高分子材料的老化及防老化研究

【摘要】高分子材料具有优异的性能和广泛的应用领域，在户外工程中占有很高的市场份额。然而，由于光、湿度和温度等环境因素，高分子材料的机械性能和外观在使用过程中会发生变化。

为了提高高分子材料的抗老化性能，有必要充分了解老化机理和老化过程，然后提出有针对性的抗老化措施。

【关键词】高分子材料；老化；防老化

高分子材料在建筑行业、航天行业、汽车等领域应用广泛，方便和改变着人们的生活，为了提高高分子材料可以稳定、持久的发挥其自身优越的性能，要对各种影响高分子材料老化的因素进行分析，并在此的基础上采取一定的预防措施，更有利于此类材料的使用。

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 环境因素的影响机理

2.1 温度的影响

温度升高，高分子链的运动加剧，一旦超过化学键的离解能，就会引起高分子链的热降解或基团脱落，目前高分子材料的热降解有大量文献报导；温度降低，往往会影响材料的力学性能，与力学性能密切相关的临界温度点包括玻璃化温度Tg、粘流温度Tf和熔点Tm，材料的物理状态可划分为玻璃态、高弹态、粘流态，在临界温度两侧，高分子材料的聚集态结构或高分子长链会产生明显的变化，从而使材料的物理性能发生显著的改变。

2.2 湿度的影响

湿度对高分子材料的影响可归结于水分对材料的溶胀及溶解作用，使维持高分子材料聚集态结构的分子间作用力改变，从而破坏了材料的聚集状态，尤其对于非交联的无定形聚合物，湿度的影响极其明显，会使高分子材料发生溶胀甚至聚集态解体，从而使材料的性能受到损坏；对于结晶形态的塑料或纤维，由于存在水分渗透限制，湿度的影响不是很明显。

2.3 氧气的影晌

氧是引起高分子材料老化的主要原因，由于氧的渗透性，结晶型聚合物较无定型聚合物耐氧化。氧首先进攻高分子主链上的薄弱环节，如双键、羟基、叔碳原子上的氢等基团或原子，形成高分子过氧自由基或过氧化物，然后在此部位引起主链的断裂，严重时，聚合物分子量显著下降，玻璃化温度降低，而使聚合物变粘，在某些易分解为自由基的引发剂或过渡金属元素存在下，有加剧氧化反应的趋势。

2.4 光老化

聚合物受光的照射，是否引起分子链的断裂，取决于光能与离解能的相对大小及高分子化学结构对光波的敏感性。由于地球表面存在臭氧层及大气层，能够到达地面的太阳光线波长范围为290nm——4300nm 之间，光波能量大于化学键离解能的只有紫外区域的光波，会引起高分子化学键的断裂。

2.5 化学介质的影响

化学介质只有渗透到高分子材料的内部，才能发挥作用，这些作用包括对共价键的作用与次价键的作用两类。共价键的作用表现为高分子链的断链、交联、加成或这些作用的综合，这是一个不可逆的化学过程；化学介质对次价键的破坏虽然没有引起化学结构的改变，但材料的聚集态结构会改变，使其物理性能发生相应改变。

3 高分子材料的防老化措施

高分子材料的老化是其固有的特性之一，不能完全的杜绝和消除，但是如果能够采取有效的措施，可以大大的延缓其老化的速度，我们可以通过不同的老化路径，发现其中老化的机理，继而采取相应的防老化措施。通过导致高分子材料老化的外在因素，可以采取相应的防老化措施，从而提高材料的抗老化性能，以延缓其老化的速度，延长高分子材料的使用寿命。高分子材料的老化分为：热老化、湿老化、氧老化、光老化，通过这些老化分类的不同，我们可以采取相应的措施对高分子材料进行防老化处理。

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。另外，某些金属离子也能加速氢过氧化物以自由基方式进行均解，而加入金属钝化剂可以把这些金属离子络合物化，阻止材料的加速自氧反应，从而防止氧老化发生。

3.2 湿老化预防措施

聚酯、多糖类的高分子材料容易受到湿老化的影响，在酸碱催化的情况下发生水解，当今社会的环境污染越来越严重，环境污染造成的酸雨等自然因素对这类高分子材料构成越来越重的威胁。在使用这类高分子材料的时候，可以在材料外壁刷一层隔离层或者加一层塑料薄膜，隔绝空气和水，减轻或者避免湿老化对这类高分子材料的影响。

3.3 光老化预防措施

高分子材料的实用性能受光的影响很大，可以通过在加工的过程中加入合适的光稳定剂来减小和避免光老化反应。通过光屏蔽剂来反射紫外线，避免光线的激发反应来预防光老化；通过紫外吸收剂来吸收紫外线，阻止光线进入材料内部；通过猝灭剂来吸收紫外线产生的能量并将其释放出去，达到抗老化的目的。

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。

4 结束语

由于高分子材料的复杂性和多样性，老化和抗老化研究不能同时应用于高分子材料的生产和加工，使得高分子材料的研究更加困难和缓慢，这极大地限制了高分子材料的应用和发展。然而，随着科学技术的不断发展，相信高分子材料的老化问题将在不久的将来得到解决，高分子材料的使用将达到高峰。

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