高分子材料老化機理及防治方法探討

安昊

摘要：科技在進步，高分子材料的應用越來越廣泛。但在使用過程中，高分子材料容易出現(xiàn)老化問題，影響了高分子材料的使用。基于此，文章對高分子材料的老化機理進行研究，在此基礎(chǔ)上提出高分子材料的老化防治方法。

關(guān)鍵詞：高分子材料;老化機理;防治方法

1 高分子材料的概念

高分子材料是生活化學領(lǐng)域下的一個概念，指的是以高分子化合物為基本單元組成的聚合材料。高分子是與小分子對應的一個概念，高分子材料具有分子量大、分子量分布多散性的特點，這也是高分子材料與小分子材料的主要區(qū)別。常見的高分子材料物質(zhì)有塑料、橡膠、纖維、高分子膠粘劑、高分子涂料以及高分子基復合材料等六種。

2 高分子材料老化機理分析

2.1 塑料及其老化機理分析

塑料是最常見的一類高分子材料，也是應用時間較長的一類合成材料。常見的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等，分別對應的2 號塑料（HDPE）、3 號塑料（PVC）、5 號塑料（PP），HDPE 常用于清潔劑、食用油、農(nóng)藥等容器（不做飲食包裝，不循環(huán)使用，不耐高溫），PVC 多用于水管、書包、地膜等材料（價格便宜，不做飲食包裝，不循環(huán)使用，不耐高溫），PP 多用于可直接加熱的部分塑料材料（多見于乳制品包裝、微波爐餐盒，可耐受167 度高溫）。除此之外，生活中可見到的塑料材料還有1 號塑料（PET）、4 號塑料（LDPE）、6 號塑料（PS）以及其他（如PC、PA 類）。塑料在生活中應用極為廣泛，該材料普遍具有造價低，循環(huán)利用率高的特點，但通常降解速率較低且大部分不耐受高溫，也有一部分塑料被稱為白色污染。塑料的老化極為常見。舉個例子來說，如果將熱水倒入普通的飲料瓶中（市場上的常規(guī)塑料包裝），可以看到塑料瓶快速變形、萎縮、粘連，這實際上是一種塑料的老化現(xiàn)象。塑料的老化大體上可分為熱氧老化和光氧老化兩種。塑料的熱氧老化是一種游離基鏈式反應，在受熱的情況下，高分子聚合狀態(tài)的塑料會引發(fā)游離基，形成游離基鏈，當游離基鏈飽和后，塑料的老化才會終止。而光氧老化是塑料在陽光與氧氣的環(huán)境下發(fā)生的一種緩慢的氧化現(xiàn)象，就像鐵在水和氧的環(huán)境下會生銹一樣，這種老化過程雖然復雜，但其本質(zhì)上是高分子聚合狀態(tài)下分子鏈出現(xiàn)斷裂或激發(fā)，使原有的分子結(jié)構(gòu)被破壞。

2.2 橡膠及其老化機理分析

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、化學特性也會有所變化，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，其會發(fā)生緩慢的氧化反應。橡膠中大分子的分子鏈的含氧基團發(fā)生氧化反應后分子鏈裂解或與其他分子鏈發(fā)生交聯(lián)反應，破壞橡膠自身的分子結(jié)構(gòu)，使橡膠材料發(fā)生老化。當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，這種雙鍵會與空氣中含量極低的臭氧發(fā)生化合反應而生成臭氧化合物，當臭氧化合物達到一定水平時，橡膠表面就會發(fā)生臭氧龜裂、變硬且韌度下降。

2.3 纖維及其老化機理分析

纖維是較為常見的一種高分子材料，在絕大多數(shù)植物中都可提取到纖維材料并且合成纖維的制作工藝要求與成本要求也較低，因此纖維是應用較為廣泛的一類高分子材料，在建筑、生物、造紙、醫(yī)藥、軍事等領(lǐng)域中都有所應用。

纖維的老化與其自身組成分子特性有關(guān)。纖維中含有較為活潑的基團，這類基團會在多種因素的影響下而發(fā)生氧化反應，如輻射、臭氧、水氣等，這些活潑基團發(fā)生氧化反應后，使低分子保持聚合狀態(tài)的酞鍵就會斷裂，使高分子聚合態(tài)的纖維化學結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，纖維內(nèi)部羧基逐步轉(zhuǎn)化為氨基、二氧化碳、末端狡基等，纖維逐漸失去韌性和張力。同時酞鍵斷裂后產(chǎn)生的二氧化碳在釋放過程中會使纖維逐步變黃，最終展現(xiàn)在我們眼前。纖維的老化與多種因素有關(guān)，根據(jù)試驗研究結(jié)果，水熱條件是加速纖維老化最明顯的因素，空氣的潮濕度提升一級、溫度的升高都會加速纖維的老化。

3 分子材料的老化防治方法

3.1 制作加工時加入防老化劑

直接從動植物種提取天然高分子材料具有局限性，因此現(xiàn)階段我國廣泛使用的高分子材料多為人工合成材料。那么在加工制造過程中不妨在原料中加入防老化劑，改善高分子材料內(nèi)部組成分子的特性或結(jié)構(gòu)，使其不穩(wěn)定基團和活潑基團氧化反應強度降低，從而達到延緩老化速率的目的。

可以加入的防老化劑大體上可分為以下幾種。第一種是加入抗氧化劑，氧化反應是高分子材料老化的根本原因，抗氧化劑的使用可以降低材料氧化反應的劇烈程度，達到防老化目的。另一種就是加入熱穩(wěn)定劑，部分高分子材料的老化機理是熱氧化反應，對于此類材料熱穩(wěn)定劑的加入可以提高材料對溫度的耐受能力，提高其發(fā)生熱氧化反應的閥值。最后一種就是加入光線穩(wěn)定劑，依據(jù)就是部分高分子材料老化是由于光氧化反應，同時根據(jù)研究結(jié)果，光氧化反應多為材料分子與光線中紫外線發(fā)生反應，可能與蛋白質(zhì)的變性有關(guān)。針對容易發(fā)生光氧化反應的高分子材料可以加入光線穩(wěn)定劑或紫外線穩(wěn)定劑以提高其抗光氧化能力。

3.2 防老化涂層的使用

防老化涂層是應對高分子材料老化最簡單、最直接的方法，通過在高分子材料表面覆蓋一層外衣，使高分子材料不直接接觸到水汽、氧氣、臭氧、光線等物質(zhì)，改變高分子材料使用時的外部環(huán)境條件，阻斷其與加速老化物質(zhì)的接觸，從而達到防老化目的。同時防老化涂層也可以是帶顏色的涂料，可以給高分子材料著色，增加高分子材料的審美特征，妥善使用防老化涂層是提高高分子材料經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益的有效途徑。

使用防老化涂層時需要注意涂層組成分子的特性，使用不會與高分子材料分子發(fā)生反應的物質(zhì)才能有效達到防老化的目的。

3.3 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存在隨機性，在不同條件下保留的特性也不同，因此想要完全推廣復合型高分子材料需要大量的嘗試與經(jīng)驗積累。

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