导线增强碳纤维复合材料耐候性能的研究

王新营， 严　波， 宋时森， 黄国飞， 徐太龙

（1.上海电缆研究所，上海200093；2.东丽中国投资有限公司，上海200040）

导线增强碳纤维复合材料耐候性能的研究

王新营1， 严波1， 宋时森1， 黄国飞1， 徐太龙2

（1.上海电缆研究所，上海200093；2.东丽中国投资有限公司，上海200040）

讨论了碳纤维复合芯使用环境中所受到的紫外线、酸性介质、水等环境因素对其性能的影响，表明碳纤维复合芯受环境影响较为严重，导致其表观颜色发生改变、纤维裸露、力学及耐热性能下降。通过在其表面涂覆一种防护涂层，能够有效地提高碳纤维复合芯的耐候性能，使其在架空导线中发挥更加安全可靠的承载作用。

碳纤维复合芯；架空导线；耐候性能；涂覆；耐候涂层

0 引 言

新型碳纤维复合芯增强架空导线所具有的综合优势使其得到快速的发展，但其运行安全取决于其中的关键材料碳纤维复合材料的使用寿命。架空导线架设在不同的环境中，不可避免地会受到各种因素的影响，如光线中的紫外线、大气湿度、大气酸度、雨水等，这些环境因素将加速碳纤维复合芯的粘结剂-环氧树脂的降解，进而影响到碳纤维复合芯的使用寿命。

碳纤维复合材料中所用到的环氧树脂经过固化成型后，由线性结构转变为网状结构，其中含有C—C、O=C、C—O—C、O=C—O—C等键合结构，而酯键O=C—O—C不耐水解。光照中的紫外线（波长≤400 nm）不同波长的能量范围为3.1～12.4 eV，而有机基团中的共价键的断裂能量C—C、C—O、C=O分别近似为3.47 eV、3.5S eV、7.45 eV，太阳中的紫外线能量远大于高分子材料中的键能，长期暴露在空气中容易使树脂共价键断裂而导致降解。

我们通过拉挤成型方式制备碳纤维复合芯作为研究样品，碳纤维选用东丽公司所生产的高强度高模量的碳纤维T700S；树脂体系选用玻璃化转变温度达到190℃的高耐温树脂；固化剂选择对紫外线老化有优势的酸酐系固化剂。对碳纤维复合材料进行性能测试以评估耐候性能，并通过在其表面涂覆耐候涂层来制备一种新型的碳纤维复合芯，讨论新型碳纤维复合芯的耐候性能变化趋势。在本研究中，上海电缆研究所与东丽公司共同开发了碳纤维复合芯高速稳定成型技术，借助东丽公司的拉挤成型技术制备出符合国家标准的样品。

1 实验方法

1.1原材料

碳纤维：T700S（东丽公司），12 K，拉伸强度4 900 MPa，拉伸模量230 GPa。

玻璃纤维：OC366（欧文斯科宁），线密度1 0S5 tex，拉伸强度2 5S7 MPa，模量S1.3 GPa。

树脂：粘度3 000～7 000 mPa·s，环氧值S.5～9.5 Eq/kg。

固化剂：粘度400～1 200 mPa·s

耐候涂料：粘度500 mPa·s。

1.2碳纤维复合芯样品的制备

碳纤维复合芯采用6 t液压式拉挤成型机组，主成型模具φSmm、长S0 cm，拉挤速度60 cm/min，样品标记为1#；采用1#样品进行涂料涂敷制备含涂层的样品，标记为2#。并且1#、2#通过了GB/T 29324—2012的测试。

为了进行对比试验，选择有代表性厂家的碳纤维复合芯样品作为对比，分别标记为3#和4#样品。

1.3耐紫外试验

根据GB/T 29324—2012中的耐紫外试验内容进行。

1.4耐酸性试验

本部分数据内容由欧文斯科宁协助提供，根据GB/T 3S57—2005中规定的方法进行，通过电镜观察表面纤维和树脂侵蚀状况，判断复合芯的耐酸性能。耐酸腐蚀试验方法采用10％硫酸和稀硝酸对复合芯样品进行常温和加热腐蚀，常温测试条件：温度23±3℃，时间为14 d；加热测试条件：温度93± 3℃，加热时间分别为3 d、7 d和14 d。

1.5耐水加速试验

耐水加速试验参考GB/T 2573—200S中的方法进行，将样品在100℃蒸馏水或去离子水中浸泡，以24 h为一周期，分别在1、2、6个周期后取出样品，每组样品2个，检查其外观，称重测试重量变化率，并进行抗冲击、弯曲试验，评估样品性能变化。

2 结果与讨论

2.1紫外线对碳纤维复合芯的性能的影响

1#、3#、4#样品的复合芯在紫外烘箱中暴露后，颜色出现明显变化，由黄色变为棕色，并且细微处出现纤维裸露现象。这表明在紫外线长时间暴露后，环氧树脂发生降解出现粉化现象；而含有涂层的2#样品则在试验前后外观没有发生变化。表1为复合芯在紫外试验前后的弯曲性能对比。由表1可知，无涂层1#试样在经历紫外试验后弯曲强度都有一定程度降低，而含涂层2#复合芯弯曲性能几乎没有改变，这表明涂层具有良好的抗紫外性能且能保护内层碳纤维复合材料。

