關(guān)胤
(黑龍江省化工研究院,黑龍江哈爾濱150000)
在當前的工業(yè)領(lǐng)域中,環(huán)氧材料有著非常廣泛的應用,并且大多數(shù)情況下都能發(fā)揮很好的性能作用。但是在實踐中發(fā)現(xiàn),在水中或是一些潮濕悶熱的環(huán)境中,環(huán)氧材料在使用過一段時間后就可能會出現(xiàn)性能減弱的情況,特別是在溫度為50-60℃、濕度超過95%RH的環(huán)境中,其承載能力會不斷的減弱,甚至還可能直接失效,從而使得環(huán)氧材料失去其原本的作用。這種現(xiàn)象就是環(huán)氧材料濕致破壞。其對環(huán)氧材料的應用產(chǎn)生了很大的影響作用,是阻礙其進一步廣泛應用的最大因素,必須要盡快解決解決這一問題。本文就通過分析濕致破壞來探討其提高性能的途徑措施。
對于環(huán)氧材料而言,之所以會出現(xiàn)濕致破壞現(xiàn)象,其所形成的原因是非常復雜的。在潮濕或濕熱的環(huán)境中,環(huán)氧材料的表面會逐漸產(chǎn)生各種化學反應或者發(fā)生一些物理變化,從而使其物理性質(zhì)和化學性質(zhì)發(fā)生變化。具體來講,環(huán)氧材料濕致破壞的主要成因機理有以下幾點:
潤濕是濕致破壞的首要(必要)條件。環(huán)氧樹脂是一種極性材料,水也是一種極性物質(zhì),二者有較好的親和性。環(huán)氧材料的顏填料又多為親水性物質(zhì),因此環(huán)氧材料能被水潤濕,使表面能降低,從而易產(chǎn)生濕致破壞。
水分子的體積很小,極性很大,粘度又很低,因而易于被吸附到固體表面,并易于擴散到固體內(nèi)部。環(huán)氧樹脂、顏填料、增強材料及其它添加劑中含有大量極性基團,則更有利于水的吸附和吸收。水在固體表面的吸附,將固體表面潤濕,降低了固體的表面能,從而有利于裂紋的產(chǎn)生和擴展。水分子滲入環(huán)氧固體物內(nèi)部與大分子鏈上的極性基團相結(jié)合,撐大了大分子間的距離,出現(xiàn)了溶脹現(xiàn)象,降低了分子間力、強度及模量,也使大分子鏈易于運動,呈現(xiàn)增塑作用,在一定程度上有利于阻止裂紋的擴展。對于金屬、玻璃、陶瓷等具有親水性表面的被粘物,水分子更容易沿界面滲透。
環(huán)氧固化物中含有醚鍵、酷鍵、酞胺鍵、亞胺鍵、硅氧鍵等易于水解基團,當水吸附到固體物表面及滲入固體物內(nèi)部和界面與之相接觸后,則會發(fā)生水解反應,使大分子斷鏈、降解,甚至出現(xiàn)微裂紋。
環(huán)氧材料中如果含有水溶性組分,當水被吸附和滲入后,這些水溶性組分將會溶解于水中,并逐漸擴散、滲出。環(huán)氧材料中的非活性小分子化合物也會隨時間的延長而逐漸滲出。滲出后遺留下來的孔隙、裂紋、毛細管不僅使材料性能劣化,而且還會使水易于滲入,起到進一步的破壞作用。
環(huán)氧材料中總會存在或大或小、或多或少的類似毛細管的裂紋缺陷。與水接觸后,將會出現(xiàn)毛細現(xiàn)象。凝集在裂紋縫中的水所產(chǎn)生的毛細壓力不僅會使水快速滲入并潤濕裂紋面,降低了產(chǎn)生新裂紋所需的表面能,助長了裂紋的產(chǎn)生和擴展,同時所產(chǎn)生的毛細壓力還會促使原有裂紋擴展。
