增强PA6材料的吸湿行为研究

高炜丽，刘金，张宇，诸泉，蒋文真

(广州市合诚化学有限公司，广东 广州 510530)

摘 要：聚酰胺是一种极易吸湿的材料，其吸湿行为又与样品的形状、厚度以及外界环境有关。本文主要研究了不同厚度的30％玻纤增强PA6材料在不同环境下吸湿率与处理时间的关系；并考察了不同吸湿率状态下，随着吸湿率提高，材料的拉伸强度呈线性降低，缺口冲击强度呈线性增加的变化情况。

关键词：吸湿行为；拉伸强度；冲击强度

中图分类号：TQ342+．11 文献标识码：A 文章编号：1001—9677(2013)12—0105—03

Study on M oisture Absorption Behavior of

Glass Fiber Reinforced PA6 Composites

GA0 Wei—li，LIU Jin，ZHANG Yu，ZHU I? n，JIANG Wen—zhen

(Guangzhou Honsea Chemistry Co．，Ltd．，Guangdong Guangzhou 510530，China)

Abstract：Polyamide(PA6)was a hygroscopic material and its hygroscopic behavior was sample thickness，temperature and humidity dependent．The relationships between dealing time and water absorption of glass fiber—reinforced PA6 with diferent thickness at different temperatures and humidity were investigated．The influence of moisture absorption on mechanical properties was also investigated． Th e results showed that the tensile strength decreased linearly while the notched impact strength increased linearly with the increase of moisture absorption．

Key words：hygroscopic behavior；tensile strength；impact strength

聚酰胺俗名尼龙。它结晶度高，熔点明显；表面硬度大，耐磨耗，具有自润滑性和消音性；机械性能优异，同时具有良好的化学稳定性，耐溶剂、耐烃类油，但不耐酸。聚酰胺分子链中的酰胺基团容易与水形成氢键，故易吸湿，且吸湿率高，吸入水分会影响制品尺寸稳定性和电性能，但也会提高材料的韧性。通过玻纤增强，可大幅提高材料的机械力学性能，使比强度高于一般金属，并可改善负荷下的蠕变性能，降低吸水率，改善尺寸稳定性，使其可长期在高温高湿的环境下工作。基于聚酰胺以上特性，改性聚酰胺材料被广泛用于汽车，家具，建筑等领域。

以玻纤增强聚酰胺6(PA6)为例，GF—PA6材料广泛应用于汽车，家具，工具等行业。在实际应用中，为了更好地模拟材料的实际使用状态和稳定制件尺寸，都会对最终制成品进行调湿处理，通过调湿处理后，材料的冲击强度增加，拉伸强度降低，赋予制件更好韧性的同时，制件尺寸也得到稳定 。我们知道，聚酰胺材料吸湿速率和饱和吸湿率分别与制件厚度，处理的环境(包括温度、湿度)有关，为了合理进行尼龙制件的吸湿处理，有必要对尼龙材料的吸湿行为做相关研究。

本文将主要研究不同厚度PA6一GF30材料制品在标准环境(23 oC，50％RH)和特定环境(90 ℃热水)下材料的吸湿行为，并研究材料在不同吸湿状态下，其拉伸强度和冲击强度的变化。

1 实验部分

1．1 主要原料及设备

PA6一GF30：B26SH (HONSEA)；双螺杆挤出机(TE一40型)，CTE75 Copefion科亚；电子万能试验机(CMT4204)，深圳新三思；悬臂梁冲击试验机，Zwick／Roell HIT25P；称重器，Sartorius BS224S。

1．2 试样制备

使用双螺杆挤出机挤出造粒得到30％玻纤增强PA6材料(B26SH)。挤出产品在110 oC干燥3 h后，在宁波海天塑机上制成符合ISO测试标准的测试样条以及各种厚度标准样条。将一部分标准样条放人设定为标准状态(23 oC，50％RH)的空问进行调湿处理，通过样条吸湿前后重量差计算吸湿率，记录处理时间与吸湿率的关系；将另一部分样条放入90℃ 热水中处理，通过样条吸湿前后重量差计算吸湿率，记录处理时间与吸湿率的关系。对具有不同吸湿率的ISO标准测试样条做拉伸和冲击性能测试

