濕度對(duì)高分子材料機(jī)械性能的影響

王丹

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)遼陽(yáng)分校工程實(shí)踐中心，遼寧 沈陽(yáng) 111003）

對(duì)于高分子材料機(jī)械性能而言，濕度是主要的影響因素之一。當(dāng)高分子材料所處環(huán)境的相對(duì)濕度較高時(shí)，會(huì)逐漸發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)變化，最終導(dǎo)致材料的使用價(jià)值喪失。因此，分析濕度對(duì)高分子材料機(jī)械性能的影響是十分必要的。

1 高分子材料相關(guān)概述

所謂高分子材料，主要指的是由基體和助劑構(gòu)成的一種聚合物材料，其主要特征是分子量分布較為分散且分子量較大，一般在一萬(wàn)以上，此類材料目前正廣泛應(yīng)用于中國(guó)各個(gè)領(lǐng)域。從目前現(xiàn)狀來(lái)看，高分子材料的主要用途有塑料、橡膠、纖維、涂料以及粘合劑，其中，較為典型的材料有尼龍、環(huán)氧樹脂涂料以及滌綸等。

2 保證高分子材料機(jī)械性能的重要性

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們對(duì)高分子材料的需求和要求逐漸增加，目前，高分子材料的應(yīng)用十分廣泛，滲透在人們的生產(chǎn)和生活中。但是，在對(duì)高分子材料進(jìn)行生產(chǎn)、貯藏、加工以及施工過程中，該材料極易受到多種因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其機(jī)械性能降低甚至喪失，“老化”現(xiàn)象的發(fā)生在某些情況下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。例如合成橡膠，當(dāng)其機(jī)械性能受到影響后，其性能會(huì)下降、喪失，進(jìn)而導(dǎo)致合成橡膠無(wú)法發(fā)揮出其原本的作用，當(dāng)合成橡膠用作為絕緣材料時(shí)，其性能的喪失會(huì)導(dǎo)致電力安全事故的發(fā)生。不僅如此，塑料、合成纖維都屬于高分子材料，被廣泛應(yīng)用于化工、通訊、醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域，尤其是化工領(lǐng)域，高分子材料組成的乳膠和涂料極為重要。但在其生產(chǎn)或是使用等過程中，周圍環(huán)境中濕度的提高會(huì)直接影響高分子材料的有效性，進(jìn)而對(duì)其使用年限造成影響，不僅降低了制品的環(huán)保性，也影響到相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來(lái)，濕度這一影響因素受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，主要原因之一是微機(jī)電領(lǐng)域的發(fā)展，濕度會(huì)導(dǎo)致微電子器件的可靠性降低，當(dāng)濕度超標(biāo)或是長(zhǎng)期處于相對(duì)濕度較高的環(huán)境中時(shí)，會(huì)造成材料膨脹進(jìn)而導(dǎo)致器件開黏，影響該領(lǐng)域的健康發(fā)展。從目前研究現(xiàn)狀來(lái)看，當(dāng)相對(duì)濕度在80%以上時(shí)，那么水分子會(huì)逐漸滲透到高分子材料中，在其內(nèi)部進(jìn)行水分的積聚，進(jìn)而降低其機(jī)械性能；或是依附在高分子材料的表面，隨著水分子的增加會(huì)逐漸形成水膜，這也會(huì)降低高分子材料機(jī)械性能。當(dāng)周圍環(huán)境的相對(duì)濕度在50%以下時(shí)，濕度的不足會(huì)導(dǎo)致高分子材料中的水分蒸發(fā)，同樣會(huì)對(duì)材料的機(jī)械性能造成影響，為此，在對(duì)濕度進(jìn)行控制時(shí)，并非單一地降低空氣濕度，而應(yīng)根據(jù)具體材料以及使用環(huán)境對(duì)濕度進(jìn)行合理控制，從而有效降低濕度對(duì)高分子材料機(jī)械性能的影響。

