风能玻璃钢产品耐盐雾腐蚀性能研究

崔峰波，蒋斌兵，冉文华，沈 刚，崔丽荣，张 萍，岳林海

（巨石集团有限公司，桐乡 314500）

0 前言

风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生资源中最成熟、最具有规模化开发条件及最具商业化发展前景的发电方式之一。具有风速大、主导方向更稳定以及具有丰富风电资源的海上风电被更多国家所研究和运用［1］。海上风能资源丰富，这也使得风电设施年利用时间更长，机组发电量更稳定及使用寿命更长。此外我国有着丰富的海域资源，加之沿海地区经济发达、用电需求量大，因此在我国可利用海域面积大的环境下，海上风电设施有着更广阔的应用前景［2］。

海上风电的发展受限于海洋大气对风电设备的腐蚀问题。海洋大气的腐蚀成分和因素包括氯化物、氧气、湿度、温度变化和污染物等［3］。海洋上的盐雾是指含有氯化物的空气，主要腐蚀成分是氯化物盐—氯化钠。盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品耐腐蚀性能的环境试验［4-5］。它分为两大类，一类为天然环境暴露试验，另一类为人工加速模拟盐雾环境试验。人工模拟环境具有较高的氯化物盐浓度，可以是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍，使腐蚀速度大大提高，时间可以缩短为几十分之一或几百分之一。人工模拟盐雾试验包括中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜盐加速醋酸盐雾试验和交变盐雾试验［6］。

而解决盐雾腐蚀问题的核心关键就在于风电材料，要设计出耐盐雾腐蚀的材料是重中之重。玻璃钢具有轻质高强、耐腐蚀性能好、热性能好以及可设计性强等优点，因此玻璃钢被大量应用在航空航天、电子信息、汽车、新能源以及国防军工等领域［7-9］。风电材料经历了3代变革，如今的风电材料更多采用纤维增强复合材料叶片，极大地改善了力学性能、工艺性能及耐环境侵蚀性能。由于使用树脂品种不同，玻璃钢有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢等，风电材料运用最广泛的是环氧玻璃钢。目前全球大部分风电叶片都采用玻璃钢做支撑梁，因此对玻璃钢在海上的腐蚀研究显得尤为重要。

本文主要研究盐雾腐蚀对玻璃钢的影响，侧重于对盐雾环境的模拟选择和腐蚀试样的表观形态、力学性能以及不同的玻纤纱和织物制备的玻璃钢的耐盐雾腐蚀性能研究，对风能产品的选择以及质量改进具有重要的指导意义。

1 试验部分

1.1 试验原材料

表1 试验原材料

1.2 试验仪器与设备

盐雾试验箱：YED YWX Q-250型，无锡易尔达公司；

湿热试验箱：C/340/7/5型，德国Weiss Technik公司；

万能试验机：CMT5105型，美斯特工业系统（中国）有限公司。

1.3 试验方法

本次试样通过真空导入树脂模塑［10］制造，采用上纬2511-1A/2511-1BS环氧树脂体系制成试样。试样类型采用2种，分别是0°（纤维方向）拉伸和90°（垂直于纤维方向）拉伸的真空灌注层压板试样以及0°拉伸和90°拉伸的单向缠绕板试样，真空灌注层压板的铺层方式见图1。试验形式为2种试样类型、3种严酷等级及2类力学性能测试。

图1 真空灌注层压板的铺层方式

1.4 性能测试

拉伸强度按ISO 527《塑料 拉伸性能的测定》［11］测试。

2 试验结果与讨论

2.1 试样表面形态分析

对试样进行外观检查，目测试样的颜色和光泽度，观察是否产生裂纹、小孔以及对树脂的外观变化进行初步判断。观察得到在盐雾严酷等级1时，试样外观几乎与初始状态相同，而在盐雾严酷等级3时，试样的颜色较之前变深。这主要是随着腐蚀时间的增加，试样经受的腐蚀越严重。另外值得注意的是，在3个盐雾严酷等级试验中，在外观上均未产生明显裂纹。

由图2可以观察到经过了盐雾严酷等级1，试件的表面腐蚀主要是在90°方向，且腐蚀较为明显，而在0°方向几乎没有影响。这是由于90°方向的玻璃纤维在单向玻纤织物表层，因此在腐蚀过程中优先腐蚀90°方向玻纤；而在盐雾严酷等级2时，在90°方向腐蚀明显加剧，裂纹明显增多，并已经开始腐蚀0°方向玻纤；在盐雾严酷等级3时，90°方向玻纤已经被严重腐蚀并已经发生断裂，而在0°方向上的腐蚀也已经明显产生。这也说明通过设计不同盐雾严酷等级来对玻璃钢盐雾腐蚀进行梯度模拟是可行的。

图2 为试件表面形态SEM微观扫描图

2.2 力学性能测试与分析

本次试样数量为13组，试验环境温度为23，相对湿度为50，盐雾喷雾装置的喷雾温度为35，喷雾量（80 cm3面积沉积量为1.0-2.0 mL/h）。通过材料力学性能测试，测得拉伸强度数据见表2。

