Materiały polimerowe obejmują tworzywa sztuczne, gumę, włókna, folie, kleje i powłoki. Ponieważ mają one wiele potencjalnych właściwości lepszych niż tradycyjne materiały konstrukcyjne, są one coraz częściej stosowane w dziedzinie produktów wojskowych i cywilnych.
Jednak w procesie przetwarzania, magazynowania i użytkowania, ze względu na połączony wpływ światła, ciepła, tlenu, wody, promieniowania o wysokiej energii, erozji chemicznej i biologicznej oraz innych czynnikach wewnętrznych i zewnętrznych, skład chemiczny i struktura materiałów polimerowych ulegnie serii zmian, właściwości fizyczne również zmienią się odpowiednio, takie jak twardy, lepki, kruchy, przebarwienia, utrata siły itp., Zjawisko to jest starzenie się materiałów polimerowych.
Esencja starzenia się materiałów polimerowych odnosi się do zmiany struktury fizycznej lub struktury chemicznej, która przejawia się jako stopniowy spadek wydajności materiału i utratę jego wartości zastosowania. Starzenie się materiałów polimerowych stało się jednym z kluczowych problemów, które ograniczają dalszy rozwój i zastosowanie materiałów polimerowych.
Zjawisko starzenia
Ze względu na różne odmiany materiałów polimerowych i różne warunki użytkowania istnieją różne zjawiska i cechy starzenia. Na przykład folia plastikowa rolnicza po słońcu i deszczu występuje przebarwienia, kruchość, spadek przejrzystości; Pleksja lotnicza po użyciu przez długi wzór srebra, spadek przezroczystości; Elastyczność produktów gumowych maleje, stwardniają, pękają lub staje się miękkie i lepkie po długotrwałym użyciu; Maher po długoterminowym użyciu, utrata światła, proszku, bańki, obierania itp.
Zjawisko starzenia można podsumować w następujących czterech zmianach:
1. Zmiany wyglądu
Plamy, plamy, srebrne, pęknięcia, lukier, spowolnienie, lepkość, wypaczanie, rybak, marszczenie, kurczenie się, upalne, zniekształcenie optyczne i zmiany kolorów optyczne.
2. Zmieniają się właściwości fizyczne
W tym rozpuszczalność, obrzęk, właściwości reologiczne i odporność na zimno, odporność na ciepło, przepuszczalność wody, przepuszczalność powietrza i inne zmiany wydajności.
3, zmieniają się właściwości mechaniczne
Zmieniają się wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość na ścinanie, wytrzymałość uderzenia, względne wydłużenie, rozluźnienie stresu i inne właściwości.
4, Zmiany wydajności elektrycznej
Takie jak opór powierzchni, opór objętości, stała dielektryczna, wytrzymałość rozkładu i inne zmiany.
Współczynnik starzenia
Fizyczne właściwości materiałów polimerowych są ściśle związane z ich strukturą chemiczną i strukturą stanu agregacji.
Struktura chemiczna jest długą strukturą łańcucha makrocząsteczek połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, a struktura agregacji jest strukturą przestrzenną wielu makrocząsteczek ułożonych i ułożonych przez siłę międzycząsteczkową, taką jak krystaliczna, amorficzna, kryształowa. Siły międzycząsteczkowe, które utrzymują strukturę zagregowaną, obejmują siłę wiązania jonową, metaliczną siłę wiązania, siłę wiązania kowalencyjną i siłę Van der Waalsa.
Czynniki środowiskowe doprowadzą do zmiany sił międzycząsteczkowych, nawet zerwania łańcucha lub spadku niektórych grup, które ostatecznie zniszczą łączną strukturę materiału i zmieni właściwości fizyczne materiału. Zwykle istnieją dwa czynniki, które wpływają na starzenie materiałów polimerowych: czynniki wewnętrzne i czynniki zewnętrzne.
Współczynnik wewnętrzny
1. Struktura chemiczna polimeru
Starzenie się polimerów jest ściśle związane z ich strukturą chemiczną, a słabe wiązanie struktury chemicznej mają łatwo wpływać czynniki zewnętrzne, aby złamać i stać się wolnymi rodnikami. Ten wolny rodnik jest punktem wyjścia radykalnych reakcji.
