g m u i r模型 在两阶段(T w o s t a g e)水吸收模型中 ,复合材料的水吸收分为初始的F i c k扩散阶段与随后的树脂松弛阶段第一个阶段的水吸收与扩散行为由浓度梯度决定,第二阶段中的水吸收与扩散行为由于纤维与树脂界面脱粘、树脂基体松弛的影响,进一步增加了水分子的侵入的扩散空间在L a n g m u i r模型中 ,水分子以自由水(可自由移动)和结合水(不可随意移动)的形态存在于复合材料内部 在浸泡的过程中,自由水由于浓度差进入到树脂内部,随后水分子与树脂分子相互作用形成氢键 水分子侵入到C F R P内部会不可避免地造成其性能的劣化一般认为自由水不对树脂基体产生化学影响,自由水的存在只会在C F R P内部产生湿热溶胀,降低纤维与树脂界面的粘结性能相比之下,结合水与树脂基体内部极性基团发生相互作用,打破树脂基体内部原始的范德华力与氢键,导致树脂发生塑化作用此外,在长期的浸泡环境 下,结 合 水 会 打 断 树 脂 主 链 发 生 水 解作用 洪斌 通过T a g u c h i理论研究了拉挤工艺参数对环氧树脂基C F R P板材的影响,并给出了的拉挤工艺最优参数同时将C F R P板材浸泡在水、碱溶液中,研究了C F R P板材的性能演化规律与机理相关研 究 表 明,C F R P板 材 在 较 低 温(、)腐蚀溶液浸泡下的水吸收行为满足F i c k模型,树脂基体降解不明显,力学性能(拉伸强度、弯曲强度)退化不显著相比之下,C F R P板材在较高温(、)腐蚀溶液浸泡下的水吸收行为偏离菲克模型,树脂基体降解明显,力学性能退化显著曲原 研究 了蒸 馏 水 与 碱 溶 液 环 境 浸 泡 下C F R P板材及树脂基体的力学性能退化的规律,并研究了不同温度(、)与不同厚度对退化速率的影响;同时采用光纤光栅传感器对C F R P板材和树脂的应变变化进行监测,研究结果可得树脂溶胀是C F R P板材在湿热环境下应变产生的主要原因张彦红 等人测试大量F R P材料在湿热环境下的拉伸性能演化规律,并建立了抛物线直线衰减模型以预测F R P材料的长期寿命R a y 测试了F R P材料在湿热环境中的界面性能演化机理,研究结果表明纤维与树脂界面脱粘是因为两者不同的膨胀系数,使得界面出现应力,当达到临界值时,界 面 发 生 脱 粘I r a n 研 究 了G F R P和C G R P在湿热环境下的拉伸性能演化规律,研究表明在 个月的蒸馏水浸泡环境下,C F R P的拉伸性能未明显降低,而G F R P的拉伸性能显著降低,这是因为玻璃纤维与树脂的界面脱粘比碳纤维的更加严重综上所述,已有的大量研究主要集中在湿热环境下C F R P材料的水吸收行为与热、力学性能大部分的研究仅是获得C F R P复合材料的长期性能演化规律,并未揭示相关的性能退化机理当前论文针对采用真空灌注制备的C F R P板材,开展其在水、酸与碱溶液中的水吸收与扩散行为研究采用拉伸、横向抗弯测试与动态热力学分析获得C F R P板材长期性能演化规律采用扫描电子显微镜与傅里叶变换红外光谱测试揭示C F R P板材性能退化机理通过本研究,为C F R P复合材料耐久 性 设 计 提 供 关 键 参 数,可 进 一 步 推 动C F R P复合材料在复杂土木工程环境中的应用第期韩庆,等:C F R P复合材料板材的耐水酸碱性能研究 实验部分 实验材料本研究采用的碳纤维布由上海石化提供,密度为 g/m,环氧树脂为耐高温环氧树脂,采用质量配比为 的E 环氧树脂与HT D A固化剂配制而成C F R P板材采用真空灌注成型工艺制作,树脂板通过将配制好的环氧树脂倒入钢模具后固化获得,如图所示 C F R P板材与树脂板均放置在室温环境下静置固化 h,然后放置于 烘箱环境中继续固化h,最后完成固化,拆膜完成C F R P板材制备图C F R P板材与树脂板的成型装置F i g T h em o l d i n gd e v i