高分子材料老化機(jī)理與防治措施分析

宋成偉

摘 要 目前我國科技水平迅速發(fā)展，高分子材料被廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ钪?。市面上很多常見的高分子材料，由于隨著使用時(shí)間的不斷增加，像常見的塑料、橡膠、涂料這些高分子材料很有可能出現(xiàn)外觀和性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。這些高分子材料的老化不僅很大程度上影響了商品的外觀，同時(shí)也極大地降低了高分子材料商品的使用時(shí)間。本文針對高分子材料的老化機(jī)理與防止措施提出建議。

關(guān)鍵詞 高分子材料;老化機(jī)理;防治措施

引言

高分子材料老化實(shí)際上就是指高分子材料才使用、存放過程中，受化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理形態(tài)、分子量、分子分布以及其他外部因素的影響而導(dǎo)致的性能變壞，而要想避免或是延緩高分子材料老化，則需要對其老化機(jī)理進(jìn)行明確，并在此基礎(chǔ)上探索出有效的防治措施。

1 高分子材料老化的普遍機(jī)理

1.1 聚烯烴類塑料商品的老化機(jī)理

目前市面上能見到的塑料商品的老化機(jī)理有兩種，分別是熱氧老化和光氧老化。對于聚烯烴塑料商品中的熱氧老化來說，光氧老化的反應(yīng)機(jī)理一般和低分子的化合物反應(yīng)機(jī)理是差不多相同的特點(diǎn)，都具有能夠自動(dòng)發(fā)生催化氧化反應(yīng)的特點(diǎn)。

從塑料商品老化的兩種形式來說，光氧老化是最為重要的一種形式。這是因?yàn)榫垡蚁┻@些高分子商品一般而言在自然使用條件下非常容易受到大氣環(huán)境中的其他各項(xiàng)因素作用，從而發(fā)生氧化[1]。這是因?yàn)榫巯N類商品由于特殊的分子結(jié)構(gòu)，很容易有不明雜質(zhì)混進(jìn)去，而這些雜質(zhì)容易發(fā)生氧化。除此之外，由于塑料商品中的分子結(jié)構(gòu)往往較大，而且塑料商品中本身也具有極易發(fā)生氧化的物質(zhì)，所以在這一老化過程中，光氧老化是最重要的一種形式。也就出現(xiàn)了塑料商品外觀性能都發(fā)生老化變質(zhì)等不良現(xiàn)象。

1.2 橡膠及其老化機(jī)理

橡膠在生活中也較為常見，如汽車輪胎、高壓鍋密封圈等。在使用過程中，橡膠也會(huì)發(fā)生緩慢的老化現(xiàn)象，老化發(fā)生后橡膠的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原有的物理特性、化學(xué)特性也會(huì)有所變化，直觀表現(xiàn)為橡膠表面發(fā)生龜裂、橡膠失去彈性、橡膠顏色發(fā)生改變等。

橡膠的老化較為簡單，通常是在光、熱雙重條件的綜合作用下緩慢發(fā)生。橡膠內(nèi)有大量的含氧基團(tuán)，其會(huì)發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng)。橡膠中大分子的分子鏈的含氧基團(tuán)發(fā)生氧化反應(yīng)后分子鏈裂解或與其他分子鏈發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，破壞橡膠自身的分子結(jié)構(gòu)，使橡膠材料發(fā)生老化[2]。當(dāng)然橡膠中不飽和的雙鍵結(jié)構(gòu)也是橡膠老化的重要原因，這種雙鍵會(huì)與空氣中含量極低的臭氧發(fā)生化合反應(yīng)而生成臭氧化合物，當(dāng)臭氧化合物達(dá)到一定水平時(shí)，橡膠表面就會(huì)發(fā)生臭氧龜裂、變硬且韌度下降。

1.3 合成纖維老化機(jī)理

合成纖維材料中存在著羰矩等非?；顫姷幕鶊F(tuán)，當(dāng)合成纖維受到臭氧、輻射、氧氣等因素的影響時(shí)，這些活潑的基團(tuán)就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，并出現(xiàn)酞胺鍵斷裂的情況。酞胺鍵的斷裂一般會(huì)使合成纖維內(nèi)部的羧基轉(zhuǎn)化為毅基、氨基、末端狡基以及二氧化碳，而在二氧化碳的釋放過程中，合成纖維也會(huì)逐漸變黃，并在性能上發(fā)生變化，而這也就是合成纖維的老化機(jī)理。另外，由于水、熱等條件都能夠加快合成纖維材料的光氧化反應(yīng)速度，因此當(dāng)周圍環(huán)境的空氣濕度或是溫度較高時(shí)，合成纖維的老化也會(huì)變得更加迅速。

