Старіння явища полімерних матеріалів (пластикові вироби)

Полімерні матеріали включають пластмаси, гуму, волокна, плівки, клеї та покриття. Оскільки вони мають багато потенційних властивостей краще, ніж традиційні структурні матеріали, вони все частіше використовують у сфері військових та цивільних продуктів.

Однак у процесі обробки, зберігання та використання, завдяки комбінованому ефекту світла, тепла, кисню, води, високоенергетичного випромінювання, хімічної та біологічної ерозії та інших внутрішніх та зовнішніх факторів, хімічного складу та структури полімерних матеріалів Здійснює низку змін, фізичні властивості також зміниться відповідно, наприклад, жорсткі, липкі, крихкі, знебарвлення, втрата сили тощо, це явище є старінням полімерних матеріалів.

Суть старіння полімерних матеріалів відноситься до зміни фізичної структури або хімічної структури, яка проявляється як поступове зниження продуктивності матеріалу та втрату його належного використання. Помилка старіння полімерних матеріалів стала однією з ключових проблем, що обмежує подальше розвиток та застосування полімерних матеріалів.

Явище старіння

Завдяки різним різновидам полімерних матеріалів та різних умовах використання, існують різні явища старіння та характеристики. Наприклад, сільськогосподарська пластикова плівка після сонця та дощу виникає знебарвлення, крихкість, зниження прозорості; Авіаційна оргскла після використання протягом тривалого часу срібла, зниження прозорості; Еластичність гумових виробів зменшується, твердне, тріщин або стає м’якою і липкою після тривалого використання; Фарба після тривалого використання, втрата світла, порошку, міхура, лущення тощо.

Явище старіння може бути узагальнене в наступних чотирьох змінах:

1. Зовнішній вигляд змінюється

Плями, плями, срібло, тріщини, глазур, порошок, липкість, викривлення, риб'яку, зморщацію, скорочення, випаровування, оптичне спотворення та оптичні зміни кольору.

2. Фізичні властивості змінюються

Включаючи розчинність, набряк, реологічні властивості та стійкість до холоду, теплові стійкість, проникність води, проникність повітря та інші зміни продуктивності.

3, механічні властивості змінюються

Сила на розрив, міцність на згинання, міцність на зсув, міцність впливу, відносне подовження, релаксація стресу та інші властивості змінюються.

4, зміна електричних показників

Такі як поверхнева опір, об'ємний опір, діелектрична константа, міцність на поломку та інші зміни.

Старіння фактор

Фізичні властивості полімерних матеріалів тісно пов'язані з їх хімічною структурою та структурою стану агрегації.

Хімічна структура-це довга ланцюгова структура макромолекул, пов'язаних з ковалентними зв’язками, а структура агрегації є просторовою структурою багатьох макромолекул, розташованих і накопичених міжмолекулярною силою, такою як кристалічна, аморфна, кристалі-аморфна. Міжмолекулярні сили, що підтримують сукупну структуру, включають силу іонних зв’язків, силу металевих зв'язків, силу ковалентної зв'язку та силу Ван дер Ваальса.

Фактори навколишнього середовища призведуть до зміни міжмолекулярних сил, навіть до розриву ланцюга або падіння деяких груп, що врешті -решт знищить сукупну структуру матеріалу та змінить фізичні властивості матеріалу. Зазвичай існує два фактори, які впливають на старіння полімерних матеріалів: внутрішні фактори та зовнішні фактори.

Внутрішній фактор

1. Хімічна структура полімеру

Старіння полімерів тісно пов'язане з їх хімічною структурою, а на слабку зв'язок хімічної структури легко впливають зовнішні фактори для розриву та стань вільних радикалів. Цей вільний радикал є відправною точкою радикальних реакцій.

2. Фізична форма

Деякі з молекулярних зв’язків полімеру впорядковані, а деякі невпорядковані. Упорядковані молекулярні зв’язки можуть утворювати кристалічні області, а невпорядковані молекулярні зв’язки - аморфні області. Форма багатьох полімерів не є рівномірною, а напівкристалічною, з кристалічними, так і аморфними областями. Реакція старіння починається з аморфної області.

3, тривимірна інтеграція

Стереоінтеграція полімеру тісно пов'язана з його кристалічністю. Загалом, структуровані полімери мають кращу стійкість до старіння, ніж випадкові полімери.

4, молекулярна маса та її розподіл

Взагалі, молекулярна маса полімеру мало має взаємозв'язок зі старінням, а розподіл молекулярної ваги має великий вплив на ефективність старіння полімеру, тим ширше розподіл, тим легше старіти, оскільки чим ширше розподіл , чим більше кінцевих груп, тим простіше спричинити реакцію старіння.

5, простежування домішок металів та інших домішок

Коли полімер обробляється, необхідно контактувати з металом, і він може бути змішаний із мікроелементними металами або в полімеризації, залишаються деякі металеві каталізатори, що вплине на ініціацію автоматичного окислення (тобто старіння).

Зовнішній фактор

1. Вплив температури

Коли температура збільшується, рух полімерних ланцюгів посилюється. Після перевищення енергії дисоціації хімічних зв’язків це спричинить теплову деградації полімерних ланцюгів або групового проливання. В даний час було проведено широку термічну деградацію полімерних матеріалів. Зниження температури часто впливає на механічні властивості матеріалів. Критичні температури температури, тісно пов'язані з механічними властивостями, включають температуру скляного переходу, в'язку температури потоку та температуру плавлення. Фізичний стан матеріалу можна розділити на склоподібний стан, високий еластичний стан та стоп -стан.

