尼龙吸水机理及解决办法
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尼龙吸水机理及解决办法
尼龙吸水机理及解决办法
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。
聚己内酰胺和聚己二酸己二胺（尼龙和尼龙）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的水分，在一般湿度环境下也能吸收质量分数到的水分，导致多种力学性能的变化。
尼龙和尼龙两种材料在本文讨论范围内区别很小，统称尼龙。本文总结了关于尼龙吸水机理和改善其吸湿性的研究。
（一）水分对尼龙6/66性质的影响
尼龙吸水之后，多种性质发生变化，而且许多性质的改变和吸水量有关系。
1、结晶度和晶体结构
对尼龙的晶体学研究发现，尼龙都是半结晶性材料，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。在非晶区，分子链构象呈无规状，大多数酰胺键没有相互作用形成氢键，呈“自由”状态，但不排除少数区域形成了局部的氢键。
早期的研究中，尼龙结晶度常通过密度来估算。尼龙的密度比水大，吸水后，这两种材料的密度反而上升，结晶度也上升。经过拉伸取向的尼龙材料常含有部分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。
2、力学性能和分子运动
尼龙吸水后在力学性能上的变化很明显。最主要是硬度、模量和拉伸强度下降、屈服点降低、冲击强度增加。
尼龙的分子运动研究有核磁共振、动态力学松弛和介电损耗等方法，研究尼龙材料吸水前后的转变发现，其玻璃化转变温度（）对水分比较敏感，吸水之后，大幅下降。例如，尼龙水含量为时℃，时℃；干燥尼龙℃，当含水量为时℃。同时发现，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。
综合各文献报道，该临界值约在。尼龙还在较低温度下表现β和γ转变，其中β转变只在潮湿的样品中观察到，且其强度随着吸水量的增加而增加。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，并呈现类似的阶段性。
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，水分在尼龙材料中的作用就相反，类似交联硬化。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。
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”（）。在吸水后，应力老化的速率加快。
3、尺寸变化
尼龙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。尼龙纤维随着吸水量变化膨胀先快后慢；而尼龙薄膜则相反。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。
研究发现，尼龙在拉伸作用下，其中的分子间氢键取向沿拉伸的方向靠拢，因此认为，尼龙吸水膨胀在沿分子间氢键的方向上比较明显。
4、热定型方法
尼龙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。湿热定型的样品染色性能较好。
（二）尼龙6/66吸水的机理
总结以往研究，目前基本认为水分子只进入尼龙的非晶区域，吸水后分子链活动性增加，起塑化的作用。这是导致上节提到的晶型转变、下降、出现新松弛等现象的原因。
针对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，和?提出了尼龙分步吸水的机理，并被大量实验结果支持。
该机理认为，水分子进入尼龙无定形区，优先以图中的形式结合（紧密结合，），当水分子继续增多时，出现如图中所示的结合形式（松散结合，），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（，如图中所示）。
上节提到的尼龙在动态力学松弛、介电松弛以及应力老化等性质随吸水量变化的分段效应，正是分步吸水机理的体现。在疲劳裂纹生长和断裂能等性质上也发现了随吸水量变化的分段效应，可以用机理来解释。同时，宽线吸收谱和弛豫时间也发现尼龙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，也正好与机理相吻合。
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对尼龙吸水的理论描述可用方程或方程来描述（方程是方程的发展）。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。
