王浩江,胡肖勇,劉煜,楊育農(nóng)
(1廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州510665;2上海藍(lán)星聚甲醛有限公司,上海201419)
聚乙烯是一種熱塑性高分子材料,是五大通用塑料之一,其分子量高、支化度小、力學(xué)性能優(yōu)異,同時(shí)又具有優(yōu)良的電絕緣性、耐低溫性、易加工成型性以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能,已廣泛應(yīng)用于制作薄膜、管材、電線電纜、塑料制品及包裝材料,并可作為電視、雷達(dá)等的高頻絕緣材料。隨著石油化工的發(fā)展,聚乙烯生產(chǎn)得到迅猛發(fā)展,產(chǎn)量約占塑料總產(chǎn)量的 1/4,用量亦居各合成樹(shù)脂之首[1-4]。近幾年來(lái),隨著用于高速公路、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、海港等建筑設(shè)施的聚乙烯系產(chǎn)品的增多,聚乙烯材料的耐候性能越發(fā)引起人們的關(guān)注。
所謂耐候性,是指材料在室外自然條件下曝置時(shí)的耐久性。聚乙烯材料同大多數(shù)有機(jī)化合物一樣,在室外自然條件下,由于受到太陽(yáng)紫外光、熱、氧、臭氧、水分、工業(yè)有害氣體及微生物等外界環(huán)境因素的作用而老化,產(chǎn)生變色、性能下降乃至發(fā)脆、龜裂、脫落等現(xiàn)象,從而使聚合物產(chǎn)品失去使用價(jià)值,嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用壽命[5-7]?;诖它c(diǎn),如何改善聚乙烯材料的耐候性顯得尤為重要,而要改善其耐候性,首先要清楚影響耐候性的各種因素及材料老化機(jī)理,進(jìn)而采取相應(yīng)的改善措施。
影響聚乙烯材料耐候性能的因素有很多,總的來(lái)講,可分為內(nèi)部因素和外部因素兩大方面:內(nèi)因主要指材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),如:分子鏈組成、結(jié)晶度、雜質(zhì)等;外因是指在大氣自然條件下所接觸到的環(huán)境因素,主要有紫外光、熱、氧、水分等。
聚合物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其組成和配方在很大程度上決定著材料的耐老化性能的優(yōu)劣,其中分子結(jié)構(gòu)中的影響因素有支、羰基、分子量、結(jié)晶度等。聚乙烯是一種高分子飽和開(kāi)鏈烴,為石蠟型結(jié)構(gòu),但作為高分子材料,分子鏈上常帶有甲基支鏈、較長(zhǎng)的烷基支鏈,甚至還有十字鏈;在鏈結(jié)構(gòu)中,至少有三類(lèi)碳碳雙鍵:鏈端雙鍵、鏈內(nèi)雙鍵、鏈側(cè)雙鍵。支鏈和雙鍵的存在,加速了對(duì)氧的吸收,導(dǎo)致材料的老化,尤其對(duì)于薄膜類(lèi)表面積較大的制品更為顯著;支鏈數(shù)越大,則叔碳-氫鍵越多,也越易老化。結(jié)晶度對(duì)耐候性能的影響分為兩個(gè)方面,一方面,結(jié)晶度增大,無(wú)定形態(tài)減少,從而使聚乙烯不易老化;另一方面,結(jié)晶度增大,使得微晶區(qū)邊緣分子鏈折疊彎曲,易受到氧的攻擊,造成聚乙烯耐氧化能力降低;但從整體來(lái)看,結(jié)晶度越大,聚乙烯越易老化,但由于結(jié)晶度變化范圍不大,且兩方面因素同時(shí)作用,所以結(jié)晶度對(duì)耐候性能的影響較弱[8,9]。