表1　复合芯耐紫外试验前后弯曲性能对比

2.2酸性介质对碳纤维复合芯的影响

2.2.1耐稀硝酸试验

表2为碳纤维复合芯在稀硝酸中侵蚀前后重量变化。由表2可知，碳纤维复合芯在稀硝酸环境中，常温条件下放置7 d，表观和重量无明显变化，表明碳纤维复合材料在室温环境中具有较好的耐稀硝酸性能。

表2　碳纤维复合芯在稀硝酸中侵蚀前后重量变化

2.2.2耐10％硫酸腐蚀试验

表3为碳纤维复合芯在10％硫酸加热侵蚀前后重量变化。由表3可知，不同样品的重量出现明显的变化，4#样品重量损失最大。图1为碳纤维复合芯在10％硫酸加热侵蚀后电镜形貌。由图1发现，4#样品中的大部分树脂已经被腐蚀，纤维呈现松弛裸露状态，表明该样品树脂耐酸性能较差。

表3　碳纤维复合芯在10％硫酸加热侵蚀前后重量变化

图2为1#和2#碳纤维复合芯样品耐酸试验对比。将不含涂层的1#和含涂层的2#碳纤维复合芯样品放置在10％硫酸（93±3℃）中浸泡一定时间，1#样品的复合芯表面的树脂被侵蚀，出现纤维裸露颜色改变等变化，而2#的复合芯表面几乎没有变化。

表4为碳纤维复合芯耐酸性能变化对比试验。从表4可知，随着浸泡时间的增加，1#试样质量损失加大，而2#试样的质量损失率较小，以浸泡7d为例，1#样品质量损失达到0.36％，而2#样品损失为0.109％，为1#样品质量损失率的30％。随着耐酸试验时间的增加，1#复合芯的弯强度也呈现下降趋势，而2#复合芯试验弯曲性能几乎没有变化。通过以上数据对比表明，涂层有效地提高了复合芯耐酸腐蚀性能。

图1　碳纤维复合芯在10％硫酸加热侵蚀后电镜形貌

图2　1#和2#碳纤维复合芯样品耐酸试验对比（上为1#样品，下为2#样品）

表4　碳纤维复合芯耐酸性能变化对比试验　（单位：％）

2.3耐水加速试验

表5为1#碳纤维复合芯耐水加速试验结果。由表5可以看出，碳纤维复合芯在热水中重量变化率经过 6d后重量增加 17％，弯曲强度下降了7.29％，弹性模量变化不明显，树脂耐水性能下降导致其弯曲强度下降。而含有涂层的2#复合芯试样在加速耐水性试验中则表观几乎无变化，无涂层的1#试样表面逐渐无光泽（见图3）。

表5　1#碳纤维复合芯耐水加速试验结果

图3　加速耐水对不含涂层1#和含涂层2#碳纤维复合材料的影响（上为1#，下为2#）

随着水煮时间的增加，对树脂体体系的玻璃化转变温度的影响也越明显，加速耐水试验对碳纤维复合芯玻璃化转变温度的影响结果见表6。1#的玻璃化转变温度降低了2.64℃，而带有涂层的2#样品玻璃化转变温度几乎没有变化。水分子的侵入使得树脂体系的在高温条件下更容易降解，而涂层能够非常有效地避免水分子的影响而维持树脂体系的耐温性能。

表6　加速耐水试验对碳纤维复合芯玻璃化转变温度的影响

加速耐水试验对碳纤维复合芯抗压扁性能的影响见表7。由表7可知，水分子对复合芯的抗压性能影响较大，对弯曲强度影响相对较小，其中1#经过7d的浸泡，抗压性能下降了25％，而弯曲强度下降4.6％，而含有涂层的2#样品抗压性能则仅下降了2.6％，弯曲强度却略微增加，这是因为试验高温促进了树脂进一步交联。

耐候涂层能够有效地保护碳纤维复合材料，明显降低了水分子对树脂体系的影响，提高了碳纤维复合芯的耐水性能。

表7　加速耐水试验对碳纤维复合芯抗压扁性能的影响

3 结 论

（1）国内碳纤维复合芯用的树脂及纤维来源不一致，造成碳纤维复合芯耐候性能差别较大，选择质量稳定的树脂及纤维等原材料才能够保证高质量的产品。

（2）经过紫外线测试后，碳纤维复合芯出现颜色明显变化、表面变粗燥等现象，而进行加速耐水和耐酸试验后，样品性能则出现更为明显的下降。

（3）通过在碳纤维复合材料表面涂覆一层耐候涂层，有效地提高其耐紫外、耐酸性能、耐水性能、耐高温性能，从而更加保证了碳纤维复合材料在导线上的使用安全性。

［1］ GB/T 29324—2012 架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒［8］.

［2］ GB/T 3S57—2005 玻璃纤维增强热固性塑料耐化学介质性能试验方法［8］.

［3］ GB/T 2573—200S 玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法［8］.

A Study on the Weather Resistance of Carbon Fiber Composite Applied in Overhead Wire

WANG Xin-ying1，YAN Bo1，SONG Shi-sen1，HUANG Guo-fei1，XU Tai-long2
（1.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China；2.Toray Industries（China）Co.，Ltd.，Shanghai200040，China）

The weather resistance of carbon fiber composite applied in overhead wire are disscussed including anti-ultraviolet，anti-acid and water absorption.The results show that the properties of carbon fiber composite are degraded severely.The weather resistance of carbon fiber composite can be improved by applying a thin coating on it which can improve its safety Performance effectively.

carbon fiber composite core；overhead wire；weather resistance；coating；weater resistance coating

TM244.2

A

1672-6901（2015）02-0037-04

2014-0S-11

王新营（1975-），男，博士，高级工程师.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.