c e so fC F R Pa n dr e s i np l a t e s 实验方法 水吸收测试C F R P板材与树脂板的水吸收试样如图所示,采用精密切割仪将C F R P板材的水吸收试样切割为 mm mm mm,树脂板的水吸收试样切割为 mm mm mm,每种工况下准备个试样在进行水吸收测试之前,将试样放置在 烘箱干燥 h,使得树脂基体充分固化并去除初始的水分,干燥处理完成后取出试样称量作为初始值将试样放置在、和 的恒温水槽内,浸泡环境为蒸馏水、酸溶液和碱溶液每隔一段时间,将试样取出并擦干后测试其质量,称量完成后将试样迅速放回恒温水槽内 拉伸强度测试C F R P板材与树脂板的拉伸性能测试参考规范A S TM D M 和A S TM D 进行采图C F R P板材与树脂板的水吸收试样F i g T h e s p e c i m e n so fw a t e ru p t a k e f o rC F R Pa n dr e s i np l a t e s用精密切割仪将C F R P板材切割成拉伸试样,尺寸为 mm mm mm采用 mm mm mm的铝片用环氧树脂粘结在C F R P板材两端实现拉伸试样锚固处理,如图(a)所示使用精密切割仪(S e c o t o m ,S t r u e r sL t d)将制备好的环氧树脂板材切割成骨棒拉伸试样,如图(b)所示,图中的具体尺寸列于表中采用万能材料试验机(HY ,上海衡翼)对C F R P于树脂板进行拉伸测试,选定位移控制模式,加载速率均设定为mm/m i n,每组测试重复个试样获得拉伸强度平均值图C F R P与树脂板拉伸试样F i g T h e t e n s i l e s p e c i m e n so fC F R Pa n dr e s i np l a t e s表树脂拉伸试样尺寸T a b T h e s p e c i m e nd i m e n s i o n so f t e n s i l e t e s t s f o r r e s i n符号名称具体数值/mmL加载段长度 L两夹持段间距 L试样全长 b加载段宽度 b试样宽度 d试样厚度 横向弯曲强度测试C F R P板材的横向抗弯性能测试参考A S TMD 进行测试试样尺寸为 mm mm西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷 mm,采用万能材料试验机(HY ,上海衡翼)对C F R P于树脂板进行弯曲测试,选定位移控制模式,加载速率均设定为mm/m i n,每组测试重复个试样获得弯曲强度平均值 动态热力学性能分析C F R P与树脂板的动态热力学性能测试参考标准A S TM E 进行,使用精密切割仪将制备好的C F R P板材和环氧树脂板材切割成动态热力学测试试样,尺寸为 mmmmmm,并设置个平行试样动态热力学测试(DMA)由Q 动态热力学分析仪(美国T A公司)完成,测试模式采用单悬臂模式,升温范围为室温()到 ,升温速率为/m i n,振幅为 m,振动频率为H z 微观结构分析采用捷克C z e c hT E S C AN公司生产的扫描电子显微镜(V E GA)对 下蒸馏水、酸溶液和碱溶液环境中浸泡个月的C F R P板材拉伸测试的断面进行扫描电子显微镜测试(S EM),以实现其微观结构分析采用傅立叶变换红外光谱测试,分析试样中的特征官能团,进而确定出树脂分子结构变化树脂板在 浸泡五个月后,将其磨成粉末进行傅里叶变换红外光谱测试,光谱仪(N i c o l e t i S,赛默飞世尔科技公司,美国)采集的波数设定为 c m 结果与讨论 水吸收与扩散树脂板在水、酸与碱溶液中的水吸收行为如图所示由图中可以看出,在浓度差的驱动下,树脂的水吸收在初始浸泡阶段呈线性增长,随后吸水速度减缓且逐渐趋于稳定高温加速水分子扩散,树脂的水吸收量随温度的升高而增大在三种浸泡溶液下,下的水吸收在 