湿热状态对有机玻璃性能的影响

于海泉 秦爽 赵维忠 郑飞

（锦西化工研究院有限公司 葫芦岛 125001）

0 引言

随着航空事业的发展，对航空透明材料的要求也越来越高，同时也促进了航空透明材料的不断发展。作为结构材料使用的航空有机玻璃主要用于制作飞机的前风挡和座舱盖，必须具有良好的光学性能、可靠的力学性能、经得住高空大气载荷的作用和阳光曝晒、经得住宽广的温度、湿度变化，在飞行使用中承受化学介质的作用。这些外部环境条件的改变以及有机玻璃内部结构的一些缺陷的存在导致有机玻璃的老化［1］，造成有机玻璃的的性能不同程度地下降，影响了透明件的使用寿命。

有机玻璃的老化试验一般分为大气老化试验和人工加速老化试验。影响有机玻璃老化的因素主要有阳光、空气、雨淋、潮湿、温度等。有机玻璃在大气曝露条件下进行老化试验时，其性能改变过程比较缓慢，时间较长，甚至需经过几年的放置，很难跟上科研进度的发展，人工加速老化试验是模拟自然大气曝露试验而发展起来的试验方法。具有时间短、效果显著的特点，能够真实的评价材料性能和环境关系。

本文考察了湿热状态下有机玻璃的吸水率、拉伸强度、冲击强度等性能。随着在湿热状态下放置时间的增加，有机玻璃的性能有所不同，可以看出有机玻璃的老化不仅受时间因素的影响，也受到环境因素的影响。

1 试验

1.1 试验内容

（1）试验在数显恒温水浴槽中进行，温度为60 ℃，周期为30天。

（2）按照MIL-P-25690 B-1993《抗裂纹扩展型改性丙烯酸基塑料板及组件》，采用电子分析天平测量有机玻璃的吸水率。

（3）按照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》，采用CMT4034型微控电子拉力试验机测试有机玻璃的拉伸强度。

（4）按照GB/T 1043—2008《塑料 简支梁冲击性能的测定》，采用XCJ-50型冲击试验机测试有机玻璃的冲击强度。

（5）试样尺寸见图1，单位为mm。

1.2 试验条件

（1）标准试验温度为23℃±2℃，相对湿度为65%±5%；

（2）若在常温下试验，必须说明试验时的温度和湿度；

（3）试样在试验温度下，保存时间不少于4 h。

1.3 试验板材

选用MDYB- 3型航空有机玻璃板材。

2 结果与讨论

2.1 吸水率

湿热环境对试样吸水率的影响见表1、图2。

表1 湿热环境对试样吸水率的影响

由表1、图2可知：随着试样在水中存放时间的增加，试样的吸水率逐渐增加，但增幅逐渐减小，表明试样对水分的吸收逐渐趋于饱和。

2.2 拉伸强度

有机玻璃的的拉伸强度是指在拉伸试验过程中，试样承受的最大拉伸应力。拉伸试验是力学试验中常用的一种，是在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在试样上沿纵轴方向施加拉伸载荷，使试样破坏（断裂或屈服）。测量试样破坏的最大载荷和对应标线间距离的变化，可得到拉伸强度和伸长率［2］。

湿热环境对试样拉伸强度的影响见表2、图3。

表2 湿热环境对试样拉伸强度的影响

试验结果表明：随着试样在水中存放时间的增加，吸水率增加，拉伸强度下降。随着水分的作用，在试样表面层里的水分成为一种增塑剂［3］，破坏了羧基形成的氢键。由于水分的挥发，而在有机玻璃试样表面作用着内张应力，导致了拉伸强度的下降。

2.3 冲击强度

有机玻璃的冲击试验采用无缺口试样。冲击试验是用来量度材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗力。冲击强度是指试样破断时单位面积上所消耗的能量，以kJ/m2来表示［4］。

湿热环境对试样冲击强度的影响见表3、图4。

表3 湿热环境对试样冲击强度的影响

由表3和图4可以看出，随着试样吸水率的增加，冲击强度性能下降。冲击强度性能的下降，主要归于试样在水中浸泡，高分子链段间的范德华力由于水分子的影响被消弱了，同时水分子作为增塑剂，加速了高分子的链段的运动［5］，造成了冲击强度的变化。

对比图3和图4可以看出，湿热状态对有机玻璃的拉伸和冲击性能影响较大，在湿热试验前期数值下降较快。随着试样水中存放时间的增加，吸水的速率逐渐平缓，吸水达到饱和状态，此时有机玻璃的拉伸强度和冲击强度数值不再下降。

3 结论

随着有机玻璃水中存放时间的增加，有机玻璃的吸水率增加，拉伸强度和冲击强度下降。随着有机玻璃对水分的吸收逐渐饱和，三项性能的变化幅度逐渐减小。从湿热角度反映了有机玻璃的抗老化性能，对有机玻璃的使用具有较高的参考价值。