高分子橡膠材料老化的影響因素及應對措施分析

李國強

(青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

1 引言

高分子材料涉及到工業領域、農業領域以及我們的日常生活之中，并且與我們生活的聯系也越來越緊密，另一方面，高分子材料逐漸開始超過金屬材料，其產量正逐年增加。橡膠材料是高分子合成材料之中我們十分熟悉的一種，在一般情況下，在使用或者貯存橡膠材料的過程中，隨著時間的增長，這些橡膠材料的性能都會隨著時間增長不斷的下降，橡膠材料的使用方式以及貯存環境的好壞也會對橡膠材料的性能產生較大的影響，甚至導致材料構建性能劣化。

高分子材料有著非常悠久的發展歷史，遠在人類文明發展之初，被廣泛應用的高分子材料就已經出現，秸稈造紙、蠶絲織布等都是廣泛應用的高分子合成材料示例。今天，科學技術推動下高分子材料不斷發揮著更加巨大的能量，高分子材料正在強有力的促進著人類社會的發展。

人類社會的生活與高分子材料不斷緊密相連，高分子材料在新技術時代下的產物包括塑料、橡膠、纖維等，高分子材料不斷為人類社會做出著巨大的貢獻，但科學界始終無法解決的一大難題是高分子材料的老化問題。影響高分子材料老化的因素包括很多方面，例如陽光、溫度、濕度、外力等都是導致高分子材料老化的直接因素，這些因素會對其使用壽命造成較大影響，同時也會對高分子材料的使用性能造成很大程度的影響。

長期以來，科學研究者們一直在探索研究高分子材料的老化問題，研究成果包括光穩定劑、抗氧化劑等，但這些產品只能在一定程度上對高分子材料的老化造成一定延緩的效果，卻不能完全解決高分子材料的老化問題，要想從根本上解決這一個問題，我們需要進一步的研究。

2 影響高分子橡膠材料老化的環境因素

2.1 光照溫度的影響

2.1.1 太陽光對橡膠材料造成的影響

太陽光對高分子材料具有最為直接的影響，這種影響十分重要而且不可避免，這是因為聚合物材料在受到光直接照射的情況下，是否會發生化學分子鏈的斷裂，在一定程度上取決于光能與離解能之間相對的大小。含有羰基及雙鍵的聚合物材料會吸收在特定范圍內的紫外線波長，會導致大分子化學鏈斷裂的結果，材料的化學結構發生改變，導致材料性能下降，高分子材料出現老化現象。太陽光之中大量的紫外線極容易被高分子橡膠材料吸收，并且與高分子橡膠材料產生一系列的化學反應，不僅如此，紅外線也存在于太陽光之中，這就會導致在橡膠材料與太陽光接觸一段時間之后溫度極速上漲，長期暴露在陽光之下的橡膠材料會加速老化過程，最終導致壽命的縮短。

2.1.2 溫度對橡膠材料造成影響

隨著溫度升高，物理顆粒會隨著溫度的升高不斷加速其傳播的速度，這是我們日常都知道的常識，那么同理可知，在溫度升高的情況下，材料也會產生相應的變化，高分子材料分子鏈會增強其分子鏈的震動，這是因為離解材料的分子鏈之間的化學鍵是在一固定溫度下，當溫度達到分解的溫度值或分解溫度值以上的情況下，就會導致化學鍵的分解，高分子鏈就會開始熱降解，甚至導致基團脫落。綜上所述，溫度變化會改變高分子材料的物理化學狀態，進而造成高分子材料的老化。

2.2 濕度的影響

游離的水分子是濕度對高分子材料影響的最主要因素，水分子密集的情況下，高分子材料分子之間會被水分子滲透，隨著時間不斷發展，水分累積之下，材料會發生溶脹現象，甚至物理狀態會隨之改變，有些材料會直接溶解。濕度會對維持高分子材料分子間的作用力造成改變，高分子材料就會降低其原有的性能甚至失去其使用性能。

2.3 氧化現象

空氣中存在的氧氣是高分子材料發生性能改變的一個主要原因，這是因為氧氣是化學性質十分活潑的一種氣體，空氣無處不在也就說明氧氣無處不在，我們無法避免空氣中含有氧氣，也就說明我們無法避免高分子材料存在于空氣中時的氧化現象，氧化反應非常容易發生在高分子材料的表面，在陽光照射之下，高分子材料會不斷發生化學反應，這些反應對影響到高分子材料的性質甚至其使用性能，而我們完全不能避免高分子材料與空氣產生接觸，也就無法避免這些氧化反應的發生，故而高分子材料產生老化的主要原因之一就包括了氧化。

