浸入水中的聚酰胺蠕变行为

1 引言

聚酰胺是工程聚合物组中最常用的材料之一。它们表现出许多重要的材料特性，例如高强度、高温下良好的尺寸稳定性和高耐磨性，这使它们成为广泛行业的重要材料。例如，聚酰胺用于汽车和电子行业的结构部件，如水阀、离合器杠杆和断气接触器 [1, 2]。然而，众所周知，聚酰胺在潮湿或潮湿的环境中容易吸水。根据聚酰胺的类型，最多可以吸收 9 wt.-% 的水 [1]。水渗入聚合物的无定形相并削弱相邻酰胺基团之间的氢键。随着键的减弱，聚合物链的流动性增加，因此观察到刚度和玻璃化转变温度降低。此外，蠕变行为受到水分的强烈影响，因为大多数亲水聚合物的蠕变速率随着含水量的增加而显著增加 [3]。

因此，在设计由聚酰胺制成的结构部件时，准确评估湿度和温度对机械性能的影响非常重要。因此，需要通过在测试过程中建立代表性条件来了解材料在实际使用条件下的行为。对于蠕变加载，本研究通过使用时间高效的蠕变测试方法对浸入水中的聚酰胺 6 (PA 6) 试样进行蠕变测试来证明这一点。

在不同温度下对 PA 6 试样进行了一系列短期拉伸蠕变试验。通过应用时间-温度叠加 (TTS) 原理，在扩展的长期范围内建立了蠕变主曲线。这种蠕变行为的长期预测非常普遍，在一些出版物中使用和描述，例如在 Banik 等人的文章中。 [4]。

2 材料和方法

2.1 标本制备和调理

对于拉伸蠕变测试，使用标准 PA 6 的注塑哑铃试样。试样的肩部被移除以确保与测量几何形状的良好配合。所分析的 DMA 样品的尺寸为 30 mm/4 mm/2 mm (长/宽/厚)。为了在测试前提供定义和相等的湿饱和状态，所有样品在真空干燥室中在 80℃ 的温度下干燥两周，然后浸入 70℃的蒸馏水中两周。在此时间范围内可实现约 8 wt.-% 的完全饱和。本质上，可以确定限制聚合物应用的两个主要转变。一方面，这是非晶态热塑性塑料的玻璃化转变温度，另一方面，是半结晶态热塑性塑料的晶体结构的熔化温度m。确定耐热变形性的最重要的测量方法是维卡软化温度 VST(由 ISO 306 描述)和热变形温度 HDT (由 ISO 75-1 至 75-3 描述)。对于这两种方法，都是在一个确定的，恒定载荷(1)下将样品以确定的，恒定的升温速率加热。

2.2 仪表使用配备线性驱动器的安东帕模块化紧凑型流变仪 (MCR) 在拉伸模式下进行测量。使用实心矩形夹具 (SRF) 作为测量系统。为了在潮湿条件下进行测量，将 DMA 浸入套件安装在下部测量系统上。为了减少蒸馏水的蒸发，在浸泡套件的顶部放置了一个额外的盖板(图 1)。 图 1：浸水拉伸蠕变试验的试验装置 2.3 实验步骤将样品夹在 SRF 中，自由样品长度为 21 mm 后，浸入套件中充满蒸馏水并用盖板封闭。为了确保稳定的热条件，测量装置在对流温度装置 (CTD) 中加热到相应的测试温度 20 分钟。在 30℃、40℃、50℃、60℃ 和 70℃的温度下施加 2 MPa 的恒定蠕变载荷 90 分钟。

图 1：浸水拉伸蠕变试验的试验装置 2.3 实验步骤将样品夹在 SRF 中，自由样品长度为 21 mm 后，浸入套件中充满蒸馏水并用盖板封闭。为了确保稳定的热条件，测量装置在对流温度装置 (CTD) 中加热到相应的测试温度 20 分钟。在 30℃、40℃、50℃、60℃ 和 70℃的温度下施加 2 MPa 的恒定蠕变载荷 90 分钟。

3 结果与讨论

图 2 显示了所研究的 PA 6 在 30 至 70℃的各种测试温度下的蠕变应变曲线。由于强烈的蒸发，尤其是在较高的温度水平下，浸没池中的水位下降，因此样品在达到规定的 90 分钟测试时间之前就开始变干。通过图 2 中曲线的减小应变可以看到受影响试样的收缩。因此，有效曲线范围仅限于大约 85 分钟 (40℃)、30 分钟 (50℃) 的测试时间、25 分钟 (60℃) 和 20 分钟 (70℃)。

图 2：在 30 到 70℃的测试温度下，聚酰胺 6 在饱和湿态下的蠕变应变曲线在图 3 中描绘了在执行蠕变试验期间测得的温度曲线。

图 3：在 30 到 70℃的各种试验温度下蠕变试验的相应温度曲线得到的蠕变应变曲线可用于应用时间-温度叠加 (TTS)，以在 30℃的参考温度下生成主曲线。如图 4 所示，高温下的蠕变应变曲线被手动移向更长的加载时间以获得一致的重叠 - 由于缩短的测量时间，60℃和 70℃ 曲线没有重叠 - 并且平滑所得蠕变主曲线的进展。

图 4：聚酰胺 6 在饱和湿态下的单蠕变应变曲线，最初测量(虚线)和时间叠加后的温度叠加，以及所得的 30℃主曲线。获得的主曲线可用于描述约 1400 小时(~58 天)内的材料行为。换句话说，这种加速测试方法允许对材料在比测量时间长 200 多倍的时间内的蠕变行为做出陈述。

图 5：通过时间-温度叠加建立的处于饱和湿态的聚酰胺 6 的蠕变模量主曲线。通过将施加的应力除以确定的应变值，可以获得相应的蠕变模量曲线(图 5)，该曲线可用作部件设计的

材料特性函数。从大约 530 MPa 的值开始，蠕变模量随着加载时间的增加而稳步下降。 1400 小时后，检测到模量降低了约 25%，这与 PA 6 在饱和湿态下的长期蠕变测试趋势一致 [1]。

4 结论

带有附加线性驱动器的安东帕模块化紧凑型流变仪 (MCR) 可用于测量各种环境条件下的蠕变应变曲线。在报告中，研究了 PA 6 在饱和湿材料状态下的蠕变行为。通过使用可直接安装在 MCR 的 SRF 测量系统上的 DMA 浸入套件，对浸入水的样品在不同温度下进行了一系列蠕变测试。利用时间-温度叠加原理确定蠕变模量主曲线。这有助于确定 PA 6 的长期应用与服务相关的机械性能。

5 致谢

该报告由理学学士 Stefan Wurzer 撰写。作为奥地利莱奥本大学材料科学与聚合物测试研究所的硕士生，所展示的实验也是由他进行的。安东帕在此感谢他的贡献。

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