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尼龙吸水后对性质的影响

作者: 浏览:423 来源: 时间:2021-04-10

聚酰胺(PA)俗称尼龙,密度约1.15g/cm3,是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂总称,包括脂肪族PA,脂肪-芳香族PA和芳香族PA。其中脂肪族PA品种多,产量大,应用广泛,其命名由合成单体具体的碳原子数而定。

聚酰胺(PA)俗称尼龙,密度约1.15g/cm3,是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂总称,包括脂肪族PA,脂肪-芳香族PA和芳香族PA。其中脂肪族PA品种多,产量大,应用广泛,其命名由合成单体具体的碳原子数而定。


脂肪族聚酰胺由于含有胺基和羰基,易与水分子形成氢键,因此所得到的各种材料在使用时容易吸水,产生增塑效应,导致材料体积膨胀、模量下降,在应力作用下发生明显蠕变。


聚己内酰胺和聚己二酸己二胺(尼龙6和尼龙66)是最常用的聚酰胺材料,从下表可以看出,它们的吸水性明显高出其它材料,它们更高能从潮湿空气中吸收质量分数10%的水分,在一般湿度环境下也能吸收质量分数2%到4%的水分,导致多种力学性能的变化。

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尼龙吸水后对性质的影响

尼龙6和尼龙66为例,两者吸水之后,多种性质发生变化,而且许多性质的改变和吸水量有关系。

01

结晶度和晶体结构

对尼龙6/66的晶体学研究发现,尼龙6/66都是半结晶性材料,成型后都含有晶区和非晶区。在晶区,分子链呈平面锯齿构象,通过酰胺键在链与链之间形成氢键。在非晶区,分子链构象呈无规状,大多数酰胺键没有相互作用形成氢键,呈“自由”状态,但不排除少数区域形成了局部的氢键。


早期的研究中,尼龙结晶度常通过密度来估算。尼龙6/66的密度比水大,吸水后,这两种材料的密度反而上升,结晶度也上升。经过拉伸取向的尼龙6/66材料常含有部分γ-晶。研究发现,吸水后尼龙材料的γ-晶比例减少,而更稳定的α-晶比例增大。

02

力学性能和分子运动

尼龙吸水后在力学性能上的变化很明显。最主要是硬度、模量和拉伸强度下降、屈服点降低、冲击强度增加。


尼龙6/66的分子运动研究有核磁共振、动态力学松弛和介电损耗等方法,研究尼龙6/66材料吸水前后的转变发现,其玻璃化转变温度(Tg)对水分比较敏感,吸水之后,Tg大幅下降。例如,尼龙6水含量为0.35%w/w时Tg=94℃,10.33%w/w时Tg=-6℃;干燥尼龙66的Tg=78℃,当含水量为11%w/w时Tg=40℃。同时发现,Tg随吸水量增加而下降的过程具有阶段性。起始下降迅速;当吸水质量分数超过一定值之后,下降缓慢。


综合各文献报道,该临界值约在2%~4%。尼龙6/66还在较低温度下表现β和γ转变,其中β转变只在潮湿的样品中观察到,且其强度随着吸水量的增加而增加。有的研究还发现,β转变峰强度的增加伴随着γ转变峰的减少,并呈现类似Tg的阶段性。


以上现象均表明类似塑化的效果,然而当测试温度进一步降低,超过某临界温度后,水分在尼龙6/66材料中的作用就相反,类似交联硬化。这个临界温度的具体值在不同报道中相差较大,有人提出这与动态力学测试频率、样品的取向程度等条件的不同有关。


尼龙在长期受到小于屈服点的应力作用后,会发生硬化,这种效果称为“应力老化”。在吸水后,应力老化的速率加快。

03

尺寸变化

尼龙6/66吸水后体积将发生膨胀。膨胀时,材料尺寸变化和吸水量变化并不完全同步。尼龙6纤维随着吸水量变化膨胀先快后慢;而尼龙6薄膜则相反。经过拉伸取向的样品,膨胀具有各向异性。在拉伸取向的方向上膨胀较明显。


研究发现,尼龙6/66在拉伸作用下,其中的分子间氢键取向沿拉伸的方向靠拢,因此认为,尼龙6/66吸水膨胀在沿分子间氢键的方向上比较明显。

由此可以得知,尼龙吸水性大,一定的程度上影响尺寸稳定性和电性能,特别是薄壁件增厚影响较大;吸水亦会大大降低塑料的机械强度。在选材时,应顾及使用环境及与别的元件的配合精度的影响。


而现在普遍的做法是通过纤维增强的方法,可降低树脂吸水率,使其能在高温、高湿下工作。也有添加酚醛树脂和聚乙烯基苯酚等含酚树脂的方法以及添加无机纳米粒子的做法来降低尼龙吸水率。