濕熱狀態(tài)對(duì)有機(jī)玻璃性能的影響

于海泉 秦爽 趙維忠 鄭飛

（錦西化工研究院有限公司 葫蘆島 125001）

0 引言

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對(duì)航空透明材料的要求也越來越高，同時(shí)也促進(jìn)了航空透明材料的不斷發(fā)展。作為結(jié)構(gòu)材料使用的航空有機(jī)玻璃主要用于制作飛機(jī)的前風(fēng)擋和座艙蓋，必須具有良好的光學(xué)性能、可靠的力學(xué)性能、經(jīng)得住高空大氣載荷的作用和陽光曝曬、經(jīng)得住寬廣的溫度、濕度變化，在飛行使用中承受化學(xué)介質(zhì)的作用。這些外部環(huán)境條件的改變以及有機(jī)玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一些缺陷的存在導(dǎo)致有機(jī)玻璃的老化［1］，造成有機(jī)玻璃的的性能不同程度地下降，影響了透明件的使用壽命。

有機(jī)玻璃的老化試驗(yàn)一般分為大氣老化試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)。影響有機(jī)玻璃老化的因素主要有陽光、空氣、雨淋、潮濕、溫度等。有機(jī)玻璃在大氣曝露條件下進(jìn)行老化試驗(yàn)時(shí)，其性能改變過程比較緩慢，時(shí)間較長(zhǎng)，甚至需經(jīng)過幾年的放置，很難跟上科研進(jìn)度的發(fā)展，人工加速老化試驗(yàn)是模擬自然大氣曝露試驗(yàn)而發(fā)展起來的試驗(yàn)方法。具有時(shí)間短、效果顯著的特點(diǎn)，能夠真實(shí)的評(píng)價(jià)材料性能和環(huán)境關(guān)系。

本文考察了濕熱狀態(tài)下有機(jī)玻璃的吸水率、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等性能。隨著在濕熱狀態(tài)下放置時(shí)間的增加，有機(jī)玻璃的性能有所不同，可以看出有機(jī)玻璃的老化不僅受時(shí)間因素的影響，也受到環(huán)境因素的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）試驗(yàn)在數(shù)顯恒溫水浴槽中進(jìn)行，溫度為60 ℃，周期為30天。

（2）按照MIL-P-25690 B-1993《抗裂紋擴(kuò)展型改性丙烯酸基塑料板及組件》，采用電子分析天平測(cè)量有機(jī)玻璃的吸水率。

（3）按照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》，采用CMT4034型微控電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試有機(jī)玻璃的拉伸強(qiáng)度。

（4）按照GB/T 1043—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定》，采用XCJ-50型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試有機(jī)玻璃的沖擊強(qiáng)度。

（5）試樣尺寸見圖1，單位為mm。

1.2 試驗(yàn)條件

（1）標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為23℃±2℃，相對(duì)濕度為65%±5%；

（2）若在常溫下試驗(yàn)，必須說明試驗(yàn)時(shí)的溫度和濕度；

（3）試樣在試驗(yàn)溫度下，保存時(shí)間不少于4 h。

1.3 試驗(yàn)板材

選用MDYB- 3型航空有機(jī)玻璃板材。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水率

濕熱環(huán)境對(duì)試樣吸水率的影響見表1、圖2。

表1 濕熱環(huán)境對(duì)試樣吸水率的影響

由表1、圖2可知：隨著試樣在水中存放時(shí)間的增加，試樣的吸水率逐漸增加，但增幅逐漸減小，表明試樣對(duì)水分的吸收逐漸趨于飽和。

2.2 拉伸強(qiáng)度

有機(jī)玻璃的的拉伸強(qiáng)度是指在拉伸試驗(yàn)過程中，試樣承受的最大拉伸應(yīng)力。拉伸試驗(yàn)是力學(xué)試驗(yàn)中常用的一種，是在規(guī)定的試驗(yàn)溫度、濕度和試驗(yàn)速度下，在試樣上沿縱軸方向施加拉伸載荷，使試樣破壞（斷裂或屈服）。測(cè)量試樣破壞的最大載荷和對(duì)應(yīng)標(biāo)線間距離的變化，可得到拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率［2］。

濕熱環(huán)境對(duì)試樣拉伸強(qiáng)度的影響見表2、圖3。

表2 濕熱環(huán)境對(duì)試樣拉伸強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著試樣在水中存放時(shí)間的增加，吸水率增加，拉伸強(qiáng)度下降。隨著水分的作用，在試樣表面層里的水分成為一種增塑劑［3］，破壞了羧基形成的氫鍵。由于水分的揮發(fā)，而在有機(jī)玻璃試樣表面作用著內(nèi)張應(yīng)力，導(dǎo)致了拉伸強(qiáng)度的下降。

2.3 沖擊強(qiáng)度

有機(jī)玻璃的沖擊試驗(yàn)采用無缺口試樣。沖擊試驗(yàn)是用來量度材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚沽?。沖擊強(qiáng)度是指試樣破斷時(shí)單位面積上所消耗的能量，以kJ/m2來表示［4］。

濕熱環(huán)境對(duì)試樣沖擊強(qiáng)度的影響見表3、圖4。

表3 濕熱環(huán)境對(duì)試樣沖擊強(qiáng)度的影響

由表3和圖4可以看出，隨著試樣吸水率的增加，沖擊強(qiáng)度性能下降。沖擊強(qiáng)度性能的下降，主要?dú)w于試樣在水中浸泡，高分子鏈段間的范德華力由于水分子的影響被消弱了，同時(shí)水分子作為增塑劑，加速了高分子的鏈段的運(yùn)動(dòng)［5］，造成了沖擊強(qiáng)度的變化。

對(duì)比圖3和圖4可以看出，濕熱狀態(tài)對(duì)有機(jī)玻璃的拉伸和沖擊性能影響較大，在濕熱試驗(yàn)前期數(shù)值下降較快。隨著試樣水中存放時(shí)間的增加，吸水的速率逐漸平緩，吸水達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)有機(jī)玻璃的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度數(shù)值不再下降。

3 結(jié)論

隨著有機(jī)玻璃水中存放時(shí)間的增加，有機(jī)玻璃的吸水率增加，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度下降。隨著有機(jī)玻璃對(duì)水分的吸收逐漸飽和，三項(xiàng)性能的變化幅度逐漸減小。從濕熱角度反映了有機(jī)玻璃的抗老化性能，對(duì)有機(jī)玻璃的使用具有較高的參考價(jià)值。