聚酰胺及其改性材料自然老化行為研究及預測

文 | 武漢大學資源與環境科學學院 李 閩 林 安 朱 華 汪的華 甘復興金屬腐蝕與防護國家重點實驗室 林 安廣州（中國）電器科學研究院工業產品環境適應性國家重點實驗室 彭 堅 揭敢新

聚酰胺及其改性材料自然老化行為研究及預測

文 | 武漢大學資源與環境科學學院 李 閩 林 安 朱 華 汪的華 甘復興金屬腐蝕與防護國家重點實驗室 林 安廣州（中國）電器科學研究院工業產品環境適應性國家重點實驗室 彭 堅 揭敢新

在自然環境（武漢）下進行了兩年半的老化曝曬實驗 ,隨著老化時間的增長，聚酰胺材料的吸水率逐漸增加，力學性能下降 ,表面出現了不同程度的裂紋。通過吸水率測試和力學性能的比較 ,發現環境濕度影響聚酰胺老化過程中力學性能變化，濕度越大,材料力學性能下降越快;改性后，即添加了玻璃纖維后的聚酰胺，能夠在一定程度下減緩材料老化行為。對材料性能的預測也對今后材料的應用提供了良好的基礎。

聚酰胺；玻璃纖維；環境濕度；力學性能；灰預測

1.言

聚酰胺樹脂（PA）俗稱尼龍，是含有酰胺鍵（—CO—NH—）聚合物的總稱。聚酰胺具有優良的熱穩定性、柔韌性和物理機械性能[1]，廣泛應用于汽車工業、機械儀表、電子電器、包裝、農業、能源等行業，而聚酰胺在使用和儲存過程中容易吸潮和老化，導致性能下降[2]。

目前 ,對于其老化機理和老化因素已進行很多研究[3～8],但是大多數都是室內進行加速老化實驗,由于自然條件下大氣環境中聚酰胺老化實驗實驗周期長，所以目前很少有報道.本文通過聚酰胺在自然環境中曝曬實驗,對老化材料進行力學性能、表面形貌進行分析,探討了環境濕度對聚酰胺力學性能的影響以及玻璃纖維的加入對材料老化性能的影響，并對其老化性能進行了預測。

2.驗部分

2.1.驗材料

采用神馬尼龍工程塑料有限責任公司提供的尼龍66(PA66)樹脂，牌號為 EPR27為原生料，牌號為2730G為含30%玻璃纖維的PA66。按照GB/T1040 制成啞鈴形標準拉伸樣條[9]。

2.2.驗方法

本實驗為自然曝曬實驗，暴曬地點在武漢曝曬實驗站。試樣按照 GB/T3681《塑料大氣暴露試驗方法》[10]和 GB/T17603《光解性塑料戶外暴露試驗方法》[11]，戶外朝南 45°暴露角 ,試樣架采用鋁合金無背板框架。采取同時掛樣、分批取樣的方式投放和回收試樣,試樣投放時間為2005 年4月, 取樣周期分別為1，3，6，12，18，24，30 個月。

2.3.料表征方法

吸水率實驗參照 GB/T1462[12]，將待試樣條放入 50℃烘箱中,干燥24h后移至干燥器中冷卻至室溫,取出后隨即測定其質量 m0；老化實驗完成后稱取質量 m1(戶外樣取回后用無水乙醇清洗表面 ,待乙醇揮發后稱重)。吸水率為：

力學性能實驗采用 1341 型電液伺服實驗機(英國,INSTRON公司),按照 GB/T 1040[9]進行力學性能測試,拉伸速度為5mm/min。樣品的掃描電鏡圖采用 QUANTA 200 掃描電子顯微鏡(荷蘭,FEI公司),掃描前先噴涂一層 8～10nm 的金膜。

