徐豪，楊森，楊歡，邢東檜，周松山，戴文俊

海洋大氣環(huán)境對封套防護材料性能影響

徐豪，楊森，楊歡，邢東檜，周松山，戴文俊

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

探究鋁塑型封套防護材料在濕熱海洋大氣自然環(huán)境貯存條件下性能衰退規(guī)律。通過優(yōu)化鋪層結(jié)構(gòu)，采用SiO蒸鍍雙向拉伸聚酯膜作為外增強層，PA6共擠EVOH雙向拉伸膜作為內(nèi)增強層制備新型封套防護材料。在海洋大氣環(huán)境試驗站庫內(nèi)、棚下2種貯存條件下開展貯存試驗，跟蹤測試水蒸氣透過率、氧氣透過率、剝離力、拉斷力和表面電阻率等關(guān)鍵性能，建立時間-性能影響曲線，同時記錄材料內(nèi)部濕度曲線和內(nèi)置的金屬圓片的銹蝕狀態(tài)，以此評價海洋大氣環(huán)境對鋁塑型封套防護材料性能影響趨勢。在經(jīng)過180 d的貯存后，水蒸氣透過率仍小于0.3 g/(cm2·24 h)，自研的新型封套防護材料在庫內(nèi)和棚下貯存環(huán)境下的阻濕能力分別提高了29.8%和31.5%，且剝離力和拉斷力未發(fā)生明顯降低，表面電阻率處于109～1011Ω。通過降低水分子與外增強層分子的相互作用，可有效提高封套防護材料的阻隔能力，驗證了多級防潮理念的科學性。

海洋大氣環(huán)境；封套防護材料；貯存試驗；水蒸氣透過率；棚下貯存；庫內(nèi)貯存；多級防潮；長貯性能

按照選用材料的不同，軍用封套材料可大致分為塑料、塑/塑復合材料、塑料金屬復合材料、真空鍍鋁復合材料等類型[1-2]。隨著新材料的開發(fā)和設(shè)備的更新?lián)Q代，封套防護材料由單層材料向著多層復合材料的方向發(fā)展，實現(xiàn)軍用封套材料從具有防潮密封等基本功能發(fā)展到抗靜電與電磁屏蔽[3]、紅外偽裝[4-6]等特殊功能的材料。常用軍用封套材料主要由基材層、阻隔層和熱封層組成[7-8]。鋁塑封套材料因其具有良好的阻隔性能、抗電磁干擾性能等而廣受歡迎，其中透濕率作為影響封套材料封存武器裝備的最關(guān)鍵因素[2]，因此研究裝備封存長貯期間鋁塑封套材料“微環(huán)境”[9]濕度變化規(guī)律對評估其封存可靠性、優(yōu)化封套結(jié)構(gòu)具有積極意義[10-11]。

美、法等國采用鋁塑封套材料封存坦克、裝甲車、運輸車、炸藥、發(fā)射藥、艦艇等裝備，均取得了不錯的效果[12]。國內(nèi)采用鋁塑封套材料封存車輛[13]、物資[14]、關(guān)鍵零件[15-16]、導彈、魚雷等裝備上取得了顯著的成效。1968年美軍選用6種典型防護包裝技術(shù)封裝彈藥，在8個不同氣候條件下進行了為期9 a的洞庫和地面庫貯存試驗，研究了6種典型防護包裝的環(huán)境適應(yīng)性以及對彈藥貯存的防護可靠性。國內(nèi)近些年有學者[13,17-21]在封套防護材料內(nèi)部采用除氧、除濕、除銹、氣相緩蝕等技術(shù)手段封存軍事裝備，并進行了野外封存效果驗證與評價。結(jié)果表明，鋁塑封套材料封存技術(shù)可在野外環(huán)境中大幅提高裝備野外的儲存限期和戰(zhàn)備完好率。某海洋地區(qū)自然環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧等特點，對裝備封套封存技術(shù)提出了更高的要求，然而關(guān)于鋁塑封套材料在典型海洋大氣自然環(huán)境關(guān)鍵性能變化規(guī)律鮮有報道。因此，本文以優(yōu)化鋁塑封套防護材料內(nèi)外增強層材料為基礎(chǔ)，制備2種新型鋁塑型封套防護材料，并開展自然環(huán)境貯存試驗，探究其在濕熱海洋環(huán)境下長貯性能衰退規(guī)律，為提高艦載彈藥長效貯存性能提供有力數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)Graham的溶解-擴散理論，小分子在封套防護材料中的滲透大部分是由于材料兩側(cè)表面產(chǎn)生的濃度差和小分子與材料分子的相互作用[22]，即材料兩側(cè)表面的濃度差驅(qū)動了小分子由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)作定向移動。水蒸氣在封套防護材料中的滲透過程可以分為吸附、溶解、擴散、解吸4步，其中吸附和溶解基本同時完成。一般情況下，解吸速度很快，對整個水蒸氣滲透過程的影響不大。研究發(fā)現(xiàn)，水蒸氣在材料中的擴散過程，成為決定材料阻隔性能的主要因素，擴散能力越強，透濕性越大[23]。因此，本文通過弱化水分子與外基材層材料分子的相互作用，增加水分子透過內(nèi)增強層材料的難度，來提高封套防護材料的阻隔性能。本文采用的封套防護材料鋪層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型鋁塑封套材料鋪層結(jié)構(gòu)[24]

