尼龍制品吸水性的研究

林博

摘 要：在汽車塑料零部件中，聚酰胺（尼龍）是目前應(yīng)用最廣泛的工程塑料之一，但其吸水性大的缺點一直影響著汽車零部件尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械性能。文章通過試驗初步研究了浸水時間、浸水溫度對尼龍制品吸水性的改變趨勢，以及尼龍制品吸水率對其力學(xué)性能的影響。對聚酰胺的改性研究、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有較好的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：聚酰胺;吸水性;尺寸穩(wěn)定性;機(jī)械性能

中圖分類號：TQ325.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-95-03

Abstract： In automotive plastic parts， polyamide （nylon） is currently one of the most widely used engineering plastics， but its hygroscopicity big shortcoming has been affecting the auto parts dimensional stability and mechanical properties. In this paper， the change trend of soaking time and soaking temperature on the water absorption of nylon products and the effect of water absorption rate on the mechanical properties of nylon products were studied. It has good scientific significance and economic benefit to study the modification of polyamide and broaden its application field.

Keywords： Polyamide; Water absorption; Dimensional stability; Mechanical property

CLC NO.： TQ325.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-95-03

前言

近年來汽車輕量化一直備受關(guān)注，在汽車輕量化的進(jìn)程中，工程材料扮演著相當(dāng)重要的角色。金屬方面有鋁合金、鎂合金;非金屬材料中，塑料、樹脂、碳纖維以及不同材料組成的復(fù)合材料都在努力著扮演好各自的角色。不同的材料，根據(jù)各自特性不同，承擔(dān)的任務(wù)也各不相同。以合成樹脂為基礎(chǔ)原料的塑料、橡膠和纖維是在20世紀(jì)崛起并得到飛速發(fā)展的三大合成材料，其中塑料占有最為重要的地位[1]。利用部分塑料制品代替昂貴的有色金屬和合金材料，不僅可以降低零部件加工工藝、裝配與維修的費用，還可以減輕零部件約40%的重量，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2]。汽車輕量化的未來，還要依靠更多的新型材料被發(fā)現(xiàn)，以及新工藝的使用。

尼龍作為結(jié)構(gòu)性材料具有高強(qiáng)度、耐磨、耐溶劑和使用范圍廣等優(yōu)點，是一種重要的工程塑料。但尼龍也有不足之處，在干態(tài)和低溫下的沖擊性能較差，彈性模量小，特別是因為吸水性較大而影響制品的尺寸穩(wěn)定性，不能滿足耐環(huán)境應(yīng)力以及加工精度高的要求。為了提高尼龍的性能，較為有效的辦法是使尼龍合金化，以其它聚合物及合金材料的研究性能上的優(yōu)勢來彌補其不足，達(dá)到高性能、高附加值、低成本的目的，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品向高性能、高質(zhì)量方向發(fā)展，具有重要的實際意義[3-4]。

高分子材料在使用過程中易受到環(huán)境因素的影響，使其性能發(fā)生變化[5]。吸水性可以說是聚酰胺材料致命性的缺點，因為吸水性可以直接影響制品的尺寸穩(wěn)定性和材料物理性能，最為常見的案例是汽車塑料油箱門折頁材料（尼龍66）吸水后導(dǎo)致尺寸發(fā)生變化，造成油箱蓋匹配縫隙明顯不均勻，影響外觀品質(zhì)。本文通過研究浸水時間、溫度對材料吸水率、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響，初步探究聚酰胺材料吸水性，為以后聚酰胺改性研究和制造工藝做了鋪墊。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA66-GF30%（廣東威林工程塑料有限公司）;抗氧劑1010（市售）。

1.2 主要儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-20型，南京杰恩特機(jī)電有限公司;注塑機(jī)：NG-120A型，無錫格蘭機(jī)械有限公司;微機(jī)萬能控制電子實驗機(jī)：RGL-30A型，深圳瑞格爾儀器有限公司;懸臂梁沖擊實驗機(jī)：GT-7100-MI型，臺灣高鐵科技股份有限公司。

1.3 試樣制備

將原料在100℃鼓風(fēng)干燥箱烘干16小時，在雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出造粒，然后注射機(jī)中注射制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.4 性能測試

吸水率測試方法參照GB/T 1034-1998，標(biāo)準(zhǔn)浸水時間：在23℃水中24h，在沸水（100℃）中30min。計算公式： 吸水率 w=（m2-m1）/ m1，式中：m1—浸水前試樣的質(zhì)量（mg）;m2—浸水后試樣的質(zhì)量（mg）。拉伸強(qiáng)度性能測試參照GB/T9341-2000進(jìn)行。缺口沖擊性能測試參照GB/T1043-79進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 相同溫度（23℃）浸水時間不同