3.果與討論

3.1.然暴曬實驗

3.1.1.學性能

圖 1給出了PA66曝曬點自然曝曬30個月的拉伸強度變化。從圖1可以看出EPR27和2730G材料的拉伸強度變化規律基本相同，但曝曬同樣時間后2730G材料的拉伸強度高于EPR27材料，說明2730G材料在自然環境中的老化速度慢于EPR27材料，玻璃纖維的加入使得PA66力學性能得到提高，減緩了材料的老化。PA66的拉伸強度在曝曬初期(2個月內)均有較大幅度的下降。隨著老化時間的延長,材料拉伸強度變化幅度趨緩，但在6個月和24個月時材料出現了力學性能回升的現象，此后再次出現下降的趨勢。

圖2 是PA66樣品曝曬24個月的材料吸水率與老化時間的關系。比較圖1和圖 2 發現 ,材料的力學性能變化和材料的吸水率變化對應，環境濕度越大 ,材料吸水率越高 ,相應力學性能下降越大,反之下降就小。在6個月和24個月時材料吸水率有所降低，而材料的拉伸強度卻有所回升。表明材料力學性能下降與環境濕度密切相關。而2730G比EPR吸水率要低，說明玻璃纖維在一定程度上阻止了水分子進入材料，從而減緩了材料老化速度。Dlubek[13]等以PA6 材料為研究對象,采用正電子湮沒技術研究PA6的表觀自由體積與環境濕度的關系,得出過相似的結論:當環境濕度介于低濕度或中等濕度時,水起到了去塑性的作用;但當環境濕度較大時,水更多會表現出增塑作用。聚酰胺屬于極性高分子材料,含有較強的極性基團—NH—CO—,對水分子有很強的親和性 ,環境中的水分會通過氫鍵的作用 ,滲入聚酰胺分子內. 因此 ,推測是由于環境中的水分子與 PA66 的作用導致了材料力學性能的變化。當吸水率較低時 ,水分只會在酰胺基團的分子間形成氫鍵 ,該氫鍵可以保持較高的鍵能 ,因而不會表現出力學性能的顯著變化 ,會出現力學性能少量回升的現象. 當吸水率較大時 ,水分子可能不僅在分子間形成氫鍵 ,甚至會與已經形成氫鍵的氨基或羰基分子繼續形成氫鍵 ,反而降低了分子間的氫鍵作用力 , 導致力學性能下降。

3.1.2.面形貌

表1.PR拉伸強度預測結果

表2.730G拉伸強度預測結果

圖3、圖4為 EPR和2730G在自然曝曬 24個月后表面形貌的掃描電鏡圖片. 從圖3中可以看出未曝曬的EPR原始樣表面很平整，無任何裂紋，隨著曝曬時間延長，材料表面出現裂紋并逐漸增多，同時加大加深，曝曬兩年后，材料表面已全無平整處。圖4中，2730G材料的原始樣表面也較平整，看不到明顯的玻璃纖維，隨曝曬時間延長，表面開始出現裂紋并逐漸增多，老化一年后材料內部的玻璃纖維開始暴露在表面，并隨著裂紋的加大加深表面的玻璃纖維開始脫落。

3.2.化性能預測

由于老化機理的復雜性, 目前還難于直接研究各種老化原因引起的性能變化, 而是通過試驗數據來加以分析研究。自然老化試驗仍是目前最重要和最可靠的老化試驗方法，但這種方法最費時間，同時也相當昂貴，獲得的試驗數據也很有限。通過模型預測我們可以預計出材料的使用壽命，為工程中材料的使用奠定了良好的基礎，因此對材料進行老化性能預測是十分重要的。

以下通過灰理論GM (1, 1)模型對PA66的自然老化力學性能預測，預測結果見表1，表2.

