尼龙吸水啊吸水,嗯嗯

脂肪族聚酰胺由于含有胺基和羰基,易与水分子形成氢键,因此所得到的各种材料在使用时容易吸水,产生增塑效应,导致材料体积膨胀、模量下降,在应力作用下发生明显蠕变等问题。聚己内酰胺和聚己二酸己二胺(尼龙6和尼龙66)是最常用的聚酰胺材料。它们最高能从潮湿空气中吸收质量分数10%的水分,在一般湿度环境下也能吸收质量分数2%4%的水分,导致各种力学性能变差。尼龙6和尼龙66两种材料在本文讨论范围内区别很小,统称尼龙6/66。本文总结了关于尼龙6/66吸水机理和改善其吸湿性的研究。主要内容如下:

1. 水分对尼龙6/66各性质的影响

1.1. 结晶度和晶体结构

1.2. 力学性能和分子运动

1.3. 尺寸变化

1.4. 热定型方法

2. 尼龙6/66吸水的机理

3. 解决尼龙6/66吸水问题的方法

3.1. 共混和复合

3.2. 交联

3.3. 表面改性

4. 总结

5. 参考文献

1. 水分对尼龙6/66各性质的影响

尼龙6/66吸水之后,多种性质将发生变化,而且许多性质的改变和吸水量有关系。

1.1. 结晶度和晶体结构

对尼龙6/66的晶体学研究发现,尼龙6/66都是半结晶性材料,成型后都含有晶区和非晶区。在晶区,分子链呈平面锯齿构象,通过酰胺键在链与链之间形成氢键1。在非晶区,分子链构象呈无规状,大多数酰胺键未相互形成氢键,呈“自由”状态,但不排除少数区域形成了局部的氢键。早期尼龙研究中结晶度常通过密度估算2。尼龙6/66的密度比水大。吸水后,这两种材料的密度均反而上升3,结晶度也上升4, 5。经过拉伸取向的尼龙6/66材料常含有部分γ-晶。研究发现,吸水后尼龙材料的γ-晶比例减少,而更稳定的α-晶比例增大6-8

1.2. 力学性能和分子运动

尼龙吸水之后在力学性能上的变化是明显的。最主要的特点是硬度、模量和拉伸强度下降、屈服点降低、冲击强度增加4, 5, 9-11

尼龙6/66的分子运动研究方法有核磁共振、动态力学松弛和介电损耗等方法研究尼龙6/66材料的转变发现,其玻璃化转变温度(Tg)对水分比较敏感,吸水之后,Tg大幅下降12-18。例如,尼龙6水含量为0.35%w/wTg =94°C10.33%w/wTg=-6°C19;干燥的尼龙66 Tg=78°C,当含水量为11%w/wTg=40°C15。同时发现,Tg随吸水量增加而下降的过程具有阶段性。起始下降迅速;当吸水质量分数超过一定值之后,下降缓慢19-21。综合各文献报道,该临界值约在2%~4%。尼龙6/66还在较低温度下表现βγ转变22,其中β转变只在潮湿的样品中观察到14, 22-24,且其强度随着吸水量的增加而增加16, 17, 25。有的研究还发现,β转变峰强度的增加伴随着γ转变峰的减少,并呈现类似Tg的阶段性26-28。以上现象均表明类似塑化的效果,然而当测试温度进一步降低,超过某临界温度后,水分在尼龙6/66材料中的作用就相反,类似交联硬化12, 29-32。这个临界温度的具体值在不同报道中相差较大,有人提出这与动态力学测试频率、样品的取向程度等条件的不同有关31

尼龙在长期受到小于屈服点的应力作用后,会发生硬化,这种效果称为“应力老化”(stress aging33, 34。在吸水后,应力老化的速率加快35, 36

1.3. 尺寸变化

尼龙6/66吸水后体积将发生膨胀。膨胀时,材料尺寸变化和吸水量变化并不完全同步。尼龙6纤维随着吸水量变化膨胀先快后慢37;而尼龙6薄膜则相反38, 39。经过拉伸取向的样品,膨胀具有各向异性。在拉伸取向的方向上膨胀较明显21, 30, 37。研究发现,尼龙6/66在拉伸作用下,其中的分子间氢键取向沿拉伸的方向靠拢21, 40, 41,因此认为,尼龙6/66吸水膨胀在沿分子间氢键的方向上比较明显。