圖1為常溫下吸水率與浸水時間的關(guān)系。由圖可以看出，在相同環(huán)境溫度下，隨著浸水時間的增長，尼龍制品的吸水率隨之增加。聚酰胺中分子鏈排列較為規(guī)整，結(jié)晶能力大，在絕對潮濕的環(huán)境下，尼龍制品極易發(fā)生水解，水解會降低尼龍制品中結(jié)晶性，主鏈上酰胺鍵斷裂，使得聚合物體系分子含量減少，因此吸水率隨著水解程度增大而逐漸提高。

圖2給出常溫下浸水時間對沖擊強(qiáng)度的影響。尼龍制品的沖擊強(qiáng)度隨浸水時間的增長而呈現(xiàn)增加趨勢，前期變化緩慢，浸水7天后的尼龍制品沖擊強(qiáng)度迅速增加。聚酰胺是半結(jié)晶聚合物，非結(jié)晶區(qū)的酰胺基為親水基，吸水后削弱主鏈大分子間的作用力，韌性發(fā)生改變，沖擊強(qiáng)度提高。尼龍制品吸水體積膨脹，材料尺寸產(chǎn)生變化。

圖3示出常溫下浸水時間對拉伸強(qiáng)度的影響曲線。表明尼龍制品的拉伸強(qiáng)度隨浸水時間的變化而呈現(xiàn)明顯下降。尼龍制品浸水時間增長，高分子內(nèi)部分子鏈之間的排列發(fā)生了改變，破壞了分子之間的作用力，減少分子鏈的結(jié)晶性，因此在尼龍制品吸水率增加后，拉伸強(qiáng)度隨之降低。

2.2 浸水時間相同（24小時）溫度不同

圖4給出尼龍制品吸水率和浸水溫度的關(guān)系。浸水溫度升高，非結(jié)晶區(qū)的親水基活性增加，分子間運動的碰撞幾率提高，加速了水解程度，導(dǎo)致尼龍制品吸水率加大。

如圖5所示，尼龍制品的沖擊強(qiáng)度隨浸水溫度的升高而逐漸增大。隨著浸水環(huán)境溫度的升高，吸水率增加，水解的發(fā)生造成聚酰胺本體發(fā)生降解，分子含量的降低，分子鏈段之間相互運動吸收能量，使得吸水后的尼龍制品韌性提高，從而沖擊強(qiáng)度增加。

圖6表明尼龍制品的拉伸強(qiáng)度隨浸水溫度的升高而明顯下降。聚酰胺非晶區(qū)的親水基與水分子結(jié)合，主鏈上氫鍵被破壞，削弱了本體分子之間的范德華力，環(huán)境溫度的升高，使聚酰胺分子鏈的移動性更加劇烈，分子鏈段之間的排布不再緊密，導(dǎo)致尼龍制品拉伸強(qiáng)度的下降。

3 結(jié)論

（1）在常溫浸水后，尼龍制品吸水率隨著時間的越長而增大;浸水時間延長，尼龍制品沖擊強(qiáng)度會大幅度升高，其拉伸強(qiáng)度逐漸降低。

（2）浸水時間相同下，浸水溫度升高，尼龍制品吸水率提高，沖擊強(qiáng)度增大，拉伸強(qiáng)度降低。

（3）尼龍制品的吸水率和力學(xué)性能受浸水時間和溫度的改變而變化。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏鳴皋.材料科學(xué)前沿研究[M].北京：航空工業(yè)出版社.1994.

[2] 劉濤，張薇等.成功合作開發(fā)汽車保險杠專用料[J].中國石化，2008， 12（4）：35.

[3] P.A.Eriksson， A.C.Albertsson. Influence of impurities on mechanical properties of recycled glass fiber reinforced polyamide 66[J]. Poly -mer Engineering and Science， 1998，38（5）： 749～756.

[4] P.A.Eriksson，A.C.Albertsson. Durability of in-plant recycled glass fiber reinforced polyamide 66. Polymer Engineering and Science， 1998.38（2）： 348～356.

[5] 鄭高飛，亢一瀾，富東慧，王懷文.高分子材料濕度含量對其力學(xué)性能影響的實驗研究[J].實驗力學(xué)，2003，18（3）：23～28.