浅谈尼龙吸湿特性在生产过程中的应用

郑迎春

（ 上海飞乐汽车控制系统有限公司，上海　201401 ）

浅谈尼龙吸湿特性在生产过程中的应用

郑迎春

（ 上海飞乐汽车控制系统有限公司，上海201401 ）

以尼龙注塑件为例，研究与分析尼龙的吸湿特性对产品性能的影响，简述生产过程中通过人工调湿处理工艺增加产品稳定性和一致性的方法。

PA66；吸湿；韧性；调湿处理

0　引言

尼龙（Nylon）即聚酰胺纤维，其与一般工程塑料相比具有力学强度高、冲击韧性大、耐磨性能好、摩擦噪音小等优点，是一种强韧的塑料，因而在工业制造和工程塑料方面应用较为广泛。本文以聚己内酰胺和聚己二酸己二胺，即PA6（尼龙6）和PA66 （尼龙66）的吸湿机理在制造业生产中的相关应用作简单介绍。

1　概述

尼龙的韧性、化学惰性、耐热性和低重量等特性使其在较多工业制造领域能够替代金属和其它塑料。通过变化增强等级和聚合物化学性质，树脂生产者可以为指定用途设计配方。虽然热固性聚合物与尼龙相比，在某些领域依然具有相当的竞争力，尤其是在北美。但是尼龙比热固性材料易于回收，利于环境保护是尼龙带来一个优势。

2　特性

吸湿性（Moisture absorption）是纤维的物理性能的指标之一，通常把纤维材料从气态环境中吸收水分的能力称为吸湿性，即对水分的亲疏程度。脂肪族聚酰胺由于含有胺基和羰基，易与水分子形成氢键，而PA6和PA66作为最常用的聚酰胺材料，分子结构中含有亲水性的酰胺基，使其不同于聚甲醛、聚碳酸酯、（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）类塑料，而具有很强的吸湿性，从潮湿空气中吸收最高可达自身重量10%的水分，在一般湿度环境下也能吸收2%～4%的水分，吸水后材料的力学性能发生明显变化。

2.1 尺寸变化

尼龙吸湿后体积发生膨胀，尺寸变大。其在一年内吸水的变化约为0.5%，由此引起尺寸变化0.01%，30%玻璃纤维增强PA66的尺寸变化约为0.0025%。膨胀时，材料尺寸变化和吸水量变化并不完全同步。PA6纤维随着吸水量变化膨胀先快后慢，而尼龙6薄膜则相反。经过拉伸的样品，在各个方向上的膨胀程度存在差异，沿拉伸方向膨胀较明显，见图1。

以汽车配件尼龙注塑阀芯为例（图2），阀芯外径d（d=5.87±0.05）与阀体孔径的间隙影响了供气流量的大小，所以要求对阀芯外径严格控制。

针对阀芯的吸湿试验，采用水煮的人工加湿方式使阀芯充分吸湿，加湿后自然晾干表面水分，采用外径千分尺测量，使用精度为0.001g的电子天平称量重量，结果见表1。

图1　尼龙含水率与尺寸变化趋势

图2　尼龙阀芯

表1　尼龙阀芯吸湿重量及尺寸变化对照

2.2 机械性能变化

含水率对尼龙（PA6或PA66）或改性尼龙的弯曲强度、拉伸强度、缺口冲击强度等力学性能都有影响。另外，其各项力学性能还因含水率的不同而不同。

水分子渗透进入材料，与尼龙分子结合，破坏尼龙分子之间的氢键，增加尼龙分子的活动性，尼龙树脂基体产生结晶，其拉伸强度和弯曲强度都会有所增加。由于尼龙树脂基体的结晶，材料冲击强度会有所降低，同时由于尼龙材料吸水后分子链段活动性增加，冲击强度会有所提高，其综合的效果会使材料冲击强度稍有提高。尼龙基体树脂的结晶完成后，水分子继续渗入，进一步削弱尼龙分子之间的结合力，水分子在材料中起到了增塑剂的作用，其拉伸强度和弯曲强度会继续随水分含量的增加而降低，其缺口冲击强度会增加。

表2为吸水率对PA66力学性能影响。

表3为PA66力学性能平均变化值。表中显示，弯曲强度、拉伸强度、缺口冲击强度等数值都有显著的影响，并呈现良好的规律性。其中弯曲强度和拉伸强度对应含水率的增加而下降，而缺口冲击强度对应含水率的增大而提高。可见，尼龙材料吸湿后整体韧性显著增加。

表2　吸水率对PA66力学性能的影响

表3 PA66力学性能随材料吸水率的平均变化值

2.3 吸湿速度

尼龙材料制品的吸湿速度与环境温度和湿度都有关系，总体趋势是温度、湿度越高，吸湿速度越快，而采用水槽加湿，比大气加湿的速度更是大大提高。同时，零件材料的壁厚越厚吸收水分就越困难，材料厚度增加一倍，吸湿时间增加4～5倍。表4为某品牌尼龙材料的加湿条件。

