4种尼龙材料在汽车冷却液中的高温老化性能研究

许齐勇，庞承焕，李卫领，吴博

(1.金发科技股份有限公司企业技术中心,广东广州 510663；2.国高材高分子材料产业创新中心有限公司,广东广州 510663；3.塑料改性与加工国家工程实验室，广东广州 510663)

0 引言

伴随着汽车产业的发展，高分子材料在汽车上的应用越来越广泛，也推动了汽车的轻量化发展，有效减少了燃料消耗和排气污染。其中，改性尼龙材料主要应用于汽车发动机周边部件和冷却系统，包括水泵、散热器支架、加热箱和冷却系统连接管路等，需耐受长期热环境和复杂化学品的侵蚀。加热和冷却系统中用到的尼龙经常要接触乙二醇冷却液。尼龙对乙二醇的相对惰性使尼龙在这方面的应用极具优势。部分专门设计的玻璃纤维增强尼龙品种，可以在相对较高的温度下防冻剂环境中仍能较好地保持其物理强度。但与此同时，尼龙本身的酰胺结构具有亲水性，因此，有必要对样品进行高温下冷却液浸泡老化测试，以确定其使用安全性。

目前，研究人员对于尼龙耐冷却液性能的研究一般采用模型化的方法，即研究尼龙材料在水或乙二醇中的老化性能，与实际应用工况存在一定偏差。本文作者采用市售乙二醇冷却液进行尼龙材料的耐老化性能研究，具有一定的应用价值。

1 实验部分

1.1 样品及试剂

样品采用4种尼龙样品，试剂选择汽车冷却液。

1.2 仪器及设备

IAT-216精密换气老化箱，Zwick/Z005万能试验机，Zwick/HIT5.5P数显冲击测试仪，S-3400 N扫描电镜。

1.3 材料老化测试方法

将4种不同的尼龙弯曲和冲击样条，放入装有汽车冷却液的装置中，再放入125 ℃老化烘箱中进行老化测试。分别在老化120、240、360、480和1 008 h后将样品取出，并在标准环境[(23±2) ℃，(50±5)%]中调节48 h后，进行力学性能测试。

1.4 力学性能测试方法

按照标准GB/T 9341—2008进行老化样品的弯曲性能测试，弯曲速度为2 mm/min，跨距为64 mm。按照标准GB/T 1043.1—2008进行老化样品的简支梁缺口冲击性能测试，摆锤能量为2.0 J，跨距为62 mm。

2 结果与讨论

2.1 弯曲性能变化规律

图1为4种尼龙材料弯曲强度随老化时间的变化规律图。

图1 4种尼龙材料弯曲强度随老化时间的变化规律

由图1可知，在老化时间为120 h时，各样品的弯曲强度均出现明显骤降，这是因为尼龙材料吸水后导致的。在老化时间介于120～1 008 h之间时，样品的弯曲强度呈现缓慢下降的趋势，该现象表明，各尼龙样品在老化时间为120 h时，已经达到吸水饱和(样品尺寸基本稳定，未再发生明显的吸水膨胀)，随老化时间的继续延长，样品逐渐出现降解，故此时的弯曲强度缓慢下降。当老化时间达到1 008 h时，各样品的性能保持率均已低于初始强度的40%。

图2为4种尼龙材料弯曲模量随老化时间的变化规律图。

图2 4种尼龙材料弯曲模量随老化时间的变化规律

由图2可知，各样品均在老化时间为120 h时，便出现了明显的弯曲模量下降(下降幅度均超过40%)。此时弯曲模量的变化，主要与尼龙材料发生吸水后，材料自身内应力降低，分子取向趋于自然，脆性消除有关。而后材料的结晶和解晶过程逐渐达到平衡，并在高温和溶剂作用下，逐步老化，性能衰减。

2.2 冲击性能变化规律

图3为4种尼龙材料简支梁缺口冲击强度随老化时间的变化规律图。

图3 4种尼龙材料简支梁缺口冲击强度随老化时间的变化规律

由图3可知，各样品均在老化时间为120 h时，达到了冲击强度的最高值。因尼龙样品本身较脆，故未经汽车冷却液浸泡的样品，冲击强度较差。经过一段时间浸泡后，尼龙样品充分吸水，样品内部大分子取向和结晶趋于稳定，此时韧性最佳，获得的缺口冲击强度最大。进一步对样品进行老化，尼龙材料在高温冷却液的浸泡下，逐步发生降解，导致冲击强度下降，直至材料失效。

2.3 弯曲样条断面SEM分析

图4为材料3在不同老化时间下的弯曲样品断面SEM照片，从图中可以看出，未老化的样品，玻纤和基体树脂之间的黏结良好，断面的玻纤表面覆盖了较多基体树脂，此时样品的弯曲强度较高。当老化时间为120～480 h时，断面的玻纤和树脂的黏结效果变差，玻纤表面比较光滑，较少有树脂的覆盖。当老化时间为1 008 h时，断面的玻纤和树脂明显分离，且树脂断面较为光滑，可能与尼龙基体的降解有关。

图4 材料3在不同老化时间下的弯曲样品断面SEM照片

3 结论

(1)4种尼龙材料在不同老化时间下，弯曲强度逐渐下降，且老化120 h时的弯曲强度下降幅度最大。

(2)4种尼龙材料在不同老化时间下的简支梁缺口冲击强度逐渐降低呈现先增加后减小的趋势，且冲击强度的最大值出现在老化时间为120 h时。这是因为尼龙材料在冷却液中进行老化时，首先发生吸水，材料韧性提高，而后发生老化降解，冲击强度降低。

(3)不同老化时间下的弯曲样品断面SEM照片表明，尼龙材料在汽车冷却液中进行高温老化时，首先是尼龙的吸水导致基体树脂与玻纤的黏结作用变弱，而后发生树脂的降解，导致样品的弯曲强度逐渐降低。