耐化学性

耐环境应力龟裂性能测定设备 图片来自百度

材料在使用和贮存过程中耐受各种化学因素（例如酸、碱、臭氧、氯、氟、油、苯等溶剂或气氛，日光、射线等射线。）作用而保持其力学性能、物理形态等物理特性以及化学性质不变的能力。

• 中文名:耐化学性

• 外文名:chemical resistance

• 定 义:材料在使用和贮存过程中耐受各种化学因素作用的能力

• 决定因素:材料的成分、化学性能、组织形态、使用环境

• 表征方法:耐环境应力龟裂测定法

• 领 域:材料工程

耐化学性是描述材料稳定性的术语之一，材料的耐化学药品、化学试剂、各种气氛等性能均氛等性能均属于材料的耐化学性。但“耐化学性”多用于非金属材料领域，尤其是聚合物材料领域，金属材料的耐化学性一般用耐腐蚀性来描述。

目录

影响因素

聚合物在化学介质的作用下，力学性能和化学性能会发生变化。这是由于在特定介质条件（介质种类、温度、时间及应力）作用下，大分子结构（主价键、分子间力）或材料结构（填料、增强材料、增塑剂）发生变化。 当固体聚合物材料与介质（包括气体、蒸气或液体）接触时，由于大分子热运动，材料内部的自由体积（空隙）发生迁移，使介质分子向内部渗透、扩散。因此，凡是对大分子运动过程及介质分子运动有影响的因素，均对介质的渗透、扩散有影响。首先是聚合物材料结构的影响，其次是介质、温度、压力等的影响。

聚合物结构

凡阻碍聚合物大分子链运动的因素（如结晶，交联）都会使聚合物渗透系数减小，结晶性聚合物的渗透系数随结晶度的增大而降低。聚合物渗透系数越小其耐溶剂性越好。

化学介质

化学介质的极性对介质在聚合物中的渗透、扩散影响很大。两者极性相似时，化学介质对聚合物有增塑作用，削弱了大分子间的作用力，有利于大分子链段的运动，加速了化学介质在材料中的扩散。反之，化学介质与聚合物的极性相差较大时，则对介质的渗透和扩散很不利。例如，聚乙烯为非极性聚合物，一般极性的酸、碱和盐的水溶液及有机溶剂醇类在聚乙烯中渗透量就很小；而极性小的芳烃、汽油、卤代烃的渗透性相对就较大。极性高分子如聚乙烯醇、聚醚和大多数纤维素衍生物，则能受极性介质（如水和醇等）溶胀和溶解，但耐非极性有机溶剂。

环境温度

对于聚合物材料，环境温度高，大分子链活动能力强，透气率k增大。k与温度的关系符合阿伦尼乌斯方程：

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k= Aе-E /（RT）

式中 k——透气率

A——常数

E——渗透活化能，其单位为J·mol-1

R——摩尔气体常数，约为8.314J/mol·K

T——热力学温度，单位K

渗透活化能E随介质和极性的增大而增大，随聚合物的内聚能密度增大而增大。当温度升高时，聚合物对气体和水蒸气的透过率增大。由此可见温度越高，聚合物材料耐化学性越差。

相对湿度

由环境相对湿度的变化而引起聚合物透气率的改变只发生在含有羟基或酰胺基的聚合物中，表现为随着相对湿度的增加，聚合物的透气率增加，如乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）、聚乙烯醇（PVA）、聚酰胺（PA）都为阻气性材料。当环境的相对湿度提高后，含有亲水基团的材料含水率增加，使它们的阻气性急剧下降。出现这种现象的原因是水分子与包装材料中的羟基或酰胺基形成氢键，造成主链松弛，使阻气性下降。

表征方式

环境应力龟裂

极性分子对固体的变形与破坏过程也有不利的影响，称为 Rebinder效应。其表现有两个方面。其一是分子链较长的极性物如有机酸和酵，它可以降低材料表面的屈服点，同时使固体的表面能降低，易于在表面出现位错。其二是分子链较短的极性物，它可以渗入表面的微观裂缝中，产住一种楔入力，使裂缝扩展，这种楔入压力在裂缝壁上的尖端处可达10N/mm。 Rebinder效应在形成新的表面，以及在固体尤其是在晶界上存在缺陷的条件下表现得最强。如果表面有残余压缩应力，这种效应就不会出现。

