淺析環(huán)氧材料的耐水性和耐濕熱性

關(guān)胤

（黑龍江省化工研究院，黑龍江哈爾濱150000）

在當(dāng)前的工業(yè)領(lǐng)域中，環(huán)氧材料有著非常廣泛的應(yīng)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(shí)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(guò)一段時(shí)間后就可能會(huì)出現(xiàn)性能減弱的情況，特別是在溫度為50-60℃、濕度超過(guò)95%RH的環(huán)境中，其承載能力會(huì)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(duì)環(huán)氧材料的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的影響作用，是阻礙其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的最大因素，必須要盡快解決解決這一問(wèn)題。本文就通過(guò)分析濕致破壞來(lái)探討其提高性能的途徑措施。

1 環(huán)氧材料的濕致破壞的成因分析

對(duì)于環(huán)氧材料而言，之所以會(huì)出現(xiàn)濕致破壞現(xiàn)象，其所形成的原因是非常復(fù)雜的。在潮濕或濕熱的環(huán)境中，環(huán)氧材料的表面會(huì)逐漸產(chǎn)生各種化學(xué)反應(yīng)或者發(fā)生一些物理變化，從而使其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。具體來(lái)講，環(huán)氧材料濕致破壞的主要成因機(jī)理有以下幾點(diǎn)：

1.1 濕潤(rùn)

潤(rùn)濕是濕致破壞的首要(必要)條件。環(huán)氧樹(shù)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(rùn)濕，使表面能降低，從而易產(chǎn)生濕致破壞。

1.2 吸附、擴(kuò)散、滲入、吸收

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(kuò)散到固體內(nèi)部。環(huán)氧樹(shù)脂、顏填料、增強(qiáng)材料及其它添加劑中含有大量極性基團(tuán)，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(rùn)濕，降低了固體的表面能，從而有利于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)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(tuán)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(qiáng)度及模量，也使大分子鏈易于運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)增塑作用，在一定程度上有利于阻止裂紋的擴(kuò)展。對(duì)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。

1.3 水解

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(tuán)，當(dāng)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(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，使大分子斷鏈、降解，甚至出現(xiàn)微裂紋。

1.4 溶解和滲出

環(huán)氧材料中如果含有水溶性組分，當(dāng)水被吸附和滲入后，這些水溶性組分將會(huì)溶解于水中，并逐漸擴(kuò)散、滲出。環(huán)氧材料中的非活性小分子化合物也會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸滲出。滲出后遺留下來(lái)的孔隙、裂紋、毛細(xì)管不僅使材料性能劣化，而且還會(huì)使水易于滲入，起到進(jìn)一步的破壞作用。

1.5 毛細(xì)現(xiàn)象

環(huán)氧材料中總會(huì)存在或大或小、或多或少的類(lèi)似毛細(xì)管的裂紋缺陷。與水接觸后，將會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象。凝集在裂紋縫中的水所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力不僅會(huì)使水快速滲入并潤(rùn)濕裂紋面，降低了產(chǎn)生新裂紋所需的表面能，助長(zhǎng)了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，同時(shí)所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力還會(huì)促使原有裂紋擴(kuò)展。

1.6 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

在應(yīng)力作用下，在環(huán)氧材料內(nèi)部及界面上會(huì)產(chǎn)生裂紋，水分子沿著這些裂紋進(jìn)一步滲入。水對(duì)裂紋面的潤(rùn)濕、吸附、滲入、溶解、滲出、水解和毛細(xì)現(xiàn)象，使材料表面能降低、溶脹、增塑、變形、斷鏈、開(kāi)裂，使性能劣化，促進(jìn)裂紋沿著垂直于應(yīng)力進(jìn)一步增長(zhǎng)，以使應(yīng)力釋放到較低水平，水又會(huì)對(duì)新的裂紋面反復(fù)起著上述作用。應(yīng)力的存在是環(huán)氧材料濕致破壞的一個(gè)重要影響因素。

1.7 濕熱效應(yīng)

1）溫度升高，水分子及大分子的各種單元的運(yùn)動(dòng)都會(huì)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(duì)環(huán)氧材料的作用都會(huì)加快進(jìn)行，使破壞過(guò)程縮短。2）由于環(huán)氧復(fù)合材料的非均質(zhì)性，溫度升高時(shí)各相材料的熱脹系數(shù)不同導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)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(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。易產(chǎn)生氧化、分解、交聯(lián)等反應(yīng)，使材料性能劣化。

2 提高環(huán)氧材料耐水性和耐濕熱性的措施

通過(guò)上述對(duì)環(huán)氧材料濕致破壞成因機(jī)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(yīng)用受到了限制。雖然本文所研究的濕致破壞機(jī)理可能并不是所有導(dǎo)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(lái)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(shí)，應(yīng)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(kāi)來(lái)，如果無(wú)法完全隔離，也要盡量將界面層與水隔離開(kāi)。例如可以使用憎水性的原材料，或者是對(duì)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?。例如使用非易水解的材料，或者采用孔隙率較低的材料等來(lái)增大環(huán)氧材料的強(qiáng)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?chē)?，能夠使其發(fā)生破壞的因素，以此來(lái)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(yīng)力，增大工藝管理避免環(huán)氧材料制備過(guò)程中有雜質(zhì)混入。

（4）在對(duì)環(huán)氧材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)論是基團(tuán)還是樹(shù)脂、固化劑、添加劑等，都應(yīng)該優(yōu)先選擇憎水性原材料，以此來(lái)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(qiáng)度較大的樹(shù)脂固化體系，以及適當(dāng)?shù)呐悸?lián)劑，所選用樹(shù)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(guò)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(duì)較為均勻，從而減少其內(nèi)部的收縮應(yīng)力與熱應(yīng)力，以增大環(huán)氧材料的強(qiáng)度。還可以對(duì)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(yīng)該進(jìn)行一定的內(nèi)應(yīng)力消除處理。并且在整個(gè)制備過(guò)程中都不得有雜質(zhì)混入。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，環(huán)氧材料是當(dāng)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(duì)于環(huán)氧材料的耐水性和耐濕熱性較差這一缺點(diǎn)更要盡快改進(jìn)完善。本文通過(guò)分析其濕致破壞機(jī)理，提出了一些改進(jìn)措施，希望可以為相關(guān)人士提供一些借鑒。

［1］孫曼靈.環(huán)氧材料的斷裂與增韌[C]//第十三次全國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2009.

［2］孫曼靈,鄭水蓉.環(huán)氧材料的耐水性和耐濕熱性[C]//第十四次全國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)暨學(xué)會(huì)長(zhǎng)三角地區(qū)分會(huì)第一屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2010.