تشمل مواد البوليمر البلاستيك والمطاط والألياف والأفلام والمواد اللاصقة والطلاء. نظرًا لأن لديهم العديد من الخصائص المحتملة أفضل من المواد الهيكلية التقليدية ، يتم استخدامها على نطاق أوسع في مجال المنتجات العسكرية والمدنية.
ومع ذلك ، في عملية المعالجة والتخزين والاستخدام ، بسبب التأثير المشترك للضوء والحرارة والأكسجين والماء والإشعاع عالي الطاقة والتآكل الكيميائي والبيولوجي والعوامل الداخلية والخارجية الأخرى ، والتكوين الكيميائي وهيكل مواد البوليمر سيخضع لسلسلة من التغييرات ، ستتغير الخصائص الفيزيائية أيضًا وفقًا لذلك ، مثل الصلبة ، اللزجة ، الهشة ، تلون ، فقدان القوة ، وما إلى ذلك ، هذه الظاهرة هي شيخوخة مواد البوليمر.
يشير جوهر شيخوخة مواد البوليمر إلى تغيير التركيب الفيزيائي أو التركيب الكيميائي ، والذي يتجلى كتراجع تدريجي في أداء المادة وفقدان قيمة الاستخدام الواجب. أصبح فشل شيخوخة مواد البوليمر أحد المشكلات الرئيسية التي تحد من مزيد من تطوير وتطبيق مواد البوليمر.
ظاهرة الشيخوخة
بسبب أنواع مختلفة من مواد البوليمر وظروف الاستخدام المختلفة ، هناك ظواهر وخصائص شيخوخة مختلفة. على سبيل المثال ، يحدث فيلم بلاستيكي زراعي بعد أشعة الشمس والأمطار ، وهجاء ، وتراجع الشفافية ؛ Plexiglass الطيران بعد الاستخدام لنمط الفضة لفترة طويلة ، انخفاض الشفافية ؛ تتناقص مرونة المنتجات المطاطية أو تصلبها أو تشققات أو تصبح لينة ولزجة بعد الاستخدام طويل الأجل ؛ الطلاء بعد الاستخدام طويل الأجل ، وفقدان الضوء ، والمسحوق ، والفقاعة ، والتقشير ، إلخ.
يمكن تلخيص ظاهرة الشيخوخة في التغييرات الأربعة التالية:
1. تغييرات المظهر
البقع ، البقع ، الفضة ، الشقوق ، الصقيع ، المسحوق ، اللصوص ، تزييف ، فيش ، التجاعيد ، تقلص ، حارقة ، تشويه بصري ، وتغيرات اللون البصري تحدث.
2. تتغير الخصائص الفيزيائية
بما في ذلك الذوبان ، التورم ، الخواص الريولوجية والمقاومة الباردة ، مقاومة الحرارة ، نفاذية الماء ، نفاذية الهواء وتغيرات الأداء الأخرى.
3 ، تتغير الخصائص الميكانيكية
قوة الشد ، قوة الانحناء ، قوة القص ، قوة التأثير ، الاستطالة النسبية ، استرخاء الإجهاد وغيرها من الخصائص تتغير.
4 ، تغييرات الأداء الكهربائي
مثل مقاومة السطح ، مقاومة الحجم ، ثابت العزل الكهربائي ، قوة الانهيار والتغيرات الأخرى.
عامل الشيخوخة
ترتبط الخواص الفيزيائية لمواد البوليمر ارتباطًا وثيقًا بالهيكل الكيميائي وهيكل حالة التجميع.
الهيكل الكيميائي هو بنية سلسلة طويلة من الجزيئات الكبيرة المتصلة بواسطة الروابط التساهمية ، والبنية التجميع هي بنية مكانية للعديد من الجزيئات الكبيرة المرتبة وتراكمت بالقوة بين الجزيئات ، مثل البلوري ، غير المتبلور ، التامور. تشمل القوى الجزيئية التي تحافظ على الهيكل الكلي قوة السندات الأيونية وقوة السندات المعدنية وقوة السندات التساهمية وقوة فان دير وال.
ستؤدي العوامل البيئية إلى تغيير القوى الجزيئية ، حتى استراحة السلسلة أو السقوط في بعض المجموعات ، والتي ستدمر في النهاية الهيكل الكلي للمادة وتغيير الخواص الفيزيائية للمادة. عادة ما يكون هناك عاملان يؤثران على شيخوخة مواد البوليمر: العوامل الداخلية والعوامل الخارجية.
عامل جوهري
1. التركيب الكيميائي للبوليمر
يرتبط شيخوخة البوليمرات ارتباطًا وثيقًا ببنيةها الكيميائية ، ويتأثر الرابطة الضعيفة للهيكل الكيميائي بسهولة بالعوامل الخارجية لكسر الجذور الحرة. هذا الجذور الحرة هو نقطة انطلاق التفاعلات الجذرية.