在應力作用下,在環(huán)氧材料內(nèi)部及界面上會產(chǎn)生裂紋,水分子沿著這些裂紋進一步滲入。水對裂紋面的潤濕、吸附、滲入、溶解、滲出、水解和毛細現(xiàn)象,使材料表面能降低、溶脹、增塑、變形、斷鏈、開裂,使性能劣化,促進裂紋沿著垂直于應力進一步增長,以使應力釋放到較低水平,水又會對新的裂紋面反復起著上述作用。應力的存在是環(huán)氧材料濕致破壞的一個重要影響因素。
1)溫度升高,水分子及大分子的各種單元的運動都會加劇。大分子之間的距離增大(熱膨脹),有利于水分子滲入,從而上述水對環(huán)氧材料的作用都會加快進行,使破壞過程縮短。2)由于環(huán)氧復合材料的非均質(zhì)性,溫度升高時各相材料的熱脹系數(shù)不同導致產(chǎn)生熱應力,使材料性能劣化。3)溫度升高有利于組分材料之間的各種化學反應的進行。易產(chǎn)生氧化、分解、交聯(lián)等反應,使材料性能劣化。
通過上述對環(huán)氧材料濕致破壞成因機理的分析,我們大致可以了解到環(huán)氧材料的耐水性和耐濕熱性并不是很好,在一些水環(huán)境或濕熱環(huán)境中的應用受到了限制。雖然本文所研究的濕致破壞機理可能并不是所有導致環(huán)氧材料在濕熱環(huán)境下發(fā)生變化的成因,但就在這些研究成果的基礎(chǔ)上,也可以采取一些方法來提高環(huán)氧材料的耐水性和耐濕熱性。
(1)在使用環(huán)氧材料時,應該盡可能的避免其本水打濕或滲入,可以采取隔絕的方法將環(huán)氧材料與水隔離開來,如果無法完全隔離,也要盡量將界面層與水隔離開。例如可以使用憎水性的原材料,或者是對材料做出一定的憎水性處理。
(2)要盡可能的提高環(huán)氧材料自身的抗破壞能力,使其能夠抵抗?jié)裰缕茐摹@缡褂梅且姿獾牟牧?,或者采用孔隙率較低的材料等來增大環(huán)氧材料的強度與密度,避免其迅速被水滲入。
(3)要盡量消除存在于環(huán)氧材料周圍的,能夠使其發(fā)生破壞的因素,以此來提高其耐水性和耐濕熱性。例如盡量消除環(huán)氧材料的內(nèi)應力,增大工藝管理避免環(huán)氧材料制備過程中有雜質(zhì)混入。
(4)在對環(huán)氧材料進行設(shè)計時,無論是基團還是樹脂、固化劑、添加劑等,都應該優(yōu)先選擇憎水性原材料,以此來降低環(huán)氧材料的整體吸水性,提高其耐水性,降低易水解性。另外,還最好選用耐熱性較高、韌性較高、強度較大的樹脂固化體系,以及適當?shù)呐悸?lián)劑,所選用樹脂基體的熱脹系數(shù)與分散相材料的要盡可能接近,這樣就可以在很大程度上提高其耐濕熱性。
(5)在制備環(huán)氧材料的過程中,要注意均勻的分散和加熱物料,使材料的結(jié)構(gòu)都相對較為均勻,從而減少其內(nèi)部的收縮應力與熱應力,以增大環(huán)氧材料的強度。還可以對材料施加一定壓力,使其密度度增大,從而減小孔隙率,避免水分快速侵入。固化處理后應該進行一定的內(nèi)應力消除處理。并且在整個制備過程中都不得有雜質(zhì)混入。
總之,環(huán)氧材料是當前工業(yè)材料的重要組成部分,為了使其更好的發(fā)揮功能作用,就必須要不斷的完善其使用性能。對于環(huán)氧材料的耐水性和耐濕熱性較差這一缺點更要盡快改進完善。本文通過分析其濕致破壞機理,提出了一些改進措施,希望可以為相關(guān)人士提供一些借鑒。
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