1。3 性能测试

IZOD冲击强度：按照ISO 180测定，测试条件23℃ 。

拉伸强度：按照ISO527测定，测试条件10 mm／min。

2 结果与讨论

2．1 不同厚度、不同环境对增强PA6材料吸湿速率的影响

尼龙是一种高吸湿的树脂，PA6树脂的饱和吸湿率为9．5％ ±0．5％ ；随着玻纤的增加，增强尼龙材料的饱和吸湿率会逐渐下降。加入30％玻纤的PA6增强材料，其饱和吸湿率会降低到3．0％ 以内。有研究表明PA6一GF30在23 oC，50％ 相对湿度的条件下放置一年以上，吸湿率也只达到1．5％_9J。从图1可知，本实验中，由B26SH制得的不同厚度制件在放置40天之后，吸湿量有很大差别，归结于水分在材料中的扩散系数与制件厚度有较大关系(见表1)。对于厚度为1 mm的标准样条，吸水率与时间之间的关系通过指数曲线拟合为：

Y = -1．31×e-X/9.72+1．4

式中：Y—— 吸水率，％

x—— 吸湿时间，天

从拟合曲线来看，厚度为1 mm的标准样条在前期吸湿速率非常快，在大约1个月后，吸湿速度就明显趋向缓慢，根据拟合公式计算，厚度为1 mm的标准样条的平衡吸湿率大约为1．4％ ，这一点和前面的研究结果相近。但是，对于其他厚度的标准样条，随着样条厚度增加，吸湿速率明显降低，而且，从不同厚度样条的拟合公式计算，不同厚度样条的平衡吸湿率分别为：0．79％ (2 mm)，0．58％(3 mm)，0．52％ (4 mm)和0．31％(6 mm)。显然，这与其他实验结果不符：一般来说，对于PA6一GF30材料，不管制品厚度，在23 oC，50％相对湿度下的平衡吸湿率都相近，大约为1．5％ 。这归结为本实验仅仅根据40天的吸湿数据进行模拟，较厚制件的吸湿速率偏慢，数据点太少导致拟合曲线偏离实际严重。尽管如此，在实际应用中，制品的调湿周期多控制在1个月以内，本实验结果有助于了解不同厚度制品在1～2个月内的吸湿行为。

从图2可知，相比23℃ ，50％相对湿度，在90℃水中处理标准样条的吸湿速度非常快。经过7 h热水处理，1 mm厚的样条吸湿率达到约2．9％ ，厚度为6 mm的样条吸湿率也达到了0．55％ 。很明显，厚度越薄，吸湿速率越大，也会更快达到平衡点；热水处理使不同厚度样条吸湿速率之间的差距进一步扩大。图2可以指导生产中使用热水处理PA6一GF30制件时，不同厚度制件达到一定吸湿率需要的时间。

2．2 B26SH的力学性能与吸湿率的关系

图3、图4分别是B26SH的拉伸强度和Izod缺口冲击强度与材料吸湿率之间的关系。我们知道，聚酰胺材料吸湿后，由于树脂基体与水分子形成氢键，使得水分子如同增塑剂一样，提高了聚酰胺分子链段的活动能力，玻璃化转变温度降低，材料的强度会降低，冲击韧性则会得到提高。图3也显示B26SH随着吸湿率提高，拉伸强度显著降低，材料未吸湿时拉伸强度为172 MPa，当吸湿率为1％时，拉伸强度就降低到149 MPa，将拉伸强度数据进行线性拟合，得到公式：

Y =172—21．8X

式中：Y——拉伸强度，MPa

X—— 吸湿率，％

图4显示，B26SH的缺口冲击强度随吸湿率增加而显著增加，材料未吸湿时缺口冲击强度仅仅为14 kJ／m ，吸湿率为2．8％时，缺口冲击强度达到32 kJ／m ，是未吸湿时缺口冲击强度的2．28倍。将缺口冲击强度数据进行线性拟合，得到公式：

Y =14+6．24X

式中：Y——缺口冲击强度，kJ／m

x—— 吸湿率，％

3 结论

(1)B26SH材料易于自然吸湿，材料厚度越薄，环境温度越高、湿度越大，吸湿速度越快。B26SH材料在23℃ ，50％相对湿度下的平衡吸湿率约为1．4％ 。

(2)B26SH材料吸湿后，拉伸强度显著下降，当吸湿率为3％时，拉伸强度降低至干态强度的62％ ；材料吸湿后，缺口冲击强度显著提高，当吸湿率为2．8％ 时，缺口冲击强度提高至干态的2．3倍。

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