從表1中可以看出，本文對拉伸強度7個數據建立GM（1，1）模型，其擬合最大相對誤差為13.37%，平均相對誤差為3.81%，預測精度是相當好的。

4.論

聚酰胺在自然環境中力學性能下降，并且表面產生大量老化裂紋。環境濕度是聚酰胺老化的重要環境因子，相對濕度越大，聚酰胺材料的吸水率越高，力學性能下降越大；后期由于濕度的減小，力學性能有一定程度的回升。老化后聚酰胺表面出現不同程度的裂紋和脫落，并隨老化時間的延長逐漸加劇。2730G和EPR27在各典型自然環境中老化行為相似，但2730G明顯比EPR27更耐自然環境老化，表現為吸水率更低，力學性能強度更高。

通過采用灰色預測GM (1, 1)模型對塑料自然老化力學性能的預測能較真實的預測聚酰胺實際老化狀況，很適合應用于老化性能研究，其方法可推廣于類似的問題上。在今后的研究中，可利用灰色預測GM（1，n）模型對塑料老化性能與環境因素進行灰關聯分析，進一步得到塑料老化性能與其影響因素之間的相互關系，借此可以預測不同材料在不同環境下的老化狀況，這對工程材料的應用具有極其深遠的意義。

[1] 鄧如生 ,魏運生 ,陳步寧. 聚酰胺樹脂及其應用[ M ].北京:化學工業出版社 ,2002.

[2] 彭治漢 ,施祖培. 塑料工業手冊[ M ]. 北京:化學工業出版社 ,2001.

[3] Pavlov N N, Kudryavtseva G A, Abramova I M,et al. Physical Transformations and Change in Mechanical Properties on

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[4]Margolin A L, Postnikov L M, Shlyapintokh V Y.The Mechanism of Photochemical Ageing of Aliphatic Polyamides [J ].Polymer

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[5]Razumovskii L P, Zaikov G E.Determination of TheSolubility and Diffusion Coefficients of Water in Aliphatic Polyamides as A Step to Studying Their Hydrolytic Stability [J]. Polymer Degradation and Stability,1985 ,12 (1) :1212.

[6] Pavlov N N , Kudrjavt seva G A , Abramova I M ,et al .Structural and Chemical Changes in Alip hatic Polyamides During Artificial Ageing[J]. Polymer Degradation and Stability ,1989 ,24 (4) :389-397.

[7] Kuzovleva O Y, Kabal’nova L Y, Yarysheva L M, etal.Ageing of Polyamide Film Materials in Response to the Combined Action of Environmental Factors-Raised Temperatures and Moist Air[J].Polymer Science USSR ,1988 ,30 (1):60-66.

[8]Thomas S N,Hridayanathan C.The Effect of Natural Sunlight on the Strength of Polyamide 6 Multifilament and Monofilament Fishing Net Materials[J].Fisheries Research,2006 ,81 :326-330.

[9]黃尚元. GB/ T 1040-1992 塑料拉伸性能試驗方法[ S].北京:中國標準出版社 ,1993.

[10] 鐘慶明 ,楊典.GB/T3681-2000 塑料大氣曝露試驗方法[S]. 北京:中國標準出版社 ,2000.

[11]曾新.GB/T17603-1998. 光解性塑料戶外曝露試驗方法[S].北京:中國標準出版社 ,1998.

[12]翟全勝,葉宏軍,劉俊仙. GB/T 1462-2005 纖維增強塑料吸水性試驗方法 [S].北京:中國標準出社 ,2005.

[13]Dlubek G, Redmann F, Krause-Rehberg R. Humidity-Induced Plasticization and Antiplasticization of Polyamide 6 : A Positron Lifetime Study of the Local Free Volume [J].Journal of Applied Polymer Science 2002 ,84 (2) :244-255.

Study on Natral Aging Property and Prediction of PA66 and Glass Fiber Composite Materials

We had performed the experiments of natural aging of PA66 and PA66/GF in Wuhan for two and a half years.As the aging time growth,the water absorption of polyamide materials is increasing,while mechanical properties are decreasing with varying degrees of surface cracks.By comparison of the tests,we found that humidity had an effect on the mechanical properties of polyamide changes.The greater the humidity, the faster the decline in mechanical properties;After adding glass fiber into polyamide,the aging behavior of materials can be slowed down.The prediction of mechanical properties of natural aging is of importance to the improvement of plastic products.

polyamide；glass fiber；humidity；mechanical property；grey prediction

李閩，1986年2月出生，武漢大學在讀博士，主要研究方向為高分子老化及導電聚合物的研究。