尼龙材料制作的产品为什么需要加水煮？

HW19811207

聚酰胺制品吸水后韧性会增加，拉伸强度会短暂增加但不会太大，很快拉伸强度会下降，随着含水率的增加而下降。所以可以确定的是韧性会增加，也就是冲击强度会增加，弯曲、拉伸强度会下降。
原因如下；
聚酰胺是脱水缩合而成的产物，水解则是该反应的逆过程，缩聚与水解是的一对平衡反应，材料中水的存在使上述平衡反应向左边移动，导致聚酰胺分子产生降解。当材料的吸水率增大
7 F9 S* S" ^! e* h时，其分子的降解程度也随之增大。分子降解的直接结果是聚合物分子量下降。因此，聚合物分子量下降应是聚酰胺因吸水而产生材料弯曲强度和拉伸强度下降的化学原因。另一方面，从聚酰胺的凝聚态结构上看，分子链段中重复出现的酰胺基团是一个带极性的基团，其上的氢原子能与另一个酰胺基团上的给电子的羰基(C—O)结合形成很强的氢键，而使聚合物的结晶程度增大。但当材料中含水后，由于链段中的部分羰基(C—O)将与胺基中氢脱离而与水分子形成氢键，加之分子量的下降，都使尼龙的结晶度下降，从而使弯曲强度和拉伸强度下降。这是尼龙因吸水而导致材料弯曲强度和拉伸强度下降的物理原因。但缺口冲击强度它表征的是材料的韧性，材料的结晶度越低，无定形部分含量越高，材料的冲击韧性就越好。所以，就出现了尼龙缺口冲击强度随材料吸水率增大而增大的现象。此外，另外现在大多数尼龙玻纤改性尼龙含有约质量分数30％的GF。GF也具有吸水性，并且GF吸水后，其强度也随之下降。因而产生了改性尼龙受吸水率影响其力学性能下降的幅度远大于未改性尼龙。
% ~# N1 C' Q+ C, f/ b$ s. J结论
1、吸水率对尼龙材料的弯曲强度、拉伸强度、缺口冲击强度均有显著影响，并呈现良好规律性。其中弯曲强度和拉伸强度均随吸水率增大而下降，而缺口冲击强度随吸水率增大而提高。
9 a+ P6 U6 k" R2、吸水率对尼龙材料力学性能的影响，既有化学结构方面的原因，也有材料凝聚态物理方面的原因。
0 }8 {; I* ]# p' @7 H4 L* |下面以尼龙66为说明

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1、PA66在不同湿度环境下吸水率与时间的关系
5 C% O4 x& s% @5 S如图1所示为不同湿度环境中PA66的吸水
  ~6 v. m# i' Z! E
不同相对湿度下吸水率与时间的关系
1一相对湿度为98％，2一相对湿度为60％l
2 ?; c1 q  P6 X+ ~' N3一相对湿度为35％14一相对湿度为10％
( d2 V8 I! _5 C" o0 H8 F6 S图1可以看到，PA66吸水率会随着环境相对湿度的增加而增大。在低相对湿度下(低于35％)材料吸水率一直比较小，在初期就达到饱和。在高相对湿度下基本上在6个月才达到饱
. e$ J5 s/ k8 f6 t9 ^" ]和。在98％的相对湿度下，吸水率比其他3种相对湿度下的吸水率大得多。
3 M1 T0 |, F4 @5 z; J* \+ f2、PA66不同湿度环境下拉伸强度与时间的关系

7 x5 D; C* N3 x/ W; E& ~& }3 O/ D图2为不同湿度环境下PA66拉伸强度与时间的变化曲线。
2 D- @, @% y; `- q, q( `6 g图2不同相对湿度下拉伸强度与时间关系
1一相对湿度为lO％；2一相对湿度为35％，
3一相对湿度为60％；4一相对湿度为98％
* w7 c( c* D; e3 l' C4 i6 Q' w- ]9 z从图2可看出，不同相对湿度环境中PA66的拉伸强度都有一个明显的先下降后上升的过程，相对湿度越大，拉伸强度下降程度越大。但是随着时间的延长，PA66的拉伸强度经过最低
点后有不同程度的回升。在干燥的情况下，老化12个月时PA66的拉伸强度甚至超过了原始拉伸强度。
3、拉伸强度与吸水率的关系
PA66的拉伸强度与吸水率的关系见图3。

% _. Z8 G1 y. d7 i7 JPA66拉伸强度与吸水率的关系
对拉伸强度与吸水率进行曲线拟合，得到以
# y) H* ?% y6 {下方程，见公式(2)。
1 o# P4 z( ?* A9 b7 V# t$ EY=38．6le—x／2•52+32．04
其中，y表示拉伸强度，X表示吸水率，相关系数(R2)为0．93。由此可以看出，PA66的拉伸强度与吸水率成指数关系，水分对材料性能影响是比较大的。
4、湿度对材料性能影响机制分析
从图4看出，相对湿度对PA66的拉伸强度的影响是负面的，趋势相同。相对湿度越大，影响程度越大。在极高相对湿度时PA66的拉伸强度下降程度非常厉害。这种影响与PA66的分子链段结构有较大关系。

水分是通过与尼龙分子链上的极性官能团相互作用而吸附进入材料内部的。为了解释水分在尼龙中的存在方式，Puffer提出了一个两步法模型：在每两个相邻的酰胺基团间可以吸
收3个水分子，第一步是1个水分子在2个羰基之间形成双氢键并放出大量的热，该水分子称为强结合水，然后第2个和第3个水分子分别与一NH一和一CO一之间已经形成的氢键再形成氢键，这个过程热效应较低，这2个水分子称为弱结合水。
根据PA66拉伸强度与吸水率的变化，并结合两步法模型，可以推测PA66老化前期吸水与拉伸强度变化过程为：当PA66处于湿度环境中时，材料开始吸收水分。水分的吸收破坏了PA66中原有的分子间氢键。PA66分子链间的原有氢键被新形成的氢键所取代，PA66分子链结构开始发生调整，并伴随着分子链羰基之间的强结合水的形成，该强结合水与羰基之间的氢键度出现一定程度的回升。但随着水分继续增多和向内层的扩散，PA66分子间隙增大，水分子可能不仅在分子间形成氢键，甚至会与已经形成氢键的氨基或羰基分子继续形成氢键，这些弱结合水和间隙水增多，再次降低了分子间的作用力，导致拉伸强度再次下降。
结论
! ?2 g: H, [) W9 h/ ia) PA66的拉伸强度与吸水率间存在指数关系；水分对PA66的拉伸强度影响存在时间效应，吸收水分其拉伸强度下降，但随着时间的延长，拉伸强度有一定程度回升。
b)水分对PA66拉伸强度影响程度与环境湿度有关，相对湿度越大，水分影响越强，PA66拉伸强度下降程度越大。

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水煮的作用主要是去除生产制造中产生的内应力，完全不是为了吸水而进行的工艺步骤。
对于精密零件如齿轮、衬套等，在进行水煮去除内应力时还需要使用工装，以防影响产品相关尺寸。