表2 不同盐雾严酷条件下玻璃钢试样初始和腐蚀后的拉伸强度

从表2可观察得出，在纯湿热环境下随着温度的升高，试样的拉伸强度变化并不大，这也说明如无外界因素的影响，温度并不是影响力学性能的关键。而在盐雾湿热环境下，由表2数据可知试样的拉伸强度有着明显的下降，尤其是随着时间的推移，力学性能下降更为明显。由此可知盐雾腐蚀对风能玻璃钢制品的性能影响更大。另外通过对湿热温度的调控，发现温度越高，盐雾腐蚀更强，这是因为在高温的情况下分子流动更快，更利于氯化钠喷雾的传播，也从侧面说明了盐雾腐蚀对玻璃钢制品性能的影响。另外从图2的SEM微观扫描图也可以看到，树脂与玻璃纤维受到了腐蚀破坏，而这正是影响其力学性能下降的原因所在。

2.3 不同玻纤及玻纤织物的抗盐雾腐蚀力学性能测试与分析

针对2种不同的玻纤织物分别为市场其他风电玻纤织物和390织物（玻纤织物结构为单向玻纤织物，0°玻纤量∶90°玻纤量=24∶1）的真空灌注层压板和2种不同的玻纤纱，分别为市场其他风电玻纤纱和390玻纤纱的单向缠绕板（缠绕角度＜3°）进行了抗盐雾腐蚀性能试验。将试样放置于温度为23和相对湿度505%的标准环境下，温度60、相对湿度935%和5%的氯化钠溶液的湿热环境盐雾喷雾箱内，试验以4天喷雾环境和3天标准环境为一个周期，严酷等级1、2、3分别对应于一个周期、两个周期和三个周期。测试结果见图3~图6。

图3 市场其他风电玻纤织物和390织物的0°拉伸强度性能

图6 市场其他风电玻纤纱和390玻纤纱单向缠绕板90°拉伸强度性能

由图3和图4可观察到，织物层压板在0°方向的拉伸强度保留率在盐雾严酷等级1和2时下降较快，在等级3时强度保留率趋缓；而90°方向的拉伸强度保留率在盐雾严酷等级1下降较快，在等级2和3时趋向平缓，说明腐蚀点的产生主要在等级1和2中。由图可知在经过严酷等级3后，市场其他风电玻纤织物的0°拉伸和90°拉伸强度保留率分别为75%和87%左右。而改进后的390织物经过严酷等级3后，其0°拉伸强度保留率达到了82%，较市场其他风电玻纤织物提高了7%以上。此外，其90°方向拉伸强度保留率较市场其他风电玻纤织物也有大幅提升，在严酷等级3后，90°拉伸强度还有近50 MPa，强度保留率达到了91%以上，相比市场其他风电玻纤织物提高了4%以上。由这些数据可知390织物是更优的抗盐雾腐蚀增强材料。

图4 市场其他风电玻纤织物和390织物的90°拉伸强度性能

由图5和图6可观察到，两组单向缠绕板试样在0°方向和90°方向的拉伸强度保留率均在盐雾严酷等级1和2时下降较快，而在等级3时强度保留率趋缓。这说明腐蚀点的产生主要在等级1和2中。390玻纤纱在0°和90°方向的初始拉伸强度略高于市场其他风电玻纤纱，更重要的是其拉伸保留率明显高于市场其他风电玻纤纱，分别达到了82%和86%，而市场其他风电玻纤纱的0°和90°拉伸强度保留率仅为76%和78%，并呈现逐步扩大的趋势。由这些数据可知经过改进后的390玻纤纱是一种更优的抗盐雾腐蚀增强织物材料。

图5 市场其他风电玻纤纱和390玻纤纱单向缠绕板0°拉伸强度性能

3 结论

本文主要通过采用不同盐雾腐蚀试验条件来人工模拟海上风电的自然环境，结果发现经过长时间的盐雾腐蚀，玻璃钢试样的表面光泽度有一定程度下降，但并未产生明显裂纹。

通过对试件表面形态SEM微观扫描，可以发现玻璃钢试件的腐蚀程度是随着盐雾严酷等级的递增而递增的，主要影响的是接触表面，而玻璃钢内部结构并未造成特别腐蚀破坏。

此外不同玻纤织物玻璃钢材料在经过盐雾腐蚀后的力学性能存在差异，试验研究的390玻纤纱及玻纤织物是一种更优的抗盐雾腐蚀玻璃纤维性能的材料。通过对不同玻纤纱单向缠绕板玻璃钢试件的盐雾腐蚀对比，发现不同产品之间的耐盐雾腐蚀性能有着较大的区别。说明基材的选择，会对后期风能玻璃钢产品的耐盐雾腐蚀性能造成影响。人工模拟海上风电的自然环境，可以明显分辨出玻璃钢产品耐盐雾腐蚀的能力，为海上风电所用玻纤及其制品的开发提供理论支撑。