淺談尼龍吸濕特性在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

鄭迎春

（ 上海飛樂汽車控制系統(tǒng)有限公司，上海　201401 ）

淺談尼龍吸濕特性在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

鄭迎春

（ 上海飛樂汽車控制系統(tǒng)有限公司，上海201401 ）

以尼龍注塑件為例，研究與分析尼龍的吸濕特性對產(chǎn)品性能的影響，簡述生產(chǎn)過程中通過人工調(diào)濕處理工藝增加產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性的方法。

PA66；吸濕；韌性；調(diào)濕處理

0　引言

尼龍（Nylon）即聚酰胺纖維，其與一般工程塑料相比具有力學(xué)強度高、沖擊韌性大、耐磨性能好、摩擦噪音小等優(yōu)點，是一種強韌的塑料，因而在工業(yè)制造和工程塑料方面應(yīng)用較為廣泛。本文以聚己內(nèi)酰胺和聚己二酸己二胺，即PA6（尼龍6）和PA66 （尼龍66）的吸濕機理在制造業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)應(yīng)用作簡單介紹。

1　概述

尼龍的韌性、化學(xué)惰性、耐熱性和低重量等特性使其在較多工業(yè)制造領(lǐng)域能夠替代金屬和其它塑料。通過變化增強等級和聚合物化學(xué)性質(zhì)，樹脂生產(chǎn)者可以為指定用途設(shè)計配方。雖然熱固性聚合物與尼龍相比，在某些領(lǐng)域依然具有相當(dāng)?shù)母偁幜?，尤其是在北美。但是尼龍比熱固性材料易于回收，利于環(huán)境保護是尼龍帶來一個優(yōu)勢。

2　特性

吸濕性（Moisture absorption）是纖維的物理性能的指標(biāo)之一，通常把纖維材料從氣態(tài)環(huán)境中吸收水分的能力稱為吸濕性，即對水分的親疏程度。脂肪族聚酰胺由于含有胺基和羰基，易與水分子形成氫鍵，而PA6和PA66作為最常用的聚酰胺材料，分子結(jié)構(gòu)中含有親水性的酰胺基，使其不同于聚甲醛、聚碳酸酯、（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）類塑料，而具有很強的吸濕性，從潮濕空氣中吸收最高可達自身重量10%的水分，在一般濕度環(huán)境下也能吸收2%～4%的水分，吸水后材料的力學(xué)性能發(fā)生明顯變化。

2.1 尺寸變化

尼龍吸濕后體積發(fā)生膨脹，尺寸變大。其在一年內(nèi)吸水的變化約為0.5%，由此引起尺寸變化0.01%，30%玻璃纖維增強PA66的尺寸變化約為0.0025%。膨脹時，材料尺寸變化和吸水量變化并不完全同步。PA6纖維隨著吸水量變化膨脹先快后慢，而尼龍6薄膜則相反。經(jīng)過拉伸的樣品，在各個方向上的膨脹程度存在差異，沿拉伸方向膨脹較明顯，見圖1。

以汽車配件尼龍注塑閥芯為例（圖2），閥芯外徑d（d=5.87±0.05）與閥體孔徑的間隙影響了供氣流量的大小，所以要求對閥芯外徑嚴(yán)格控制。

針對閥芯的吸濕試驗，采用水煮的人工加濕方式使閥芯充分吸濕，加濕后自然晾干表面水分，采用外徑千分尺測量，使用精度為0.001g的電子天平稱量重量，結(jié)果見表1。

圖1　尼龍含水率與尺寸變化趨勢

圖2　尼龍閥芯

表1　尼龍閥芯吸濕重量及尺寸變化對照

2.2 機械性能變化

含水率對尼龍（PA6或PA66）或改性尼龍的彎曲強度、拉伸強度、缺口沖擊強度等力學(xué)性能都有影響。另外，其各項力學(xué)性能還因含水率的不同而不同。

水分子滲透進入材料，與尼龍分子結(jié)合，破壞尼龍分子之間的氫鍵，增加尼龍分子的活動性，尼龍樹脂基體產(chǎn)生結(jié)晶，其拉伸強度和彎曲強度都會有所增加。由于尼龍樹脂基體的結(jié)晶，材料沖擊強度會有所降低，同時由于尼龍材料吸水后分子鏈段活動性增加，沖擊強度會有所提高，其綜合的效果會使材料沖擊強度稍有提高。尼龍基體樹脂的結(jié)晶完成后，水分子繼續(xù)滲入，進一步削弱尼龍分子之間的結(jié)合力，水分子在材料中起到了增塑劑的作用，其拉伸強度和彎曲強度會繼續(xù)隨水分含量的增加而降低，其缺口沖擊強度會增加。

