Fenomén stárnutí polymerních materiálů (plastové výrobky)

Polymerní materiály zahrnují plasty, gumu, vlákna, filmy, lepidla a povlaky. Protože mají mnoho potenciálních vlastností lepší než tradiční strukturální materiály, používají se stále více a více v oblasti vojenských a civilních produktů.

V procesu zpracování, skladování a používání však kvůli kombinovanému účinku světla, tepla, kyslíku, vody, vysokoenergetické záření, chemické a biologické eroze a dalších vnitřních a vnějších faktorů, chemické složení a struktury polymerních materiálů Bude podstoupit řadu změn, fyzikální vlastnosti se také podle toho změní, jako jsou tvrdé, lepkavé, křehké, zbarvení, ztráta síly atd., Tento jev je stárnutí polymerních materiálů.

Podstata stárnutí polymerních materiálů se vztahuje na změnu fyzické struktury nebo chemické struktury, která se projevuje jako postupný pokles výkonnosti materiálu a ztrátu jeho hodnoty. Selhání polymerních materiálů stárnutí se stalo jedním z klíčových problémů, které omezují další vývoj a aplikaci polymerních materiálů.

Fenomén stárnutí

Vzhledem k různým odrůdám polymerních materiálů a různých podmínkách použití existují různé jevy stárnutí a charakteristiky. Například zemědělský plastový film po slunci a dešti dochází k zabarvení, křehkost, pokles transparentnosti; Aviační plexisklost po použití po dlouhou dobu stříbrného vzoru, pokles průhlednosti; Elasticita gumových produktů klesá, ztvrdne, trhliny nebo se po dlouhodobém používání stává měkkou a lepkavou; Malování po dlouhodobém použití, ztrátě světla, prášku, bublin, loupání atd.

Fenomén stárnutí lze shrnout v následujících čtyřech změnách:

1. Změny vzhledu

Vyskytují se skvrny, skvrny, stříbrky, praskliny, poleva, práškové, lepivosti, deformace, rybí, vrásky, zmenšení, spalování, optické zkreslení a změny optické barvy.

2. Změna fyzikálních vlastností

Včetně rozpustnosti, otoku, reologických vlastností a odolnosti vůči chladu, odolnosti tepla, propustnosti vody, propustnosti vzduchu a dalších změn výkonu.

3, změna mechanických vlastností

Pevnost v tahu, pevnost ohybu, pevnost smyku, síla nárazu, relativní prodloužení, relaxace napětí a další vlastnosti se mění.

4, změny elektrického výkonu

Jako je odolnost proti povrchu, odolnost proti objemu, dielektrická konstanta, pevnost v rozpadu a další změny.

Stárnoucí faktor

Fyzikální vlastnosti polymerních materiálů úzce souvisí s jejich chemickou strukturou a strukturou agregace.

Chemická struktura je struktura dlouhého řetězce makromolekul spojených kovalentními vazbami a agregační struktura je prostorovou strukturou mnoha makromolekul uspořádaných a nashromážděných intermolekulární síly, jako je krystalická, amorfní, krystalická amorfní. Mezimolekulární síly, které udržují agregovanou strukturu, zahrnují sílu iontové vazby, sílu kovové vazby, sílu kovalentní vazby a sílu van der Waals.

Environmentální faktory povedou ke změně mezimolekulárních sil, dokonce k zlomu řetězce nebo pádu některých skupin, které nakonec zničí agregovaná struktura materiálu a změní fyzikální vlastnosti materiálu. Ovlivňují stárnutí polymerních materiálů obvykle dva faktory: vnitřní faktory a vnější faktory.

Vnitřní faktor

1. Chemická struktura polymeru

Stárnutí polymerů úzce souvisí s jejich chemickou strukturou a slabá vazba chemické struktury je snadno ovlivněna vnějšími faktory, aby se zlomila a stala se volnými radikály. Tento volný radikál je výchozím bodem radikálních reakcí.

2. Fyzická forma

Některé z molekulárních vazeb polymeru jsou uspořádány a některé jsou narušené. Objednané molekulární vazby mohou tvořit krystalické oblasti a narušené molekulární vazby jsou amorfní oblasti. Tvar mnoha polymerů není jednotný, ale polokrystalický, s krystalickými i amorfními oblastmi. Stárnoucí reakce začíná z amorfní oblasti.

3, trojrozměrná integrace

Stereointegrace polymeru úzce souvisí s jeho krystalinitou. Obecně mají strukturované polymery lepší odolnost proti stárnutí než náhodné polymery.

4, molekulová hmotnost a její distribuce

Obecně má molekulová hmotnost polymeru malý vztah se stárnutím a distribuce molekulové hmotnosti má velký dopad na stárnoucí výkon polymeru, tím širší distribuce, tím snazší je stárnout, protože čím širší je distribuce , čím více koncových skupin, tím snazší je způsobit stárnoucí reakci.

5, nečistoty a další nečistoty stopování

Když je polymer zpracován, je nutné kontaktovat kov a může být smíchán s stopovými kovy nebo při polymeraci, některé kovové katalyzátory zůstávají, což ovlivní iniciaci automatické oxidace (tj. Stárnutí).

Externí faktor

1. Vliv teploty

Když se teplota zvyšuje, pohyb polymerních řetězců se zesiluje. Jakmile je disociační energie chemických vazeb překročena, způsobí to tepelnou degradaci polymerních řetězců nebo uvolňování skupin. V současné době byla rozsáhle hlášena tepelná degradace polymerních materiálů. Snížení teploty často ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálů. Kritická teplota úzce související s mechanickými vlastnostmi zahrnují teplotu přechodu skleněného přechodu, teplota viskózního průtoku a bod tání. Fyzický stav materiálu lze rozdělit na sklovitý stav, vysoký elastický stav a stav viskózního toku.