2 高分子材料老化的防治方法

2.1 光氧老化防護(hù)

光氧老化的防護(hù)主要利用光穩(wěn)定劑控制紫外線和材料的接觸或者分散材料內(nèi)儲(chǔ)存能量來抑制和延緩高分子材料的光氧老化。根據(jù)作用機(jī)理主要包括紫外線吸收劑、能量轉(zhuǎn)移劑、光屏蔽劑以及自由基捕獲劑等。紫外線吸收劑可以吸收紫外線，其本身處于激發(fā)態(tài)，吸收紫外線后通過發(fā)出較弱的熒光、磷光或者轉(zhuǎn)變成熱而恢復(fù)到基態(tài);能量轉(zhuǎn)移劑的作用機(jī)理是在高分子吸收紫外線轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)后，將其能量轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移劑上，恢復(fù)到基態(tài)。而轉(zhuǎn)移劑將能量以熒光、磷光或者熱的形式散發(fā)出去，再恢復(fù)基態(tài);光屏蔽劑主要是通過反射或者遮蔽紫外線來保護(hù)高分子材料，一般有炭黑、鈦白粉、氧化鋅等都可以作屏蔽劑;自由基捕獲劑能捕捉材料內(nèi)生成的自由基，阻止鏈反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。

2.2 對高分子材料表面覆蓋保護(hù)層

由于高分子材料容易受到水及微生物的分解，因此可以在材料表面覆蓋一層保護(hù)層，起到保護(hù)作用。常見的做法是，在材料表面覆蓋一層防水和反微生物的涂層，可以有效地減少酸雨、氧氣等對材料的老化作用。

2.3 多類型高分子材料并用

不同高分子材料性質(zhì)不同其老化機(jī)理也有所差別，可以通過共聚或共硫的方式將不同性質(zhì)的高分子材料組合在一起形成復(fù)合型高分子材料，相較于單一的高分子材料，這種高分子材料通常可具備多種材料的物理特性和化學(xué)特性，其自身抗老化能力也更加優(yōu)秀。這與植物雜交、合金的存優(yōu)去劣的技術(shù)思路基本一致。

但是這種方法具有較大局限性。首先是技術(shù)上的突破，由于不同高分子材料特性不同，使其穩(wěn)定地聚合在一起，其本身難度就較高。其次是組成材料選擇上的突破，如合金與植物雜交一樣，多種高分子材料聚合在一起其保留的特性會(huì)存在隨機(jī)性，在不同條件下保留的特性也不同，因此想要完全推廣復(fù)合型高分子材料需要大量的嘗試與經(jīng)驗(yàn)積累。

2.4 添加防老劑

添加防老劑是最為常見同時(shí)也是最為應(yīng)用普遍的一種高分子材料防老化方法，其對于高分子材料老化的限制作用是十分明顯的。從功能上來看，防老劑的主要思路是對高分子材料老化過程中所發(fā)生的氧化反應(yīng)進(jìn)行遏制，這樣在不發(fā)生氧化反應(yīng)或是氧化反應(yīng)較為緩慢的情況下，高分子材料中就不會(huì)生成各種破壞性物質(zhì)，材料的老化自然也就會(huì)更加緩慢。一般來說，常見的防老劑有熱穩(wěn)定劑、抗氧劑、紫外線穩(wěn)定劑等等，只要能夠在高分子材料的加工過程加入，加工后得到的高分子材料就可以具備對各種有害離子進(jìn)行防護(hù)的能力，從而達(dá)到防治材料老化的效果。

3 結(jié)束語

隨著我國改革開放的不斷加深，我國高分子材料的應(yīng)用也會(huì)越來越重要?？墒侨绾伪苊飧叻肿硬牧显谶\(yùn)用途中發(fā)生老化行為，盡可能延續(xù)高分子材料的使用壽命呢？那么就要盡可能地根據(jù)高分子材料的老化機(jī)理做出預(yù)防措施。做好對高分子材料防老化的預(yù)防措施，不僅能夠提高高分子材料的使用壽命，同時(shí)也能做到既節(jié)省新材料，又能減少對資源的浪費(fèi)。除了要做好高分子材料的防老化措施之外，一些新型技術(shù)如抗老化劑也在不斷誕生中。希望本文的研究能為我國高分子材料的老化機(jī)理和防治措施有一定的參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王猛，秦志鳳.高分子材料老化機(jī)理及防治方法[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2017，43（1）：46.

[2] 陳俊橋，黃靖.高分子材料的老化及防老化分析[J].中國化工貿(mào)易，2018，10（3）：235.