表2為吸水率對PA66力學(xué)性能影響。

表3為PA66力學(xué)性能平均變化值。表中顯示，彎曲強度、拉伸強度、缺口沖擊強度等數(shù)值都有顯著的影響，并呈現(xiàn)良好的規(guī)律性。其中彎曲強度和拉伸強度對應(yīng)含水率的增加而下降，而缺口沖擊強度對應(yīng)含水率的增大而提高?？梢?，尼龍材料吸濕后整體韌性顯著增加。

表2　吸水率對PA66力學(xué)性能的影響

表3 PA66力學(xué)性能隨材料吸水率的平均變化值

2.3 吸濕速度

尼龍材料制品的吸濕速度與環(huán)境溫度和濕度都有關(guān)系，總體趨勢是溫度、濕度越高，吸濕速度越快，而采用水槽加濕，比大氣加濕的速度更是大大提高。同時，零件材料的壁厚越厚吸收水分就越困難，材料厚度增加一倍，吸濕時間增加4～5倍。表4為某品牌尼龍材料的加濕條件。

尼龍吸水速度從開始到結(jié)束并不是始終如一，以下以某一款不含玻纖增加的PA66零件為例，加濕稱重記錄見表5，增重趨勢見圖2。

表4　某品牌尼龍材料加濕條件

表5　加濕稱重記錄

圖2　增重趨勢

圖中可以看出，在加濕過程開始時材料吸濕速度最快，吸濕速度隨時間迅速下降，20h～24h內(nèi)，零件可以達到吸濕平衡點。

3　調(diào)濕處理

尼龍的調(diào)濕處理是指通過人為的方式，如水煮、熱水噴淋、蒸汽加濕等手段使尼龍制品快速吸收水分達到飽和。

尼龍粒子在進入注塑機料筒前，有一個材料的預(yù)先烘干過程，如PA66注塑允許含水率不大于1%。避免在成型加工時，因多余水分變?yōu)闅怏w促使塑料發(fā)生分解，而導(dǎo)致成型后的塑料出現(xiàn)氣泡、銀絲與斑紋現(xiàn)象，降低塑件表面質(zhì)量和機械性能。PA6/66注射參數(shù)見表6。

表6　PA6/66注射參數(shù)

尼龍材料的注塑過程料溫通常達270℃左右，原材料粒子中的水分完全氣化，在注塑的高壓過程中從制品中跑出。所以注塑完成的一瞬間是尼龍制品含水率最低的狀態(tài)，也就是說尼龍注塑件只有在吸收注塑期間丟失的水分后才能獲得最好的機械性能，否則注塑件易脆。

調(diào)濕處理可加速尼龍制品的后收縮和降低內(nèi)應(yīng)力，讓制品盡快達到吸濕平衡狀態(tài)，穩(wěn)定尺寸，并充分發(fā)揮尼龍的堅韌性。

3.1 處理方法

1）成型水浴法

該方法通常是放一些裝滿水的容器在注塑機下方。注塑件開模時，頂出的部件進入水中，根據(jù)制品的大小、壁厚等決定部件留在水中的時間，見圖3。

該方法操作簡單，成本較低，適用于臥式自動注塑機。缺點也較多，前后生產(chǎn)的產(chǎn)品水浴時間不同，吸水程度也會存在差異；生產(chǎn)現(xiàn)場因水浴顯得較為臟亂，車間5S難以控制；水浴后產(chǎn)品取出還需要清除表面多余的水分，不管是晾干還是烘干，都會增加處理時間，并且表面往往會殘留水漬，影響產(chǎn)品的外觀。

