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高分子材料老化机理及防治方法探讨

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  摘  要:随着科学技术的不断进步,高分子材料在生产生活中应用越来越广泛,已经成为日常生活中的很多常用物品的主要构成材料。但是高分子材料在使用过程中很容出现老化问题,老化严重限制了高分子材料的使用年限,也因此很多领域的很多物品现阶段仍无法使用高分子材料替代。因此文章对高分子材料的老化机理进行研究,在此基础上提出高分子材料的老化防治方法。
  关键词:高分子材料;老化机理;防治方法
  中图分类号:TQ317    文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2019)16-0121-02
  Abstract: With the continuous progress of science and technology, polymer materials are more and more widely used in production and life, and have become the main constituent materials of many commonly used objects in daily life. However, the aging problem of polymer materials is very easy to occur in the process of use, which seriously limits the service life of polymer materials, so many items in different fields cannot be replaced by polymer materials at this stage. Therefore, the aging mechanism of polymer materials is studied in this paper, on the basis of which the aging prevention and control methods of polymer materials are put forward.
  Keywords: polymer materials; aging mechanism; prevention and control methods
  1 高分子材料的概念
  高分子材料是生活化學领域下的一个概念,指的是以高分子化合物为基本单元组成的聚合材料。高分子是与小分子对应的一个概念,高分子材料具有分子量大、分子量分布多散性的特点,这也是高分子材料与小分子材料的主要区别。高分子材料分子量通常较大,在10000以上,小分子材料的分子量规定,组成成分也相对固定。同时高分子材料分子量分布多散性意味着高分子材料在分子分布上相对均匀,各部分化学特性、物理特性、生物特性相差不大,可以将资源更加有效地利用。
  按来源划分,可以将高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料指的是可以直接从动物、植物提取出来并加以利用的高分子聚合物质,如天然橡胶、天然纤维等。合成高分子材料主要包括三大类,也是生活中极为常见的物质,分别为塑料、合成橡胶与合成纤维。此外部分粘合剂、涂料也由高分子材料构成。高分子材料具有其他材料所不具备的优越性,虽然叫高分子材料,但是材料密度更小,具有轻便的优势,同时力学特征更加显著、化学特性更高、物理特征也较优越,因此高分子材料被广泛应用于生产和生活的各个方面。常见的高分子材料物质有塑料、橡胶、纤维、高分子胶粘剂、高分子涂料以及高分子基复合材料等六种。
  2 高分子材料老化机理分析
  2.1 塑料及其老化机理分析
  塑料是最常见的一类高分子材料,也是应用时间较长的一类合成材料。常见的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等,分别对应的2号塑料(HDPE)、3号塑料(PVC)、5号塑料(PP),HDPE常用于清洁剂、食用油、农药等容器(不做饮食包装,不循环使用,不耐高温),PVC多用于水管、书包、地膜等材料(价格便宜,不做饮食包装,不循环使用,不耐高温),PP多用于可直接加热的部分塑料材料(多见于乳制品包装、微波炉餐盒,可耐受167度高温)。除此之外,生活中可见到的塑料材料还有1号塑料(PET)、4号塑料(LDPE)、6号塑料(PS)以及其他(如PC、PA类)。塑料在生活中应用极为广泛,该材料普遍具有造价低,循环利用率高的特点,但通常降解速率较低且大部分不耐受高温,也有一部分塑料被称为白色污染。
  塑料的老化极为常见。举个例子来说,如果将热水倒入普通的饮料瓶中(市场上的常规塑料包装),可以看到塑料瓶快速变形、萎缩、粘连,这实际上是一种塑料的老化现象。塑料的老化大体上可分为热氧老化和光氧老化两种。塑料的热氧老化是一种游离基链式反应,在受热的情况下,高分子聚合状态的塑料会引发游离基,形成游离基链,当游离基链饱和后,塑料的老化才会终止。而光氧老化是塑料在阳光与氧气的环境下发生的一种缓慢的氧化现象,就像铁在水和氧的环境下会生锈一样,这种老化过程虽然复杂,但其本质上是高分子聚合状态下分子链出现断裂或激发,使原有的分子结构被破坏。虽然两种塑料老化机理不同,但其本质上都是聚合态下分子结构不能维持稳定,而发生的材料变性,这种材料变性是不可逆的。也就是说对于塑料的老化并没有太好的应对方法,不能阻止或逆转其老化,但可以通过改变外部条件使其缺乏发生老化的环境因素以延缓其老化速率。
