环境温湿度变化对PA6-GF15韧性影响
Investigation on Environmental Change to PA6-GF15 Toughness Property

作者: 李淑莹 , 丁慧敏 , 国 鸽 , 高华春 , 张丽丽 :长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司,吉林 长春;

关键词: 尼龙PA6含水率环境温度/湿度缺口冲击强度Nylon PA6 Water Absorption Environmental Temperature/Humidity Notch Impact Strength

摘要:
汽车座椅及内饰产品中一些零件常用到PA复合材料,其干态与湿态条件下的韧性差异很大。本文研究了PA6-GF15样条的含水率受环境温湿度的变化规律及对缺口冲击强度的影响,结果表明随时间的变化,在干燥的环境中含水率逐渐降低,在湿润的环境中含水率会缓慢上升;样条含水率发生变化后,低温缺口冲击强度变化不大,室温下的缺口冲击强度会随含水率的变化而发生显著变化。

Abstract: PA composite always used by seats and interior parts, in which toughness property is a significant difference between the condition of dry and humid. In this paper, we studied the environmental temperature and humidity changes effect to PA6-GF15 samples performance such as water absorption and notched impact. The results show that water content of PA6-GF15 samples gradually reduced in the dry environment and increased in humid environment; at low temperature, notch impact strength was not obviously affected by water absorption but obviously at room temperature.

1. 引言

尼龙(PA, polyamides)是工程塑料中开发最早、产量最大的品种之一,与其他功能塑料相比,尼龙的力学强度高、耐磨、自润滑性好、耐油、耐腐蚀、加工流动性好,具有优良的综合性能,目前已被广泛应用于机械、化工、仪表、汽车等领域 [1] [2]。无机填料对于降低尼龙制品的吸水率具有一定的效果,它既可保持尼龙基体的优点,又可利用其复合效应显著提高复合材料的性能,降低材料的成本 [3]。汽车座椅及内饰产品中一些零件常用的PA复合材料为PA6(6)-GF15 (20, 25, 30),PA制品在干态与湿态条件下的韧性差异很大,在进行功能性试验时,有时会发生断裂失效,多数原因是PA制品含水率较低,导致韧性变差,不能满足功能试验要求。

本文以PA6-GF15材料为研究对象,检测经调湿处理后的制件,长期暴露在空气中,随环境温度和湿度的变化规律,并研究其含水率与制件韧性(缺口冲击强度)的关系,进而对批量生产的尼龙制品进行监控,保证产品质量。

2. 实验部分

2.1. 湿处理及吸水率

按照VW50127中对PA制件的调湿处理方法,将实验样条在70℃热水中煮1小时,浸泡3.5小时后达到吸湿平衡,取出试样用滤纸擦干表面,称量制件吸水后的质量,精确到0.1 mg。再将制品放在鼓风干燥箱中(50 ± 2)℃干燥24 h,然后冷却称重,同样精确到0.1 mg,按照式(1)计算吸水率。

W p = ( m 2 m 1 ) / m 1 x 100 % (1)

式中:Wp为试样的吸水率(%);m2为试样吸水后的质量(g);m1为试样吸水前的质量(g)。

2.2. 检测项目

将水煮后的样条自然暴露在空气中,每15根样条为一份,共16组。按实验设计周期送检:将待检测的样条用铝箔纸密封好,防止待检期间水分变化。

监控环境温度和湿度:1~15周对应冬季(2018年12月~2019年4月),19~38周对应春夏季(2019年4月~8月)。送检周期见图1,数字代表水煮后暴露在空气中的周数,比如:“0”代表水煮后未在空气中暴露,立即送检,“7”代表水煮后暴露在空气中7周后送检。

Figure 1. PA6-GF15 samples test plan

图1. PA6-GF15样条检测时间表

对0~38号制品的缺口冲击强度(室温)、缺口冲击强度(−30℃)进行检测,如表1

Table 1. Test items and standard

表1. 试验项目及检测标准

3. 结果与讨论

3.1. 原理分析

关于填料改性尼龙制品的吸水率降低机理主要包括以下三种,图2为PA6分子结构示意图。

1) 极性屏蔽作用:填料的极性或非极性基团与尼龙的极性基团相互作用加强,削弱了水与尼龙的作用 [4];

2) 结晶屏蔽作用:尼龙6是半结晶性材料,水分子只进入尼龙6的非晶区,因而尼龙吸水主要取决于非晶部分聚酰胺结构上的极强性酰胺基、端氨基和羧基;填料的加入则提高了材料的结晶度和结晶速度,而结晶度的提高将降低非晶区的吸水几率 [5];