2, вплив вологості

Вплив вологості на полімерні матеріали можна віднести до набряку та розчинення води на матеріал, так що міжмолекулярні сили, які підтримують структуру агрегації полімерних матеріалів, тим самим руйнуючи стан агрегації матеріалу. Особливо для неперешкоджених аморфних полімерів вплив вологості є надзвичайно очевидним, що спричинить набряк і навіть дезінтеграцію стану агрегації полімерних матеріалів, тим самим пошкоджуючи продуктивність матеріалу. Для кристалічної форми пластмаси або волокон ефект вологості не дуже очевидний через існування обмежень проникнення води.

3. Ефект кисню

Кисень є основною причиною старіння полімерних матеріалів. Через проникність кисню кристалічний полімер є більш стійким до окислення, ніж аморфний полімер. Кисень спочатку атакує слабкі зв’язки на основному ланцюзі полімеру, таких як подвійні зв’язки, гідроксил, водневі та інші групи або атоми на третинному атомі вуглецю, утворюючи полімерні пероксирадикали або пероксиди, а потім спричиняє розрив основної ланцюга в цій частині. У важких випадках молекулярна маса полімеру значно зменшується, температура скла зменшується, а полімер стає в'язкою. У присутності деяких ініціаторів або перехідних металів, які легко розкладаються у вільні радикали, реакція окислення має тенденцію до посилення.

4, легке старіння

Чи може полімер опромінення світлом спричинити перелом молекулярного ланцюга, залежить від відносного розміру енергії світла та дисоціації та чутливості полімерної хімічної структури до світла хвиля. Завдяки існуванню озонового шару та атмосфери на земній поверхні, діапазон довжин хвиль сонячного світла, який може досягти землі область, що спричинить перелом полімерних хімічних зв’язків.

Наприклад, довжина хвилі ультрафіолетового значення 300 ~ 400 нм може бути поглинена полімерами, що містять карбонільні групи та подвійні зв’язки, а макромолекулярна ланцюг зламана, хімічна структура змінюється, а властивості матеріалу погіршуються; Поліетилентерфталат має сильне поглинання 280 нм УФ, а продукти деградації - це в основному CO, H і CH. Поліолефін, що містить лише зв'язки СК, не має поглинання УФ, але в присутності невеликої кількості домішок, таких як карбонільні групи, ненасичені зв’язки, гідропероксидні групи, залишки каталізаторів, ароматичні речовини та елементи перехідних металів, він може сприяти реакції фотоокислення поліолефіну.

5, вплив хімічних середовищ

Хімічне середовище може відігравати роль лише в тому випадку, якщо воно проникає у внутрішню частину полімерного матеріалу, і ці ролі включають роль ковалентних зв’язків та роль вторинних зв'язків. Дія ковалентного зв’язку проявляється як розрив ланцюга, зшивання, додавання або поєднання цих ефектів, що є незворотним хімічним процесом. Хоча руйнування вторинної валентної зв'язку хімічним середовищем не викликає зміни хімічної структури, сукупна структура матеріалу змінюватиметься, і його фізичні властивості відповідно зміниться.

Тріщина навколишнього середовища, розтріскування, розчинення, пластифікація та інші фізичні зміни є типовими проявами хімічного старіння полімерних матеріалів.

Метод усунення розтріскування розчинення полягає у ліквідації внутрішнього напруження матеріалу, а відпал після лиття матеріалу сприяє усуненню внутрішнього напруги матеріалу. Пластифікація є у випадку безперервного контакту між рідким середовищем та полімерним матеріалом, взаємодія між полімером та малі молекулою частково замінює взаємодію між полімером, так що сегмент полімерного ланцюга легше переміщується, що проявляється як Температура скла знижується, міцність, твердість та модуль пружності матеріалу знижуються, а подовження при розриві збільшується.

6. Біологічне старіння

Оскільки пластикові вироби майже всі використовують різноманітні добавки в процесі переробки, вони часто стають джерелом поживного речовини цвілі. Коли росте цвіль, вона поглинає поживні речовини на поверхні та всередині пластику і стає міцелієм, який також є провідником, так що ізоляція пластику зменшується, зміни ваги та сильна шкірка відбудеться. Метаболіти росту цвілі містять органічні кислоти та токсини, що зробить поверхню пластикової липки, знебарвлення, розгрому та зменшеної обробки, а також спричинить тривалий контакт з цим пластичним пластиком.

Полісахаридні природні полімери та їх модифіковані сполуки можуть бути перероблені у розкладаються одноразові плівки, аркуші, контейнери, піноутворювання тощо за допомогою модифікації змішування із загальними пластмами. Відходи можуть поступово гідролізуватись у невеликі молекулярні сполуки шляхом втручання амілази та інших полісахаридних природних ферментів розкладання полімерів, що широко існують у природному середовищі. І врешті-решт розщеплюються на вуглекислий газ і воду, що не містить забруднення, і поверніть до біосфери. Виходячи з цих переваг, природні полімерні сполуки полісахариду, представлені крохмалем, все ще є важливою частиною деградованих пластмас.