基于此，本文在典型鋁塑封套材料鋪層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入多級防潮理念，優(yōu)化鋪層結(jié)構(gòu)，降低阻隔性能失效風險，開展自然環(huán)境貯存試驗性能驗證，考核3種鋁塑封套材料在海洋大氣環(huán)境下長貯性能變化規(guī)律。具體地，通過氣相沉積技術(shù)[25]在聚酯薄膜蒸鍍SiO，降低其表面分子極性，減弱水分子與外增強層分子的相互作用，提高水蒸氣在封套防護材料外表面的吸附和溶解難度。通過流延共擠技術(shù)[26]制備PA6/EVOH/PA6多層異性阻隔薄膜，增加水分子通過內(nèi)增強層的路徑，從而降低由于鋁箔針孔產(chǎn)生的阻濕能力失效的風險。市售與自制封套防護材料鋪層結(jié)構(gòu)的區(qū)別見表1。

表1 3種鋁塑封套防護材料鋪層結(jié)構(gòu)主要區(qū)別

Tab.1 Main differences in the layer structure of three types of aluminum-plastic envelope protective materials

1.2 樣品制備

將主劑緩慢加入乙酸乙酯中，攪拌均勻后，將固化劑加入其中繼續(xù)攪拌均勻，完成膠黏劑的配制。將配制的膠黏劑傾入膠槽內(nèi)，安裝施膠輥。隨后將聚酯薄膜、鋁箔、尼龍薄膜、防靜電聚乙烯薄膜和無紡布卷料依次裝載于上料輥，設(shè)置復合參數(shù)，啟動BGF-1050型全自動干式復合機，待收卷完成后得到復合薄膜，最后進行復合薄膜熟化，即完成鋁塑型封套防護材料的制備。

1.3 貯存試驗設(shè)計

將上述鋁塑型封套防護材料裁剪為260 mm× 510 mm，抽真空熱封后形成約250 mm×250 mm的試驗樣件，內(nèi)置金屬圓片，其中第6個取樣周期的試驗樣件中內(nèi)置Testo 174-H型濕度計。然后將制備投試樣品分別貯存于海洋大氣環(huán)境試驗站庫內(nèi)和棚下（如圖2所示），取樣周期為30 d。觀察并記錄金屬圓片表面狀態(tài)，測試封套防護材料的透過率、力學性能和表面電阻率。

圖2 海洋大氣環(huán)境試驗站投試樣品

1.4 測試方法

1）水蒸氣透過率測試。根據(jù)GB/T 26253—2010《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定紅外檢測器法》[27]，使用水蒸氣透過率測試系統(tǒng)（C390H型，濟南蘭光機電技術(shù)有限公司）進行封套防護材料水蒸氣透過率實驗，評價其在38 ℃、90%RH下的阻濕能力，透過方向為無紡布面至防靜電聚乙烯膜面。

2）氧氣透過性測試。根據(jù)GB/T 19789—2021《包裝材料塑料薄膜和薄片氧氣透過性試驗》[28]，使用氧氣透過率測試系統(tǒng)（C230H型，濟南蘭光機電技術(shù)有限公司）進行封套防護材料的氧氣透過性試驗，評價其在23 ℃下的阻氧能力，透過方向為無紡布面至防靜電聚乙烯膜面。

3）拉斷力測試。根據(jù)GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》[29]，使用電子萬能材料試驗機（INSTRON 5969型，美國INSTRON公司）測試封套防護材料的拉伸性能，樣條尺寸為150 mm×15 mm，標距為100 mm，拉伸速率設(shè)置為100 mm/min。