聚乙烯制品中一般都含有多種添加劑,再加上制備過(guò)程中殘留的單體、催化劑及金屬?gòu)?fù)合物等就使得最終的制品中有較多的雜質(zhì)存在,在結(jié)構(gòu)上也可形成少量的氫過(guò)氧化物及某些含羰基的雜質(zhì)[10,11]。一般來(lái)講,聚乙烯等“純”聚烯烴不會(huì)吸收太陽(yáng)光中的紫外線,但雜質(zhì)的存在會(huì)使得聚乙烯材料對(duì)光、熱敏感,其中金屬離子可以對(duì)過(guò)氧化物起到強(qiáng)烈的催化作用,從而加速聚合物降解,使得物質(zhì)發(fā)生脆變、黃化、褪色并失去應(yīng)有的性能[12]。
太陽(yáng)光所具有的能量與其波長(zhǎng)成反比,并且只有被吸收的波長(zhǎng)才能起作用。一般來(lái)說(shuō),只有波長(zhǎng)290~1400nm的太陽(yáng)輻射能射到地球表面。此波段的輻射可細(xì)分為:波長(zhǎng)為780~1400nm的紅外線,約占太陽(yáng)總輻射的42% ~60%,主要以熱能輻射物體;波長(zhǎng)380~780nm的可見(jiàn)光,約占太陽(yáng)總輻射的39% ~53%,主要以熱能和光化學(xué)反應(yīng)影響物體;波長(zhǎng)290~400nm的紫外線主要以光化學(xué)反應(yīng)影響物體。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)塑料最有破壞力的就是波長(zhǎng)290~400nm的紫外線,尤其是波長(zhǎng)300nm左右的紫外線是導(dǎo)致聚乙烯劣化的主要因素,聚乙烯吸收此紫外線后,分子鏈斷裂,發(fā)生降解[13]。
聚乙烯材料老化反應(yīng)速度與溫度也有關(guān)系,溫度的升高會(huì)加速和促進(jìn)塑料涂膜的光化學(xué)反應(yīng)。在熱的作用下,塑料涂膜氧化反應(yīng)的活化能會(huì)降低,有利于加速涂膜的氧化速度。一般來(lái)講,老化速度與溫度的關(guān)系符合范德霍夫規(guī)則:溫度每升高10℃,反應(yīng)速度就增加1~2倍。反應(yīng)速率常數(shù)符合阿累尼烏斯方程,整理后線性關(guān)系相當(dāng)好[14]。室外曝置時(shí),溫度主要取決于氣溫,也與涂膜的顏色和反射程度有關(guān)。氣溫的時(shí)間差和季節(jié)差等變化也影響到塑料的耐候性。日照量與太陽(yáng)光線的能量相對(duì)應(yīng),隨緯度、地勢(shì)高低、季節(jié)和晝夜而變化[15]。
大氣中濕氣、雨、雪、露等以物理或者化學(xué)等各種形式在塑料涂膜表面形成一層水膜,隨著時(shí)間的推移,水通過(guò)涂膜的各種缺陷(如:孔隙、裂紋、雜質(zhì)等)進(jìn)入涂膜內(nèi)和涂膜下,進(jìn)而使塑料產(chǎn)生水解反應(yīng)和吸水變形,同時(shí)水還具有侵蝕損傷及冷卻降溫作用。此外,水還能沖刷涂膜表面的污垢和老化生成物,降低它們的保護(hù)效果,從而加速老化趨勢(shì)[16]。
大氣中氧及臭氧的存在也會(huì)加速聚乙烯材料的老化速度。聚乙烯在空氣中熱的作用下發(fā)生熱氧老化;在大氣中會(huì)同時(shí)發(fā)生熱氧老化和光氧老化[17]。通常來(lái)講,涂層及熱塑性塑料等材料的降解都是受到內(nèi)外光熱自由基及氧化作用的影響,約有90%的聚合物產(chǎn)品,尤其是室外用品在大氣環(huán)境下都是由于自動(dòng)催化的光氧化作用而發(fā)生降解。
大量研究結(jié)果表明:聚乙烯材料的氧化是自由基的自氧化支化鏈反應(yīng)過(guò)程,熱、紫外光或機(jī)械切削都能造成聚乙烯的氧化降解。氫過(guò)氧化物的生成和積聚是聚乙烯材料降解最關(guān)鍵的步驟,當(dāng)一定濃度的氫過(guò)氧化物生成后,自由基支化鏈的自氧化反應(yīng)即快速推進(jìn)。聚乙烯材料的老化根據(jù)反應(yīng)機(jī)理的不同可主要分為三種:熱氧老化、光氧老化及環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂。
