淺析環氧材料的耐水性和耐濕熱性

關胤

（黑龍江省化工研究院，黑龍江哈爾濱150000）

在當前的工業領域中，環氧材料有著非常廣泛的應用，并且大多數情況下都能發揮很好的性能作用。但是在實踐中發現，在水中或是一些潮濕悶熱的環境中，環氧材料在使用過一段時間后就可能會出現性能減弱的情況，特別是在溫度為50-60℃、濕度超過95%RH的環境中，其承載能力會不斷的減弱，甚至還可能直接失效，從而使得環氧材料失去其原本的作用。這種現象就是環氧材料濕致破壞。其對環氧材料的應用產生了很大的影響作用，是阻礙其進一步廣泛應用的最大因素，必須要盡快解決解決這一問題。本文就通過分析濕致破壞來探討其提高性能的途徑措施。

1 環氧材料的濕致破壞的成因分析

對于環氧材料而言，之所以會出現濕致破壞現象，其所形成的原因是非常復雜的。在潮濕或濕熱的環境中，環氧材料的表面會逐漸產生各種化學反應或者發生一些物理變化，從而使其物理性質和化學性質發生變化。具體來講，環氧材料濕致破壞的主要成因機理有以下幾點：

1.1 濕潤

潤濕是濕致破壞的首要(必要)條件。環氧樹脂是一種極性材料，水也是一種極性物質，二者有較好的親和性。環氧材料的顏填料又多為親水性物質，因此環氧材料能被水潤濕，使表面能降低，從而易產生濕致破壞。

1.2 吸附、擴散、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，并易于擴散到固體內部。環氧樹脂、顏填料、增強材料及其它添加劑中含有大量極性基團，則更有利于水的吸附和吸收。水在固體表面的吸附，將固體表面潤濕，降低了固體的表面能，從而有利于裂紋的產生和擴展。水分子滲入環氧固體物內部與大分子鏈上的極性基團相結合，撐大了大分子間的距離，出現了溶脹現象，降低了分子間力、強度及模量，也使大分子鏈易于運動，呈現增塑作用，在一定程度上有利于阻止裂紋的擴展。對于金屬、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，當水吸附到固體物表面及滲入固體物內部和界面與之相接觸后，則會發生水解反應，使大分子斷鏈、降解，甚至出現微裂紋。

1.4 溶解和滲出

環氧材料中如果含有水溶性組分，當水被吸附和滲入后，這些水溶性組分將會溶解于水中，并逐漸擴散、滲出。環氧材料中的非活性小分子化合物也會隨時間的延長而逐漸滲出。滲出后遺留下來的孔隙、裂紋、毛細管不僅使材料性能劣化，而且還會使水易于滲入，起到進一步的破壞作用。

1.5 毛細現象

環氧材料中總會存在或大或小、或多或少的類似毛細管的裂紋缺陷。與水接觸后，將會出現毛細現象。凝集在裂紋縫中的水所產生的毛細壓力不僅會使水快速滲入并潤濕裂紋面，降低了產生新裂紋所需的表面能，助長了裂紋的產生和擴展，同時所產生的毛細壓力還會促使原有裂紋擴展。

1.6 應力腐蝕開裂

在應力作用下，在環氧材料內部及界面上會產生裂紋，水分子沿著這些裂紋進一步滲入。水對裂紋面的潤濕、吸附、滲入、溶解、滲出、水解和毛細現象，使材料表面能降低、溶脹、增塑、變形、斷鏈、開裂，使性能劣化，促進裂紋沿著垂直于應力進一步增長，以使應力釋放到較低水平，水又會對新的裂紋面反復起著上述作用。應力的存在是環氧材料濕致破壞的一個重要影響因素。

1.7 濕熱效應

1）溫度升高，水分子及大分子的各種單元的運動都會加劇。大分子之間的距離增大(熱膨脹)，有利于水分子滲入，從而上述水對環氧材料的作用都會加快進行，使破壞過程縮短。2）由于環氧復合材料的非均質性，溫度升高時各相材料的熱脹系數不同導致產生熱應力，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反應的進行。易產生氧化、分解、交聯等反應，使材料性能劣化。

2 提高環氧材料耐水性和耐濕熱性的措施

通過上述對環氧材料濕致破壞成因機理的分析，我們大致可以了解到環氧材料的耐水性和耐濕熱性并不是很好，在一些水環境或濕熱環境中的應用受到了限制。雖然本文所研究的濕致破壞機理可能并不是所有導致環氧材料在濕熱環境下發生變化的成因，但就在這些研究成果的基礎上，也可以采取一些方法來提高環氧材料的耐水性和耐濕熱性。

（1）在使用環氧材料時，應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氧材料與水隔離開來，如果無法完全隔離，也要盡量將界面層與水隔離開。例如可以使用憎水性的原材料，或者是對材料做出一定的憎水性處理。

（2）要盡可能的提高環氧材料自身的抗破壞能力，使其能夠抵抗濕致破壞。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增大環氧材料的強度與密度，避免其迅速被水滲入。

（3）要盡量消除存在于環氧材料周圍的，能夠使其發生破壞的因素，以此來提高其耐水性和耐濕熱性。例如盡量消除環氧材料的內應力，增大工藝管理避免環氧材料制備過程中有雜質混入。

（4）在對環氧材料進行設計時，無論是基團還是樹脂、固化劑、添加劑等，都應該優先選擇憎水性原材料，以此來降低環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、強度較大的樹脂固化體系，以及適當的偶聯劑，所選用樹脂基體的熱脹系數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）在制備環氧材料的過程中，要注意均勻的分散和加熱物料，使材料的結構都相對較為均勻，從而減少其內部的收縮應力與熱應力，以增大環氧材料的強度。還可以對材料施加一定壓力，使其密度度增大，從而減小孔隙率，避免水分快速侵入。固化處理后應該進行一定的內應力消除處理。并且在整個制備過程中都不得有雜質混入。

3 結束語

總之，環氧材料是當前工業材料的重要組成部分，為了使其更好的發揮功能作用，就必須要不斷的完善其使用性能。對于環氧材料的耐水性和耐濕熱性較差這一缺點更要盡快改進完善。本文通過分析其濕致破壞機理，提出了一些改進措施，希望可以為相關人士提供一些借鑒。

［1］孫曼靈.環氧材料的斷裂與增韌[C]//第十三次全國環氧樹脂應用技術學術交流會論文集.2009.

［2］孫曼靈,鄭水蓉.環氧材料的耐水性和耐濕熱性[C]//第十四次全國環氧樹脂應用技術學術交流會暨學會長三角地區分會第一屆學術交流會論文集.2010.