高分子材料的老化及防老化研究

文/孙小钧 许昆



高分子材料的老化及防老化研究

文/孙小钧1许昆2

1天津市陆港石油橡胶有限公司； 2科迈化工股份有限公司

高分子材料的老化会改变高分子材料的外观、性能、力学结构等，大大降低了材料的使用价值和寿命，而引起老化的主要因素是材料自身的化学结构及外界环境。本文就高分子材料老化以及防老化进行综合分析，以供参考。

高分子材料；老化因素；抗老化

1 高分子材料

1.1高分子材料的概念

高分子材料也被称之为聚合物材料，以高分子化合物为基体，再配以其他添加剂所构成的材料。高分子材料的应用广泛，从日常生活的生活用品到尖端的高科技产品的生产都离不开高分子材料，高分子材料也是材料领域中发展最快最迅速的。在高分子材料的应用使用过程中，由于受到外界环境和化学介质的综合影响，高分子材料的结构和化学结构会发生改变，使其物理性能也会发生改变，如：失去强度、发硬、变色、变脆、发粘、分裂、粉化等，这些现象和变化就是高分子材料的老化，其老化的本质就是自身物理性质和化学性质的改变。

1.2高分子材料的优点

高分子材料在应用过程中体现了很多不可替代的优点，包括：质地较轻，便于运输和实用；强度高，有些高分子材料的强度接近甚至超过于钢材的强度，是高强轻质的优良材料；导热系数小，是理想的绝缘材料；耐腐蚀性好，化学稳定性好，对一般的酸碱盐或者油脂都有较好的耐腐蚀性；电的绝缘性好；良好的韧性；耐磨性好，某些高分子材料在缺少润滑的摩擦环境下，有很强的耐磨、减磨性能等等。

2 高分子材料老化原因分析

高分子材料老化存在两种原因，一是内部因素对高分子材料的影响，二是外部因素对高分子材料的影响。

内部因素包括聚合物高分子化学结构、物理形态、分子量及分布情况等。高分子聚合物的化学结构主要是由于内部的弱键会随着外部的变化而产生自由基，因此在后续过程中会发生老化现象；高分子材料的物理形态是由一些有序和无序的分子键组成的，因此形成了结晶区和非晶区。由于这些并不均匀的材料形态，导致了内部结构容易受到外部环境的影响而发生质变；分子量及分布情况也是影响高分子材料老化的一个重要因素，特别是分布比较宽的分子量就存在很多的端基，因此老化也更快。

外部因素主要是温度、湿度、氧气、化学介质、生物因素的影响。温度因素是由于在高温环境下加速了高分子链的运动过程，引起了基团脱落和热分解，在低温环境下高分子的聚集态结构受到影响，从而影响了物理性能或是力学性能的改变，从而高温或低温都可能引起高分子材料的老化；温度因素主要归结于水分对材料的溶胀及溶解的影响，湿度会引发维持高分子材料分子间作用力的改变，破坏材料的聚集状态。对于非交联的非晶聚合物高分子材料来说，湿度的影响更加明显，会使高分子材料发生溶胀甚至发生解体，从而损坏材料的性能；对于塑料、纤维等结晶形态的高分子材料来说，由于存在明显的水分渗透限制，湿度的影响不明显；在高分子材料老化过程中，氧气的作用是巨大的。高分子主链会受到氧气的攻击而断裂，甚至降低了分子量，因此氧化反应较为明显，老化随着时间慢慢加剧；化学介质影响高分子老化主要是对共价键（加成、交联、断链的化学改变）和次价键（聚集态结构的物理改变）的作用，这个是一种介入高分子材料内部的影响因子。生物因素主要是指的微生物能够利用和分解高聚物的催化酶，通过变异来改变高分子材料的内部结构，从而让高分子材料产生老化。

3 高分子材料的防老化措施

3.1氧老化预防措施

由于导致材料氧老化的主要原因是聚合物自动氧化过程中会产生自由基和氢过氧化物等有害中间产物，这些有害中间产物的存在会引发并加速材料老化。所以，氧老化的主要预防措施就是在聚合物加工成型过程中加入各种抗氧剂，阻止氧化反应产生。使用的抗氧剂主要分为两类：主抗氧剂（也称为链终止剂）和辅助抗氧剂。其中，主抗氧剂又分为自由基捕获型和氢给予体型两种。前者是通过抗氧剂与自由基发生反应大大降低自由基数量来防止链式反应的发生，后者是通过与自由基反应生成稳定的自由基来达到抗氧化目的。另一种辅助抗氧剂分为氢氧化物分析剂和金属离子钝化剂两类。氢氧化物分析剂以亚磷酸脂等抗氧剂为主，使氢过氧化物按离子型机理分解，这样就可以有效阻止氢过氧化物以自由基方式进行均解，从而抑制自由基枝化链自氧反应的产生。

3.2热老化预防措施

目前，对于热老化的预防主要通过添加增塑剂来实现。因为增塑剂不仅可以提高高分子材料的可塑性，亦可以降低材料的玻璃化温度，增强材料的抗寒性，避免材料因接触过高或过低的温度使材料发生热降解或使用性能降低。

3.3湿老化预防措施

材料湿老化预防主要是防止聚酯、多糖类高聚物、聚缩醛等高聚物在酸或碱的条件下接触水分子而引发水解反应。目前，主要是通过在高分子材料表面加上一层防水薄膜，避免材料直接与水分子接触，从而降低高分子材料发生水解的可能性。

3.4光老化预防措施

光老化的预防主要是防止高分子材料产生链式反应，而链式反应产生的条件是高分子材料与强烈的紫外光接触或高分子材料中所储存的能量达到一定程度。为避免这些情况的发生，最常用的方法是加入适量的光稳定剂。最常用的光稳定剂有四种，分别是光屏蔽剂、紫外吸收剂、淬灭剂及自由基捕捉剂。另外，除添加光稳定剂外，还可以在材料表面涂覆一些防紫外线涂料，但该方法加工工序繁杂，成本也较高，因此，应用不广泛。

3.5生物老化预防措施

引发材料生物老化的主要原因是微生物、霉菌的繁殖。所以，防止材料老化最常用的方法是在高分子材料中添加防霉剂，从根本上抑制霉菌的滋生。当然，也可以在材料表面涂覆反微生物因子，但这种方法因成本高、资源浪费大而使用受限。

4 结束语

由于高分子材料本身具有复杂性、多样性，且无法将老化与防老化研究同步应用于高分子材料的生产加工上，使高分子材料的研究难度较大，进展缓慢，大大限制了高分子材料的应用和发展。但随着科技的不断发展，相信不久的将来，高分子材料的老化问题一定会迎刃而解，高分子材料的使用也将达到一个顶峰。

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