4）剝離力測試。根據(jù)GB/T 8808—1988《軟質(zhì)復合塑料材料剝離試驗方法》[30]，使用電子萬能材料試驗機（INSTRON 5969型，美國INSTRON公司）測試無紡布/聚酯膜的層間剝離力，樣條尺寸為200 mm× 15 mm，測試前將無紡布/聚酯膜預先剝離50 mm，將兩端材料分別夾持到上下夾具上，以300 mm/min速率剝離。

5）表面電阻率測試。根據(jù)GB/T 31838.3—2019《固體絕緣材料介電和電阻特性第3部分：電阻特性（DC方法）表面電阻和表面電阻率》[31]，使用體積表面積電阻率測試儀（ATI-212型，北京航天縱橫檢測儀器有限公司）測試試樣的表面電阻率，試樣尺寸約100 mm。

2 結(jié)果及分析

2.1 透過率

阻濕能力和阻氧能力是封套防護材料阻隔性能的關(guān)鍵技術(shù)指標，跟蹤測試了市售和2種自制封套防護材料貯存180 d的水蒸氣透過率和氧氣透過率變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，3種封套防護材料的水蒸氣透過率隨著貯存時間的增加先升高、后逐漸趨于平穩(wěn)。市售、自制1#、自制2#的初始水蒸氣透過率分別為0.17、0.09、0.07 g/(m2·24 h)。在貯存60 d時，3種封套防護材料的水蒸氣透過率驟升。棚下貯存時，市售、自制1#、自制2#分別達到0.75、0.29、0.20 g/(m2·24 h)；庫內(nèi)貯存時，市售、自制1#、自制2#分別達到0.79、0.30、0.20 g/(m2·24 h)。隨著貯存時間繼續(xù)增加，自制的2種封套防護材料的水蒸氣透過率逐漸呈現(xiàn)平緩趨勢，且基本在0.3 g/(m2·24 h)以下，仍然滿足GB/T 21302—2007《包裝用復合膜、袋通則》中對包裝復合膜水蒸氣透過量一級的防護要求[32]，同時也滿足GJB 1444—1992《彈藥包裝通用規(guī)范》對于彈藥防潮包裝一級要求[33]。

圖3 水蒸氣透過率隨時間變化趨勢

由圖4可知，3種封套防護材料氧氣透過率隨著貯存時間的增加并未出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，但總體有著增加的趨勢。為了探究氧氣透過率變化趨勢的規(guī)律，對3種封套防護材料的氧氣透過率在2種貯存條件下隨時間增加的變化進行線性擬合。結(jié)果表明，3種封套防護材料的透氧率沿著一條趨勢線在0.004～ 0.008 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)波動上升。這表明了不同貯存環(huán)境對封套防護材料阻氧能力的衰減速度有較大的影響。由于高濕環(huán)境下尼龍膜的阻隔能力變差，EVOH膜易吸濕[34]的特性，以至于自研封套防護材料的透氧率并未小于市售產(chǎn)品，且自制1#和自制2#的透氧率幾乎沒有差距。盡管如此，3種封套防護材料的氧氣透過率均遠小于0.122 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)，滿足GB/T 21302—2007《包裝用復合膜、袋通則》對包裝復合膜對氧氣透過量一級防護的要求[32]。