聚乙烯的熱氧化反應(yīng),與小分子碳?xì)浠衔锏臒嵫趸磻?yīng)基本一致,因此有著大體上相同的規(guī)律。它們的氧化過(guò)程是典型的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),并按照自動(dòng)催化的步驟進(jìn)行,初級(jí)產(chǎn)物是氫過(guò)氧化物,氫過(guò)氧化物分解成游離基,引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),熱可以加速氫過(guò)氧化物的分解。
另外,從動(dòng)力學(xué)角度分析,聚乙烯在空氣中的氧化速度不依賴(lài)于氧的濃度,而依賴(lài)于游離基ROO·的濃度。具體的反應(yīng)過(guò)程包括鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)和鏈終止三個(gè)階段。
鏈支化:在氫過(guò)氧化物濃度較低時(shí),則
在氫過(guò)氧化物濃度較高時(shí),則
據(jù)報(bào)道,在氧氣充足的情況下,鏈終止反應(yīng)如式(1)和(2)所示,但大多數(shù)情況下是以式(3)所示的終止反應(yīng)為主。同時(shí),需要注意的是新形成的自由基RO·和·OH又能與RH反應(yīng)生成新的反應(yīng)鏈。
這種動(dòng)力學(xué)鏈的增殖作用使自動(dòng)氧化反應(yīng)具有自動(dòng)催化的特征。同時(shí),需要說(shuō)明的是在熱氧老化過(guò)程中往往會(huì)同時(shí)伴有降解和交聯(lián)這兩類(lèi)不可逆的化學(xué)反應(yīng),只不過(guò)是以哪一類(lèi)反應(yīng)為主而已。對(duì)于聚乙烯熱氧化中的物理變化而言,長(zhǎng)支鏈和交聯(lián)比降解斷裂更具有重要意義,至于交聯(lián)原因還有不少相互矛盾的解釋?,F(xiàn)在最普遍的一種解釋是認(rèn)為交聯(lián)的形成是由于自由基與雙鍵的加成反應(yīng)所致[18]。例如“氫化”高密度聚乙烯在經(jīng)過(guò)熱處理后不出現(xiàn)熔體流動(dòng)速率下降。另有其他一些試驗(yàn)表明,降低乙烯基濃度可導(dǎo)致交聯(lián)或相對(duì)分子質(zhì)量增加。通過(guò)扭矩測(cè)試認(rèn)為交聯(lián)數(shù)目與乙烯基初始濃度有相關(guān)性。假設(shè)烷基自由基、烷氧自由基和過(guò)氧自由基與乙烯基的加成反應(yīng)如下所示,這可以補(bǔ)充聚乙烯的熱氧化機(jī)理。
聚乙烯材料暴露在日光下,其吸收光的基團(tuán)受到激發(fā)而生成自由基,若有氧存在,材料同時(shí)也被氧化,這就是所謂的光氧化。聚乙烯的光老化過(guò)程和機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,光氧化降解是光老化的主要反應(yīng)過(guò)程??蓪?dǎo)致聚乙烯材料吸收光進(jìn)而發(fā)生老化的因素主要有:殘留催化劑、熱致氫過(guò)氧化物、羰基化合物、單線態(tài)氧、含雙鍵的化合物等。一般來(lái)講,聚乙烯中引進(jìn)的羰基能夠吸收260~340nm波段的紫外光;氫過(guò)氧基的吸收峰雖然在210nm左右,但是其吸收帶的末端可以延伸到300nm以上。在光氧化過(guò)程中,氫過(guò)氧化物和羰基是由斷鏈的自由基和處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)分子發(fā)生氧化反應(yīng)生成的。其中,氫過(guò)氧化物有很高的量子效率,易于分解成自由基,故有很強(qiáng)的引發(fā)能力,而羰基的量子效率較低,引發(fā)能力不強(qiáng),但是它能通過(guò)能量轉(zhuǎn)移,生成單線態(tài)氧,單線態(tài)氧與雙鍵反應(yīng)可生成烯丙基過(guò)氧化物[19]。光氧化的機(jī)理與熱氧化十分相似,其基本氧化過(guò)程也是按照自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行。需要說(shuō)明的是,聚乙烯的分子或基團(tuán)吸收光能,使分子或基團(tuán)處于高能狀態(tài)(激發(fā)態(tài)),但是材料吸收光能之后并不一定發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),所吸收的光能可以如下方式轉(zhuǎn)化后使被激發(fā)的分子回到基態(tài):轉(zhuǎn)變成熒光或磷光發(fā)射;轉(zhuǎn)化成熱能消散;能量轉(zhuǎn)移給猝滅劑;能量傳遞給其它分子等。