1.4. 热定型方法

尼龙6/66纤维生产中有湿热定型和干热定型两种方法。研究发现,在结晶度相同的情况下,干热定型样品吸水量比湿热定型的少42。湿热定型的样品染色性能较好9

2. 尼龙6/66吸水的机理

尼龙吸水机理总结以往研究,目前基本认为水分子只进入尼龙6/66的非晶区域8, 10, 43, 44,吸水后分子链活动性增加,起塑化的作用37, 45-47。这是导致上节提到的晶型转变、Tg下降、出现新的松弛等现象的原因。

针对Tg及其他性质随吸水量增加而变化的过程呈现分段性的现象,PuffrŠebenda提出了尼龙6/66分步吸水的机理48,并被大量实验结果支持。该机理认为,水分子进入尼龙6/66无定形区,优先以左图1的形式结合(紧密结合,tightly bound),当水分子继续增多时,出现如左图中的2所示的结合形式(松散结合,loosely bound),更多的水分子将在分子间隙中通过水分子之间的氢键进一步堆积(clustering,如左图中的3所示)。上节提到的尼龙6/66在动态力学松弛20, 23、介电松弛26, 27, 45, 49, 50以及应力老化36等性质随吸水量变化的分段效应,正是P-Š分步吸水机理的体现。在疲劳裂纹生长51和断裂能52等性质上也发现了随吸水量变化的分段效应,可以用P-Š机理来解释。同时,宽线NMR吸收谱47, 53和弛豫时间54也发现尼龙6/66吸收的水分子中只有部分具有可活动性,说明其中含有结合程度不同的两类水分子。正电子湮灭寿命谱研究表明尼龙自由体积随吸水量的增加先下降后上升,也正好与P-Š机理相吻合。

对尼龙吸水的理论描述可用Flory-Huggins方程39, 55, 56Zimm方程57-59来描述(Zimm方程是Flory-Huggins方程的发展)。将这些理论与实验结果相比较的结果均支持了P-Š两步吸水的机理。另外,通过分子模拟的方法也支持了这一机理60

3. 解决尼龙6/66吸水问题的方法

由以上的总结可以知道,水对尼龙6/66材料的塑化效果很明显,而且在初始吸水阶段最敏感。仅靠保持干燥环境来保证尼龙6/66材料的性能比较困难。解决尼龙6/66吸水的问题有两类方法,一是通过降低吸水量来减少水分对其性能的影响;二是通过提高尼龙6/66的相关性能期望能抵消吸水的影响。

3.1. 共混和复合

添加酚醛树脂和聚乙烯基苯酚等含酚树酯能减少尼龙6/66的吸水量,提高其Tg,同时对Tm影响较小61-64。研究发现,添加的酚类物质主要存在于尼龙6/66的无定形区域。对于酚类物质的这种效果,研究者是这样解释的:水之所以能破坏尼龙6/66中业已形成的氢键而与羰基或胺基形成新的氢键,就是因为水分子与这羰基或胺基形成氢键的趋势比他们之间要高。酚基与羰基形成氢键的趋势比水分子更高,添加酚类物质之后,酚基占据了尼龙6/66中的羰基和胺基,并因其所含的苯环产生了位阻效应,阻止了水分子的进入65。通过等温吸附实验66SAXS67和分子模拟68的方法都支持了这种解释。

添加胺基聚醚(Blox69、磺化聚酯70或含芳聚酰胺71也能减少尼龙6/66的吸水量。尼龙6/66与其他高分子(如PP72, 73PS74PC75, 76ABS77等)共混一般只能减慢吸水速度,并不能降低吸水量。同时如果相容性不好,还会牺牲力学性能78

无机纳米粒子的效果也不明显79。例如添加粘土只能减慢吸水的速度80,不能减少平衡吸水量81。聚酸胺/层状硅酸盐纳米复合材料除具有所期望的增加和阻燃效果外,也能减慢吸水的速度,但不能减少平衡吸水量。关于聚酰胺/无机纳米复合膜对水蒸汽和氧气的阻隔性增加已有大量报道,这里不再一一引用。