3 濕度對(duì)具體高分子材料機(jī)械性能的影響

3.1 濕度對(duì)高分子復(fù)合材料的具體影響

對(duì)于高分子復(fù)合材料而言，過高的濕度會(huì)削弱甚至破壞材料的化學(xué)鍵，并發(fā)生物理吸附情況，前者可逆，但后者在出現(xiàn)后，若是溫度逐漸升高或者高溫時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)發(fā)生脫附。當(dāng)高分子材料受到濕度的影響后會(huì)發(fā)生不同程度的老化，這與具體濕度和溫度等其他因素有關(guān)，而濕熱老化就是高分子復(fù)合材料老化的主要形式。具體而言，當(dāng)高分子復(fù)合材料所處環(huán)境較為濕熱時(shí)，則材料的樹脂基體會(huì)受到破壞，導(dǎo)致高分子復(fù)合材料的粘結(jié)界面和增強(qiáng)材料發(fā)生轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，若是在較高濕度的情況下環(huán)境溫度不斷升高，高分子復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷，而在吸濕后會(huì)生成結(jié)晶導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，最終導(dǎo)致高分子復(fù)合材料出現(xiàn)基體降解的嚴(yán)重情況。通過使用紅外光譜對(duì)其進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，高分子復(fù)合材料的失效并非是分子鏈的斷裂，而是在濕熱條件下高分子復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)積聚水泡，而這會(huì)降低高分子復(fù)合材料粘結(jié)界面的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致裂紋、解體等情況的發(fā)生。不僅如此，通過對(duì)高分子復(fù)合材料吸濕后斷面形貌進(jìn)行觀察，水分子在進(jìn)入高分子復(fù)合材料后會(huì)使樹脂基發(fā)生溶脹反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致基體強(qiáng)度降低，進(jìn)一步加劇高分子復(fù)合材料的碎裂，導(dǎo)致其力學(xué)性能的降低和喪失[1]。另外，當(dāng)水分子深入到高分子復(fù)合材料的粘結(jié)界面上后，會(huì)進(jìn)一步加劇裂紋的擴(kuò)大，進(jìn)一步影響其性能。由此可見，高分子復(fù)合材料機(jī)械性能下降及失效的主要原因并非周圍的濕熱環(huán)境，而是水分子在材料內(nèi)部的積聚導(dǎo)致逐漸深入到基體與增強(qiáng)材料界面，發(fā)揮了加速作用，最終導(dǎo)致高分子復(fù)合材料機(jī)械性能的失效。

3.2 環(huán)氧樹脂機(jī)械性能受濕度的具體影響

環(huán)氧樹脂這一高分子材料主要應(yīng)用于電源變壓器的絕緣或是旋轉(zhuǎn)電機(jī)中等，具有十分關(guān)鍵的作用，但當(dāng)周圍環(huán)境的相對(duì)濕度較高且該材料長(zhǎng)期處于該環(huán)境時(shí)，環(huán)氧樹脂材料的各項(xiàng)性能會(huì)急劇下降，尤其是機(jī)械性能，甚至?xí)霈F(xiàn)性能失效的情況。例如，當(dāng)濕度在95%RH以上且溫度較高時(shí)，其機(jī)械性能會(huì)受到極為嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的耐久性急劇下降，一般情況下被稱為濕致性能劣化，也就是濕致破壞。同時(shí)，由于環(huán)氧樹脂材料的吸濕會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響和變化，為此，在生產(chǎn)、使用該材料時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)提高對(duì)濕度的重視度，注意環(huán)氧樹脂對(duì)濕度的敏感性。從目前研究現(xiàn)狀來(lái)看，造成環(huán)氧樹脂材料機(jī)械性能失效的主要原因之一就是濕度，當(dāng)環(huán)氧樹脂材料具有細(xì)微裂紋時(shí)，周圍環(huán)境相對(duì)濕度的加大會(huì)導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而造成環(huán)氧樹脂材料機(jī)械性能的喪失。這主要是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂材料受周圍較高濕度的影響，當(dāng)極限應(yīng)變受到的影響為零時(shí)，材料的楊氏模量會(huì)減少、撕裂強(qiáng)度會(huì)降低，在這時(shí)，濕度通過選擇性粘結(jié)水分子使矩陣中的斷裂鍵位置發(fā)生了變化，從而對(duì)環(huán)氧樹脂材料的機(jī)械性能造成了影響。從目前氣態(tài)吸附數(shù)據(jù)、液態(tài)吸附數(shù)據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)及研究現(xiàn)狀來(lái)看，環(huán)氧樹脂材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的親水性位置氫鍵以及稀釋孔隙率氫鍵的機(jī)制是不同的。具體而言，以高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度體系為例，在該體系中，經(jīng)過芳香胺固化的環(huán)氧樹脂的氫鍵機(jī)制的重要性會(huì)在特定情況下更為關(guān)鍵，一般情況下，是在吸附作用和增塑作用的條件下，當(dāng)硬化劑濃度不斷提高時(shí)，氫鍵機(jī)制的重要性也會(huì)隨之增加，但是，對(duì)于稀釋機(jī)制而言，其重要性較低。而這主要是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂材料中未反應(yīng)氨基的親水性網(wǎng)格數(shù)量以及交聯(lián)網(wǎng)格增多，當(dāng)其數(shù)量較多時(shí)，在較為稠密的交聯(lián)網(wǎng)格中水分子的擴(kuò)散能力受到限制，進(jìn)而導(dǎo)致其無(wú)法有效擴(kuò)散。由于環(huán)氧樹脂材料對(duì)濕度具有較強(qiáng)的敏感性，若是周圍環(huán)境濕度較高，其機(jī)械性能會(huì)迅速下降甚至失效，為此，在生產(chǎn)、使用環(huán)氧樹脂材料時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)盡量避免在濕熱氣候環(huán)境下使用[2]。