羰基是聚乙烯光化學(xué)反應(yīng)的主要引發(fā)基團(tuán),它的光引發(fā)反應(yīng),主要有兩種形式:
Norrish第Ⅰ型式
Norrish第Ⅱ型式
其中,按NorrishⅠ型反應(yīng)生成的自由基顯然不是有效的引發(fā)劑。目前,普遍認(rèn)同的羰基引發(fā)的聚乙烯光降解機(jī)理可分為四個(gè)過(guò)程[20]:含羰基的分子吸收紫外光;羰基發(fā)生NorrishⅡ型分裂,產(chǎn)生一個(gè)酮分子和一個(gè)烯烴分子;酮分子吸收紫外光被激發(fā)處于三線態(tài),而后猝滅形成單線態(tài)氧分子;單線態(tài)氧分子與烯烴分子作用形成氫過(guò)氧化物,隨之分解為游離基而引發(fā)聚乙烯。反應(yīng)式可表示如下:
含氫過(guò)氧基的ROOH(氫過(guò)氧化物)受紫外光激發(fā)后,主要分解成烷氧游離基和氫氧游離基(反應(yīng)式如下所示),從而引發(fā)光氧化反應(yīng)。另外,有學(xué)者還提出了氫過(guò)氧化物分解的新機(jī)理,認(rèn)為主要的光解產(chǎn)物可能是通過(guò)氫過(guò)氧化物和相鄰鏈段之間的雙分子反應(yīng)得到,即在聚乙烯中酮主要是由仲氫過(guò)氧化物光解產(chǎn)生的,反-亞乙烯基主要是產(chǎn)生于叔氫過(guò)氧化物,故與無(wú)支鏈的聚乙烯分子作用時(shí),叔氫過(guò)氧化物不引發(fā)光氧化[21]。
環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂是指材料在遠(yuǎn)低于瞬間強(qiáng)度的低應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的協(xié)同作用下發(fā)生提早破壞的現(xiàn)象,作為工程塑料,一旦開(kāi)裂,將造成嚴(yán)重的后果,對(duì)環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的機(jī)理目前沒(méi)有明確的說(shuō)法,最具有代表性的看法就是Griffith強(qiáng)度理論、Maxwell理論和Rahm的理論以及另一種活性介質(zhì)理論[22]。
實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明,聚乙烯是對(duì)環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂非常敏感的材料,它的破壞大多數(shù)是由于制品長(zhǎng)期受到內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致。其中,高密度聚乙烯更是對(duì)環(huán)境應(yīng)力極其敏感,這是由它的高結(jié)晶度、高軟化點(diǎn)、高模量及高強(qiáng)度等造成的,在應(yīng)力作用下,聚乙烯的非晶區(qū)存在一些微小的空洞和缺陷,它可以吸收環(huán)境試劑并造成內(nèi)壓力,此壓力引起球分子鏈滑移和解纏首先發(fā)生在晶片間的連接鏈和晶片邊緣的分子鏈,誘發(fā)銀紋,當(dāng)應(yīng)力集中到某一程度時(shí)將導(dǎo)致宏觀開(kāi)裂,同時(shí)認(rèn)為較大的球晶最容易成為微觀的應(yīng)力集中點(diǎn)而成為開(kāi)裂的中心[23]。
