湿度对高分子材料机械性能的影响

王丹

（沈阳工业大学辽阳分校工程实践中心，辽宁 沈阳 111003）

对于高分子材料机械性能而言，湿度是主要的影响因素之一。当高分子材料所处环境的相对湿度较高时，会逐渐发生物理化学性质变化，最终导致材料的使用价值丧失。因此，分析湿度对高分子材料机械性能的影响是十分必要的。

1 高分子材料相关概述

所谓高分子材料，主要指的是由基体和助剂构成的一种聚合物材料，其主要特征是分子量分布较为分散且分子量较大，一般在一万以上，此类材料目前正广泛应用于中国各个领域。从目前现状来看，高分子材料的主要用途有塑料、橡胶、纤维、涂料以及粘合剂，其中，较为典型的材料有尼龙、环氧树脂涂料以及涤纶等。

2 保证高分子材料机械性能的重要性

随着科学技术水平的提高，人们对高分子材料的需求和要求逐渐增加，目前，高分子材料的应用十分广泛，渗透在人们的生产和生活中。但是，在对高分子材料进行生产、贮藏、加工以及施工过程中，该材料极易受到多种因素的影响，进而导致其机械性能降低甚至丧失，“老化”现象的发生在某些情况下会产生严重的安全事故。例如合成橡胶，当其机械性能受到影响后，其性能会下降、丧失，进而导致合成橡胶无法发挥出其原本的作用，当合成橡胶用作为绝缘材料时，其性能的丧失会导致电力安全事故的发生。不仅如此，塑料、合成纤维都属于高分子材料，被广泛应用于化工、通讯、医疗和航空航天领域，尤其是化工领域，高分子材料组成的乳胶和涂料极为重要。但在其生产或是使用等过程中，周围环境中湿度的提高会直接影响高分子材料的有效性，进而对其使用年限造成影响，不仅降低了制品的环保性，也影响到相关企业的经济效益。

近年来，湿度这一影响因素受到了社会各界的广泛关注，主要原因之一是微机电领域的发展，湿度会导致微电子器件的可靠性降低，当湿度超标或是长期处于相对湿度较高的环境中时，会造成材料膨胀进而导致器件开黏，影响该领域的健康发展。从目前研究现状来看，当相对湿度在80%以上时，那么水分子会逐渐渗透到高分子材料中，在其内部进行水分的积聚，进而降低其机械性能；或是依附在高分子材料的表面，随着水分子的增加会逐渐形成水膜，这也会降低高分子材料机械性能。当周围环境的相对湿度在50%以下时，湿度的不足会导致高分子材料中的水分蒸发，同样会对材料的机械性能造成影响，为此，在对湿度进行控制时，并非单一地降低空气湿度，而应根据具体材料以及使用环境对湿度进行合理控制，从而有效降低湿度对高分子材料机械性能的影响。

3 湿度对具体高分子材料机械性能的影响

3.1 湿度对高分子复合材料的具体影响

对于高分子复合材料而言，过高的湿度会削弱甚至破坏材料的化学键，并发生物理吸附情况，前者可逆，但后者在出现后，若是温度逐渐升高或者高温时间过长则会发生脱附。当高分子材料受到湿度的影响后会发生不同程度的老化，这与具体湿度和温度等其他因素有关，而湿热老化就是高分子复合材料老化的主要形式。具体而言，当高分子复合材料所处环境较为湿热时，则材料的树脂基体会受到破坏，导致高分子复合材料的粘结界面和增强材料发生转变。与此同时，若是在较高湿度的情况下环境温度不断升高，高分子复合材料会产生热应力损伤，而在吸湿后会生成结晶导致裂纹的出现，最终导致高分子复合材料出现基体降解的严重情况。通过使用红外光谱对其进行分析发现，高分子复合材料的失效并非是分子链的断裂，而是在湿热条件下高分子复合材料内部会积聚水泡，而这会降低高分子复合材料粘结界面的强度，从而导致裂纹、解体等情况的发生。不仅如此，通过对高分子复合材料吸湿后断面形貌进行观察，水分子在进入高分子复合材料后会使树脂基发生溶胀反应，进而导致基体强度降低，进一步加剧高分子复合材料的碎裂，导致其力学性能的降低和丧失[1]。另外，当水分子深入到高分子复合材料的粘结界面上后，会进一步加剧裂纹的扩大，进一步影响其性能。由此可见，高分子复合材料机械性能下降及失效的主要原因并非周围的湿热环境，而是水分子在材料内部的积聚导致逐渐深入到基体与增强材料界面，发挥了加速作用，最终导致高分子复合材料机械性能的失效。