  2.2 橡胶及其老化机理分析
  橡胶在生活中也较为常见,如汽车轮胎、高压锅密封圈等。在使用过程中,橡胶也会发生缓慢的老化现象,老化发生后橡胶的分子结构发生改变,原有的物理特性、化学特性也会有所变化,直观表现为橡胶表面发生龟裂、橡胶失去弹性、橡胶颜色发生改变等。   橡胶的老化较为简单,通常是在光、热双重条件的综合作用下缓慢发生。橡胶内有大量的含氧基团,其会发生缓慢的氧化反应。橡胶中大分子的分子链的含氧基团发生氧化反应后分子链裂解或与其他分子链发生交联反应,破坏橡胶自身的分子结构,使橡胶材料发生老化。当然橡胶中不饱和的双键结构也是橡胶老化的重要原因,这种双键会与空气中含量极低的臭氧发生化合反应而生成臭氧化合物,当臭氧化合物达到一定水平时,橡胶表面就会发生臭氧龟裂、变硬且韧度下降。
  2.3 纤维及其老化机理分析
  纤维是较为常见的一种高分子材料,在绝大多数植物中都可提取到纤维材料并且合成纤维的制作工艺要求与成本要求也较低,因此纤维是应用较为广泛的一类高分子材料,在建筑、生物、造纸、医药、军事等领域中都有所应用。通常纤维是一种具有韧性或弹性的材料,当其老化后可能会发生颜色上的改变,多变为黄色,同时纤维的物理特性会发生变化,纤维物质变得脆弱不堪,就像纸张放置太长时间后一碰就碎一样。
  纤维的老化与其自身组成分子特性有关。纤维中含有较为活泼的基团,这类基团会在多种因素的影响下而发生氧化反应,如辐射、臭氧、水气等,这些活泼基团发生氧化反应后,使低分子保持聚合状态的酞键就会断裂,使高分子聚合态的纤维化学结构发生改变,纤维内部羧基逐步转化为氨基、二氧化碳、末端狡基等,纤维逐渐失去韧性和张力。同时酞键断裂后产生的二氧化碳在释放过程中会使纤维逐步变黄,最终展现在我们眼前。纤维的老化与多种因素有关,根据试验研究结果,水热条件是加速纤维老化最明显的因素,空气的潮湿度提升一级、温度的升高都会加速纤维的老化。
  3 分子材料的老化防治方法
  根据高分子材料的老化机理,可以知道虽然高分子材料的老化是不可逆的,但是其老化需要一定的条件因素。首先几乎所有高分子材料老化都需要氧的条件;其次高分子材料老化的原因是由于自身分子成分中含有不稳定的或者活泼的基团使其容易发生热氧化或光氧化反应从而使高分子材料老化;最后任何高分子材料都有一定使用年限,不存在可以永久使用的高分子材料,那就意味着高分子材料的缓慢老化是无法阻止的,但是不同高分子材料在相同环境下老化速率不同,且在特定因素下高分子材料的老化速率会增加。根据上述的高分子材料老化机制,不难推断出高分子材料老化的防治方法有以下三种:(1)改变高分子材料构成,减少其组成分子中不稳定基团或活泼基团比例。(2)改变高分子材料使用环境,阻断其加速老化条件。(3)根据不同高分子材料特性组合使用多类型高分子材料,提高产品的综合使用年限。
  3.1 制作加工时加入防老化剂
  直接从动植物种提取天然高分子材料具有局限性,因此现阶段我国广泛使用的高分子材料多为人工合成材料。那么在加工制造过程中不妨在原料中加入防老化剂,改善高分子材料内部组成分子的特性或结构,使其不稳定基团和活泼基团氧化反应强度降低,从而达到延缓老化速率的目的。
  可以加入的防老化剂大体上可分为以下几种。第一种是加入抗氧化剂,氧化反应是高分子材料老化的根本原因,抗氧化剂的使用可以降低材料氧化反应的剧烈程度,达到防老化目的。另一種就是加入热稳定剂,部分高分子材料的老化机理是热氧化反应,对于此类材料热稳定剂的加入可以提高材料对温度的耐受能力,提高其发生热氧化反应的阀值。最后一种就是加入光线稳定剂,依据就是部分高分子材料老化是由于光氧化反应,同时根据研究结果,光氧化反应多为材料分子与光线中紫外线发生反应,可能与蛋白质的变性有关。针对容易发生光氧化反应的高分子材料可以加入光线稳定剂或紫外线稳定剂以提高其抗光氧化能力。
  3.2 防老化涂层的使用
  防老化涂层是应对高分子材料老化最简单、最直接的方法,通过在高分子材料表面覆盖一层外衣,使高分子材料不直接接触到水汽、氧气、臭氧、光线等物质,改变高分子材料使用时的外部环境条件,阻断其与加速老化物质的接触,从而达到防老化目的。同时防老化涂层也可以是带颜色的涂料,可以给高分子材料着色,增加高分子材料的审美特征,妥善使用防老化涂层是提高高分子材料经济效益、环境效益、社会效益的有效途径。
  使用防老化涂层时需要注意涂层组成分子的特性,使用不会与高分子材料分子发生反应的物质才能有效达到防老化的目的。
  3.3 多类型高分子材料并用
  不同高分子材料性质不同其老化机理也有所差别,可以通过共聚或共硫的方式将不同性质的高分子材料组合在一起形成复合型高分子材料,相较于单一的高分子材料,这种高分子材料通常可具备多种材料的物理特性和化学特性,其自身抗老化能力也更加优秀。这与植物杂交、合金的存优去劣的技术思路基本一致。
  但是这种方法具有较大局限性。首先是技术上的突破,由于不同高分子材料特性不同,使其稳定地聚合在一起,其本身难度就较高。其次是组成材料选择上的突破,如合金与植物杂交一样,多种高分子材料聚合在一起其保留的特性会存在随机性,在不同条件下保留的特性也不同,因此想要完全推广复合型高分子材料需要大量的尝试与经验积累。
  参考文献:
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  [2]陈俊桥,黄靖.高分子材料的老化及防老化分析[J].中国化工贸易,2018,10(3):235.
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