s/均出现小幅下降,这主要是因为随着水分子侵入到树脂分子链内部,树脂基体中的亲水基团与水分子相互作用导致部分树脂分子链的水解随后,下的水吸收二次上升,这说明水分导致树脂发生松弛,树脂分子链的间距增加,导致纤维与树脂界面脱粘以进一步影响水吸收行为,最终为水分子的进一步侵入提供了更多的扩散空间此外,树脂在蒸馏水中的水吸收与碱溶液中类似,而在酸溶液中的水吸收远大于蒸馏水与碱溶液,这说明在酸溶液中,水分子与树脂中的亲水基团的反应加剧,导致树脂分子链产生更严重的松弛作用综上可知,树脂在上述三种液中的水吸收行为受控于初始浓度差、树脂松弛与树脂水解作用图树脂板材的水吸收行为F i g T h ew a t e ra b s o r p t i o no f r e s i np l a t eC F R P板材在水、酸与碱溶液中的水吸收行为如图所示由图中可以看出,在浓度差的驱动下,C F R P板材的水吸收在初始浸泡阶段呈线性增长高温加速水分子扩散,C F R P板材的水吸收量随温度的升高而增大在蒸馏水浸泡下,C F R P板材水吸收行为与树脂的水吸收行为类似而在酸溶液下,C F R P板材在 浸泡下的水吸收在浸泡后期急剧上升,这说明C F R P板材除了存在树脂的松弛作用外,纤维与树脂界面的脱粘也为水分子的侵入提供了大量的扩散空间相比之下,在碱溶液浸泡下,C F R P的水吸收行为在浸泡后期持续下降,这说明碱溶液可促进树脂分子链的第期韩庆,等:C F R P复合材料板材的耐水酸碱性能研究水解综上可知,C F R P板材在上述三种溶液中的水吸收行为不仅受控于初始浓度差、树脂松弛与树脂水解 作用,还 受 纤 维 与 树 脂 界 面 脱 粘 的影响图C F R P板材的水吸收行为F i g T h ew a t e ra b s o r p t i o no fC F R Pp l a t e 拉伸强度演化经测试 获得 初 始 树 脂 板 的 拉 伸 强 度 为 MP a,经过湿热老化后的拉伸强度随浸泡时间的变化曲线如图所示在低温(、)蒸馏水中,树脂板拉伸强度的退化趋势无明显差异在老化 d之后,树脂板的拉伸强度比原始强度下降了大约 在浸泡 d后拉伸强度出现了提升,与初值相比下降了大约 水环境中浸泡的树脂,拉伸强度出现了明显的下降,在浸泡 天之后,拉伸强度下降了 在浸泡 d后,强度下降了 随后,树脂的拉伸强度逐渐趋于稳定,在浸泡 d的强度值与浸泡 d相近图树脂板材的拉伸强度演化F i g T h e e v o l u t i o no f t e n s i l e s t r e n g t ho f r e s i np l a t e在酸溶液中浸泡的树脂,拉伸强度在初始浸泡阶段急剧下降,随后逐渐趋于稳定 浸泡下的拉伸强度在浸泡了 d后较初始强度下降了 ,在 浸 泡 了 d后 较 初 始 强 度 下 降 了 而在浸泡了 d以后拉伸强度增长,较初始强度仅下降了 相比之下,浸泡下的拉伸强度下降明显,在浸泡 d与 d后,强度分别下降了 、随后,拉伸强度逐渐趋于稳定,浸泡 d后拉伸强度值与浸泡 d相近在碱溶液中浸泡的树脂,与 浸泡下的拉伸强度退化趋势与在水浸泡下的相似拉伸强度在 浸泡 d后下降了 ;拉伸强度在浸泡 d后出现了上升,与原始强度相比下降了 浸泡下的拉伸强度在 d后下降西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷了 ;在浸泡 d后,拉伸强度出现了明显提升,与 原 始 强 度 相 比 下 降 了 浸 泡 在 中的拉伸强度一直呈下降趋势,在浸泡了 d后拉伸强度较初始强度下降了 ,在浸泡了 d后拉伸强度较初始强度下降了 综上可知,树脂板的拉伸强度在酸溶液中的退化大于水与碱溶液,这是因为在酸溶液中,更多的水分子侵入到树脂内部,这导致了更严重的树脂塑化作用图表示了C F R P板材经过湿热老化后的强度演化曲 线C F R