2. Forma fizyczna
Niektóre wiązania molekularne polimeru są uporządkowane, a niektóre są nieuporządkowane. Zamówowane wiązania molekularne mogą tworzyć krystaliczne regiony, a nieuporządkowane wiązania molekularne są regionami amorficznymi. Kształt wielu polimerów nie jest jednolity, ale półkrystaliczny, zarówno z regionami krystalicznymi, jak i amorficznymi. Reakcja starzenia się rozpoczyna z regionu amorficznego.
3, trójwymiarowa integracja
Stereintegracja polimeru jest ściśle związana z jego krystalicznością. Zasadniczo strukturalne polimery mają lepszą oporność na starzenie się niż losowe polimery.
4, masa cząsteczkowa i jej rozkład
Ogólnie rzecz biorąc, masa cząsteczkowa polimeru ma niewielki związek ze starzeniem się, a rozkład masy cząsteczkowej ma duży wpływ na działanie starzenia się polimeru, im szerszy rozkład, tym łatwiejsze jest starzenie się, ponieważ szersze rozmieszczenie rozkładu , im więcej grup końcowych, tym łatwiej jest powodować reakcję starzenia.
5, Zanieczyszczenia metali śladowych i inne zanieczyszczenia
Po przetworzeniu polimeru konieczne jest kontakt z metalem i można go mieszać z metali śladowych lub w polimeryzacji pozostają niektóre katalizatory metali, co wpłynie na rozpoczęcie automatycznego utleniania (to znaczy starzenie się).
Czynnik zewnętrzny
1. Wpływ temperatury
Gdy temperatura rośnie, ruch łańcuchów polimerowych nasila się. Po przekroczeniu energii dysocjacji wiązań chemicznych spowoduje to degradację termiczną łańcuchów polimerowych lub zrzucania grupy. Obecnie szczegółowo zgłoszono degradację termiczną materiałów polimerowych. Zmniejszenie temperatury często wpływa na właściwości mechaniczne materiałów. Krytyczne punkty temperatury ściśle związane z właściwościami mechanicznymi obejmują temperaturę przejścia szkła, temperaturę przepływu lepkiego i temperaturę topnienia. Stan fizyczny materiału można podzielić na stan szklisty, stan wysokiego sprężystości i stan lepki.
2, Wpływ wilgoci
Wpływ wilgotności na materiały polimerowe można przypisać obrzękowi i rozpuszczaniu wody na materiał, tak że siły międzycząsteczkowe, które utrzymują strukturę agregacji materiałów polimerowych, niszcząc w ten sposób stan agregacji materiału. Zwłaszcza w przypadku nieprawtyfikowanych amorficznych polimerów wpływ wilgotności jest niezwykle oczywisty, co spowoduje obrzęk, a nawet rozpad stanu agregacji materiałów polimerowych, co szkodzi wydajności materiału. W przypadku krystalicznej postaci tworzyw sztucznych lub włókien wpływ wilgotności nie jest zbyt oczywisty ze względu na istnienie ograniczeń penetracji wody.
3. Wpływ tlenu
Tlen jest główną przyczyną starzenia się materiałów polimerowych. Z powodu przepuszczalności tlenu krystaliczny polimer jest bardziej odporny na utlenianie niż polimer amorficzny. Tlen najpierw atakuje słabe powiązania na głównym łańcuchu polimeru, takie jak podwójne wiązania, hydroksyl, wodór i inne grupy lub atomy na trzeciorzędowym atomie węgla, tworząc polimerowe nadtleczki lub nadtlenki, a następnie powoduje zerwanie głównego łańcucha w tej części. W ciężkich przypadkach masa cząsteczkowa polimeru znacznie się zmniejsza, temperatura przejścia szkła maleje, a polimer staje się lepki. W obecności niektórych inicjatorów lub metali przejściowych, które można łatwo rozłożyć na wolne rodniki, reakcja utleniania jest zwykle nasilaona.
4, lekkie starzenie się
To, czy polimer jest napromieniowany światłem, może powodować złamanie łańcucha molekularnego, zależy od względnej wielkości energii światła i energii dysocjacji oraz czułości struktury chemicznej polimeru na fala światła. Ze względu na istnienie warstwy ozonowej i atmosfery na powierzchni Ziemi zakres długości fali światła słonecznego, który może dotrzeć do ziemi, wynosi 290 ~ 4300 nm, a energia fali świetlnej jest większa niż energia dysocjacji wiązań chemicznych tylko w ultrafiolecie region, który spowoduje złamanie wiązań chemicznych polimerów.
