紫外老化对玻璃纤维复合材料拉伸性能的影响规律

不同树脂基体、不同纤维取向的玻璃纤维复合材料对紫外辐射的敏感性存在显著差异。紫外老化导致的性能退化主要发生在树脂基体及其与纤维的界面，而非玻璃纤维本身。

一、降解机理

玻璃纤维增强树脂基复合材料在工程服役中不可避免地会受到光、温度、氧和降雨等多种介质的腐蚀和老化作用，使制品表面失去光泽、造成树脂的降解等，从而导致GFRP宏观力学性能的退化-40。紫外线照射对树脂材料的老化作用是一个逐步深入的过程，并沿着材料的厚度方向进行。在紫外线照射下，树脂基体结构上的不均一性导致化学反应局部集中进行，造成超分子结构和取向的变化-49。光作用加速了树脂基体自由基产生的光氧化效应，导致分子长链的断裂，造成了材料表面的粉化和纤维剥离等老化现象的发生-40。

与碳纤维类似，紫外辐射对玻璃纤维本身的直接影响有限，性能退化的主要贡献来自树脂基体和界面。随着紫外老化时间的延长，复合材料中的孔隙率和韧性白色条带数量增加，呈现出明显的层片状海浪花样，复合材料中存在化学键断裂的现象，紫外照射使其化学结构发生了变化-40。

二、不饱和聚酯树脂基体系

不饱和聚酯树脂（UPR）是玻璃钢最常用的树脂基体之一。研究表明，对玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂基复合材料在温湿环境下进行人工紫外照射老化试验，拉伸强度在紫外老化前期先有所上升，160h后开始下降，280h后拉伸强度趋于平缓-49。拉伸强度随辐照周期的增加而降低，紫外线无法穿透层合板-40。

随着紫外老化时间的延长，试样的质量损失率不断增加，照射面巴氏硬度低于未照射面的巴氏硬度，巴氏硬度保留率随紫外老化时间的延长呈先增大后减小的趋势-40。紫外老化后复合材料中的孔隙率和韧性白色条带数量增加，呈现出明显的层片状海浪花样-40。

三、环氧乙烯基酯树脂基体系

玻璃纤维增强环氧乙烯基酯树脂基复合材料的紫外老化研究表明，紫外线照射后试件的表面泛黄，且随照射时间的延长颜色不断加深。试件拉伸和弯曲性能以及巴氏硬度在紫外老化前期有所上升，160h后开始下降；质量损失率随着紫外光照射时间的延长而逐渐增大-49。随着老化周期的增加，孔隙量和韧性发白光带数量增加，呈现出明显的片层状海浪花样-49。

四、环氧树脂基体系

环氧树脂基GFRP是另一类应用广泛的体系。一项将GFRP暴露于紫外辐射中长达180天（约6个月）的研究显示，拉伸强度在紫外暴露仅一个月后就出现显著下降，90天暴露时观察到18.7%的下降幅度-43。相比之下，GFRP在弯曲测试中的行为却表现出不同的趋势——30天紫外暴露后弯曲强度初始提高了54.1%，随后逐渐下降，但在180天暴露后仍比未老化复合材料的强度高出18.9%-43。

其他表征手段（FTIR、TGA和光学显微镜）证实了材料的降解现象——光氧化、复合材料黄变以及表面微裂纹的出现。尽管存在可见的降解，老化后的复合材料可能表现出性能提升，这主要归因于后固化效应（post-curing）。但值得注意的是，拉伸和弯曲性能在紫外老化过程中表现出相反的趋势：弯曲强度存在明显的后固化效应，而拉伸强度持续下降-43。这一差异提示，不同的力学响应模式对于全面评估材料的紫外耐久性具有重要意义。

五、聚丙烯热塑性基体体系

热塑性基体玻璃纤维复合材料的紫外老化行为与热固性体系存在本质差异。研究发现，紫外老化对GFPP（玻璃纤维增强聚丙烯）复合材料的性能影响与基体本身的光降解高度相关-47。

聚丙烯基体在紫外线作用下易发生光氧化降解，分子链断裂是导致力学性能下降的主要原因。未添加抗紫外剂和抗紫外膜的GFPP样条在2000小时UV老化后拉伸强度降低19%-47。同样，玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料的弯曲强度随老化时间的延长而下降，但纤维取向对力学性能的保留具有显著影响——沿试样长度方向取向的纤维具有更高的力学性能保留率，而横向取向的纤维的弯曲强度降幅超过50%-53。紫外老化与水分协同作用下，GFRP先因吸湿而出现质量增加（约0.1%），随后因基体降解和降解产物浸出而发生质量损失（最大减少约0.4%），材料的颜色也向偏冷色调偏移，表面光亮度增加-53。

六、不同树脂体系的退化对比

七、微观损伤机制

SEM和FTIR等表征手段揭示了紫外老化的本质损伤机制。随着紫外老化时间的增加，复合材料内部孔隙率和韧性白色条带数量增加，呈现出明显的层片状海浪花样，纤维与树脂之间的结合能力逐渐下降。FTIR分析显示，紫外老化后复合材料中出现了化学键断裂的现象，聚丙烯基体在老化后出现显著的羰基（C=O）吸收峰，这是光氧化降解的典型标志-47。添加了抗紫外剂并覆上抗紫外膜的样条，FTIR结果显示其化学结构变化不明显，表明协同防护有效抑制了分子链断裂的进程-50。