4种尼龙材料在汽车冷却液中的高温老化性能研究

2020-09-04许齐勇庞承焕李卫领吴博

汽车零部件 2020年8期

许齐勇，庞承焕，李卫领，吴博

(1.金发科技股份有限公司企业技术中心,广东广州 510663；2.国高材高分子材料产业创新中心有限公司,广东广州 510663；3.塑料改性与加工国家工程实验室，广东广州 510663)

0 引言

伴随着汽车产业的发展，高分子材料在汽车上的应用越来越广泛，也推动了汽车的轻量化发展，有效减少了燃料消耗和排气污染。其中，改性尼龙材料主要应用于汽车发动机周边部件和冷却系统，包括水泵、散热器支架、加热箱和冷却系统连接管路等，需耐受长期热环境和复杂化学品的侵蚀。加热和冷却系统中用到的尼龙经常要接触乙二醇冷却液。尼龙对乙二醇的相对惰性使尼龙在这方面的应用极具优势。部分专门设计的玻璃纤维增强尼龙品种，可以在相对较高的温度下防冻剂环境中仍能较好地保持其物理强度。但与此同时，尼龙本身的酰胺结构具有亲水性，因此，有必要对样品进行高温下冷却液浸泡老化测试，以确定其使用安全性。

目前，研究人员对于尼龙耐冷却液性能的研究一般采用模型化的方法，即研究尼龙材料在水或乙二醇中的老化性能，与实际应用工况存在一定偏差。本文作者采用市售乙二醇冷却液进行尼龙材料的耐老化性能研究，具有一定的应用价值。

1 实验部分

1.1 样品及试剂

样品采用4种尼龙样品，试剂选择汽车冷却液。

1.2 仪器及设备

IAT-216精密换气老化箱，Zwick/Z005万能试验机，Zwick/HIT5.5P数显冲击测试仪，S-3400 N扫描电镜。

1.3 材料老化测试方法

将4种不同的尼龙弯曲和冲击样条，放入装有汽车冷却液的装置中，再放入125 ℃老化烘箱中进行老化测试。分别在老化120、240、360、480和1 008 h后将样品取出，并在标准环境[(23±2) ℃，(50±5)%]中调节48 h后，进行力学性能测试。

1.4 力学性能测试方法

按照标准GB/T 9341—2008进行老化样品的弯曲性能测试，弯曲速度为2 mm/min，跨距为64 mm。按照标准GB/T 1043.1—2008进行老化样品的简支梁缺口冲击性能测试，摆锤能量为2.0 J，跨距为62 mm。

2 结果与讨论

2.1 弯曲性能变化规律

图1为4种尼龙材料弯曲强度随老化时间的变化规律图。

图1 4种尼龙材料弯曲强度随老化时间的变化规律

由图1可知，在老化时间为120 h时，各样品的弯曲强度均出现明显骤降，这是因为尼龙材料吸水后导致的。在老化时间介于120～1 008 h之间时，样品的弯曲强度呈现缓慢下降的趋势，该现象表明，各尼龙样品在老化时间为120 h时，已经达到吸水饱和(样品尺寸基本稳定，未再发生明显的吸水膨胀)，随老化时间的继续延长，样品逐渐出现降解，故此时的弯曲强度缓慢下降。当老化时间达到1 008 h时，各样品的性能保持率均已低于初始强度的40%。

图2为4种尼龙材料弯曲模量随老化时间的变化规律图。

图2 4种尼龙材料弯曲模量随老化时间的变化规律

由图2可知，各样品均在老化时间为120 h时，便出现了明显的弯曲模量下降(下降幅度均超过40%)。此时弯曲模量的变化，主要与尼龙材料发生吸水后，材料自身内应力降低，分子取向趋于自然，脆性消除有关。而后材料的结晶和解晶过程逐渐达到平衡，并在高温和溶剂作用下，逐步老化，性能衰减。

2.2 冲击性能变化规律

图3为4种尼龙材料简支梁缺口冲击强度随老化时间的变化规律图。

图3 4种尼龙材料简支梁缺口冲击强度随老化时间的变化规律

由图3可知，各样品均在老化时间为120 h时，达到了冲击强度的最高值。因尼龙样品本身较脆，故未经汽车冷却液浸泡的样品，冲击强度较差。经过一段时间浸泡后，尼龙样品充分吸水，样品内部大分子取向和结晶趋于稳定，此时韧性最佳，获得的缺口冲击强度最大。进一步对样品进行老化，尼龙材料在高温冷却液的浸泡下，逐步发生降解，导致冲击强度下降，直至材料失效。

2.3 弯曲样条断面SEM分析

图4为材料3在不同老化时间下的弯曲样品断面SEM照片，从图中可以看出，未老化的样品，玻纤和基体树脂之间的黏结良好，断面的玻纤表面覆盖了较多基体树脂，此时样品的弯曲强度较高。当老化时间为120～480 h时，断面的玻纤和树脂的黏结效果变差，玻纤表面比较光滑，较少有树脂的覆盖。当老化时间为1 008 h时，断面的玻纤和树脂明显分离，且树脂断面较为光滑，可能与尼龙基体的降解有关。