2.2 力學性能

本文考核了3種封套防護材料在海洋大氣環(huán)境貯存180 d后拉斷力和剝離力的變化趨勢，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，3種封套防護材料拉斷力隨著貯存時間的增加并未出現(xiàn)明顯的降低，但總體來看有緩慢下降的趨勢。在180 d的貯存期內(nèi)，3種材料的拉斷力均不小于100 N/15 mm，滿足GB/T 21302—2007《包裝用復合膜、袋通則》對包裝袋拉斷力一級要求[32]。市售、自制1#和自制2#等3種封套防護材料的初始縱向拉斷力分別為146.19 N/15 mm、138.95 N/15 mm、141.69 N/15 mm，初始橫向拉斷力分別為118.43 N/15 mm、103.28 N/15 mm、128.64 N/ 15 mm。經(jīng)過180 d的貯存期后，自制2#在2種貯存環(huán)境下橫向拉斷力的下降幅度最大，自制1#在庫內(nèi)貯存環(huán)境下拉斷力的下降幅度最小，在棚下貯存環(huán)境下時，縱向拉斷力幾乎沒有變化。這可能是因為封套材料復合過程中，在牽引力的作用下，迫使薄膜分子鏈在縱向上重新排列，這會提高封套材料的縱向拉伸強度。同時，由于SiO具有陶瓷特性[35]，在牽引力作用下，BOPET復合膜表面致密氧化物層會產(chǎn)生微裂紋，這會降低BOPET復合膜強度，因此自制封套防護材料縱向拉斷力會略低于市售產(chǎn)品。又因為PA6/EVOH/PA6流延共擠膜強度低于BOPA膜[26]，所以自制1#縱向拉斷力會小于自制2#和市售產(chǎn)品。SiO與BOPET基材表面存在較強的結(jié)合力，可以對薄膜起到增強作用[36]。當橫向拉應(yīng)力產(chǎn)生時，SiO能及時傳遞，因而自制2#橫向拉斷力強于自制1#和市售產(chǎn)品。長期的濕熱環(huán)境、靜載荷可能加速了SiO硬化脆化進程，再在橫向拉應(yīng)力作用下，SiO在BOPET分子鏈間產(chǎn)生滑移[37]，對復合膜橫向上強度產(chǎn)生不利影響，因而自制2#橫向拉斷力下降幅度最大。得益于PA6/EVOH/PA6流延共擠膜復合增強作用，自制1#拉斷力并未在貯存實驗期間發(fā)生較明顯下降。

圖4 氧氣透過率隨時間變化趨勢

圖5 拉斷力隨時間變化趨勢

無紡布/聚酯膜層直接與外界環(huán)境接觸，其層間結(jié)合力受環(huán)境的影響最大，因此以無紡布/聚酯薄膜之間剝離力作為評價貯存環(huán)境對封套防護材料層間結(jié)合能力影響的指標。由圖6可知，3種封套防護材料的剝離力大于6 N/15 mm。市售材料的縱向剝離力遠大于另外2種，同型材料的縱向剝離力大于橫向剝離力。貯存180 d與最初時相比，3種封套防護材料在縱、橫2個方向剝離力均未發(fā)生明顯下降，表明180 d的貯存期內(nèi)自然環(huán)境未對3種封套防護材料無紡布/聚脂薄膜層間的黏接強度產(chǎn)生明顯損傷。

2.3 表面電阻率

通常使用表面電阻率作為材料抗靜電性能的重要考核指標之一。本文跟蹤測試了3種封套防護材料在180 d貯存期內(nèi)表面電阻率的變化，以考核封套防護材料的抗靜電性能受貯存時間的影響情況，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，封套防護材料初始表面電阻率平均值為1.120×1010Ω，經(jīng)過海洋大氣環(huán)境貯存后，3種封套防護材料的內(nèi)表面電阻率在109～1011Ω浮動。這表明濕熱海洋大氣環(huán)境未對封套防護材料的抗靜電能力產(chǎn)生明顯損傷，滿足GJB 2605A—2021《可熱封柔韌性防靜電阻隔材料規(guī)范》對柔韌防靜電阻隔材料的表面電阻率<1012Ω要求[38]。

圖6 剝離力隨時間變化趨勢

圖7 表面電阻率隨時間變化趨勢

2.4 貯存試驗

為了量化封套防護材料的阻濕性能，使用濕度計記錄其內(nèi)部濕度變化曲線。投試樣品內(nèi)部的相對濕度數(shù)據(jù)如圖8所示。任一貯存環(huán)境下，市售產(chǎn)品內(nèi)部的相對濕度均最大。庫內(nèi)貯存環(huán)境下，3種封套防護材料內(nèi)部相對濕度的變化曲線呈現(xiàn)明顯區(qū)別，市售產(chǎn)品內(nèi)部相對濕度從最初的62.0%，短期內(nèi)緩慢升至63.3%，隨后下降至62.4%；自制1#在180 d的貯存期內(nèi)，其內(nèi)部相對濕度基本維持在52%；自制2#的初始相對濕度為50.3%，經(jīng)歷180 d貯存后緩慢降低至43.8%。在棚下貯存環(huán)境下，自制的2種封套防護材料內(nèi)部相對濕度的變化曲線未呈現(xiàn)明顯區(qū)別，但它們和市售產(chǎn)品仍舊區(qū)別明顯，市售產(chǎn)品內(nèi)部相對濕度從初始的60.8%，逐漸緩慢上升并穩(wěn)定至62.6%；自制1#從初始的50.2%，經(jīng)歷180 d貯存后，緩慢降低至42.9%，并且呈現(xiàn)下降趨勢；自制2#從初始的47.5%，在180 d的貯存期內(nèi)，其內(nèi)部相對濕度基本穩(wěn)定在45.0%。長貯試驗結(jié)果表明，在高濕熱海洋大氣環(huán)境下，BOPET表面蒸鍍SiO作為外增強層，能有效提高封套材料的阻濕能力，而PA6/EVOH/PA6多層流延共擠膜作為內(nèi)增強層，并未提高封套防護材料的阻濕能力，可能是因為長期高濕高熱環(huán)境大大弱化了其阻隔小分子穿透的能力。

