高分子材料的環境行為與老化機理研究進展

摘要：材料或材料自身結構與成分在溫度、光照、生物活潑性介質以及化學介質等環境因素的影響，會出現一系列的變化，結果都可能導致該材料失去原有功能。本文就生產實際中使用比較廣泛的高分子材料老化問題的研究成果與手段進行總結，以為有類似研究需求提供一定的研究參考價值。

關鍵詞：高分子材料；環境行為；老化機理；研究動態

隨著高新科技的不斷創新，建筑行業的快速發展，無論是日常生活用品，航空行業，還是其它工業都離不開高分子材料，這些使得高分子材料得到迅猛發展。高分子材料更成為材料領域中迅速發展起來的一個類別。高分子材料最大的優勢是可以再利用的資源，有著明顯的環保特點，高分子材料有著很好的發展前景。不過，材料在不同環境因素的作用下，或在其官能團、分子構造、相結構以及化學成分等自身因素作用下，材料表面或物理化學發生性質與機械性能會出現一系列的變化，當在苛刻的環境條件下，更容易導致材料失去原有功能，此類變化是不可逆的物理、化學變化，即為材料的失效，由于材料隨著變化逐漸失去原有性能，此變化也稱為“劣化”、“衰化”；這些變化所引起的材料分解失效，還會對環境造成一定程度的污染；材料的失效主要是發生在它的儲存過程與使用過程，此現象就高分子材料而言則為“老化”。可以說高分子的失效老化問題，成為制約其發展的主要因素之一。本文就當前有關高分子材料的環境行為研究現狀進行概括，以為高分子科研工作提供一定的指導意義。

1 高分子材料老化各個階段的研究歷程簡述

有關合成材料老化最早的研究，Dickens認為人們于1935展開聚笨乙烯的降解研究。其實早于1870年，Bogge就通過采用β萘胺和對苯胺作為橡膠制品的抗降解劑，使橡膠性能得到很大改觀。事實上，40年代末，乙烯的降解研究才比較系統化，重點則是研究如何提高聚合物穩定化的可行性。50年代，開始提出聚烯烴老化過程的定量動力學研究方法，此期間側重于均聚物的熱氧老化、聚烯烴的老化、橡膠的降解，以及硅橡膠的熱老化機理等內容。60年代，高分子材料的研究范圍更廣泛，重點研究內容在于聚硅氧烷、無規聚丙烯等材料的熱氧老化內容，這些研究成果推動了塑料的廣泛應用。70年代期間，主要是側重于材料老化試驗研究與改進，如聚碳酸酯的光氧老化的研究。80年代期間，高分子材料的研究重點依然包括光氧化、光老化問題，穩定性也是此階段備受關注的重點之一。90年代往后的研究，與工業的應用需求相聯系，如各種新型材料與新型膠粘劑所涉及的相關技術與老化問題；最近幾年，隨著資源越來越短缺，材料老化問題及其機理成為當前的研究熱點。

2 高分子材料老化具體的研究動態

2.1 橡膠老化問題的研究動態

橡膠制品在使用過程中，通常會因為受空氣中的氧與熱氣而出現相應程度的熱氧老化的破壞，即橡膠制品在氧與熱的綜合作用下發生的老化現象，則為熱氧老化。天然橡膠有著不錯的強度與彈性，是當前使用最廣泛的橡膠品種，但它的耐熱氧老化性能有所欠缺，比較容易被氧化，這主要是其含有大量的不飽和鍵的原因。基于此類問題，肖琰等[1]就天然橡膠硫化膠的老化機理問題，采取裂解氣相色譜-質譜的研究方法進行研究，研究結果發現，在熱氧老化初期力學性能與交聯密度增加時，天然橡膠硫化膠的熱失重起始溫度表現出上升現象，且降解效應隨著老化過程的進行逐漸占優勢，熱氧穩定性逐漸下降；金冰等[2]為了改善天然橡膠熱氧老化性能，通過試驗的研究方法，高度了其熱失重、熱老化、熱氧化誘導期的發生變化，試驗結果表明：天然橡膠的抗熱氧老化，在含雜質少純度高的防老劑D的情況下，性能有所改善。

特種全成橡膠中的硅橡膠是其重點品種之一，關于硅橡膠的老化機理研究，田可新[3]研究表示導致其老化的最主要因素是漏流徑的形成。有關氫化丁笨橡膠（HSBR）老化前后的力學發生，李曉東[4]進行了相關探討，研究結果表示物理機械性能會隨著HSBR的氫化度上升而表現出更優異的一面。饒秋華等[5]就丁苯橡膠（SBR）熱空氣老化拉伸性能變化率與邵爾A硬度變化值之間的相關性，采用熱空氣老化試驗，試驗結果發現，無論是有效硫化體系還是普通硫化體系，相關性顯現線性關系；同時，在熱空氣老化過程中，隨老化時間的延長，SBR 硫化膠老化后的邵爾A硬度變化值呈指數趨勢增加。蔡登科等[6]就硅橡膠改性問題進行探討，研究中試圖選取將納米粒子與納米復合材料技術應用到其中，研究表明這些新技術的投入使用有著美好的應用前景，更成為當前的研究熱鬧話題。關于乙柄橡膠表現結構的影響因素，徐業彬[7]通過選取XFS、SEM等技術，通過加速氣候老化這一影響因素展開研究，結果發現，橡膠表面出現老化后出現微裂紋，鏈的斷裂或鏈端氧化而造成COO-出現。

2.2 塑料老化問題的研究動態

由于多數塑料都是直接暴露于自然環境下，其性能會因受到環境因素（水、氧、熱、光等）的綜合作用而日益惡化，這也影響到其使用壽命。如在自然環境中，苯乙烯類塑料容易出現老化現象，但實際生活中它卻是應用很廣泛的通用塑料。關于其老化現象，王俊等[8]研究發現，水對聚苯乙烯（PS）的多個性能的影響不大；而影響PS力學性能的重要因素則是試樣溫度變化所產生的內應力；研究還認為太陽輻照強度與PS分子量下降存在密切關系。周長蘭等[9]ABS的抗紫外線老化性能，在抗氧劑 168 復合與ZnO、TiO2/ SiO2復合體系的使用情況下，表現出明顯的協同效果。曹建軍等[10]就HIPS抗光老化性能，選取了金紅石型納米TiO2這一影響因素；研究結果發現通過這一改性處理，在較長時間內HIPS的力學性能得到保持，還可有效抑制分子鏈斷裂，抗色變能力也大幅度提高。就PVC及其共混物使用過程中的老化問題，有研究表示[11]在紫外光照射下PVC會產生共軛雙鍵且脫HCl，研究也發現PVC脫HCl可通過MBS抑制。其它如未經穩定化的聚丙烯（PP）研究也有不少研究成果。

3 結論

綜上所述，當前學者對高分子材料的研究，主要是通過各種試驗方法與手段，探討各種防老劑間的協同效益，分子結構與老化的關系，環境因素對分子材料的內部結構的影響。有關光引發機理與光穩定機理，依然是當前值得探討的重要課題。在未來的研究工作中，綜合采用數值模擬與實驗研究的方法，有望成為研究的重要手段。總之，綜合不少文獻資料發現，高分子材料的老化研究多側重于環境因素對老化的影響程度，以及相關機理、規律，為實踐生產提供了積極的應用價值與指導意義，未來的研究重點將是如何提高高分子材料的使用壽命。

參考文獻

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[11]周氏蘭，王旭，胡燕.無機納米粒子對ABS抗紫外線老化性能的影響[J].工程塑料應用，2005， 33 （4）：47-49.