通過(guò)對(duì)聚乙烯材料老化機(jī)理的分析可知,改善其耐候性的方法主要是在樹(shù)脂合成及材料加工過(guò)程中盡量避免和減少雜質(zhì)及發(fā)色基團(tuán)的引入,同時(shí)加入抗氧劑、光穩(wěn)定劑等助劑,并改善工藝條件、盡可能消除內(nèi)應(yīng)力。
抗氧劑可抑制和延緩聚合物分子鏈斷裂產(chǎn)生自由基,它一般可分為主抗氧劑和輔抗氧劑。典型的主抗氧劑是受阻酚和受阻胺類(lèi)化合物,主要起阻止鏈?zhǔn)皆鲩L(zhǎng)、捕捉自由基的作用。輔抗氧劑通常為亞磷酸酯類(lèi)和硫醇類(lèi),主要起分解氫過(guò)氧化物,使其形成惰性的中間產(chǎn)物的作用。主、輔抗氧劑配合使用有很好的協(xié)同效應(yīng),如將抗氧劑1010(主抗氧劑)和抗氧劑168(輔抗氧劑)配合使用可大大提高聚乙烯的耐候性。
光穩(wěn)定劑根據(jù)其穩(wěn)定機(jī)理的不同主要可分為四種:紫外線吸收劑、猝滅劑、氫過(guò)氧化物分解劑和自由基捕捉劑。其中,前兩種的光穩(wěn)定化特性是降低光引發(fā)速率,紫外光吸收劑可削弱到達(dá)發(fā)色基團(tuán)的紫外光,猝滅劑可鈍化這些發(fā)色基團(tuán)的激發(fā)態(tài);后兩種的穩(wěn)定化機(jī)理則類(lèi)似于抗熱氧穩(wěn)定化機(jī)理,氫過(guò)氧化物分解作用涉及分解所引起鏈支化的物質(zhì)而不產(chǎn)生自由基的化學(xué)反應(yīng),自由基捕捉劑則是基于可引起鏈增長(zhǎng)反應(yīng)的自由基的化學(xué)捕捉作用。常用的紫外線吸收劑有羰基二苯酮型(如汽巴的Chimassorb 81)和羰基苯并三唑型(如汽巴的Tinuvin 326和327),紫外線吸收劑對(duì)聚烯烴表層和薄制品的保護(hù)作用不佳,如張立基[24]研究發(fā)現(xiàn)紫外線吸收劑對(duì)30μm左右的薄膜基本無(wú)效果。猝滅劑的特點(diǎn)是與試樣的厚度無(wú)關(guān),常用的有汽巴的有機(jī)鎳光穩(wěn)定劑Chimassorb N-705。氫過(guò)氧化物分解劑通常為亞磷酸酯類(lèi),與輔抗氧劑的作用相似。自由基捕捉劑通常為受阻胺光穩(wěn)定劑,它不僅適用于厚制品,還可用于薄膜、纖維制品等,它的主要作用是受阻胺生成的氮氧自由基對(duì)斷裂鏈自由基的捕獲反應(yīng)。
改善聚乙烯的環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂則主要是改善工藝條件,消除內(nèi)應(yīng)力,降低結(jié)晶度或者減小球晶的大小。如在成型加工時(shí)對(duì)熔融狀態(tài)的聚乙烯薄膜進(jìn)行急劇冷卻,可降低結(jié)晶度、球晶半徑也較小,可提高其耐老化性能[8]。
我國(guó)的聚乙烯市場(chǎng)具有非常光明的應(yīng)用前景,近年來(lái),隨著聚乙烯制品越來(lái)越多地應(yīng)用于戶(hù)外環(huán)境,人們對(duì)聚乙烯材料的耐候性能也有了更高要求,而聚乙烯材料耐候性能的影響因素較多,需要從自身結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境條件兩個(gè)方面進(jìn)行分析,其老化機(jī)理主要有熱氧老化、光氧老化及環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂。要改善聚乙烯材料的耐候性能可通過(guò)加入相關(guān)的抗氧劑、光穩(wěn)定劑和控制加工工藝條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)聚乙烯材料耐候性能影響因素及老化機(jī)理的系統(tǒng)研究可指導(dǎo)聚烯烴改性,提高其力學(xué)性能、耐熱耐老化性能等,最終獲得符合使用要求的綜合性能優(yōu)異的聚乙烯材料。
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