P板 材 的 初 始 拉 伸 强 度 为 G P a 在 低温时蒸馏水浸泡 d后强度退化率仅为,说明C F R P板材的拉伸强度无明显退化而在 蒸馏水环境中浸泡 d后拉伸强度退化了 ,随后C F R P板材的拉伸强度又有所提升,蒸馏水浸泡 d后的拉伸强度略高于 浸泡下的拉伸强度这主要归因于C F R P板材在制备的过程中树脂基体未充分固化,长时间的湿热浸泡使得树脂基体发生后固化反应在 的蒸馏水中,C F R P板材的拉伸强度大幅度下降,在浸泡 d后下降了 这主要归因于环氧树脂基体因为水分的侵入导致了塑化与水解的发生,并导致纤维与树脂界面脱粘在 的酸溶液下的C F R P板材拉伸强度无显著 退 化,浸 泡 d后 拉 伸 强 度 的 退 化 仅 为相比之下,在 浸泡 d后的拉伸强度退化 了 ,随 后 拉 伸 强 度 又 有 所 恢 复,浸泡 d后的拉伸强度略高于 浸泡下的强度拉伸强度在 酸溶液中浸泡 d后退化了 C F R P板材在 的碱溶液环境中浸泡的前 d内,拉伸强度较初始值基本保持;在浸泡了 d后,拉伸强度退化率为 在 碱溶液中的拉伸强度持续下降,在浸泡 d后,拉伸强度退化率为 在 碱溶液中的拉伸强度退化最为显著,尤其在浸泡 d后的拉伸强度与原始强度相比退化了 综上结果可知,由于碳纤维具备优异的耐腐蚀性能,使得C F R P板材拉伸强度保留率远高于树脂板此外,树脂的塑化与水解、纤维与树脂界面的脱粘是造成C F R P板材拉伸强度退化的主要因素在碱溶液浸泡下,C F R P板材水解与界面脱粘更严重,导致拉伸强度退化远大于蒸馏水与酸溶液图C F R P板材的拉伸强度演化F i g T h e e v o l u t i o no f t e n s i l e s t r e n g t ho fC F R Pp l a t e 横向弯曲强度演化图表示了湿热老化后的横向弯曲强度随浸泡时间的变化曲线试验测试获得原始C F R P板材的横向弯曲强度为 MP a C F R P板材浸泡在 蒸 馏 水 中 的 横 向 弯 曲 强 度 几 乎 没 有 变 化 蒸馏水中,横向弯曲强度有微弱的退化,在浸泡 d后,横向弯曲强度退化率在左右相比之下,在 蒸馏水中的横向弯曲强度退化显著,在浸泡 d后横向弯曲强度下降了 由此可知,浸泡温度对横向弯曲强度有显著影响,这是因为高温浸泡环境导致纤维与树脂界面发生了更严重的脱粘 酸溶液浸泡下的C F R P板材的横向弯曲强度退化缓慢,横向弯曲强度保留率在 以上C F R P板材的横向弯曲强度在 酸溶液下的退化显著,横向弯曲强度在浸泡 d后退化率高达第期韩庆,等:C F R P复合材料板材的耐水酸碱性能研究 相比之下,横向弯曲强度在 酸溶液中浸泡 d后退化了 、碱溶液浸泡下的C F R P板材横向弯曲强度均呈现持续下降趋势,并且弯曲强度退化程度随着温度的升高而增大在浸泡 d后,与 下的横向弯曲强度分别下降了 与 相比之下,在 的碱溶液中浸泡 d后,横向弯曲强度下降了 综上所述,高温加速纤维与树脂界面的脱粘,这带来更显著的横向弯曲强度的退化与蒸馏水和酸溶液相比,碱溶液浸泡下的横向弯曲强度退化最为显著,这主要是因为碱溶液加速了纤维与树脂界面的脱粘,并且促进了树脂的水解图C F R P板材的弯曲强度演化F i g T h ee v o l u t i o no f f l e x u r a l s t r e n g t ho fC F R Pp l a t e 玻璃化转变温度演化图展示了在经过不同温度下的蒸馏水、酸溶液、碱溶液浸泡后Tg随浸泡时间的变化曲线基于树脂基体的玻璃化转变温度(Tg)的改变,可以用来反映基体内部分子结构的变化试验测试获得原始树脂基体的Tg为 在蒸馏水中,Tg在初始浸泡阶段有显著的退化,随后逐渐趋于稳定此外,可以发现浸泡温度对Tg无显著的影响在蒸馏水中浸泡 d后,与 浸泡下的Tg分别退化了 与 在 浸泡 d后,树脂的Tg下降了 