2.4 外部作用導致的老化

機械力也是高分子材料老化的主要原因之一，在使用過程之中，橡膠材料常常會遭到機械力的作用，這些外部作用不斷的出現在高分子材料如橡膠材料的使用過程之中，這些影響與溫度、陽光對高分子材料的作用一致，都是不可避免的。以汽車輪胎為例，車承載力與車輪會對高分子橡膠材料產生作用，輪胎會不斷發生變形，然而這種變形可以在短時間內得到迅速恢復，這是由于橡膠的特殊性能產生的。但在長時間的外力作用之下，橡膠的內部高分子同樣會發生不可逆的變化，內部分子在受到較大的破壞的情況下，老化速度會不斷加快。

3 緩解高分子材料老化的應對措施

3.1 改善高分子材料的自身結構

要對老化問題產生在高分子材料之中進行解決，最根本的做法就是從高分子結構本身入手。高分子材料的高分子結構是導致其老化的自身原因，同時也是主要原因，只有不斷對其自身結構進行改變，提高其性能，才能從根本上緩解高分子材料的老化現象。

高分子橡膠材料會產生硫化現象，進而產生不飽和雙鍵，要應對橡膠材料的老化，就需要對高分子材料上的雙鍵進行避免，要減少這些雙鍵的產生。針對高分子材料的老化問題需要不斷進行深入分析與研究，根據當下的情況，改善橡膠材料的分子結構是從根本上解決老化問題的關鍵所在。但由于高分子材料內部結構比較復雜，研究技術水平不夠，所以我們還無法徹底消除高分子材料的老化，只能通過技術手段來提高高分子材料的使用性能，延緩其使用壽命。

3.2 改變高分子本身易老化的特點

高分子材料的本身弱鍵或者不飽和鍵是造成其老化的最主要原因，正是由于這個原因，容易受到空氣中氧氣的影響，氧氣與材料中的氫鍵氧鍵發生反應，最終導致高分子材料穩定性低。因此如果使高分子材料中的鍵變為飽和鍵，那么其抗老化的作用效果會有極大的提高。以橡膠為例，橡膠中的碳鍵會與臭氧發生反應，因此在橡膠中加入氯原子鍵就能夠使其穩定，從而很好的提高其抗老化性能。

3.3 物理防護措施

對于來自外部影響高分子老化的因素可以采用物理防護的措施。物理防護能夠有效的控制一般的物理老化現象，并且能夠相應的延緩化學性老化。以大棚塑料薄膜為例，由于長期經受風吹日曬，塑料薄膜會發生氧化，出現透明度降低和薄膜脆化的現象，塑料薄膜的使用壽命也相應降低，而在塑料薄膜上覆蓋草棚就會有效的減少日照，從而延長薄膜使用壽命。對于光氧化所帶來的高分子材料老化現象，最有效的解決措施就是添加穩定劑。穩定劑可以使光氧化所造成的對高分子材料的破壞穩定化，可以有效的提高抗光氧化的性能，進而提高高分子材料的使用壽命。

3.4 添加穩定劑

在高分子材料中添加的穩定劑主要有光屏蔽劑、猝滅劑、受阻胺光穩定劑等。 光屏蔽劑就是我們所說的涂層和顏料，這種穩定劑可以為高分子材料提供一層保護膜，為高分子材料屏蔽光線。猝滅劑主要是通過一定的化學反應來起到穩定效果的。受阻胺光穩定劑主要是通過阻礙胺類哌啶系衍生物來起到穩定作用的。

4 結束語

隨著不斷發展中的世界經濟以及不斷升級的科學技術，高新技術不斷涌現，我們也迎來了越來越廣闊光明的高分子材料發展前景。隨著越來越廣泛的高分子材料應用范圍，人類生活對于高分子材料的依賴程度越來越高了。在這種情況下，我們要不斷對高分子材料的老化現象進行解決，首要以及最為關鍵性的問題即為如何不斷提高高分子材料的使用性能和使用壽命，在長期的研究之中，我們雖然取得了一些成果，這些成果對有效減緩高分子材料的老化產生了一些作用，但高分子材料的老化問題仍舊十分復雜，等待我們解決的難題仍舊很多，不斷探索研究高分子領域對我們來說仍是一個十分持長的過程。