以上的共混和无机纳米复合的方法虽然只能减慢吸水速度而不能降低吸水量,但是并不一定说明这些方法不能改善尼龙6/66因吸水而带来的不良后果。一方面,这些尼龙复合材料吸水后力学性能的下降和尺寸变化不一定像纯尼龙6/66那样明显;另一方面,上文引用的这些共混和无机纳米复合的报道在力学性能上均获得改善,如Tg、模量的提高等等,就算吸水之后力学性能又回落,也能相互抵消。但是目前还没有关于聚酰胺的共混或无机纳米复合材料的力学性能与吸水量(非吸水速率)之间关系的报道。

还有报道通过将尼龙6/66与吸湿性较低、力学强度较高的尼龙11粘合成层状复合材料,由于尼龙11的支架或限制作用,吸水后能保持尺寸和一定的力学强度82

3.2. 交联

尼龙6/66交联后的力学性能变化是常规的,即Tg上升,刚性和脆性增强83, 84。但是关于交联后的吸水量或水分对材料性能的影响的报道很少,只查到一篇报道称其交联后的尼龙6吸水量有所减少85

3.3. 表面改性

通过对尼龙6/66材料的表面进行疏水化改性可以减少吸水量。例如,通过表面接枝含氟聚合物86或者在表面形成具有荷叶结构超疏水层87

4. 总结

1、 尼龙6/66吸水的基本过程是是与水分子接触氢键结合塑化。因此,解决尼龙6/66吸水问题可针对与水分子接触(如表面改性)、氢键结合(如添加酚类聚合物)或塑化(如共混和无机纳米复合)三方面来考虑。按照这一思想,应该还能想出比上文更多的方法。

2、 各类改性方法得到的尼龙6/66复合材料的性能与吸水行为关系的研究较少,对实际应用的指导性不足,需要进一步研究。

5. 参考文献

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83. Charlesby, A., Effect of High-energy Radiation on Long-chain Polymers. Nature 1953, 171, (4343), 167-167.

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85. Dadbin, S.; Frounchi, M.; Goudarzi, D., Electron beam induced crosslinking of nylon 6 with and without the presence of TAC. Polymer Degradation and Stability 2005, 89, (3), 436-441.

86. Zhang, J.; Khong, K. T.; Kang, E. T., Surface passivation of nylon-6,6 films by graft copolymerization for reduction of moisture sorption. Journal of Applied Polymer Science 2000, 78, (7), 1366-1373.

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献给母亲大人

好久没有写博客了。这两天楼下装修,吵得人没办法干正事。于是成天在Youtube上面转。偶然找到了《聪明的一休》动画片的片尾曲:

这首曲子连同播放时的画面,是唯一让还是小屁孩一个的我感到惆怅的东西。一休是一个孤儿,但是他记得他母亲。这个挂在树上的小人儿就是他母亲留给他的。在整部动画片里有少数几个地方刻画了一休对这个小人儿的感情。片尾的这首歌很短,短得简直没有前奏和高潮。它的旋律听着好像能牵起多年以前拥有过的温馨回忆。我小时候常常做梦梦见到挂在树上的一个这样的小人儿。

自从长大了,开始听BSB,看《Titanic》,做习题之后,我基本上忘了一休还有个让一个十岁不到的小男孩不能倒头就睡着的片尾曲。今天才知道这曲子名字叫《献给母亲大人》,听到日语歌词最后,好像是“一休”这个词。我猜,这首歌的歌词可能就是一休给他妈妈写的一封信吧。