这说明Tg的退化主要取决于树脂的塑化作用当水分子进入到树脂基体中,打破原始树脂分子链间的范德华力与氢键,增大树脂分子链间的距离,加剧了树脂的链段运动图C F R P板材的玻璃化转变温度演化F i g T h e e v o l u t i o no f g l a s s t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo fC F R Pp l a t e在酸溶液与碱溶液浸泡下,C F R P板材Tg的退化规律与蒸馏水中的类似在酸溶液中浸泡 d后,与 浸泡下的Tg分别退化了 与 在 浸泡 d后,C F R P板材Tg下降了 相比之下,在碱溶液中浸泡 d后,西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷 与 浸 泡 下 的Tg分 别 退 化 了 与 在 浸泡 d后,Tg下降了 综上可知,酸溶液浸泡下Tg的退化程度远大于蒸馏水与碱溶液,这主要是因为酸溶液下C F R P板材拥有更高的吸水率,导致树脂发生更严重的塑化作用 微观结构分析在腐 蚀 溶 液 浸 泡 下,水 分 子 的 侵 入 是 造 成C F R P板材性能退化的主要因素为了揭示C F R P板材热、力学在腐蚀溶液下的退化机理,采用扫描电子显微镜观测纤维与树脂界面的退化,傅里叶红外光谱仪检测树脂分子结构的变化,具体的实验结果如下 扫描电子显微镜在 腐蚀溶液中浸泡 d后,C F R P板材的拉伸断口形貌如图 所示可以看出,蒸馏水浸泡下C F R P板材的纤维与树脂界面完整性较好,纤维被树脂包裹,只出现局部的纤维与树脂界面的脱粘酸溶液浸泡下C F R P板材的纤维与树脂界面完整性较水环境差,纤维与树脂界面脱粘显著,纤维表面仅残留少量的树脂相比之下,碱溶液浸泡下C F R P板材的纤维与树脂界面完整性最差,纤维表面没有树脂残留电镜观测的结果与C F R P横向弯曲性能的退化规律是一致的,碱溶液浸泡下纤维与树脂界面退化最为显著,这主要是因为碱溶液加速了纤维与树脂界面的脱粘图 C F R P板材的拉伸断口形貌F i g T e n s i l e f r a c t u r em o r p h o l o g yo fC F R Pp l a t e 傅里叶红外光谱树脂板在 浸泡五个月后的红外光谱如图 所示可以看出,树脂板的红外光谱峰值在浸泡前后无显著差异,这说明腐蚀溶液浸泡未导致树脂内部产生新的官能团在波数 处,三种腐蚀溶液浸泡后的红外光谱峰值均发生了变化,这说明树脂内部羟基(OH)的含量发生了变化,主要是水分子侵入大树脂内部,与树脂极性集团结合生成了新的羟基与此同时,在波数 处,三种腐蚀溶液浸泡后的红外光谱峰值也均发生了显著地的变化,这对应树脂内部烷烃(CH)的含量发生了变化,这主要是树脂链在水分子侵入后发生了水解反应图 树脂板的红外光谱F i g I n f r a r e ds p e c t r u mo f r e s i np l a t e 结论为了获得C F R P板材在腐蚀溶液中的耐老化性能,C F R P板材浸泡在水、酸与碱溶液中长达 d 通过水吸收、热力学测试与微观结构分析获得C F R P板材长期性能演化具体结果如下:()树脂板与C F R P板材在水、酸与碱溶液中的水吸收行为类似在酸溶液中,树脂板与C F R P均获得较高的水吸收量,这是因为酸溶液促进了树脂的松弛作用,为水分子的进一步侵入提供了更多的扩散空间此外,树脂的水解作用降低了树脂板与C F R P板材水吸收量;第期韩庆,等:C F R P复合材料板材的耐水酸碱性能研究()树脂的塑化与水解,纤维与树脂界面的脱粘是造成C F R P板材拉伸性能退化的主要因素相较于水与酸溶液,碱溶液浸泡下的C F R