技术分享 | 吸水率对工程塑料PA，PBT，PPE，PC力学性能影响研究
工程塑料作为一种重要的结构材料，一直以来，其改性和性能影响因素都是研究的重点。而在塑料产品的力学性能中，力学性能测试结果受环境温度和湿度影响较大，这些因素能引起塑料分子量、分子构型、物理态(分子链运动)等的变化。本文重点关注了吸水率对PA等四种工程塑料力学性能方面的影响，探究了吸水率对结晶材料PA，PBT与非结晶材料PPE，PC力学性能的影响的差异，并通过比较相同吸水率时力学性能的平均改变量，对两类材料间吸水率的影响程度进行了比较。
实验部分
1.1 样条制备
将塑料粒子在120℃烘箱中加热预烘8h后取出，立即采用注塑机及国标标准试样模具，设置合适的成型工艺条件，得到GB力学性能标准试样，并在温度为(23±2)℃、湿度为(50±5)%的条件下调节24h。
弯曲试验样条尺寸:80mm×10mm×4mm;
拉伸试验样条尺寸:170mm×10mm×4mm;ⅠA哑铃型试样，总长170mm。
缺口冲击样条尺寸:80mm×8mm×4mm;缺口类型为A缺口。
1.2 吸水处理
以调节后无处理的原始试样为基准，采用水浸泡，水煮，湿热老化方式得到8种状态下样品不同的吸水率。实验处理条件及编号如表1所示。
表1 四种工程塑料的吸水率实验处理条件
根据处理前后试样的质量差计算出样条的相对吸水率
结果与讨论
2.1 吸水率对材料力学性能的影响
对样条进行力学性能测试。表2～表4分别列出了四种材料拉伸强度、拉伸模量；弯曲强度、弯曲模量；冲击强度随吸水率变化的实验数据。
表2 材料拉伸强度和拉伸模量随吸水率的变化
表3 材料弯曲强度和弯曲模量随吸水率的变化
表4 材料冲击强度随吸水率的变化
对表2～表4实验数据进行分析比较后发现，在相同的处理条件下，同种材料弯曲样条和缺口冲击样条的吸水率比拉伸样条的吸水率大，这是由于拉伸样条的比表面积较小、结构较复杂造成的。PBT力学性能随吸水率的变化很小，拉伸强度，拉伸模量，弯曲强度和弯曲模量随吸水率的增加仅稍微下降，且规律性较弱。主要是由于其分子结构对称，无强极性基团，是一种高耐热和低吸水率的结晶型塑料。而同条件下PA的吸水率远远大于其它三种材料。在处理条件2时，PA吸水率是PBT和PPE的10倍，PC的6倍。在处理条件8时，PA吸水率是PBT和PPE的近20倍，PC的近10倍。
图1 吸水率对PA力学性能的影响
图2 吸水率对PA、PC冲击强度的影响
如图1，随着材料吸水率的增加，PA拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量下降趋势明显，而缺口冲击强度随着吸水率的增加而增大(如图2)。这与PA大分子结构中含有亲水性的酰胺基有关。当材料含有水分后，分子链段中的一部分羰基与氨基中的氢脱离，与水分子形成氢键，使材料的分子量和结晶度下降，导致材料的弯曲强度和拉伸强度下降。结晶度越低，材料的无定形部分含量高，材料的韧性就越高，所以缺口冲击强度随着材料吸水量的增加而增大。
图3 吸水率对PC力学性能的影响
从图3中可明显看出，PC拉伸强度，弯曲强度、弯曲模量和冲击强度随吸水率的增加呈两条无规律趋势，其中，拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量处于上方的四个点是经过高温吸水处理后样条的测试数据，明显高于下方的四个点，即常温下处理的样条的测试数据，而冲击强度则相反，如图2，常温处理的样条明显大于高温处理样条。我们知道，塑料在注塑成型过程中，由于在模腔内冷却速率不一致，容易产生不均匀的结晶、取向和收缩，使制品存在内应力。对材料进行水煮和湿热老化处理后，由于PC材料对温度比较敏感，其大分子链得到松弛，取向的大分子进行构象重排，微观缺陷得到改善，提高了相对结晶度。此时构象重排的影响大于水分子的增塑作用，导致冲击强度快速下降，拉伸强度、弯曲强度均有所增加。
PPE是一种优良的耐水耐高温材料，但从实验结果来看，未经过任何处理的样条拉伸强度，拉伸模量和弯曲强度要高于经过吸水处理的样条，这与注塑后大分子链冻结，而少量体积小、活动性强的水分子的渗入为分子链段运动提供了自由体积，致使材料的刚度减弱有关。而经过不同处理得到的吸水率不同的样条，其力学性能几乎没有变化。
2.2 不同材料的力学性能受吸水率影响的比较
对实验数据进行线性拟合，根据拟合曲线计算出吸水率为0.1%和1%时，材料力学性能的保持率，具体数据见表5。相同吸水率时，PA材料与PPE材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量保持率相当，0.1%吸水率时均在98.0%～98.6%范围内，1%吸水率时大约在80%～85%之间。0.1%吸水率的PBT拉伸和拉伸性能保持率均达到97%～98%，1%吸水率其保持率仅70%左右。PPE吸水后拉伸模量降低的幅度较大，这与少量水分的渗入作为增塑剂使其韧性增加有关。1%吸水率时PA缺口冲击强度提高约40%，PBT和PPE增加量很小，仅为0.3%。
表5 材料力学性能随吸水率的变化
将吸水率变化0.01%时，材料力学性能的平均改变量进行分析，具体数据如表6所示，从表6可知，吸水率每改变0.01%的量，PBT拉伸强度，拉伸模量，弯曲强度的平均改变量分别为0.341MPa，35.73MPa，0.569MPa，大于PA和PPE材料。0.01%吸水率对PBT、PPE的缺口冲击强度的改变量比较接近，为0.003kJ/m2，PA为0.077kJ/m2。介于PBT和PPE的平衡吸水率仅为0.2%左右，而PA材料平衡吸水率高达3.5%，所以，在实际生产和测试中，我们应多关注吸水率对PA材料性能带来的影响。
表6 吸水率为0.01%时材料力学性能的变化
结论
(1)在同样的处理条件下，PA吸水率远远大于PC材料，且PC吸水率大于PPE和PBT材料。
(2)随着材料吸水率的增加，PA拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量下降趋势明显，而缺口冲击强度随着吸水率的增加而增大，且其变化呈现较好的规律性。PBT随吸水率的增加其力学性能呈现小幅度波动且规律性较差。PC对处理温度敏感，高温处理过的样条其冲击强度快速下降，拉伸强度和弯曲强度均有所增加。PPE耐水性和耐热性能优异，但含有少量水分时，样条的拉伸强度，拉伸模量和弯曲强度稍有减弱，而随着水分的增加，力学性能几乎不再变化。
(3)通过随吸水率变化各材料力学性能的变化及不同材料的力学性能受吸水率影响的比较，发现吸水率对结晶材料PA，PBT和非结晶材料PPE，PC力学性能并没有有规律的影响，即吸水率对材料力学性能的影响与其是否为结晶材料或非结晶材料没有直接的关系。
