許齊勇，龐承煥，李衛(wèi)領(lǐng)，吳博

(1.金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心,廣東廣州 510663；2.國高材高分子材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司,廣東廣州 510663；3.塑料改性與加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510663)

0 引言

伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高分子材料在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，也推動(dòng)了汽車的輕量化發(fā)展，有效減少了燃料消耗和排氣污染。其中，改性尼龍材料主要應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件和冷卻系統(tǒng)，包括水泵、散熱器支架、加熱箱和冷卻系統(tǒng)連接管路等，需耐受長期熱環(huán)境和復(fù)雜化學(xué)品的侵蝕。加熱和冷卻系統(tǒng)中用到的尼龍經(jīng)常要接觸乙二醇冷卻液。尼龍對(duì)乙二醇的相對(duì)惰性使尼龍?jiān)谶@方面的應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)。部分專門設(shè)計(jì)的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍品種，可以在相對(duì)較高的溫度下防凍劑環(huán)境中仍能較好地保持其物理強(qiáng)度。但與此同時(shí)，尼龍本身的酰胺結(jié)構(gòu)具有親水性，因此，有必要對(duì)樣品進(jìn)行高溫下冷卻液浸泡老化測(cè)試，以確定其使用安全性。

目前，研究人員對(duì)于尼龍耐冷卻液性能的研究一般采用模型化的方法，即研究尼龍材料在水或乙二醇中的老化性能，與實(shí)際應(yīng)用工況存在一定偏差。本文作者采用市售乙二醇冷卻液進(jìn)行尼龍材料的耐老化性能研究，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品及試劑

樣品采用4種尼龍樣品，試劑選擇汽車?yán)鋮s液。

1.2 儀器及設(shè)備

IAT-216精密換氣老化箱，Zwick/Z005萬能試驗(yàn)機(jī)，Zwick/HIT5.5P數(shù)顯沖擊測(cè)試儀，S-3400 N掃描電鏡。

1.3 材料老化測(cè)試方法

將4種不同的尼龍彎曲和沖擊樣條，放入裝有汽車?yán)鋮s液的裝置中，再放入125 ℃老化烘箱中進(jìn)行老化測(cè)試。分別在老化120、240、360、480和1 008 h后將樣品取出，并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[(23±2) ℃，(50±5)%]中調(diào)節(jié)48 h后，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試方法

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9341—2008進(jìn)行老化樣品的彎曲性能測(cè)試，彎曲速度為2 mm/min，跨距為64 mm。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1043.1—2008進(jìn)行老化樣品的簡支梁缺口沖擊性能測(cè)試，擺錘能量為2.0 J，跨距為62 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲性能變化規(guī)律

圖1為4種尼龍材料彎曲強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律圖。

圖1 4種尼龍材料彎曲強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律

由圖1可知，在老化時(shí)間為120 h時(shí)，各樣品的彎曲強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯驟降，這是因?yàn)槟猃埐牧衔髮?dǎo)致的。在老化時(shí)間介于120～1 008 h之間時(shí)，樣品的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，該現(xiàn)象表明，各尼龍樣品在老化時(shí)間為120 h時(shí)，已經(jīng)達(dá)到吸水飽和(樣品尺寸基本穩(wěn)定，未再發(fā)生明顯的吸水膨脹)，隨老化時(shí)間的繼續(xù)延長，樣品逐漸出現(xiàn)降解，故此時(shí)的彎曲強(qiáng)度緩慢下降。當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到1 008 h時(shí)，各樣品的性能保持率均已低于初始強(qiáng)度的40%。

圖2為4種尼龍材料彎曲模量隨老化時(shí)間的變化規(guī)律圖。

圖2 4種尼龍材料彎曲模量隨老化時(shí)間的變化規(guī)律

由圖2可知，各樣品均在老化時(shí)間為120 h時(shí)，便出現(xiàn)了明顯的彎曲模量下降(下降幅度均超過40%)。此時(shí)彎曲模量的變化，主要與尼龍材料發(fā)生吸水后，材料自身內(nèi)應(yīng)力降低，分子取向趨于自然，脆性消除有關(guān)。而后材料的結(jié)晶和解晶過程逐漸達(dá)到平衡，并在高溫和溶劑作用下，逐步老化，性能衰減。

2.2 沖擊性能變化規(guī)律

圖3為4種尼龍材料簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律圖。

圖3 4種尼龍材料簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律

由圖3可知，各樣品均在老化時(shí)間為120 h時(shí)，達(dá)到了沖擊強(qiáng)度的最高值。因尼龍樣品本身較脆，故未經(jīng)汽車?yán)鋮s液浸泡的樣品，沖擊強(qiáng)度較差。經(jīng)過一段時(shí)間浸泡后，尼龍樣品充分吸水，樣品內(nèi)部大分子取向和結(jié)晶趨于穩(wěn)定，此時(shí)韌性最佳，獲得的缺口沖擊強(qiáng)度最大。進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行老化，尼龍材料在高溫冷卻液的浸泡下，逐步發(fā)生降解，導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度下降，直至材料失效。

2.3 彎曲樣條斷面SEM分析

圖4為材料3在不同老化時(shí)間下的彎曲樣品斷面SEM照片，從圖中可以看出，未老化的樣品，玻纖和基體樹脂之間的黏結(jié)良好，斷面的玻纖表面覆蓋了較多基體樹脂，此時(shí)樣品的彎曲強(qiáng)度較高。當(dāng)老化時(shí)間為120～480 h時(shí)，斷面的玻纖和樹脂的黏結(jié)效果變差，玻纖表面比較光滑，較少有樹脂的覆蓋。當(dāng)老化時(shí)間為1 008 h時(shí)，斷面的玻纖和樹脂明顯分離，且樹脂斷面較為光滑，可能與尼龍基體的降解有關(guān)。

圖4 材料3在不同老化時(shí)間下的彎曲樣品斷面SEM照片

3 結(jié)論

(1)4種尼龍材料在不同老化時(shí)間下，彎曲強(qiáng)度逐漸下降，且老化120 h時(shí)的彎曲強(qiáng)度下降幅度最大。

(2)4種尼龍材料在不同老化時(shí)間下的簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度逐漸降低呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且沖擊強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在老化時(shí)間為120 h時(shí)。這是因?yàn)槟猃埐牧显诶鋮s液中進(jìn)行老化時(shí)，首先發(fā)生吸水，材料韌性提高，而后發(fā)生老化降解，沖擊強(qiáng)度降低。

(3)不同老化時(shí)間下的彎曲樣品斷面SEM照片表明，尼龍材料在汽車?yán)鋮s液中進(jìn)行高溫老化時(shí)，首先是尼龍的吸水導(dǎo)致基體樹脂與玻纖的黏結(jié)作用變?nèi)?，而后發(fā)生樹脂的降解，導(dǎo)致樣品的彎曲強(qiáng)度逐漸降低。