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耐環境應力龜裂性能測定設備 圖片來自百度

材料在使用和貯存過程中耐受各種化學因素（例如酸、鹼、臭氧、氯、氟、油、苯等溶劑或氣氛，日光、射線等射線。）作用而保持其力學性能、物理形態等物理特性以及化學性質不變的能力。

• 中文名:耐化學性

• 外文名:chemical resistance

• 定 義:材料在使用和貯存過程中耐受各種化學因素作用的能力

• 決定因素:材料的成分、化學性能、組織形態、使用環境

• 表徵方法:耐環境應力龜裂測定法

• 領 域:材料工程

耐化學性是描述材料穩定性的術語之一，材料的耐化學藥品、化學試劑、各種氣氛等性能均氛等性能均屬於材料的耐化學性。但「耐化學性」多用於非金屬材料領域，尤其是聚合物材料領域，金屬材料的耐化學性一般用耐腐蝕性來描述。

影響因素

聚合物在化學介質的作用下，力學性能和化學性能會發生變化。這是由於在特定介質條件（介質種類、溫度、時間及應力）作用下，大分子結構（主價鍵、分子間力）或材料結構（填料、增強材料、增塑劑）發生變化。 當固體聚合物材料與介質（包括氣體、蒸氣或液體）接觸時，由於大分子熱運動，材料內部的自由體積（空隙）發生遷移，使介質分子向內部滲透、擴散。因此，凡是對大分子運動過程及介質分子運動有影響的因素，均對介質的滲透、擴散有影響。首先是聚合物材料結構的影響，其次是介質、溫度、壓力等的影響。

聚合物結構

凡阻礙聚合物大分子鏈運動的因素（如結晶，交聯）都會使聚合物滲透係數減小，結晶性聚合物的滲透係數隨結晶度的增大而降低。聚合物滲透係數越小其耐溶劑性越好。

化學介質

化學介質的極性對介質在聚合物中的滲透、擴散影響很大。兩者極性相似時，化學介質對聚合物有增塑作用，削弱了大分子間的作用力，有利於大分子鏈段的運動，加速了化學介質在材料中的擴散。反之，化學介質與聚合物的極性相差較大時，則對介質的滲透和擴散很不利。例如，聚乙烯為非極性聚合物，一般極性的酸、鹼和鹽的水溶液及有機溶劑醇類在聚乙烯中滲透量就很小；而極性小的芳烴、汽油、鹵代烴的滲透性相對就較大。極性高分子如聚乙烯醇、聚醚和大多數纖維素衍生物，則能受極性介質（如水和醇等）溶脹和溶解，但耐非極性有機溶劑。

環境溫度

對於聚合物材料，環境溫度高，大分子鏈活動能力強，透氣率k增大。k與溫度的關係符合阿倫尼烏斯方程：

耐化學性 圖片來自優酷

k= Aе-E /（RT）

式中 k——透氣率

A——常數

E——滲透活化能，其單位為J·mol-1

R——摩爾氣體常數，約為8.314J/mol·K

T——熱力學溫度，單位K

滲透活化能E隨介質和極性的增大而增大，隨聚合物的內聚能密度增大而增大。當溫度升高時，聚合物對氣體和水蒸氣的透過率增大。由此可見溫度越高，聚合物材料耐化學性越差。

相對濕度

由環境相對濕度的變化而引起聚合物透氣率的改變只發生在含有羥基或酰胺基的聚合物中，表現為隨着相對濕度的增加，聚合物的透氣率增加，如乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）、聚乙烯醇（PVA）、聚酰胺（PA）都為阻氣性材料。當環境的相對濕度提高後，含有親水基團的材料含水率增加，使它們的阻氣性急劇下降。出現這種現象的原因是水分子與包裝材料中的羥基或酰胺基形成氫鍵，造成主鏈鬆弛，使阻氣性下降。

表徵方式

環境應力龜裂

極性分子對固體的變形與破壞過程也有不利的影響，稱為 Rebinder效應。其表現有兩個方面。其一是分子鏈較長的極性物如有機酸和酵，它可以降低材料表面的屈服點，同時使固體的表面能降低，易於在表面出現位錯。其二是分子鏈較短的極性物，它可以滲入表面的微觀裂縫中，產住一種楔入力，使裂縫擴展，這種楔入壓力在裂縫壁上的尖端處可達10N/mm。 Rebinder效應在形成新的表面，以及在固體尤其是在晶界上存在缺陷的條件下表現得最強。如果表面有殘餘壓縮應力，這種效應就不會出現。