圖8 濕度變化曲線

金屬圓片銹蝕情況的變化能直觀體現(xiàn)封套防護材料的性能變化。由圖9可知，市售封套防護材料在不同的貯存環(huán)境下貯存30 d時，金屬圓片均已產(chǎn)生1枚微小的銹斑。隨著貯存時間的增加，銹斑逐漸增大，直至180 d時，樣片已然銹跡斑斑，反面也如此。反觀自制1#和自制2#兩型封套防護材料，經(jīng)過180 d貯存試驗后，金屬圓片均光潔如初。這和圖6曲線結(jié)果一致。

圖9 金屬圓片的表面狀態(tài)

3 結(jié)論

1）2種自制封套防護材料內(nèi)相對濕度在庫內(nèi)與棚下環(huán)境分別降低16.7%、29.8%和31.5%、28.1%，封套防護包裝內(nèi)相對濕度保持在40%～55%。

2）封套防護材料在海洋大氣環(huán)境貯存后，其抗靜電性能和力學性能未出現(xiàn)明顯衰減。貯存試驗期間，封套防護材料表面電阻率均處于109Ω～1011Ω，拉斷力≥100 N/15 mm，耐磨層/外增強層間剝離強度≥6 N/15 mm，滿足相關(guān)標準要求。

3）BOPET表面蒸鍍SiO膜材料作為外增強層，能有效降低封套材料的水蒸氣透過率。經(jīng)180 d貯存試驗后，其阻濕能力仍是市售產(chǎn)品的2倍以上。

4）在60 d貯存期時，發(fā)生的水蒸氣透過率驟升的原因尚未明確。

5）考慮到武器裝備的貯存期通常在10 a及以上，需要持續(xù)進行自然環(huán)境試驗，或者采取熱氧加速、濕熱加速實驗探究封套防護材料的失效機制與預測防護壽命。

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Effect of Marine Atmospheric Environment on the Properties of Envelope Protective Materials

XU Hao, YANG Sen, YANG Huan, XING Dong-hui, ZHOU Song-shan, DAI Wen-jun

(Southwest Institute of Technique and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to explore the performance degradation law of aluminum-plastic envelope protective materials under long-term storage in hygrothermal marine atmospheric environment. By optimizing the layer structure, new envelope protective materials were prepared with SiOx evaporated biaxially stretched polyester film as the outer reinforcement layer and PA6 coextruded EVOH biaxially stretched film as the inner reinforcement layer. Then, storage tests were carried out in the warehouse and shelter of Marine Atmosphere Environmental Test Station. By testing critical properties such as water vapor transmission, oxygen transmission, peeling force, breaking force and surface resistivity, the time-performance effect curve was established. Meanwhile, the internal humidity curve of materials and corrosion state of carbon steel disc were recorded, so as to evaluate the effect trend of marine atmospheric environment on the performance of envelope protective materials. After 180 days of storage, the water vapor transmission was still less than 0.3 g/(cm2·24 h), the moisture resistance of the self-developed new envelope protective materials in the shelter storage and warehouse storage environment were improved by 29.8% and 31.5% respectively, and peeling force and breaking force did not decrease significantly andsurface resistivity was at a range of 109～1011Ω. By reducing the interaction between moisture molecules and outer enhancement layer molecules, the barrier ability of the envelope protective material can be effectively improved, which verifies the scientific nature of the multi-level moisture transmission concept.

marine atmospheric environment; envelope protective materials; storage test; water vapor transmission; shelter storage; warehouse storage; multi-level moisture transmission; long-term storage performance

2023-02-16；

2023-04-18

TJ410.89

A

1672-9242(2023)10-0131-08

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.016

2023-02-16；

2023-04-18

徐豪, 楊森, 楊歡, 等. 海洋大氣環(huán)境對封套防護材料性能影響[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(10): 131-138.

XU Hao, YANG Sen, YANG Huan, et al. Effect of Marine Atmospheric Environment on the Properties of Envelope Protective Materials[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 131-138.

責任編輯：劉世忠