（三）解决尼龙6/66吸水问题的方法
由以上结论可以知道，水对尼龙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材料的性能比较困难。
解决尼龙吸水问题有两类方法，一是通过降低吸水量来减少水分对其性能的影响；二是通过提高尼龙的相关性能，期望能抵消吸水后对尼龙性能的影响。
1、共混和复合
添加酚醛树脂和聚乙烯基苯酚等含酚树脂能减少尼龙的吸水量，提高其，同时对影响较小。
研究发现，添加的酚类物质主要存在于尼龙的无定形区域。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。通过等温吸附实验、和分子模拟的方法都支持了这种解释。
添加胺基聚醚、磺化聚酯或含芳聚酰胺也能减少尼龙的吸水量。尼龙与其他高分子如、、、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。
添加无机纳米粒子有一定的效果。聚酰胺层状硅酸盐纳米复合材料能够大幅提高力学性能、热变形温度、阻隔性和阻燃效果，同时添加有机蒙脱土的聚酰胺层状硅酸盐纳米复合料能够降低吸水的速度。当蒙脱土的添加达到一定量时通常大于，能够降低尼龙的平衡吸水率。这是由于蒙脱土做为一种成核剂，可提高尼龙的结晶度，这样其中的无定形区就变小，从而降低了尼龙的吸水量。
以上纳米复合材料方法在减慢吸水速度、降低吸水量的同时，在很大程度上还改善了尼龙因吸水带来的不良后果。如尼龙蒙脱土纳米复合材料吸水后，力学性能的下降和尺寸变化要小于纯尼龙。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、模量的提高等等，就算吸水之后力学性能有所回落，回落的幅度也远远小于加入蒙脱土后所增加的幅度。右图是不同含量的蒙脱土的尼龙材料，放置一段时间后弯曲模量发生的变化，从图中可以看出，即使是蒙脱土的添加量，在达到饱和吸水率后，弯曲模量也会高出纯尼龙很多。
还有报道通过将尼龙与吸湿性较低、力学强度较高的尼龙粘合成层状复合材料，由于尼龙的支架或限制作用，吸水后能保持尺寸和一定的力学强度。
尼龙交联后的力学性能变化是常规的，即上升、刚性和脆性增强。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吸水量有所减少。
3、表面改性
通过对尼龙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或者在表面形成具有荷叶结构超疏水层。
添加胺基聚醚、磺化聚酯或含芳聚酰胺也能减少尼龙的吸水量。
来源：网络，编辑整理：小钰
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吸水聚合物中为什么要加入无机纳米粒子
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反应机理如下：丙烯酰胺分子中有共轭体系结构,由于羰基吸电子能力强,使C=C 键上的电子云,密度降低,因此很容易在C=C 键上进行自由基型和离子型的连锁加聚反应.杂交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺存在时,聚合与交联反应同时进行,生成网状结构的高粘聚合物,当此反应在高分散的粘土悬浮液中反应时,聚合物就会把一尾数于纳米级的粘土粒子包覆在网状结构的空隙中,形成一种具有较好维属于纳米级的粘土粒子包覆在网状结构的空隙中,形成一种具有较好强度和吸水性能的无机—有机复合材料.所以,加入无机纳米粒子的目的是为了形成具有较好强度和吸水性的无机-有机复合材料.
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常见无机物其应用
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第三部分常见无机物及其应用　　元素化合物的知识是化学基本概念、基本理论、化学实验、化学计算的载体和核心。将元素化合物的知识系统化、结构化是学习本部分内容的一个好方法；从多个角度来认识元素化合物能更全面更深刻地理解元素化合物。专题一金属及其化合物知识点《高考考试大纲》对应教科书内容常见金属元素(如Na、Al、Fe、Cu等)了解常见金属的活动顺序。了解常见金属及其重要化合物的主要性质及其应用。了解合金的概念及其重要应用。《模块学习要求》钠、氧化钠、过氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠的性质能说出钠及其重要化合物的物理性质；认识钠的主要化学性质(与水、氧气反应)；认识氧化钠和过氧化钠的主要化学性质(与水、二氧化碳反应)；认识碳酸钠和碳酸氢钠的主要化学性质(溶液呈碱性、与强酸反应、加热分解反应)，知道它们性质的差异。