Водопоглощение в полимерах: механизмы и контроль

Водопоглощение полимерами является физическим процессом, при котором молекулы воды диффундируют в промежутки между полимерными сегментами.

Химическая структура материала определяет скорость поглощения и равновесную скорость поглощения воды. Полярные полимеры (такие как PA, PET, PC) содержат полярные группы, такие как амидные и эфирные группы, которые легко образуют водородные связи с молекулами воды и обладают сильным водопоглощением.

Равновесная скорость поглощения воды PA6 составляет 2,5%~3,5%, а скорость поглощения воды аморфным PC составляет около 0,15%~0,3% при температуре 23℃/50% RH. Неполярные полимеры (такие как PE и PP) трудно проникают молекулы воды из-за отсутствия полярных групп, и скорость поглощения воды обычно составляет менее 0,01%.

Проникновение молекул воды разрушит силу Ван дер Ваальса и сеть водородных связей между цепями полимеров, что приведет к увеличению подвижности сегментов. Этот "пластифицирующий эффект" значительно изменит термодинамические свойства материала.

Исследования показали, что температура стеклянного превращения (Tg) PA6 может быть снижена с 60℃ до ниже 40℃ после поглощения влаги, и температура плавления (Tm) также будет снижена соответственно, что накладывает строгие требования на контроль параметров процесса инжекционного литья.

Кроме того, существуют различия в поведении поглощения воды кристаллическими и аморфными полимерами: регулярная структура кристаллической области ограничивает диффузию молекул воды, поэтому скорость поглощения воды полукристаллическими полимерами (такими как PET) обычно ниже, чем у аморфных полимеров (таких как PC), но аморфная область по-прежнему является основным каналом для проникновения воды.

Смертельное влияние водопоглощения на процесс инжекционного литья и типичные случаи отказов

В литье под давлением, если полимерные сырьевые материалы не полностью высушены, остаточная влага вызовет множественные дефекты обработки, и механизм их повреждения можно разделить на две категории: физические и химические:

Физический отказ: дефекты, вызванные паром, и размерная нестабильность

Когда влажные сырьевые материалы попадают в бочку, высокая температура (200~300℃) быстро вызывает испарение воды, образующиеся паровые пузырьки создают "эффект кавитации" в расплаве. На этапе инъекции пар сжимается внутрь продукта, образуя микропоры, что приводит к появлению серебристых полосок и пузырьков на поверхности деталей и рыхлой структуре внутри.

Например, когда не высушенный сырьевой материал PC формуется, на поверхности продукта появляются очевидные узоры, похожие на "брызги", а механические свойства уменьшаются более чем на 30%; в то время как если остаточная влага в продуктах PA6 превышает 0,2%, его прочность на растяжение может снизиться с 80 МПа до ниже 50 МПа, а удлинение при разрыве существенно уменьшается.

Кроме того, испарение воды приведет к расширению объема расплава, разрушит давление во время процесса заполнения и вызовет отклонение размеров продукта. Определенная деталь автомобильного интерьера использует материал PP+30% стекловолокна.

Поскольку содержание влаги в сырье составляет 0,3% (стандарт требует

Химический отказ: гидролиз при высокой температуре и деградация молекулярной массы

Когда полярные полимеры находятся в состоянии высокой температуры расплава, влага вызовет реакцию гидролиза основной цепи. В качестве примера, PET, его эфирная группа разрывается при контакте с водой при температурах выше 240°C, что приводит к снижению молекулярной массы с 25000 Да до ниже 15000 Да, резкому падению вязкости расплава и резкому ухудшению механических свойств продукта.

Если содержание влаги в бутылке с напитком из сырья ПЭТ после сушки > 0,02%, "дыры" появятся в корпусе бутылки во время формовки под давлением, потому что гидролиз приводит к недостаточной местной прочности. Гидролиз амидной связи материалов ПА приведет к образованию аммиачных соединений, которые не только влияют на запах продукта, но и корродируют каналы потока формы и сокращают срок службы формы.

Механизм повышения газопроницаемости полимеров в увлажненном состоянии и применения упаковки вызывает сложности

Улучшение газопроницаемости полимеров после поглощения влаги связано с "эффектом открытия" молекул воды на полимерной сети. Когда молекулы воды проникают между сегментами полимера, доля свободного объема (Free Volume) увеличивается, предоставляя больше каналов для диффузии газовых молекул.

