抗氧剂在高分子领域的研究和应用

2014-07-16王超

山东工业技术 2014年21期

王超

（吉林工业职业技术学院应用化工系,吉林吉林132013）

高分子材料是以有机高分子化合物为基础制造出来的，其构成化合物的相对分子质量较高。早在上个世纪初就已经有国外的科学家合成出了高分子材料，在近几年中，由于科技的进步和发展，高分子材料得到了明显的改善和提升，其涉及的材料也逐渐增多，主要包括橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料以及高分子基复合材料等。同时人们也将其应用在了更加广泛的领域，例如化工业、航天业、食品业、电子业、建筑业等，其为人类科技的进步提供了不可估量的作用。

1 高分子材料的氧化机理和抗氧剂作用机理

高分子材料在使用的过程中会难以避免的出现氧化现象，经过数十年的研究发现，这种氧化现象一般是与高分子中的自由基自身枝化链发生氧化反应有关。同时，由于大气中含氧量较为丰富，其温度有时会升高，加之高分子材料中会混入一些金属杂质，也就加速了其氧化过程。而能够对这一氧化过程起到抑制或阻滞效果的物质就被称为抗氧化剂，经过多年研究后，研发出五大类抗氧化剂。其中主要包括自由基俘获和清除类、电子给予作用类、质子给予作用类、氢过氧化物分解作用类以及降低金属杂质活性类抗氧化剂。

1.1 自由基俘获和清除

自由基属于高度不稳定分子结构，其是化合物发生氧化反应的主要诱因，因此想要阻止氧化作用，就必须从自由基入手。一旦有某种化合物能够与自由基产生反应，进而阻断自由基的氧化反应过程，其就能够防止高分子材料发生氧化，因此能够俘获和清除自由基的化合物就成为了首选。炭黑是一种本身性质较为稳定的物质，其拥有着特殊的结构，能够较大程度的俘获自由基，同时其还具有屏蔽紫外线以及激发态能量的功能，目前这种物质已经被应用在各类高分子材料的抗氧化防护上。就汽车制造业而言，其轮胎大多为高分子材料橡胶制成，在使用过程中与地面和空气接触后会被附着很多金属离子，并会由于摩擦而生热，加速橡胶的老损过程，严重时则可引发爆胎，危及驾驶者生命。而在车胎橡胶中添加约2%的炭黑后，就可以有效防止氧化，使得轮胎的使用寿命被延长到10年至20年。根据最近的研究显示，利用氮氧稳定自由基的方法在100℃以下的效果出众，能够有效消除烷基自由基，使得高分子材料更加稳定，但当温度超过100℃时这种效果就会被反转，目前这种技术也被广泛的应用在各类不涉及高温的高分子材料中。

1.2 电子给予作用

经过相关研究发现，一部分含有叔胺的受阻胺GW-608，GW-650具有非常好的抗氧化作用，能够有效地破坏自由基自身的氧化反应，而造成这种情况的原因主要是由于叔胺具有电子给予作用。其具体如下公式：

1.3 质子给予作用

研究发现芬胺和受阻酚是最有效的抗氧化剂，其作用的主要机理就是能够将自身的质子给予自由基，从而破坏自由基自身的氧化反应。根据最新的研究表明，在受阻酚和芬胺和自由基进行反应的过程中，其所产生的中间产物（例如醌类等）对于高分子材料的氧化也具有一定的抑制作用，对于整个抗氧反应具有着较大的影响。芬胺和受阻酚抗氧化反应具体如下：

1.4 氢过氧化物的分解作用

在高分子材料氧化的过程中，氢过氧化物起到了一个“助推剂”的作用，其能够加速自由基自身的氧化反应，进一步加速高分子材料的降解速度。但需要注意的是，只有当氢过氧化物达到一定浓度后才能够促进高分子材料的降解，因此在组织高分子材料氧化时，就应该对氢过氧化物进行有效的分解。经过研究，将氢过氧化物的作用方式分为两大类，一类是均解，一类是杂解。其中均解所需要的活化能较低，因此在常温下即可促进自由基的氧化反应。而能够分解氢过氧化物的抗氧化剂就是一类能够使氢过氧化物以离子为单位进行分解的物质.

1.5 降低金属离子的活性

金属离子是一类氧化能力较高的离子，在常温下，纯金属离子的氧化速度非常快，其可以与空气中的水分和氧气进行充分的接触和反应，进而破坏其本身的分子结构。而高分子材料在生产、运输、贮存、包装等过程中难以避免地会被掺入金属离子，而这些金属离子就会加速高分子材料的氧化作用。一般情况下，对于这类氧化反应均采取金属离子络合物化，以此减少离子的氧化活性，使得高分子材料能够降低氧化作用程度。此类抗氧化剂主要用于电缆、电线以及其它绝缘高分子材料之中，能够有效保证材料的抗热氧能力。

2 抗氧化剂的合成和发展

经过近两个世纪的研究，尤其是近几十年的研究，多种新型的抗氧化剂已经面试。目前，单一使用一种抗氧化剂的方法已经被淘汰，科研人员发现了利用主、副两类抗氧化剂协同作用的方法，这样可以有效提升抗氧化剂的作用。其中芬胺和受阻酚是作为比较重要的主抗氧化剂被应用，但由于芬胺具有较大的毒性，其可能导致癌症或不孕症，因此正在逐渐被受阻酚所取代。