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。 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.
李淑莹,丁慧敏,国鸽,高华春,张丽丽
长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司,吉林 长春
收稿日期:2020年3月29日;录用日期:2020年4月14日;发布日期:2020年4月21日
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。
关键词 :尼龙PA6,含水率,环境温度/湿度,缺口冲击强度
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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 [
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。
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 = ( m 2 − m 1 ) / m 1 x 100 % (1)
式中:Wp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)。
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。
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。
检测项目 | 检测设备 | 设备型号 | 检测标准 |
---|---|---|---|
缺口冲击强度–室温 | Zwick冲击试验机 | HIT5.5 | DINENISO 179-1eA |
缺口冲击强度–(−30℃) | Zwick冲击试验机 | HIT5.5 | DINENISO 179-1eA |
表1. 试验项目及检测标准
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 [
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 [
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 [
图2. PA6分子结构示意图
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。
图3. 样条环境温湿度监控表
图4. PA6-GF15样条不同环境温度湿度条件下含水率变化
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。
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
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。
李淑莹,丁慧敏,国 鸽,高华春,张丽丽. 环境温湿度变化对PA6-GF15韧性影响Investigation on Environmental Change to PA6-GF15 Toughness Property[J]. 应用物理, 2020, 10(04): 257-261. https://doi.org/10.12677/APP.2020.104032