尼龙吸水速度从开始到结束并不是始终如一，以下以某一款不含玻纤增加的PA66零件为例，加湿称重记录见表5，增重趋势见图2。

表4　某品牌尼龙材料加湿条件

表5　加湿称重记录

图2　增重趋势

图中可以看出，在加湿过程开始时材料吸湿速度最快，吸湿速度随时间迅速下降，20h～24h内，零件可以达到吸湿平衡点。

3　调湿处理

尼龙的调湿处理是指通过人为的方式，如水煮、热水喷淋、蒸汽加湿等手段使尼龙制品快速吸收水分达到饱和。

尼龙粒子在进入注塑机料筒前，有一个材料的预先烘干过程，如PA66注塑允许含水率不大于1%。避免在成型加工时，因多余水分变为气体促使塑料发生分解，而导致成型后的塑料出现气泡、银丝与斑纹现象，降低塑件表面质量和机械性能。PA6/66注射参数见表6。

表6　PA6/66注射参数

尼龙材料的注塑过程料温通常达270℃左右，原材料粒子中的水分完全气化，在注塑的高压过程中从制品中跑出。所以注塑完成的一瞬间是尼龙制品含水率最低的状态，也就是说尼龙注塑件只有在吸收注塑期间丢失的水分后才能获得最好的机械性能，否则注塑件易脆。

调湿处理可加速尼龙制品的后收缩和降低内应力，让制品尽快达到吸湿平衡状态，稳定尺寸，并充分发挥尼龙的坚韧性。

3.1 处理方法

1）成型水浴法

该方法通常是放一些装满水的容器在注塑机下方。注塑件开模时，顶出的部件进入水中，根据制品的大小、壁厚等决定部件留在水中的时间，见图3。

该方法操作简单，成本较低，适用于卧式自动注塑机。缺点也较多，前后生产的产品水浴时间不同，吸水程度也会存在差异；生产现场因水浴显得较为脏乱，车间5S难以控制；水浴后产品取出还需要清除表面多余的水分，不管是晾干还是烘干，都会增加处理时间，并且表面往往会残留水渍，影响产品的外观。

图3　水浴法调湿处理

2）袋浴法

产品成型后，装在放有水的聚乙烯（PE）袋子里并密封吸收所需的水分。该方法应用最广的例子是扎带。袋浴法往往充水量不会太多，否则包装袋中残留水分会引起客户的不满。缺点是充水量不足使得产品不能充分吸收水分，未能达到最理想的调湿效果。

3）水煮法

相对严谨的调湿方式。根据部件的情况，尤其是部件的尺寸，将部件放在热水里数个小时。一般来说，部件厚度每增加1mm，放置时间增加1h。但是这种方法也一定限制，沸水温度为100℃，而未增强尼龙的热变形温度仅为70℃左右，长时间水煮会引起塑件变形。因而该方法只适用于增强尼龙材料。

4）潮湿空气法

最为严谨、最为精准的加湿方式，可精确控制温度、湿度和时间。当然，这种方法也有缺点，由于相比水浴，在大气中吸湿速度要慢的多，所以该调湿方法的成本较高。

3.2 实际应用案例

3.2.1 调湿增加韧性

以图4为例，带有铰链结构的零件在装配时划圈位置将会受到弯折，如果材料含水率低，很容易发生脆裂。一般来说该类结构在出厂前会预先进行调湿处理，通常采用的是袋浴法。干燥环境下经过长时间运输和存储，水分有所丢失，使用前还需再次进行调湿处理。

3.2.2 调湿稳定尺寸

对于尼龙阀芯等产品（见图5），为了与阀体保持较好的配合间隙，其外径尺寸精度要求较高。注塑模具设计之初就应考虑到该特性所造成的影响。模具设计时应将外径尺寸适当减小，通过调湿处理使阀芯的含水率达到平衡，在后续使用过程中保证阀芯尺寸处于较为稳定的状态。

图5　尼龙阀芯产品实物

3.2.3 调湿降低硬度

带有轴结构的零件采用未增强PA66，孔结构零件采用含30%玻纤增加的PA66。由于增强尼龙比未增强尼龙的硬度要高，两个零件铆压装配后容易将轴前端挤压变形，变形的材料可能会造成装配后转动不畅。对带有孔结构的壳体进行适当的调湿处理可以降低材料表面的硬度，保证装配后轴前端结构的完整。见图6。

图6　尼龙轴与孔的配合

4　结语

良好的吸湿性是尼龙材料的特性，吸湿后尼龙机械性能和尺寸都会使产品明显变化，在使用尼龙作为材料的零件设计和加工过程中不应忽视。调湿处理是尼龙注塑件加工过程中重要的工艺手段，能够提高制品机械性能，防止零件脆裂，稳定成品尺寸。

［1］黄德余，塑料性能评定计［M］.北京：中国标准出版社，1990.

［2］陈建荣，张洪涛.塑料成型工艺及模具设计［M］.北京：理工大学出版社，2010.

［3］张吉鲁，何杰，李学.改性尼龙66开发现状及应用研究［J］.工程塑料应用，2005.

Application of Nylon Moisture Absorption Characteristics in the Production Process

Zheng Yingchun
（Shanghai FL Dai-ichi Automotive Controllers Co.， Ltd.， Shanghai 201401， China）

Taking nylon injection molding as an example， the influence of moisture absorption properties on the performance of products is studied and analyzed.Method for increasing stability and consistency of products by means of manual moisture transfer treatment is described briefly in production process.

PA66； Moisture absorption； Toughness； Moisture transfer treatment

TM206

A

1674-2796（2016）04-0025-05

2016-05-10

郑迎春（1980—）女，大学本科，工程师，主要从事注塑工艺、线束加工工艺方向的研究与开发工作。