3.3 尼龍材料機(jī)械性能受濕度的具體影響

由于高分子復(fù)合材料中的尼龍材料具有良好的機(jī)械性能以及物理性能，使得該材料目前被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)領(lǐng)域。但是，所有的尼龍材料都具有濕度敏感的特點(diǎn)，也就是吸濕性，這使得在生產(chǎn)、使用該材料時(shí)需要對(duì)濕度進(jìn)行合理控制。從目前現(xiàn)狀來(lái)看，濕度對(duì)尼龍材料的硬度具有直接性影響，這主要是因?yàn)槟猃埐牧媳旧砭途哂形鼭裥阅?，?dāng)周圍環(huán)境濕度較高時(shí)，該材料會(huì)吸收空氣中的水分子，而尼龍材料所吸收的水分量與其自身硬度呈線性關(guān)系，這意味著水分對(duì)尼龍材料的潤(rùn)滑作用取決于尼龍薄表層的塑化。從目前研究現(xiàn)狀來(lái)看，當(dāng)尼龍材料發(fā)生塑化時(shí)，需要滿足兩個(gè)條件，分別是將尼龍材料的剪切強(qiáng)度降低和增加高分子材料接觸其他表面時(shí)的接觸面積，在該情況下該面積的增加會(huì)減弱潤(rùn)滑作用，并在少數(shù)情況下減少增塑層剪切強(qiáng)度來(lái)決定尼龍材料的摩擦力。不同于高分子復(fù)合材料，尼龍材料在濕熱環(huán)境下通過進(jìn)行水分子的吸收能夠有效提升尼龍6/12的沖擊強(qiáng)度，但在濕熱循環(huán)的情況下通過對(duì)玻璃纖維進(jìn)行烘干后，尼龍材料的沖擊強(qiáng)度變化并不明顯，這意味著增加濕熱循環(huán)次數(shù)能夠使變化明顯，能對(duì)尼龍材料的沖擊強(qiáng)度進(jìn)行有效增強(qiáng)。

另外，濕度相對(duì)較高的情況下會(huì)發(fā)生水解作用，而該作用能夠有效增加尼龍材料的韌性，若是濕度較低造成尼龍材料水分的缺失，則會(huì)降低尼龍材料的韌性，進(jìn)而使該材料變脆。但是，水解作用也會(huì)對(duì)尼龍材料的表面缺陷進(jìn)行擴(kuò)大，并對(duì)尼龍材料的纖維以及基體界面造成影響，這主要是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生水解作用后，對(duì)于尼龍材料的簡(jiǎn)化合成而言，酰胺鍵的水解是逆反應(yīng)，因此，當(dāng)重復(fù)進(jìn)行吸濕和干燥時(shí)，所產(chǎn)生的缺陷會(huì)逐漸抵消纖維與基體結(jié)合所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而造成尼龍材料的老化。而且，若是在高溫的環(huán)境下，尼龍材料的水解作用會(huì)加速，進(jìn)而加快老化，這意味著，在尼龍材料吸濕后，溫度的上升會(huì)加快尼龍材料的老化速率。對(duì)于高分子材料而言，濕度在對(duì)其造成影響時(shí)主要是通過滲透和材料的吸收，雖然水分子同樣會(huì)對(duì)尼龍材料的機(jī)械性能造成影響，但水解作用也能夠有效對(duì)該材料的機(jī)械性能進(jìn)行增強(qiáng)。

4 結(jié)論

綜上所述，濕度對(duì)高分子材料的機(jī)械性能具有極強(qiáng)的影響力，但不同的高分子材料受到的影響程度不同。因此，應(yīng)對(duì)典型高分子材料進(jìn)行分析，掌握濕度對(duì)其的影響與作用，從而在生產(chǎn)和使用過程中有意識(shí)地對(duì)濕度進(jìn)行控制，保證該材料原本的作用和性能。