环境温湿度变化对PA6-GF15韧性影响

Investigation on Environmental Change to PA6-GF15 Toughness Property

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。

$W_p=\left(m_2-m_1\right)/m_{1}x100\%$ (1)

式中：W_p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和图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。