不知道为什么当时看那小一休,觉得他比我大比我懂事。现在再看,觉得他好小啊。动画片里的角色永远停留在一个岁数,看动画的人却长大了。

没有电脑的时代

这几个图是从一篇1956年的关于尼龙纤维粘弹性能的文章(J. Polym. Sci., 1956, 20, 515-536)。现在我们要研究高分子的粘弹性,有动态粘弹谱仪,大家都喜欢进口的耐驰或TA热分析品牌。通了液氮,从-100°C到300°C扫温 度,扫频率,G’、G”和tan°全部都能弄出来,电脑自动作图分析。样品夹具也是各式各样,什么东西都能做。可是在1956年没有电脑,没有自动化的 测试仪器,科学工作者只能在“土仪器”上进行改装,自己组装特种测试仪器来满足实验的需要。头四幅图就是为研究尼龙纤维在粘弹性的各种改装天平。根据应变 频率的不同,天平的原理也要不同。因为可以想象,不同实施方式应该只在有限的频率范围下能够达到最高的精确度。全频率域的数据则不得不使用不同原理的天平 实验汇总而得。这些天平的原型全是精密的扭矩天平或者分析天平。改装本身就是一个很考验思维能力和动手能力的活。考验动手能力自不待言,思维能力也很重 要。对每一项改装都要思考会引入什么误差,误差的大小是多少,是一个常量还是一个随实验条件变化的变量,如果误差是个变量,那么误差处于可接受值的测量量 程应该在哪里等问题。最后一幅图是文章里的其中一幅曲线。文章的曲线也全是人手画的,可以看到纵座标标尺、物理量的单位、描点、画线等等全都一丝不苟。那 时候可没有电脑,没有微软的Excel或者Origin作图软件。现在如果要做线性拟合,Origin里面一个命令,不仅直线方程就出来了,而且R2,标准差等参数也自动给算出来;要放在以前,必须老老实实地用最小二乘法,数值计算基础要十分过硬才行。

老一辈的科学家由于年轻的时候设计和改装测试仪器都是家常便饭了,因此他们在测量的严谨性上都很过硬,对今天的现代仪器的测试结果也保持着可贵的怀 疑态度。但是我们新一代的研究生们,红外、核磁、XRD全都做得像家里空调冰箱似的熟落了,对这些仪器结果也无比信赖,在某种程度上可以说被仪器架空在现 实之外来讨论问题,有时发现不到真正的问题。现在的学生作图也是电脑化,我们化学的,很多人还只懂用Excel,作出来的图丑死了。不管用Origin还 是Excel,很多同学作出来的图丢三拉四。更不用说那些只有三个点就作个图,两个点就拟合(ORZ!)或者R2<.8还拿直那斜率说事儿的错误了。

我觉得这些都不能仅仅说素质问题,如果说素质问题,那就并不需要跟1956年的人作比较。我觉得跟旧时代的科学工作者比较出来的,不是素质的差距, 而是品味的差距、价值观的差距。随随便便对待科学观察(广义的科学观察,包括仪器测试),随随便便作图,体现出来的是一种不高贵,没有科学家的尊严和品 味。虽然说人类一思考,上帝就发笑。但科学家就是那在上帝的嘲笑声中仍然坚守思考的尊严的人。就算像尼龙力学性能这种在上帝看来简直是白痴的问题,科学家 也有煞有介事地研究一翻的尊严,也有煞有介事地改装土得掉渣的破天平的尊严,也有煞有介事地标上自己的物理量、单位和曲线的尊严。本来在上帝的嘲笑声下还 能知道点儿有重复性的事情并不容易,如果还随随便便地弄,那就干脆别弄了,回头信天主教去吧。

说窄一点儿,咱们化学是一门历史悠久的学科,它是从一间间外表是欧洲古典建筑风,内部是充满酸的气味的老式化学实验室中发展而来的,里面横着各种形 状的木制架子,桌放着奇形怪状的玻璃,各种笨拙的、近乎画蛇添足的冷凝管,各种本生灯,还有一位戴着单框眼镜,留着八字胡须,里面穿着西装外面套着白大褂 的绅士——他的名字就是将来某人名反应。我真向往那种时代,就是居里夫人、阿仑尼乌斯、能斯特、吉布斯、Grignard、Langmuir那些人的时 代!

说到这里顺便放出几张老实验室的照片吧,大家感受一下那逝去的时光。

1864年的实验室和1899年的实验室

1902年的实验室和英国作曲家Elgar的实验室(1909)。喜欢古典音乐尤其是小提琴的人应该会知道Elgar吧?他业余喜欢做化学实验。这个链接是关于他和音乐和化学实验的介绍。

1920年和1949年的实验室

不知何年的老实验室。这个图片比较清晰。