3.2 环氧树脂机械性能受湿度的具体影响

环氧树脂这一高分子材料主要应用于电源变压器的绝缘或是旋转电机中等，具有十分关键的作用，但当周围环境的相对湿度较高且该材料长期处于该环境时，环氧树脂材料的各项性能会急剧下降，尤其是机械性能，甚至会出现性能失效的情况。例如，当湿度在95%RH以上且温度较高时，其机械性能会受到极为严重的影响，导致环氧树脂的耐久性急剧下降，一般情况下被称为湿致性能劣化，也就是湿致破坏。同时，由于环氧树脂材料的吸湿会产生不可逆转的影响和变化，为此，在生产、使用该材料时，相关人员应提高对湿度的重视度，注意环氧树脂对湿度的敏感性。从目前研究现状来看，造成环氧树脂材料机械性能失效的主要原因之一就是湿度，当环氧树脂材料具有细微裂纹时，周围环境相对湿度的加大会导致裂纹的进一步扩展，进而造成环氧树脂材料机械性能的丧失。这主要是因为环氧树脂材料受周围较高湿度的影响，当极限应变受到的影响为零时，材料的杨氏模量会减少、撕裂强度会降低，在这时，湿度通过选择性粘结水分子使矩阵中的断裂键位置发生了变化，从而对环氧树脂材料的机械性能造成了影响。从目前气态吸附数据、液态吸附数据相关实验及研究现状来看，环氧树脂材料网状结构中的亲水性位置氢键以及稀释孔隙率氢键的机制是不同的。具体而言，以高玻璃化转变温度体系为例，在该体系中，经过芳香胺固化的环氧树脂的氢键机制的重要性会在特定情况下更为关键，一般情况下，是在吸附作用和增塑作用的条件下，当硬化剂浓度不断提高时，氢键机制的重要性也会随之增加，但是，对于稀释机制而言，其重要性较低。而这主要是因为环氧树脂材料中未反应氨基的亲水性网格数量以及交联网格增多，当其数量较多时，在较为稠密的交联网格中水分子的扩散能力受到限制，进而导致其无法有效扩散。由于环氧树脂材料对湿度具有较强的敏感性，若是周围环境湿度较高，其机械性能会迅速下降甚至失效，为此，在生产、使用环氧树脂材料时，相关人员应尽量避免在湿热气候环境下使用[2]。

3.3 尼龙材料机械性能受湿度的具体影响

由于高分子复合材料中的尼龙材料具有良好的机械性能以及物理性能，使得该材料目前被广泛应用于各个领域，尤其是工业领域。但是，所有的尼龙材料都具有湿度敏感的特点，也就是吸湿性，这使得在生产、使用该材料时需要对湿度进行合理控制。从目前现状来看，湿度对尼龙材料的硬度具有直接性影响，这主要是因为尼龙材料本身就具有吸湿性能，当周围环境湿度较高时，该材料会吸收空气中的水分子，而尼龙材料所吸收的水分量与其自身硬度呈线性关系，这意味着水分对尼龙材料的润滑作用取决于尼龙薄表层的塑化。从目前研究现状来看，当尼龙材料发生塑化时，需要满足两个条件，分别是将尼龙材料的剪切强度降低和增加高分子材料接触其他表面时的接触面积，在该情况下该面积的增加会减弱润滑作用，并在少数情况下减少增塑层剪切强度来决定尼龙材料的摩擦力。不同于高分子复合材料，尼龙材料在湿热环境下通过进行水分子的吸收能够有效提升尼龙6/12的冲击强度，但在湿热循环的情况下通过对玻璃纤维进行烘干后，尼龙材料的冲击强度变化并不明显，这意味着增加湿热循环次数能够使变化明显，能对尼龙材料的冲击强度进行有效增强。

另外，湿度相对较高的情况下会发生水解作用，而该作用能够有效增加尼龙材料的韧性，若是湿度较低造成尼龙材料水分的缺失，则会降低尼龙材料的韧性，进而使该材料变脆。但是，水解作用也会对尼龙材料的表面缺陷进行扩大，并对尼龙材料的纤维以及基体界面造成影响，这主要是因为当发生水解作用后，对于尼龙材料的简化合成而言，酰胺键的水解是逆反应，因此，当重复进行吸湿和干燥时，所产生的缺陷会逐渐抵消纤维与基体结合所产生的优势，进而造成尼龙材料的老化。而且，若是在高温的环境下，尼龙材料的水解作用会加速，进而加快老化，这意味着，在尼龙材料吸湿后，温度的上升会加快尼龙材料的老化速率。对于高分子材料而言，湿度在对其造成影响时主要是通过渗透和材料的吸收，虽然水分子同样会对尼龙材料的机械性能造成影响，但水解作用也能够有效对该材料的机械性能进行增强。

4 结论

综上所述，湿度对高分子材料的机械性能具有极强的影响力，但不同的高分子材料受到的影响程度不同。因此，应对典型高分子材料进行分析，掌握湿度对其的影响与作用，从而在生产和使用过程中有意识地对湿度进行控制，保证该材料原本的作用和性能。