对于聚合物材料，当材料处于某种环境介质中时，往往会比在空气中的断裂应力或曲服应力低得多的负载应力下发生龟裂。这种龟裂就称为环境应力龟裂 （environmental stress cracking）也简称为ESC，而对环境应力的耐受性能称为耐环境应力龟裂（environmental stress cracking resistance），简称ESCR。

环境应力龟裂在聚合物材料中是一种普通现象，其具有以下特点：

1. 它是一种从表面开始发生破坏的物理现象，从宏观上看呈脆性破坏，但若用电子显微镜观察，则属于韧性破坏。
2. 不论负载应力是单轴方式或是多轴方式，它总是在比空气中的屈服应力更低的应力下发生龟裂滞后破坏。
3. 龟裂的尖端部位存在着银纹区（Crazing zone）。
4. 与应力腐蚀开裂不同，材料并不发生化学变化。
5. 与金属的Rebinder效应不同，在发生龟裂的前期状态中屈服应力不降低。

“环境介质”包括液体、气体及固体，即材料所处的化学环境，所以材料的耐环境应力龟裂性能直接反应了材料的耐化学性的强弱。在实用中材料的环境介质主要是溶液、有机溶剂等，所以一般的耐环境应力龟裂测定法中只考虑“环境液体”。

耐环境应力龟裂测定法

聚合物材料的耐环境应力龟裂性能的测定方法因材料种类或使用场景不同而各异，常见材料的耐环境性能测试方法有相应的国家标准，如聚乙烯样品可采用GB/T-1842-2008标准进 行测试，吹模制聚乙烯容器抗环境应力裂纹的测试可采用ASTM D2561-1995标准。

在各类测试方法中，均需将样片制备成标准样品，对其施加恒定的应力或恒定的应变置于特定的液体环境中（如酸、碱、盐溶液、润滑油、胶粘剂、垫圈材料、清洁剂、食品、室内装潢材料等等），并对样品的特定参数（例如银纹数量、最大银纹尺寸、破损时间、屈服强度、屈服时间、断裂时间等）进行分析，通过对比不同样品的特定参数得知其耐化学性的相对强弱。

按照对样品施加的应力恒定或应变恒定可大致将测定方法分为恒定应变法和恒定加载法两类。

恒定应变法对待测样品持续施加恒定的应变，并将其浸到试验用环境液中测定其耐环境应力龟裂性能。 弯曲预应变法：将待测样条先在特定的测试夹具上弯曲至特定应变水准（通常0%、0.5%、1.0%以及1.5%应变），接着将预测试的化学药剂施加于样条的最高应变区域上。样条在特定测试时间内一直持续地暴露于应变和化学药剂下研究其耐环

境应力龟裂性能。

拉伸预应变法：使用能施加恒定拉伸预应变的拉伸机给样条施加恒定的拉伸应变，将预测试的化学药剂施加于样条上研究其耐环境应力龟裂性能。

扭转预应变法：将带状样品在金属棒上牢固地卷缠成螺旋状，然后将其浸渍到待测液体浴测定其耐环境应力龟裂性能。

恒定加载法对待测样品持续施加恒定的应力，并将其浸到试验用环境液测定其耐环境应力龟裂性能。 单轴加载法：对待测样条施加单轴向的恒定力（拉伸力或挤压力），然后将其浸渍到待测液体浴测定耐环境应力龟裂性能。多轴加载法：对待测样施加多轴向的恒定力，然后将其浸渍到待测液体浴测定耐环境应力龟裂性能。例如十字形试样法可以对样片施加双轴拉伸应力进行耐环境应力龟裂测试，瓶状样品内部保持恒定压强

耐环境应力龟裂测定的应用 聚合物材料的研发和生产中均需要对材料的性能进行测定，通过对材料耐环境应力龟裂性能的测定可以了解材料在制备、加工过程中反应温度、反应时间、引发剂比例、添加剂种类、混炼时间、材料形状等因素对材料耐环境性能的影响，从而可以指导研发生产出更高性能的材料。

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