湿热环境下GF/UPR性能演变研究及寿命预测

摘要

玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料(GF/UPR)以其轻质高强、比模量高、耐候性能优异、可设计性强、价格低廉等各种优异性能，在航天、航空、桥梁、建筑、运输、管道等各工程领域得到了广泛的应用。随着成本的不断下降，玻璃纤维增强树脂基复合材料在城市二级供暖管道领域的应用也快速扩大。供暖管道的使用环境为高温、恒湿，这就对管道在湿热条件下的各项性能及使用寿命提出了较高的要求。本课题通过纳米二氧化硅(SiO2)改性不饱和聚酯树脂的方法改善树脂基体及其玻璃纤维增强复合材料在湿热环境下的各项性能，并通过实验与计算相结合的方法研究复合材料在湿热环境下的性能演变与寿命预测。
　　鉴于SiO2与不饱和聚酯树脂间较差的界面连接性能，本文通过控制工艺手段与条件将硅烷偶联剂 KH570接枝到纳米 SiO2粒子上，傅里叶红外光谱(FTIR)的测试结果都证明了硅烷偶联剂成功接枝到了纳米二氧化硅粒子表面。KH570偶联剂的改性不仅能够改善SiO2粒子在树脂中的分散性，同时为粒子与树脂基体提供了良好的交联点。SiO2纳米粒子的添加量对不饱和聚酯树脂的性能也有显著的影响。结果表明，在一定范围内，粒子浓度的增加能够提高树脂基体的玻璃化转变温度与力学性能。当到达一定浓度后，粒子浓度的增加反而引起玻璃化转变温度和力学性能的下降，这主要是由纳米粒子分散不均造成的。对于偶联剂改性的SiO2粒子的添加量为6％时，此时玻璃化转变温度提高了12℃，力学性能也有显著提高。
　　根据缠绕工艺制备不同树脂配方的玻璃钢板材并切割成相应的试样，在不同温度条件下进行湿热老化试验。试验结果表明，试验温度影响材料到达饱和吸湿的时间，但材料在吸湿开始阶段均满足菲克定律，后期则逐渐偏离了菲克定律。这可能是因为水与材料发生化学反应所致。拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、层间剪切强度均有不同程度的衰减，且衰减程度随温度的升高而增大。在85℃时，达到饱和吸湿后，剪切强度的衰减值达到了37.88%，弯曲强度衰减率为30.23%，拉伸强度的衰减值则为30%。利用扫描电子显微镜对力学性能测试后的试样进行观察，结果显示材料在湿热水煮30天后，湿热环境对材料的破坏主要发生在界面。
　　根据试验数据，应用doseresp方程预测了GF/UPR复合材料拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度地衰减规律，并用拉伸强度的doseresp方程对GF/UPR复合材料的使用寿命进行了预测。

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第1章绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究意义

1.3国内外研究现状

第2章试验材料与方法

2.1试验材料

2.2试验仪器

2.3试验方法

第3章纳米SiO2改性不饱和聚酯树脂研究

3.1纳米SiO2表面处理

3.2纳米SiO2浓度对不饱和聚酯树脂耐热性能的影响

3.3纳米SiO2浓度对不饱和聚酯树脂力学性能的影响

3.4本章小结

第4章湿热环境下GF/UPR的力学性能演变

4.1加速老化方法的基本依据

4.2 GF/UPR复合材料吸水率研究

4.3 GF/UPR复合材料拉伸性能演变规律

4.4 GF/UPR复合材料三点弯曲性能演变规律

4.5 GF/UPR复合材料剪切性能演变规律

4.6力学性能衰减比较

4.7 GF/UPR复合材料力学性能衰减预测

4.8 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