對於聚合物材料，當材料處於某種環境介質中時，往往會比在空氣中的斷裂應力或曲服應力低得多的負載應力下發生龜裂。這種龜裂就稱為環境應力龜裂 （environmental stress cracking）也簡稱為ESC，而對環境應力的耐受性能稱為耐環境應力龜裂（environmental stress cracking resistance），簡稱ESCR。

環境應力龜裂在聚合物材料中是一種普通現象，其具有以下特點：

1. 它是一種從表面開始發生破壞的物理現象，從宏觀上看呈脆性破壞，但若用電子顯微鏡觀察，則屬於韌性破壞。
2. 不論負載應力是單軸方式或是多軸方式，它總是在比空氣中的屈服應力更低的應力下發生龜裂滯後破壞。
3. 龜裂的尖端部位存在着銀紋區（Crazing zone）。
4. 與應力腐蝕開裂不同，材料並不發生化學變化。
5. 與金屬的Rebinder效應不同，在發生龜裂的前期狀態中屈服應力不降低。

「環境介質」包括液體、氣體及固體，即材料所處的化學環境，所以材料的耐環境應力龜裂性能直接反應了材料的耐化學性的強弱。在實用中材料的環境介質主要是溶液、有機溶劑等，所以一般的耐環境應力龜裂測定法中只考慮「環境液體」。

耐環境應力龜裂測定法

聚合物材料的耐環境應力龜裂性能的測定方法因材料種類或使用場景不同而各異，常見材料的耐環境性能測試方法有相應的國家標準，如聚乙烯樣品可採用GB/T-1842-2008標準進 行測試，吹模製聚乙烯容器抗環境應力裂紋的測試可採用ASTM D2561-1995標準。

在各類測試方法中，均需將樣片製備成標準樣品，對其施加恆定的應力或恆定的應變置於特定的液體環境中（如酸、鹼、鹽溶液、潤滑油、膠粘劑、墊圈材料、清潔劑、食品、室內裝潢材料等等），並對樣品的特定參數（例如銀紋數量、最大銀紋尺寸、破損時間、屈服強度、屈服時間、斷裂時間等）進行分析，通過對比不同樣品的特定參數得知其耐化學性的相對強弱。

按照對樣品施加的應力恆定或應變恆定可大致將測定方法分為恆定應變法和恆定加載法兩類。

恆定應變法對待測樣品持續施加恆定的應變，並將其浸到試驗用環境液中測定其耐環境應力龜裂性能。 彎曲預應變法：將待測樣條先在特定的測試夾具上彎曲至特定應變水準（通常0%、0.5%、1.0%以及1.5%應變），接着將預測試的化學藥劑施加於樣條的最高應變區域上。樣條在特定測試時間內一直持續地暴露於應變和化學藥劑下研究其耐環

境應力龜裂性能。

拉伸預應變法：使用能施加恆定拉伸預應變的拉伸機給樣條施加恆定的拉伸應變，將預測試的化學藥劑施加於樣條上研究其耐環境應力龜裂性能。

扭轉預應變法：將帶狀樣品在金屬棒上牢固地卷纏成螺旋狀，然後將其浸漬到待測液體浴測定其耐環境應力龜裂性能。

恆定加載法對待測樣品持續施加恆定的應力，並將其浸到試驗用環境液測定其耐環境應力龜裂性能。 單軸加載法：對待測樣條施加單軸向的恆定力（拉伸力或擠壓力），然後將其浸漬到待測液體浴測定耐環境應力龜裂性能。多軸加載法：對待測樣施加多軸向的恆定力，然後將其浸漬到待測液體浴測定耐環境應力龜裂性能。例如十字形試樣法可以對樣片施加雙軸拉伸應力進行耐環境應力龜裂測試，瓶狀樣品內部保持恆定壓強

耐環境應力龜裂測定的應用 聚合物材料的研發和生產中均需要對材料的性能進行測定，通過對材料耐環境應力龜裂性能的測定可以了解材料在製備、加工過程中反應溫度、反應時間、引發劑比例、添加劑種類、混煉時間、材料形狀等因素對材料耐環境性能的影響，從而可以指導研發生產出更高性能的材料。

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