生物基环氧碳纤维增强聚合物在海洋环境中的湿热老化演化与早期防污性能评估

《Journal of Materials Research and Technology》：Hygrothermal aging and antifouling performance of epoxy based CFRPs for marine applications

　　

研究人员针对海洋应用碳纤维增强聚合物（CFRP，Carbon Fibre Reinforced Polymer）复合材料，对比了生物基环氧体系Sicomin Infugreen 810与常规石油基环氧体系Gurit Prime 37的耐久性差异。两种体系经树脂传递模塑（RTM，Resin Transfer Moulding）成型后，开展人工海水加速湿热老化（28天与56天），表征弯曲性能、层间剪切强度（ILSS，Interlaminar Shear Strength）及玻璃化转变温度（Tg，Glass Transition Temperature）。结果表明：两体系表面粗糙度相近，但Infugreen 810呈疏水性（接触角107±2.5°），Prime 37呈亲水性（82±5.6°）；吸湿率相当。56天后，Prime 37弯曲强度下降11.9%、ILSS下降11.8%，而Infugreen 810对应仅下降8.6%与8.6%，退化机制归因于吸湿引发的塑化与水解、纤维/基体界面弱化、基体开裂及分层。大肠杆菌（E. coli）附着实验中，7天时两体系附着水平相似；MTT还原法显示海洋级铝在14天时代谢活性高于Prime 37约151%。研究证实高生物基含量环氧在力学与老化耐受性上可媲美传统体系，具备海洋替代潜力。

研究背景与立项逻辑

碳纤维增强聚合物（CFRP，Carbon Fibre Reinforced Polymer，以碳纤维为增强体、聚合物为基体的高性能复合材料）因高比强度、耐疲劳与低维护成本，正加速替代船舶传统金属材料。然而海洋环境存在两类核心矛盾：其一是环氧树脂基体易吸湿，引发塑化、水解、微裂纹、纤维-基体界面脱粘与分层，导致弯曲与层间剪切等基体主导性能衰减；其二是 submerged 表面生物附着（biofouling，生物污损）会增加航行阻力与排放，而传统含铜杀生涂层对海洋生态有毒害。与此同时，常规环氧多源于双酚A（BPA）与环氧氯丙烷（ECH），不可持续；生物基环氧虽低碳，但长期海水耐久与防污数据缺失。因此，研究人员开展一项集成评估：以高生物基含量商用环氧对比传统石油基环氧，同步考察湿热老化力学演化与早期细菌附着敏感性。

研究总体设计与结论指向

研究人员选用2×2斜纹3K碳布（RC200T/100）为增强体，分别采用石油基Gurit Prime 37（GP37）与生物基Sicomin Infugreen 810（SI810，混合体系生物基含量29±3%）配合各自慢速固化剂，通过树脂传递模塑（RTM）制各6层平纹层合板。核心结论为：SI810在疏水性、弯曲强度保持率、层间剪切强度保持率及存储模量衰减控制上均优于GP37；两体系吸湿率无统计差异；早期防污方面SI810与GP37附着相当，但均优于海洋级铝的部分代谢指标。该研究证明生物基环氧可在不牺牲海洋耐久性的前提下降低环境足迹。

主要关键技术方法

研究人员以RTM成型制备同工艺同增强体层合板；依ASTM标准切样，采用浮力密度法算纤维体积分数，光学张力仪测人工海水接触角，触针式轮廓仪测粗糙度；在50°C人工海水中进行28/56天加速湿热老化并称重算吸湿率与扩散系数；以三点弯曲、短梁剪切与动态力学分析（DMA，Dynamic Mechanical Analysis）分别获取弯曲性能、层间剪切强度（ILSS）与T_g；以大肠杆菌（E. coli）静态培养结合MTT还原法量化附着代谢活性，并以扫描电镜（SEM，Scanning Electron Microscopy）观察表面菌体分布。样本为上述两种环氧CFRP，另设海洋级5083铝为防污参照。

研究结果浓缩

样品表征

通过密度法与形貌测试，两体系纤维体积分数接近（GP37为31.2%，SI810为31.6%），粗糙度无显著差异（Ra约0.16–0.17 μm）；接触角显示GP37亲水（83±5.6°），SI810疏水（108±2.5°），差异源于树脂化学与交联结构而非形貌。

吸水行为

两体系在28天内完成主要吸湿，56天趋近平衡；SI810数值上吸湿略低但无统计显著性。弯曲与DMA试样扩散系数SI810稍低，证实疏水性未转化为显著控湿优势，吸湿受化学网络与空隙等多因素共同控制。

力学表现

弯曲性能

未老化SI810弯曲强度（690.98 MPa）与模量（43.40 GPa）均高于GP37（588.73 MPa、33.52 GPa）。56天后GP37强度降11.9%、模量降8.7%；SI810强度仅降8.6%、模量降1.9%。应力-应变与显微图像显示GP37更易基体开裂与延性退化，SI810偏向界面分层与脆断，老化后均出现渐进损伤。

层间剪切强度

未老化ILSS：SI810为53.76 MPa，GP37为49.38 MPa。28天均先降，56天略回升或持平；GP37总降11.8%，SI810总降8.6%。载荷-位移曲线表明老化使失效由突发转为渐进，GP37塑化更明显。

动态力学分析

56天后存储模量（E′）在玻璃态区下降：GP37降23.8%，SI810降14.5%；tanδ峰显示SI810的T_g过渡区发生偏移，耐热衰退能力更强。

细菌附着与防污

SEM显示7天时两环氧表面E. coli附着量相近；MTT表明14天时海洋级铝代谢活性约为Prime 37的251%（即高出约151%）。说明两树脂早期防污无本质差距，但金属参照更易促菌代谢。

讨论与结论翻译

讨论指出，性能退化符合吸湿塑化与水解机制，28天轻微模量上升可能源于50°C后固化，但缺交联密度直接证据；ILSS后期持平亦需更长周期验证。疏水性来自树脂配方差异，不能简单归因为“生物基”本身。结论部分译述如下：

研究结果表明，较高生物基含量的Infugreen 810可提供与传统石油基Prime 37相当的力学性能与耐久性；其在湿热老化后弯曲与层间剪切性能保持更优，且具疏水表面特征。尽管早期细菌附着水平相近，该生物基环氧体系在海洋结构应用中具备作为可持续替代材料的明确潜力。

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