3) 结构屏蔽作用:尼龙为连续相、填料为分散相,其相界面结合较强,而填料的非极性长链起到了阻水作用,从而抑制了水的渗透,起到结构屏蔽的作用 [5]。

Figure 2. PA6 molecular structure diagram

图2. PA6分子结构示意图

3.2. 含水率随环境温湿度变化研究

图3是对PA6-GF15样条环境温湿度的监控情况,1~15号对应冬季(2018年12月~2019年4月),19~38号对应春夏季(2019年4月~8月)。由图表中的检测值可以看出,冬季环境相对湿度在20%以下,比较干燥;夏季环境湿度在40%以上,比较湿润。图4为制品在不同环境温湿度下的含水率变化情况。结合图3图4,根据式(1)计算结果,PA6-GF15样条的含水率受环境的相对湿度影响显著,随着暴露的时间增长,在干燥的环境中含水率逐渐降低,在湿润的环境中,含水率逐渐上升。PA6-GF15样条从干态到达到吸水饱和,含水率增加到5倍,当环境湿度在20%以下时,PA6-GF15样条的含水率在最初的两周内以0.3%的速度降低,随后的5周内均以0.1%的速度降低,接下来的一个月内,含水率基本稳定在最初达到吸水饱和时的含水率的一半。当环境湿度升高到40%以上后,PA6-GF15的含水率基本以每个月4%的速度升高,直至几乎达到最初吸水饱和时的含水率。

Figure 3. Samples environmental temperature and humidity monitor table

图3. 样条环境温湿度监控表

Figure 4. PA6-GF15 samples water absorption changes according to environmental temperature and humidity

图4. PA6-GF15样条不同环境温度湿度条件下含水率变化

3.3. 缺口冲击强度(常温、低温−30℃)随环境温湿度变化

图5为PA6-GF15样条不同环境温度湿度条件下缺口冲击强度变化。从图中可以看出,PA6-GF15样条低温缺口冲击强度(−30℃)随环境温湿度变化不明显,测量值均在5~6 KJ/m2之间,这是因为水分子在低温时会失去增韧作用。而在常温状态下,缺口冲击强度测量值受环境温湿度的影响变化很大,在第27周~30周时,缺口冲击强度达到了16 KJ/m2,与最低值未水煮状态下缺口冲击强度检测值6.2 KJ/m2差值为9.8 KJ/m2,这是因为当样条在潮湿环境中达到吸湿平衡后,PA材料酰胺基结合了大量的水分子,同时也体现了环境温湿度的变化对缺口冲击强度的影响极大,这对制件的质量影响很大。建议制件时材料要充分干燥,制件表面质量满足要求,制件后需调湿处理,使材料的韧性满足功能性要求。

Figure 5. PA6-GF15 samples notch impact strength changes according to environmental temperature and humidity

图5. PA6-GF15样条不同环境温度湿度条件下缺口冲击强度变化

4. 结论

本文研究了PA6-GF15样条含水率随环境温湿度的变化,结果表明随着样品在环境中暴露的时间增长,在干燥的环境中含水量逐渐降低,在湿润的环境中含水率缓慢上升;由于水分子在低温时失去增韧作用,PA6-GF15样条吸水后低温缺口冲击强度随环境温湿度的变化较小;当样条在潮湿环境中缓慢吸水后,由于酰胺基结合了大量的水分子,韧性会显著增强,PA6-GF15样条吸水后对室温下缺口冲击强度影响较大。

文章引用: 李淑莹 , 丁慧敏 , 国 鸽 , 高华春 , 张丽丽 (2020) 环境温湿度变化对PA6-GF15韧性影响。 应用物理, 10, 257-261. doi: 10.12677/APP.2020.104032

参考文献

[1] 吕桂英, 朱华, 林安, 等. 现代测试技术在尼龙6老化研究中的应用[J]. 工程塑料应用, 2006, 34(2): 64-66.

[2] 谭寿再, 杨崇岭, 李建刚. 纳米碳酸钙对PA6/PP共混合金的性能影响[J]. 工程塑料应用, 2011, 39(12): 31-34.

[3] 黄虹文, 刘长维, 韦加崇. 原位聚合La2O3/MC尼龙复合材料的制备与性能[J]. 塑料, 2008, 37(3): 69-71.

[4] 杨明山. 尼龙6与改性PP的共混研究[J]. 高分子材料科学与工程, 1996, 12(3): 85-89.

[5] 宁冲冲, 崔益华, 吴银财, 徐娟, 等. 降低尼龙制品吸水率的研究进展[J]. 塑料科技, 2013, 41(1): 105-108.

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