圖3　水浴法調(diào)濕處理

2）袋浴法

產(chǎn)品成型后，裝在放有水的聚乙烯（PE）袋子里并密封吸收所需的水分。該方法應(yīng)用最廣的例子是扎帶。袋浴法往往充水量不會太多，否則包裝袋中殘留水分會引起客戶的不滿。缺點是充水量不足使得產(chǎn)品不能充分吸收水分，未能達到最理想的調(diào)濕效果。

3）水煮法

相對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)濕方式。根據(jù)部件的情況，尤其是部件的尺寸，將部件放在熱水里數(shù)個小時。一般來說，部件厚度每增加1mm，放置時間增加1h。但是這種方法也一定限制，沸水溫度為100℃，而未增強尼龍的熱變形溫度僅為70℃左右，長時間水煮會引起塑件變形。因而該方法只適用于增強尼龍材料。

4）潮濕空氣法

最為嚴(yán)謹(jǐn)、最為精準(zhǔn)的加濕方式，可精確控制溫度、濕度和時間。當(dāng)然，這種方法也有缺點，由于相比水浴，在大氣中吸濕速度要慢的多，所以該調(diào)濕方法的成本較高。

3.2 實際應(yīng)用案例

3.2.1 調(diào)濕增加韌性

以圖4為例，帶有鉸鏈結(jié)構(gòu)的零件在裝配時劃圈位置將會受到彎折，如果材料含水率低，很容易發(fā)生脆裂。一般來說該類結(jié)構(gòu)在出廠前會預(yù)先進行調(diào)濕處理，通常采用的是袋浴法。干燥環(huán)境下經(jīng)過長時間運輸和存儲，水分有所丟失，使用前還需再次進行調(diào)濕處理。

3.2.2 調(diào)濕穩(wěn)定尺寸

對于尼龍閥芯等產(chǎn)品（見圖5），為了與閥體保持較好的配合間隙，其外徑尺寸精度要求較高。注塑模具設(shè)計之初就應(yīng)考慮到該特性所造成的影響。模具設(shè)計時應(yīng)將外徑尺寸適當(dāng)減小，通過調(diào)濕處理使閥芯的含水率達到平衡，在后續(xù)使用過程中保證閥芯尺寸處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5　尼龍閥芯產(chǎn)品實物

3.2.3 調(diào)濕降低硬度

帶有軸結(jié)構(gòu)的零件采用未增強PA66，孔結(jié)構(gòu)零件采用含30%玻纖增加的PA66。由于增強尼龍比未增強尼龍的硬度要高，兩個零件鉚壓裝配后容易將軸前端擠壓變形，變形的材料可能會造成裝配后轉(zhuǎn)動不暢。對帶有孔結(jié)構(gòu)的殼體進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)濕處理可以降低材料表面的硬度，保證裝配后軸前端結(jié)構(gòu)的完整。見圖6。

圖6　尼龍軸與孔的配合

4　結(jié)語

良好的吸濕性是尼龍材料的特性，吸濕后尼龍機械性能和尺寸都會使產(chǎn)品明顯變化，在使用尼龍作為材料的零件設(shè)計和加工過程中不應(yīng)忽視。調(diào)濕處理是尼龍注塑件加工過程中重要的工藝手段，能夠提高制品機械性能，防止零件脆裂，穩(wěn)定成品尺寸。

［1］黃德余，塑料性能評定計［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990.

［2］陳建榮，張洪濤.塑料成型工藝及模具設(shè)計［M］.北京：理工大學(xué)出版社，2010.

［3］張吉魯，何杰，李學(xué).改性尼龍66開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2005.

Application of Nylon Moisture Absorption Characteristics in the Production Process

Zheng Yingchun
（Shanghai FL Dai-ichi Automotive Controllers Co.， Ltd.， Shanghai 201401， China）

Taking nylon injection molding as an example， the influence of moisture absorption properties on the performance of products is studied and analyzed.Method for increasing stability and consistency of products by means of manual moisture transfer treatment is described briefly in production process.

PA66； Moisture absorption； Toughness； Moisture transfer treatment

TM206

A

1674-2796（2016）04-0025-05

2016-05-10

鄭迎春（1980—）女，大學(xué)本科，工程師，主要從事注塑工藝、線束加工工藝方向的研究與開發(fā)工作。