Como melhorar a estabilidade dimensional do nylon com alta absorção de água
O nylon, um dos plásticos de engenharia mais importantes, tem sido amplamente utilizado nas indústrias automotiva, elétrica e mecânica devido à sua excelente resistência mecânica, resistência ao desgaste e resistência à corrosão química. No entanto, as características de alta absorção de água dos materiais de nylon tornaram-se um gargalo fundamental, limitando sua aplicação em engenharia de precisão. As taxas de absorção de água saturada do nylon 6 e do nylon 66 podem chegar a 9,5% e 8,5%, respectivamente, o que se origina da ligação de hidrogênio entre grupos amida polares (-CONH-) em cadeias moleculares e moléculas de água. Quando a umidade do ambiente muda, os produtos de nylon expandem devido à absorção de água ou encolhem devido à perda de água, afetando seriamente a precisão da montagem e o desempenho das peças.
Na prática da engenharia, o principal método para melhorar a estabilidade dimensional do náilon é adicionar cargas inorgânicas para modificação do reforço. A fibra de vidro é o material de reforço mais comumente utilizado. A adição 30%-50% fibra de vidro pode reduzir a absorção de água do nylon em 40% a 60%, melhorando significativamente sua resistência mecânica e temperatura de deflexão térmica. Embora a fibra de carbono seja mais cara, ela não só reduz a absorção de água, como também confere aos materiais condutividade e maior rigidez. Nos últimos anos, nanoenchimentos, como montmorilonita e talco, têm atraído ampla atenção. Esses nanoenchimentos podem reduzir significativamente a taxa de absorção de água, prolongando o caminho de difusão das moléculas de água nos materiais. Estudos mostram que a adição de 5% de montmorilonita modificada organicamente pode reduzir a absorção de água do náilon 6 em mais de 30%.
Modificação química é um método fundamental para resolver o problema de absorção de água do nylon no nível da estrutura molecular. Através da tecnologia de encapsulamento final, o uso de reagentes como anidrido ou isocianato para reagir com grupos amino ou carboxila no final das cadeias de nylon pode efetivamente reduzir os sítios ativos para ligação de hidrogênio com moléculas de água. A modificação com resina epóxi pode introduzir estruturas reticuladas entre as cadeias moleculares de nylon, o que não só reduz a absorção de água, mas também melhora a resistência ao calor e a estabilidade dimensional dos materiais. A reticulação por radiação é outro método eficaz de modificação química. Através da irradiação por feixe de elétrons ou raios gama, uma estrutura de rede tridimensional é formada entre as cadeias moleculares de nylon, que pode controlar a absorção de água abaixo de 3%. O material de nylon reticulado desenvolvido pela Ube Industries é um caso típico de aplicação bem-sucedida desta tecnologia.
Mistura de polímeros é uma forma importante de melhorar a estabilidade dimensional do nylon. A mistura de nylon com polímeros hidrofóbicos, como poliolefinas (PP, PE) ou sulfeto de polifenileno (PPS), pode reduzir significativamente a absorção geral de água de materiais compósitos. No entanto, devido à baixa compatibilidade entre esses polímeros e o nylon, geralmente são necessários compatibilizantes para melhorar a ligação interfacial. A poliolefina enxertada com anidrido maleico é o compatibilizante mais comumente utilizado, capaz de reagir com os grupos amino terminais do nylon para formar ligações químicas na interface. Os produtos da série Zytel, desenvolvidos pela DuPont nos Estados Unidos, alcançaram excelente estabilidade dimensional por meio dessa tecnologia e são amplamente utilizados em componentes de precisão, como sistemas de combustível automotivos e conectores eletrônicos.
A tecnologia de tratamento de superfície oferece outra solução para melhorar a estabilidade dimensional do nylon. O tratamento por plasma pode introduzir grupos hidrofóbicos na superfície do material, formando uma barreira à água. O revestimento de fluorocarbono e o tratamento com agente de acoplamento de silano podem construir estruturas super-hidrofóbicas na superfície do nylon, fazendo com que o ângulo de contato com a água atinja mais de 150°. O nylon fluorado desenvolvido pela Daikin Industries no Japão pode reduzir a absorção de água para 1/3 da do nylon comum. Essas tecnologias de tratamento de superfície são particularmente adequadas para cenários de aplicação que precisam manter o desempenho do substrato, mas exigem baixa absorção de água, como engrenagens de precisão, rolamentos e outras peças mecânicas.
Em aplicações práticas de engenharia, esquemas de modificação apropriados precisam ser selecionados de acordo com ambientes de uso específicos e requisitos de desempenho. Para ambientes de alta temperatura e umidade em compartimentos de motores de automóveis, um esquema abrangente que combina reforço de fibra de vidro e reticulação química é geralmente adotado; conectores eletrônicos são mais frequentemente selecionados com uma combinação de preenchimento mineral e tratamento de superfície; enquanto dispositivos médicos frequentemente precisam adotar materiais nanocompósitos com melhor biocompatibilidade. Com o progresso da ciência dos materiais, novas tecnologias de modificação, como nanocompósitos polimerizados in situ e modificação de líquidos iônicos, continuam a surgir, oferecendo mais possibilidades para resolver o problema de absorção de água do náilon. Por meio da inovação contínua de materiais e otimização de processos, os materiais de náilon certamente ganharão aplicações mais amplas em campos de alta precisão.