P板材拉伸强度退化最为显著,纤维与树脂界面完整性最差,纤维表面没有树脂残留,这是因为碱溶液浸泡加速了纤维与树脂界面的脱粘以及树脂的水解;()高温加速纤维与树脂界面的脱粘,带来更显著的横向弯曲强度的退化与蒸馏水和酸溶液相比,碱溶液浸泡下的横向弯曲强度退化最为显著,这主要是因为碱溶液加速了纤维与树脂界面的脱粘;()浸泡温度对C F R P板材的玻璃化转变温度无显著的影响酸溶液下玻璃化转变温度的退化程度远大于蒸馏水与碱溶液,这主要是因为酸溶液下C F R P板材拥有更高的吸水率,导致树脂发生更严重的塑化作用参考文献R e f e r e n c e s陈光明,赵程,成彤,等持载对F R P 混凝土钢双壁空心柱轴压承载能力影响J西安建筑科技大学学报(自然科学版),():CHE NG u a n g m i n g,Z HA OC h e n g,CHE N GT o n g,e ta l E f f e c t so f s u s t a i n e dl o a do nt h ea x i a l l o a d c a r r y i n gc a p a c i t yo fh y b r i dF R P c o n c r e t e s t e e ld o u b l e s k i nt u b u l a r c o l u m nJ J X i a n U n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():周玲珠,万钧涛,郑愚,等 G F R P筋与海水海砂高掺量粉煤灰自密实混凝土的粘结性能研究J西安建筑科技大学学报(自然科学版),():,Z HO U L i n g z h u,W A N G J u n t a o,Z H E N G Y u,e ta l S t u d yo nb o n db e h a v i o r o fG F R Pb a r s a n ds e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t em i x e dw i t h s e a w a t e r s e a s a n d a n dh i g h v o l u m e f l ya s hJ J X i a nU n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():,韩娟,刘伟庆,方海纤维增强树脂基复合材料在土木基础设施领域中的应用 J南京工业大学学报:自然科学版,():HANJ u a n,L U IW e i q i n g,F ANGH a i A p p l i c a t i o no ff i b e r r e i n f o r c e dr e s i nm a t r i xc o m p o s i t e s i nt h ec i v i l i n f r a s t r u c t u r e f i e lJ J o u r n a lo fN a n j i n gT e c hU n i v e r s i t y:N a t u r eS c i e n c eE d i t i o n,():常鑫泉,汪昕,刘长源,等预应力F R P板加固R C梁抗弯性能有限元模型可靠性评价 J南京工业大学学报(自然科学版),():CHANG X i n q u a n,WANG X i n,L I U C h a n g y u a n,e ta l R e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rf l e x u r a lb e h a v i o ro fR Cb e a m sr e i n f o r c e d w i t hp r e s t r e s s e dF R P l a m i n a t e sJ J o u r n a l o fN a n j i n gT e c hU n i v e r s i t y(N a t