Na przykład długość fali ultrafioletowej 300 ~ 400 nm może być wchłonięta przez polimery zawierające grupy karbonylowe i podwójne wiązania, a łańcuch makrocząsteczkowy jest zepsuty, struktura chemiczna jest zmieniana, a właściwości materiału są pogarszane; Tereftalan polietylenowy ma silną wchłanianie 280 nm UV, a produkty degradacji to głównie CO, H i CH. Poliolefina zawierająca tylko wiązania CC nie ma absorpcji UV, ale w obecności niewielkiej ilości zanieczyszczeń, takich jak grupy karbonylowe, nienasycone, grupy hydroperoksydowe, reszty katalizatora, aromaty i pierwiastki metalu przejściowego, może promować reakcję fotooksydacyjną poliolefiny.
5, wpływ mediów chemicznych
Położenie chemiczne może odgrywać rolę tylko wtedy, gdy przeniknie do wnętrza materiału polimerowego, a role te obejmują rolę wiązań kowalencyjnych i rolę wiązań wtórnych. Działanie wiązania kowalencyjnego przejawia się jako łamanie łańcucha, sieciowanie, dodanie lub kombinacja tych efektów, co jest nieodwracalnym procesem chemicznym. Chociaż zniszczenie wtórnego wiązania walencyjnego przez pożywkę chemiczną nie powoduje zmiany struktury chemicznej, zmienią się łączna struktura materiału, a jego właściwości fizyczne odpowiednio się zmieni.
Pękanie stresu środowiskowego, pękanie rozpuszczania, plastyfikacja i inne zmiany fizyczne są typowymi objawami chemicznego starzenia się materiałów polimerowych.
Metodą eliminowania pęknięcia rozpuszczania jest wyeliminowanie naprężeń wewnętrznych materiału, a wyżarzanie po formowaniu materiału sprzyja wyeliminowaniu naprężenia wewnętrznego materiału. Plastyzacja występuje w przypadku ciągłego kontaktu między pożywką ciekłą a materiałem polimerowym, interakcja między polimerem a pożywką małej cząsteczki częściowo zastępuje interakcję między polimerem, tak że segment łańcucha polimeru jest łatwiejszy do przemieszczenia, który przejawia Temperatura przejścia szkła jest zmniejszona, wytrzymałość, twardość i elastyczny moduł materiału jest zmniejszony, a wydłużenie przy przerwie wzrasta.
6. Starzenie się biologiczne
Ponieważ plastikowe produkty prawie wszystkie wykorzystują różnorodne dodatki w procesie przetwarzania, często stają się one źródłem odżywczym pleśni. Kiedy rośnie pleśń, pochłania składniki odżywcze na powierzchni i wewnątrz plastiku i staje się grzybni, która jest również przewodnikiem, tak że izolacja plastiku jest zmniejszona, zmienia się waga i wystąpi ciężka skórka. Metabolity wzrostu pleśni zawierają kwasy organiczne i toksyny, które sprawi, że powierzchnia plastikowego lepkiego, przebarwienia, kremowości i zmniejszonego wykończenia będą również powodować długoterminowy kontakt z tym spleśnionym plastikiem.
Naturalne polimery polisacharydowe i ich zmodyfikowane związki mogą być przetwarzane na degradowalne filmy jednorazowe, arkusze, pojemniki, produkty pieniące itp. Za pomocą modyfikacji z ogólnymi tworzywami sztucznymi. Odpady można stopniowo hydrolizować w małe związki molekularne przez interwencję amylazy i innych enzymów rozkładu naturalnego polimeru polisacharydowego powszechnie istniejących w środowisku naturalnym. I ostatecznie podziel się na wolny od zanieczyszczenia dwutlenek węgla i wodę i wróć do biosfery. W oparciu o te zalety, naturalne związki polimerowe polisacharydowe reprezentowane przez skrobię są nadal ważną częścią degradowalnych tworzyw sztucznych.
Zjawisko starzenia materiałów polimerowych (produkty z tworzywa sztucznego)
2024 12/06