2. الشكل المادي
يتم ترتيب بعض الروابط الجزيئية للبوليمر وبعضها مضطربة. يمكن أن تشكل الروابط الجزيئية المطلوبة مناطق بلورية ، والروابط الجزيئية المضطربة هي مناطق غير متبلورة. شكل العديد من البوليمرات ليس موحدًا ، ولكنه شبه بلوري ، مع كل من المناطق البلورية وغير المتبلورة. يبدأ رد فعل الشيخوخة من المنطقة غير المتبلورة.
3 ، التكامل ثلاثي الأبعاد
يرتبط ترميمة البوليمر ارتباطًا وثيقًا بالبلهية. بشكل عام ، البوليمرات المهيكلة لديها مقاومة لشيخوخة أفضل من البوليمرات العشوائية.
4 ، الوزن الجزيئي وتوزيعه
بشكل عام ، لا يكون للوزن الجزيئي للبوليمر سوى القليل من العلاقة مع الشيخوخة ، وتوزيع الوزن الجزيئي له تأثير كبير على أداء الشيخوخة للبوليمر ، وكلما كان التوزيع على نطاق أوسع ، يكون من السهل على العمر ، لأنه كلما كان التوزيع أوسع نطاق التوزيع ، كلما زادت المجموعات النهائية ، كلما كان من الأسهل التسبب في رد فعل الشيخوخة.
5 ، تتبع الشوائب المعدنية وغيرها من الشوائب
عندما تتم معالجة البوليمر ، من الضروري الاتصال بالمعادن ، وقد يتم خلطه مع المعادن النزرة ، أو في البلمرة ، تبقى بعض المحفزات المعدنية ، مما سيؤثر على بدء الأكسدة التلقائية (أي الشيخوخة).
عامل خارجي
1. تأثير درجة الحرارة
عندما تزداد درجة الحرارة ، تكثف حركة سلاسل البوليمر. بمجرد تجاوز طاقة التفكك للروابط الكيميائية ، فإنها ستؤدي إلى تدهور حراري لسلاسل البوليمر أو سفك المجموعة. في الوقت الحاضر ، تم الإبلاغ عن التدهور الحراري لمواد البوليمر على نطاق واسع. غالبًا ما يؤثر انخفاض درجة الحرارة على الخواص الميكانيكية للمواد. تشمل نقاط درجة الحرارة الحرجة المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الميكانيكية درجة حرارة الانتقال الزجاجي ودرجة حرارة التدفق اللزج ونقطة الانصهار. يمكن تقسيم الحالة المادية للمادة إلى حالة زجاجية وحالة مرنة عالية وحالة تدفق لزج.
2 ، تأثير الرطوبة
يمكن أن يعزى تأثير الرطوبة على مواد البوليمر إلى تورم المياه وتفكيكها على المادة ، بحيث تتغير القوى الجزيئية التي تحافظ على بنية تجميع مواد البوليمر ، وبالتالي تدمير حالة التجميع للمادة. خاصة بالنسبة للبوليمرات غير المتبلورة غير المرتبطة ، فإن تأثير الرطوبة واضح للغاية ، مما سيؤدي إلى تورم وحتى تفكك حالة التجميع للمواد البوليمر ، وبالتالي إتلاف أداء المادة. بالنسبة للشكل البلوري للمواد البلاستيكية أو الألياف ، فإن تأثير الرطوبة ليس واضحًا للغاية بسبب وجود قيود على اختراق المياه.
3. تأثير الأكسجين
الأكسجين هو السبب الرئيسي لشيخوخة مواد البوليمر. بسبب نفاذية الأكسجين ، فإن البوليمر البلوري أكثر مقاومة للأكسدة من البوليمر غير المتبلور. يهاجم الأكسجين أولاً الروابط الضعيفة على السلسلة الرئيسية للبوليمر ، مثل الروابط المزدوجة ، والهيدروكسيل ، والهيدروجين ، ومجموعات أخرى أو ذرات على ذرة الكربون الثلاثية ، وتشكيل بيروكسراديكات البوليمر أو البيروكسيدات ، ثم تسبب كسر السلسلة الرئيسية في هذا الجزء. في الحالات الشديدة ، يتناقص الوزن الجزيئي للبوليمر بشكل كبير ، وتنخفض درجة حرارة الانتقال الزجاجي ، وتصبح البوليمر لزجًا. في وجود بعض المبادرين أو المعادن الانتقالية التي يمكن تحللها بسهولة إلى جذور حرة ، يميل تفاعل الأكسدة إلى تكثيفه.
4 ، الشيخوخة الخفيفة
ما إذا كان البوليمر الذي يتم تشعيعه بالضوء يمكن أن يسبب كسر السلسلة الجزيئية يعتمد على الحجم النسبي للطاقة الضوئية وطاقة التفكك وحساسية التركيب الكيميائي للبوليمر إلى موجة الضوء. نظرًا لوجود طبقة الأوزون والغلاف الجوي على سطح الأرض ، فإن نطاق الطول الموجي للضوء الشمسي الذي يمكن أن يصل إلى الأرض هو 290 ~ 4300 نانومتر ، وطاقة الموجة الخفيفة أكبر من طاقة التفكك للروابط الكيميائية فقط في الأشعة فوق البنفسجية المنطقة ، والتي سوف تسبب كسر الروابط الكيميائية البوليمر.