了解Na＋、K＋离子的检验方法。化学1第三章第一、二、三节铝单质及其重要化合物的性质能说出铝的重要化合物的物理性质；认识铝的主要化学性质(与氧气、酸、强碱反应)；认识氧化铝和氢氧化铝的两性；认识氢氧化铝的制备原理及加热分解的性质；能列举铝合金材料在生产和生活中的重要应用。化学1第三章第一、二、三节铁及其化合物的重要性质能说出铁的重要化合物的物理性质；认识铁的主要化学性质(与非金属、水、酸、盐反应)；认识氧化铁和氧化亚铁的主要化学性质(与酸反应)；认识氢氧化铁和氢氧化亚铁的制备原理及主要化学性质(与酸反应、氢氧化亚铁易被氧化、氢氧化铁加热分解)；认识Fe3＋和Fe2＋的相互转化。了解Fe3＋的检验方法。了解钢在工业生产和高科技领域的应用。化学1第三章第一、二、三节铜及其化合物的性质能结合其他元素化合物性质的学习，归纳铜的主要性质；了解铜合金在工业生产和高科技领域的应用。化学1第三章第一、二、三节合金材料金属的腐蚀与防护认识金属与合金在性能上的差异。选修1第三章第一、二节知道生活中几种常见合金的组成。知道金属防护的常用方法。认识防止金属腐蚀的重要意义。　　一、知识整理　　1．常见金属元素的位置和物理通性　　(1)元素在周期表中的位置　　(2)金属材料的物理通性　　常用的金属材料主要有金属和合金两类，它们具有如下的物理通性：①金属具有金属光泽；②金属具有导电性；③金属具有导热性；④金属具有良好的延展性。　　2．比较金属性强弱的方法　　元素金属性的本质是指元素的原子失电子能力。它取决于金属的原子半径、核电荷数、最外层电子数等因素。可以从以下几个方面来比较元素金属性强弱：　　(1)根据金属的原子结构；　　(2)根据元素在周期表中的位置；　　(3)根据最高价氧化物对应水化物的碱性强弱；　　(4)根据与氧气反应的难易；　　(5)根据与水反应的条件难易；　　(6)根据与非氧化性酸反应的剧烈情况；　　(7)根据金属间发生的置换；　　(8)根据原电池反应，做负极的金属比做正极的金属活泼。　　3．金属活动性顺序的应用　　在金属的复习中，充分发挥金属活动性顺序表在金属及化合物知识整合方面的功能对提高复习的实效性极为有利。金属活动性顺序KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu金属原子失去电子能力强---------------------------------------------------→弱金属阳离子得电子能力弱----------------------------------------------------→强金属与氧气反应常温极易氧化，燃烧产生过氧化物或超氧化物常温形成氧膜，点燃剧烈反应常温与氧气缓慢反应，高温下Fe可在纯氧中燃烧铜加热与氧化合，其余难反应金属与水反应常温剧烈Mg加热反应，Al去膜后反应铁与水蒸气反应产生四氧化三铁和氢气与水不反应金属与酸反应可置换非氧化性酸中的氢不可置换酸中的氢金属与盐溶液反应与水反应，生成的碱与盐溶液反应一般是位于金属活动性顺序表前边的金属能从盐溶液中置换出后边的金属氧化物与水反应K、Ca、Na的氧化物易和水化合生成碱，MgO与水缓慢反应，Al及其以后金属的氧化物均不与水反应氢氧化物的热稳定性K、Na的氢氧化物稳定，受热不分解，其余受热分解得到相应的氧化物和水，且它们的稳定性逐渐减弱跟碱溶液反应Al与碱溶液反应产生盐和氢气冶炼方法电解法(电解熔融盐或氧化物)热还原法(还原剂：C、CO、H2、Al等)热分解法物理方法　　二、重点知识解析　　1．钠及其钠的化合物　　(1)钠及其钠的化合物的知识体系　　(2)钠的性质银白色、质软、比水轻，熔点97.81℃，沸点882.9℃化学性质①与氧气反应：4Na＋O22Na2O(常温下缓慢氧化)2Na＋O22Na2O2②与其他非金属反应：2Na＋Cl22NaCl(产生大量白烟)③与水反应：2Na＋H2O2NaOH＋H2↑(浮于水面，熔成闪亮的小球，并在
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全部答案（共2个回答）
中有共轭体系结构，由于羰基吸电子能力强，使C=C 键上的电子云，密度降低，因此很容易在C=C 键上进行自由基型和离子型的连锁加聚反应。杂交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺存在时，聚合与交联反应同时进行，生成网状结构的高粘聚合物，当此反应在高分散的粘土悬浮液中反应时，聚合物就会把一尾数于纳米级的粘土粒子包覆在网状结构的空隙中，形成一种具有较好维属于纳米级的粘土粒子包覆在网状结构的空隙中，形成一种具有较好强度和吸水性能的无机—有机复合材料。所以，加入无机纳米粒子的目的是为了形成具有较好强度和吸水性的无机-有机复合材料。
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