Возьмем ПЭТ в качестве примера. При температуре 23℃/90% RH его проницаемость для кислорода в 2~3 раза выше, чем в сухом состоянии, что является фатальным недостатком для упаковочных материалов для продуктов питания. Влажные бутылки ПЭТ будут ускорять проникновение кислорода, вызывая окисление и порчу содержимого.

Поведение газопроницаемости соответствует закону Фика. Связь между его коэффициентом проницаемости (P), коэффициентом диффузии (D) и коэффициентом растворимости (S) составляет P=D×S.

Вмешательство молекул воды увеличит как D, так и S: с одной стороны, молекулы воды в качестве пластификаторов уменьшают кристалличность цепных сегментов и увеличивают D; с другой стороны, полярные газы (такие как CO₂) легко образуют гидратные комплексы с молекулами воды, увеличивая значение S.

Экспериментальные данные показывают, что когда содержание влаги в ПА6 составляет 2%, проницаемость для CO₂ может достигать 4 раз большей, чем в сухом состоянии, что также является причиной, по которой упаковка газированных напитков склонна к "утечке газа" в условиях повышенной влажности.

В области медицинских устройств, если высокопроизводительные полимеры, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), подвергаются воздействию влажной среды в течение длительного времени, их проницаемость для водяного пара и кислорода увеличится, что приведет к сокращению времени сохранения стерильности устройства после стерилизации.

Когда определенный ортопедический имплантат из материала PEEK хранился при 37℃/95% RH в течение 30 дней, проницаемость для кислорода увеличилась на 150% по сравнению с сухим состоянием, превысив требования стандартов упаковки ISO 11607, и потребовался дополнительный слой влагоизоляции.

Технология контроля водопоглощения и инженерные решения

Точная оптимизация процесса сушки сырья
Для различных полимеров требуются различные решения для сушки:
PA: сушка горячим воздухом с циркуляцией, температура 80~120℃, время 4~8 часов, содержание влаги должно контролироваться ниже 0.1%;
PC/PET: вакуумная сушка (-0.09MPa) с осушением молекулярным ситом, температура 120~140℃, время 6~10 часов, содержание влаги
Инженерные пластиковые смеси: такие как сплав ABS/PC, сухой воздух с точкой росы ниже -40℃, температура сушки 80~90℃, время 3~5 часов.

Современное сушильное оборудование интегрировало систему онлайн-мониторинга влажности с инфракрасным контролем. Например, сушилка немецкого бренда может предоставлять обратную связь в реальном времени о содержании влаги в сырье. Когда содержание влаги в PA6 >0.15%, время сушки автоматически продлевается для обеспечения стабильности процесса.

Технология модификации для защиты от влаги и барьерная технология

Снижение водопоглощения за счет модификации материала:
Покрытие поверхности: Нанесение на внутреннюю стенку бутылки PET слоя силиоксана (SiOx) или сополимера этиленвинилового спирта (EVOH) для формирования барьерного слоя на нано-уровне может снизить проницаемость для кислорода более чем на 90%;
Модификация сополимеризацией: Введение сегментов диметиладипата в PA6 может снизить водопоглощение с 2.8% до 1.5%;
Неорганическое наполнительное соединение: Добавление 20% ​​монториллонита (MMT) в PP, блокировка канала влаги через слоистую структуру, снижение водопоглощения на 40%.

Контроль влажности в замкнутом цикле во время процесса обработки

Цех литья под давлением должен поддерживать постоянную влажность 40%~50% RH, чтобы избежать вторичного водопоглощения сырья. Производственная линия электронных соединителей использует центральную систему подачи.

Сырьё транспортируется в закрытом виде от сушилки к бункеру машины литья под давлением. С помощью монитора точки росы содержание влаги в расплаве всегда менее 0,03%, что снижает вероятность неудачи сварки соединителей с 5% до менее 0,5%.

Как основное свойство полимерных материалов, водопоглощение оказывает влияние на всю цепочку от молекулярного проектирования до конечных приложений.

Только глубоко понимая его механизм действия и сочетая инновации в процессе с интеллектуальным контролем, мы можем достичь скачка от "пассивного реагирования" к "активному регулированию" в обработке полимерных материалов, что имеет ключевое значение для повышения надежности материалов в высококачественных областях, таких как аэрокосмическая отрасль и медицинское оборудование.

Наша платформа соединяет сотни проверенных китайских химических поставщиков с покупателями по всему миру, способствуя прозрачным транзакциям, лучшим бизнес-возможностям и высокоценным партнерствам. Независимо от того, ищете ли вы оптовые товары, специальные химикаты или услуги по индивидуальному закупу, TDD-Global заслуживает доверия как ваш первый выбор.