على سبيل المثال ، يمكن امتصاص الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية من 300 ~ 400nm بواسطة البوليمرات التي تحتوي على مجموعات الكربونيل والروابط المزدوجة ، ويتم كسر سلسلة الجزيئات الكبيرة ، ويتم تغيير التركيب الكيميائي ، وتدهور خصائص المواد ؛ البولي إيثيلين Terephthalate لديه امتصاص قوي من 280nm الأشعة فوق البنفسجية ، ومنتجات التدهور هي أساسا Co و H و Ch. لا يحتوي polyolefin الذي يحتوي على روابط CC فقط إلى امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، ولكن في وجود كمية صغيرة من الشوائب ، مثل مجموعات الكربونيل ، والروابط غير المشبعة ، ومجموعات الهيدروبروكسيد ، ومخلفات المحفز ، والعطريات ، وعناصر المعادن الانتقالية ، يمكن أن تعزز تفاعل Photoxidation من البوليوليفين.
5 ، تأثير الوسائط الكيميائية
لا يمكن أن تلعب الوسط الكيميائي دورًا إلا إذا اخترقت الجزء الداخلي من مادة البوليمر ، وتشمل هذه الأدوار دور الروابط التساهمية ودور الروابط الثانوية. يتجلى عمل الرابطة التساهمية على أنه كسر في السلسلة أو التشابك أو الإضافة أو الجمع بين هذه الآثار ، وهي عملية كيميائية لا رجعة فيها. على الرغم من أن تدمير رابطة التكافؤ الثانوي بواسطة الوسط الكيميائي لا يسبب تغيير التركيب الكيميائي ، فإن البنية الإجمالية للمادة ستتغير ، وستتغير خصائصه الفيزيائية وفقًا لذلك.
تكسير الإجهاد البيئي ، وتكسير الذوبان ، والتلوين والتغيرات الفيزيائية الأخرى هي مظاهر نموذجية للشيخوخة الكيميائية لمواد البوليمر.
تتمثل طريقة القضاء على تكسير الذوبان في القضاء على الإجهاد الداخلي للمادة ، والصلصة بعد صب المادة مواتية للقضاء على الإجهاد الداخلي للمادة. يكون التلوين في حالة التلامس المستمر بين الوسط السائل والمواد البوليمر ، والتفاعل بين البوليمر ووسط الجزيء الصغير يحل محل التفاعل بين البوليمر ، بحيث يكون قطاع سلسلة البوليمر أسهل في التحرك ، وهو ما يتجلى كما هو الحال يتم تقليل درجة حرارة الانتقال الزجاجي ، وتنخفض القوة والصلابة والمعامل المرنة للمادة ، ويتم زيادة الاستطالة عند الكسر.
6. الشيخوخة البيولوجية
نظرًا لأن جميع المنتجات البلاستيكية تستخدم جميعها مجموعة متنوعة من المواد المضافة في عملية المعالجة ، فغالبًا ما تصبح مصدرًا للمغذيات للعفن. عندما ينمو القالب ، فإنه يمتص العناصر الغذائية على السطح وداخل البلاستيك وتصبح mycelium ، وهو أيضًا موصل ، بحيث يتم تقليل عزل البلاستيك ، وتغيرات الوزن ، وسيحدث القشر الشديد. تحتوي المستقلبات من نمو القالب على أحماض وسموم عضوية ، والتي ستجعل سطح اللزجة البلاستيكية ، وتغير اللون ، وهشاشة ، وانخفاض النهاية ، وستتسبب أيضًا في ملامسة طويلة الأجل مع هذا البلاستيك المتعفن.
يمكن معالجة البوليمرات الطبيعية للسكريات ومركباتها المعدلة في أفلام قابلة للتحلل ، والأوراق ، والحاويات ، ومنتجات الرغوة ، وما إلى ذلك عن طريق مزج التعديل مع البلاستيك العام. يمكن تحلل النفايات تدريجياً إلى مركبات جزيئية صغيرة عن طريق تدخل الأميليز وغيرها من إنزيمات تحلل البوليمر الطبيعية في البيئة الطبيعية. وفي نهاية المطاف ، انطلق إلى ثاني أكسيد الكربون الخالي من التلوث والماء والعودة إلى المحيط الحيوي. استنادًا إلى هذه المزايا ، لا تزال مركبات البوليمر الطبيعية للسكريات التي يمثلها النشا جزءًا مهمًا من المواد البلاستيكية القابلة للتحلل.
ظاهرة شيخوخة مواد البوليمر (المنتجات البلاستيكية)
2024 12/06