4種尼龍材料在汽車冷卻液中的高溫老化性能研究

許齊勇，龐承煥，李衛(wèi)領，吳博

(1.金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術中心,廣東廣州 510663；2.國高材高分子材料產業(yè)創(chuàng)新中心有限公司,廣東廣州 510663；3.塑料改性與加工國家工程實驗室，廣東廣州 510663)

0 引言

伴隨著汽車產業(yè)的發(fā)展，高分子材料在汽車上的應用越來越廣泛，也推動了汽車的輕量化發(fā)展，有效減少了燃料消耗和排氣污染。其中，改性尼龍材料主要應用于汽車發(fā)動機周邊部件和冷卻系統(tǒng)，包括水泵、散熱器支架、加熱箱和冷卻系統(tǒng)連接管路等，需耐受長期熱環(huán)境和復雜化學品的侵蝕。加熱和冷卻系統(tǒng)中用到的尼龍經常要接觸乙二醇冷卻液。尼龍對乙二醇的相對惰性使尼龍在這方面的應用極具優(yōu)勢。部分專門設計的玻璃纖維增強尼龍品種，可以在相對較高的溫度下防凍劑環(huán)境中仍能較好地保持其物理強度。但與此同時，尼龍本身的酰胺結構具有親水性，因此，有必要對樣品進行高溫下冷卻液浸泡老化測試，以確定其使用安全性。

目前，研究人員對于尼龍耐冷卻液性能的研究一般采用模型化的方法，即研究尼龍材料在水或乙二醇中的老化性能，與實際應用工況存在一定偏差。本文作者采用市售乙二醇冷卻液進行尼龍材料的耐老化性能研究，具有一定的應用價值。

1 實驗部分

1.1 樣品及試劑

樣品采用4種尼龍樣品，試劑選擇汽車冷卻液。

1.2 儀器及設備

IAT-216精密換氣老化箱，Zwick/Z005萬能試驗機，Zwick/HIT5.5P數顯沖擊測試儀，S-3400 N掃描電鏡。

1.3 材料老化測試方法

將4種不同的尼龍彎曲和沖擊樣條，放入裝有汽車冷卻液的裝置中，再放入125 ℃老化烘箱中進行老化測試。分別在老化120、240、360、480和1 008 h后將樣品取出，并在標準環(huán)境[(23±2) ℃，(50±5)%]中調節(jié)48 h后，進行力學性能測試。

1.4 力學性能測試方法

按照標準GB/T 9341—2008進行老化樣品的彎曲性能測試，彎曲速度為2 mm/min，跨距為64 mm。按照標準GB/T 1043.1—2008進行老化樣品的簡支梁缺口沖擊性能測試，擺錘能量為2.0 J，跨距為62 mm。

2 結果與討論

2.1 彎曲性能變化規(guī)律

圖1為4種尼龍材料彎曲強度隨老化時間的變化規(guī)律圖。

圖1 4種尼龍材料彎曲強度隨老化時間的變化規(guī)律

由圖1可知，在老化時間為120 h時，各樣品的彎曲強度均出現明顯驟降，這是因為尼龍材料吸水后導致的。在老化時間介于120～1 008 h之間時，樣品的彎曲強度呈現緩慢下降的趨勢，該現象表明，各尼龍樣品在老化時間為120 h時，已經達到吸水飽和(樣品尺寸基本穩(wěn)定，未再發(fā)生明顯的吸水膨脹)，隨老化時間的繼續(xù)延長，樣品逐漸出現降解，故此時的彎曲強度緩慢下降。當老化時間達到1 008 h時，各樣品的性能保持率均已低于初始強度的40%。

圖2為4種尼龍材料彎曲模量隨老化時間的變化規(guī)律圖。

圖2 4種尼龍材料彎曲模量隨老化時間的變化規(guī)律

由圖2可知，各樣品均在老化時間為120 h時，便出現了明顯的彎曲模量下降(下降幅度均超過40%)。此時彎曲模量的變化，主要與尼龍材料發(fā)生吸水后，材料自身內應力降低，分子取向趨于自然，脆性消除有關。而后材料的結晶和解晶過程逐漸達到平衡，并在高溫和溶劑作用下，逐步老化，性能衰減。

2.2 沖擊性能變化規(guī)律

圖3為4種尼龍材料簡支梁缺口沖擊強度隨老化時間的變化規(guī)律圖。

圖3 4種尼龍材料簡支梁缺口沖擊強度隨老化時間的變化規(guī)律

由圖3可知，各樣品均在老化時間為120 h時，達到了沖擊強度的最高值。因尼龍樣品本身較脆，故未經汽車冷卻液浸泡的樣品，沖擊強度較差。經過一段時間浸泡后，尼龍樣品充分吸水，樣品內部大分子取向和結晶趨于穩(wěn)定，此時韌性最佳，獲得的缺口沖擊強度最大。進一步對樣品進行老化，尼龍材料在高溫冷卻液的浸泡下，逐步發(fā)生降解，導致沖擊強度下降，直至材料失效。

2.3 彎曲樣條斷面SEM分析

圖4為材料3在不同老化時間下的彎曲樣品斷面SEM照片，從圖中可以看出，未老化的樣品，玻纖和基體樹脂之間的黏結良好，斷面的玻纖表面覆蓋了較多基體樹脂，此時樣品的彎曲強度較高。當老化時間為120～480 h時，斷面的玻纖和樹脂的黏結效果變差，玻纖表面比較光滑，較少有樹脂的覆蓋。當老化時間為1 008 h時，斷面的玻纖和樹脂明顯分離，且樹脂斷面較為光滑，可能與尼龍基體的降解有關。

圖4 材料3在不同老化時間下的彎曲樣品斷面SEM照片

3 結論

(1)4種尼龍材料在不同老化時間下，彎曲強度逐漸下降，且老化120 h時的彎曲強度下降幅度最大。

(2)4種尼龍材料在不同老化時間下的簡支梁缺口沖擊強度逐漸降低呈現先增加后減小的趨勢，且沖擊強度的最大值出現在老化時間為120 h時。這是因為尼龍材料在冷卻液中進行老化時，首先發(fā)生吸水，材料韌性提高，而后發(fā)生老化降解，沖擊強度降低。

(3)不同老化時間下的彎曲樣品斷面SEM照片表明，尼龍材料在汽車冷卻液中進行高溫老化時，首先是尼龍的吸水導致基體樹脂與玻纖的黏結作用變弱，而后發(fā)生樹脂的降解，導致樣品的彎曲強度逐漸降低。