湿度对高分子材料机械性能的影响

湿度对高分子材料机械性能的影响

王贵华

深圳市富程威科技有限公司广东深圳518000

摘要：湿度是影响高分子材料机械性能的重要因素之一。本文综述了湿度对尼龙、环氧树脂及高分子复合材料机械性能的影响，有助于了解材料在使用过程中可能出现的问题。结果表明湿度影响高分子材料主要通过渗透到吸收这个过程，湿度对不同高分子材料产生的影响与材料的结构与应用有关。

关键词：湿度对高分子材料；机械性能；影响

1导言

高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于内外因素的综合影响，逐步发生物理化学性质变化，物理机械性能下降，以致最后丧失使用价值，这一过程称为“老化”。高分子材料的老化缩短了制品的使用寿命，并影响制品使用的经济性和环保性，限制了制品的应用范围。从材料性能方面讲，一般的高分子材料对环境因素较为敏感，在不同的环境因素和使用条件下其性能会发生一定的变化，在长时间的作用下材料会老化。影响高分子材料老化的主要环境因素有太阳辐照、温度和水。这些环境因素独立或共同影响高分子材料的性能并决定他们的服役寿命。近年湿度对高分子材料的影响来受到特别的关注，其背景之一是在微电子和微机电领域中湿度因素对器件的可靠性的影响，如引起材料膨胀变形、引起开黏开裂、引起应力集中等;背景之二是高分子材料在工程应用中的老化问题，老化会降低高分子材料的性能。

湿度对高分子材料性能的作用主要是渗透到吸收的过程。目前，关于湿度对高分子材料结构、力学性能影响的研究主要有两方面，一方面研究湿度引起的膨胀导致的材料变形及残余应力，包括用本构或数值模拟的方法研究湿度的渗透、扩散和水分含量不均匀所导致的结构应力和界面应力;另一方面研究湿度与温度对高分子材料物理特性的影响，如对强度、密度、模量、寿命等物理性能的影响。环境湿度对高分子材料机械性能的影响是显著的。通常可以吸收水分的高分子材料为极性材料，这些材料通常能够形成一些种类的键，这种键极有可能是氢键，尼龙等材料就是这种材料。从另一个方面来说，水分对聚乙烯或聚四氟乙烯不起任何作用，这些高分子材料的性能对于环境湿度的改变几乎是惰性的。

2湿度对尼龙机械性能的影响

尼龙材料是一种具有较好物理性能与机械性能的有高的半晶状的热塑性塑料，并应用于很多工业中。同时，所有的尼龙都具有吸湿性(湿度敏感)，这个因素在材料的选择、塑料件的设计、机械性能的预测和优化等环节时需要重视。对尼龙66吸湿性能进行了广泛研究，发现尼龙66的硬度与吸收水分量成简单的线性关系，并以此确定水分对尼龙的润滑作用主要取决于尼龙薄表层的塑化。Rubenstein提出聚合物的塑化发生于两个极端的条件:剪切强度的减少和高分子材料接触其他表面时接触面积的增加。他建议该区域面积的增加对润滑作用减弱起到巨大作用。然而Cohen提出并不是总是如此，短时间摩擦力主要由增塑层剪切强度的减少决定。湿度与温度的实验表明吸收水分可增加纯树脂与玻璃纤维增强尼龙6/12的冲击强度。对于经过湿热循环且每次循环后都烘干的玻璃纤维增强尼龙样品，其冲击强度没有明显变化。增加湿热循环次数有可能对这些材料的冲击强度产生影响。水解作用可以明显增加尼龙的韧性，相反的水分的缺失会导致尼龙材料变脆。发现水解会扩大表面缺陷并影响纤维与基体的界面。他指出表面缺陷的扩大以及纤维－基体界面的退化导致冲击性能降低。认为尼龙中的酰胺键的水解对于尼龙简化合成是逆反应。重复的吸湿与干燥会产生足够的缺陷来抵消较弱的纤维－基体结合导致的优势。高温加速尼龙的水解作用，并已经应用于加速老化试验研究中。同时，尼龙吸湿后，温度不是单一增加老化速率的因素，但温度的增加会增加这个速率。

3湿度对环氧树脂机械性能的影响

环氧树脂是一种高交联非晶态聚合物，应用于电源变压器的绝缘，开关设计，旋转电机等方面。但是环氧材料如果长期处处于潮湿环境或水中，尤其是当环境温湿度较高(如湿度＞95%RH、温度为50～60℃的热带和亚热带的湿热气候环境)时，其性能会急剧下降，甚至失效，通常称为湿致性能劣化或破坏，简称湿致破坏，湿致破坏是影响环氧材料耐久性的主要因素之一。由于水分的吸收会导致材料产生重要的不可逆转的变化，因此环氧树脂对于湿度的敏感性应受到重视。光学显微镜与扫描电子显微镜显示环氧树脂的机械失效是由于裂纹细纹的扩展，而湿度加重了这个过程。受湿度影响，当极限应变不受到影响时，撕裂强度与杨氏模量减少。湿度通过选择性粘结水分子改变了断裂键在矩阵中的位置。通过DSC、TMA、动态机械性能与密度试验对气态、液态吸附数据的分析，结果显示网状结构中的稀释孔隙率以及亲水性位置的氢键可能是两种机制。特别是在高玻璃化转变温度体系，例如芳香胺固化的环氧树脂，氢键机制在吸附与增塑作用的重要性随着硬化剂浓度的增加而增加，但对于稀释机制没有那么重要。这些归因于类似于未反应氨基的亲水性网格数量的增加和较多的交联网格。虽然在较稠密交联网格中亲水性网格的数量较高，但水分扩散到有效自由体积的能力较低。

4湿度对高分子复合材料的影响

水分子影响复合材料主要有物理吸附和削弱甚至破坏化学键两方面。削弱与破坏化学键是可逆的，而物理吸附则随着温度的升高或高温时间的延长发生脱附。湿热老化是复合材料的主要老化形式。复合材料的性能受到湿热环境的影响，其树脂基体，复合材料的粘结界面与增强材料受到一定的破坏，进而发生转变;由于温度的升高产生了热应力损伤，并且受到湿度的影响，复合材料吸湿后结晶产生裂纹扩展与基体降解等不利因素。通过红外光谱分析证明，复合材料失效的主要原因是内部积聚的水泡并且由水分子导致的界面强度的降低，并不是分子链在湿热条件下的断裂。通过SEM观察复合材料吸湿后断面形貌，发现导致基体强度降低的因素是水进入复合材料导致的树脂基体发生溶胀，并且腐蚀性介质进一步破坏树脂基体，导致碎裂加剧，界面脱粘，进一步降低了复合材料的力学性能，甚至丧失。另外由于水渗入到界面上，促使了微裂纹的生长，使得SEM观察到的形貌发生变化。赵鹏等指出基体塑化产生的界面脱粘、缺陷及基体水解反应导致复合材料性能变化。

5结语

湿度影响高分子材料主要通过渗透到吸收这个过程。尼龙材料的吸湿性影响其在不同方面的应用，一定的水解作用可以增强尼龙材料的机械性能。环氧树脂在热带和亚热带的湿热气候环境下使用时，其性能会因湿度的影响而迅速下降，因此环氧树脂在设计使用时应重视其对于湿度的敏感性。湿度对复合材料性能的影响并不是因为在湿热条件下化学键的断裂，而是水分渗入复合材料影响基体与增强材料的界面，对复合材料机械性能造成影响。

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