2, vliv vlhkosti

Vliv vlhkosti na polymerní materiály lze připsat otoku a rozpuštění vody na materiál, takže mezimolekulární síly, které udržují agregační strukturu polymerních materiálů, se mění, čímž se zničí stav agregace materiálu. Zejména pro neskloněné amorfní polymery je vliv vlhkosti velmi zřejmý, což způsobí otok a dokonce i agregační stav rozpadu polymerních materiálů, čímž poškodí výkon materiálu. Pro krystalickou formu plastů nebo vláken není účinek vlhkosti příliš zřejmý kvůli existenci omezení penetrace vody.

3. Účinek kyslíku

Kyslík je hlavní příčinou stárnutí polymerních materiálů. Vzhledem k propustnosti kyslíku je krystalický polymer odolnější vůči oxidaci než amorfní polymer. Kyslík nejprve útočí na slabé vazby na hlavní řetězec polymeru, jako jsou dvojité vazby, hydroxyl, vodík a další skupiny nebo atomy na atomu terciárního uhlíku, vytvářejí peroxyradikály polymeru nebo peroxidy a poté v této části způsobují zlomení hlavního řetězce. V závažných případech se molekulová hmotnost polymeru výrazně snižuje, teplota přechodu skleněného přechodu se snižuje a polymer se stává viskózní. V přítomnosti některých iniciátorů nebo přechodných kovů, které se snadno rozkládají na volné radikály, má oxidační reakce tendenci být zesílena.

4, stárnutí světla

Zda je polymer ozářen světlem, může způsobit zlomeninu molekulárního řetězce, závisí na relativní velikosti energie a disociační energii a na citlivost polymerní chemické struktury na světlou vlnu. Vzhledem k existenci ozonové vrstvy a atmosféře na zemském povrchu je rozsah vlnové délky slunečního světla, který může dosáhnout země, 290 ~ 4300nm a energie světelné vlny je větší než disociační energie chemických vazeb pouze v ultravioletém oblast, která způsobí zlomeninu polymerních chemických vazeb.

Například ultrafialová vlnová délka 300 ~ 400nm může být absorbována polymery obsahujícími karbonylové skupiny a dvojitými vazbami a makromolekulární řetězec se rozbije, chemická struktura se mění a materiálové vlastnosti se zhoršují; Polyethylen tereftalát má silnou absorpci 280nm UV a degradační produkty jsou hlavně CO, H a CH. Polyolefin obsahující pouze CC vazby nemá žádnou UV absorpci, ale v přítomnosti malého množství nečistot, jako jsou karbonylové skupiny, nenasycené vazby, hydroperoxidové skupiny, zbytky katalyzátoru, aromatika a prvky přechodných kovů, může podporovat fotooxidační reakci polyolefinu.

5, vliv chemických médií

Chemické médium může hrát roli, pouze pokud proniká do vnitřku polymerního materiálu a tyto role zahrnují roli kovalentních vazeb a roli sekundárních vazeb. Účinek kovalentní vazby se projevuje jako lámání řetězce, zesítění, doplnění nebo kombinace těchto účinků, což je nevratný chemický proces. Ačkoli zničení sekundární valenční vazby chemickým médiem nezpůsobuje změnu chemické struktury, agregovaná struktura materiálu se změní a její fyzikální vlastnosti se odpovídajícím způsobem změní.

Praskání environmentálního stresu, praskání rozpouštění, plastifikace a další fyzikální změny jsou typické projevy chemického stárnutí polymerních materiálů.

Způsob eliminace praskání rozpouštění je eliminovat vnitřní napětí materiálu a žíhání po formování materiálu přispívá k odstranění vnitřního napětí materiálu. Plastializace je v případě nepřetržitého kontaktu mezi kapalným médiem a polymerním materiálem, interakce mezi polymerem a středním molekulou částečně nahrazuje interakci mezi polymerem, takže se segment polymerního řetězce snáze pohybuje, což se projevuje jako jako jako jako jako jako Snižuje se teplota přechodu skleněného přechodu, síla, tvrdost a elastický modul materiálu se sníží a prodloužení při přestávce se zvyšuje.

6. Biologické stárnutí

Vzhledem k tomu, že plastové výrobky téměř všechny používají ve zpracovatelském procesu řadu aditiv, často se stávají zdrojem živin. Když roste forma, absorbuje živiny na povrchu a uvnitř plastu a stává se myceliem, což je také vodič, takže se sníží izolace plastu, změní se hmotnost a dojde k těžkému kůru. Metabolity růstu plísní obsahují organické kyseliny a toxiny, díky nimž bude povrch plastového lepkavého, zbarvení, křehkosti a sníženou povrchovou úpravu a také způsobí dlouhodobý kontakt s tímto plesnivým plastem.

Polysacharidové přírodní polymery a jejich modifikované sloučeniny mohou být zpracovány na degradovatelné jednorázové filmy, listy, kontejnery, pěnové produkty atd. Pomocí míchání modifikace s obecnými plasty. Odpad lze postupně hydrolyzovat na malé molekulární sloučeniny zásahem enzymů amylázy a jiných polysacharidů přírodních polymerů v přírodním prostředí. A nakonec se rozdělí na oxid uhličitý a vodu bez znečištění a vraťte se do biosféry. Na základě těchto výhod jsou polysacharidové přírodní polymerní sloučeniny reprezentované škrobem stále důležitou součástí degradovatelných plastů.