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高分子材料的环境行为与老化机理研究进展
高分子材料的环境行为与老化机理研究进展1
总结了有关高分子材料在环境因素作用下老化研究的历史与现状,阐述了环境场(如光、热和化学介质)对高分子老化的影响,提出了材料老化的一些主要机理.在探讨了一些新研究手段的发展和取得的成果的基础上,进而展望了高分子材料老化及防护措施的'研究动向和发展趋势.
高分子材料的环境行为与老化机理研究进展2
所谓的高分子材料就是相对分子量较高的化合物构成的材料。早在人类文明发展开始阶段,高分子材料就被人们充分利用,利用蚕丝织布,用秸秆、木材造纸等;高分子材料发展历史之久远,而发展至今——高科技时代,高分子材料在人们日常生活中更是比比皆是,如橡胶、塑料、涂料、纤维等。然而影响高分子材料的环境因素有很多,如日光照射,温湿度,外部机械受力等,这些都不同程度导致了高分子材料的老化,缩短了使用寿命,虽然科学研究领域在高分子材料上有了实质性的进步和一定的效果,如各种光稳定剂,抗氧化剂等产品,但这些也只能延缓高分子材料的使用寿命,仍不能完全杜绝高分子材料的老化,迄今高分子材料老化问题仍是科学界无法攻克的难题。
一、影响高分子材料老化的环境因素
1.太阳光对高分子的影响
目前太阳光是影响高分子材料老化的主要原因,而且是不可避免的,太阳光中含有大量的紫外线,是最容易被高分子材料中的醛基和酮基所吸收,从而产生复杂的化学反应;另一部分太阳光中的'红外线,红外线接触高分子材料后,使得高分子材料吸收温度迅速上升,这就加剧了高分子材料的热老化性,从而降低了使用寿命。
2.空气中氧对高分子的影响
氧无处不在,而且属于极活泼气体,在高分子材料表面受到太阳光照射后极易发生氧化反应,像我们平时看到的铜绿,所谓的铜绿就是铜在光的照射下发生氧化反应而形成表面的一层保护介质。这样的现象还有很多,并且为无法避免不可逆的,然而高分子材料和我们息息相关,在日常的加工、运输、使用过程中都不可避免的接触氧,所以氧也是导致高分子材料老化的主要因素。
3.外部作用——机械力对高分子材料的影响
高分子材料在使用过程中不可避免的接触外部因素作用,外部作用在一定程度下导致了高分子材料的老化进程。例如汽车轮胎,它属于高分子材料橡胶,橡胶的突出特点是分子链柔性好,在外部车轮和车承载力的作用下,易发生较大程度的变形,由于它特殊的分子原理可迅速恢复,如果长时间施加机械力,橡胶内的分子链受到破坏发生变形导致龟裂,加速了高分子材料的老化过程。
4.水和电对高分子材料的影响
由于高分子材料的分子内部结构特殊,含有一种亲和水性很好的物质,在高分子材料遇到水后易破坏分子结构而易被水解;高分子内部的组织键对电的反应更加敏感,一旦接通电源,分子就形成了大量不规则运动而剧烈反应,有效的破坏了分子弱键,导致高分子材料失效电解游离。
二、高分子材料老化的具体表现
高分子材料老化顾名思义就是通过外部作用破坏了高分子内部结构,分子量变小,生成新的物质或发生降解的过程。一般分为物理老化和化学老化,物理老化可逆转比较好恢复,例如,一些高分子材料在外部压力作用下产生变形,但去除外力后即可恢复原状。还有一些高分子材料受潮后绝缘性降低,表现为失效,但干燥后即可利用。化学老化就较复杂了,它是高分子内部键和键之间发生的不可逆现象,较能控制和恢复。老化后的材料强度降低、韧性、稳定性、耐热性及颜色等各方面都出现不同程度的破坏和降低,影响其正常使用功能。高分子材料老化外观主要表现为颜色变淡,出现斑点、龟裂、粉化等现象;内部老化则表现为水解、电解、冲击强度、抗拉强度等减低,从而达到高分子材料的疲劳极限,丧失其使用价值。
三、缓解老化的具体措施
现阶段,研究高分子材料老化和抗老化问题是一个实际关键性问题,由于高分子材料内部结构比较复杂,反应条件成熟,反应机理无法避免,所以对高分子研究领域内还无法真正杜绝其老化现象,只能对老化做辅助性的延缓作用,从而增加高分子材料的使用寿命。
1.物理防护措施
物理防护就是应用外部因素影响高分子的作用,它可以完全控制一般的物理老化,对实质性的化学老化起到一定的延缓作用。例如,常年暴晒和雨淋的大棚塑料薄膜,经日照后分子受热发生氧化,促使透明度降低,薄膜脆化,如何延长塑料薄膜的使用寿命,增大农民的经济效益,人们利用在薄膜上覆盖草栅,降低塑料薄膜和日光接触时间,从而达到了延长塑料寿命的目的。其次,在高分子材料中加一种延缓剂、防老剂来增加抗老化机理。例如,机械设备一般都是用机械材料(铁、铜、钢等)通过键槽连接组成的一个具有规范运动的主体,但因长期暴露在空气中,设备表面经常看到锈迹斑斑,影响了设备的美观,人们就针对此现象发明了油漆,油漆涂在设备表面有效阻止了设备与空气接触的面积,起到了使之无法氧化的目的。像运用物理方法保护高分子材料老化的现象还有很多,它成本低实施简单,现已被人们广泛利用。
2.改变高分子本身易老化的特点
引起高分子材料老化的最主要原因是其本身的弱键或不饱和双键,由于分子内部存在弱键、不饱和键使得高分子材料特别不稳定,易于和空气中的氢键氧键发生反应生成新的物质,如改变其不稳定键使之成为饱和键,那它抗老化性就大大增加。例如橡胶中的碳-碳键极易与空气发生臭氧老化和光氧老化。针对这一现象,在橡胶中加入氯原子键,氯原子键有很好的吸附电子基功能,从而提高了橡胶的抗老化性。举一反三,像这种在高分子材料中加入键基减少支链使其稳定,也是我们提高抗老化的有力措施。
四、结束语
随着现代科技的进步和经济领域的复苏,高分子材料的应用越来越广泛,对高分子材料的研究备受关注,对有效的降低高分子材料的老化性,合理的提高使用寿命是我们面临的首要任务,虽然我们在不同领域取得了一些成绩,但面对复杂浩瀚的高分子老化技术方面我们还需要再接再厉,同时也是对我们科技领域的巨大挑战,我们对探究高分子领域的研究追求永无止境。
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