какие факторы вызывают старение полимеров
СТАРЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ
СТАРЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ, совокупность физ.-хим. процессов, протекающих в полимерном материале при хранении, переработке и эксплуатации и приводящих к изменению его св-в. В зависимости от того, какие процессы преобладают, различают химическое и физическое старение полимеров.
Хим. превращения обычно протекают по механизму цепных р-ций с образованием активных центров-своб. радикалов, ионов, электронно-возбужденных частиц-и включают три осн. стадии: инициирование (образование активных центров), развитие процесса, гибель активных центров (см. Деструкция полимеров). Наиб. распространенные типы хим. превращений при старении полимеров- это процессы, приводящие к изменению ММР (разрыв хим. связей, сшивание, доотверждение), полимераналогичные превращения, окисление. Изменение состава полимера при химическом старении полимеров может приводить к образованию существенно неравновесных структур, росту локальных напряжений, образованию трещин и т. п.
К физическому старению полимеров относятся процессы переноса в-ва через полимерный материал и перестройка его структуры (в частности, кристаллизация), вызываемая релаксац. процессами и изменением состава на локальном уровне. Перенос в-ва в полимерном материале сопровождается сорбцией диффундирующих в-в в разл. структурах материала, десорбцией из материала практически важных примесей (красителей, стабилизаторов, пластификаторов), что приводит к изменению его мех. сз-в, плотности, объема, возникновению мех. напряжений.
Полимерные материалы часто обладают термодинамически неравновесной структурой, поэтому даже в отсутствие хим. превращений в них протекают релаксац. процессы, представляющие собой чисто физическое старение полимеров, сопровождающееся изменением локальных надмолекулярных струк тур, степени кристалличности и т. п. В сложных полимерных материалах (композиты, лакокрасочные покрытия, ткани) физическое старение полимеров вызывает перераспределение компонентов, изменяет прочность адгезионных связей между макроско-пич. составляющими.
Механизм процессов, протекающих при старении полимеров, определяет изменение во времени t показателя У макрохжопич. св-ва материала в зависимости от условия X: Y=f(X,t), где f(X,t)наз. ф-цией старения. Причем на локальном уровне показатели X условий старения полимеров могут существенно отличаться от показателей условий внеш. среды. Напр., т-ра пов-сти материала, нагреваемого солнцем, значительно выше т-ры окружающего воздуха.
Протекающее во времени старение полимеров определяет изменение св-в материала при изменении условий, к-рые связаны с действием многочисленных внеш. и внутр. факторов. Последние обусловлены самим материалом (в частности, качеством исходных компонентов), его св-вами, структурой и технологией получения. Напр., режим отверждения композиц. материалов может не влиять на их исходные св-ва, но резко изменяет их устойчивость к действию влаги.
Большую роль при старении полимеров играют внеш. факторы-т-ра, свет, ионизирующее излучение, мех. воздействие, химически и биологически агрессивные среды. В зависимости от того, какой из факторов преобладает, различают термическое старение полимеров, световое, или фотостарение, радиационное старение полимеров, мех. и хим. деструкцию, биологическое старение полимеров. Особо следует отметить старение полимеров под действием широко распространенных комплексов внеш. факторов, таких, как климат (климатическое старение полимеров), космос, а также сочетание любых видов старения полимеров с окислением кислородом воздуха (напр., термоокислительное и фотоокислительное старение полимеров). Выделяют также спец. виды старения полимеров в условиях переработки, истирания, абляции, хранения, транспортирования и т. п.
Термическое старение полимеров обусловлено нагреванием полимера в отсутствие О 2 или др. агрессивных сред. Оно приводит к разрыву макромолекул (прежде всего по слабым связям), разрушению боковых групп, дегидратации, дегидрохлори-рованию и т. д. Процесс часто сопровождается деполимеризацией; при этом вследствие изомеризации макрорадикалов наряду с мономерами могут образовываться и др. низко-мол. в-ва.
При световом старении полимеров протекают фотохим. р-ции, приводящие к увеличению скорости образования своб. радикалов (гл. обр. в результате фотораспада пероксидных соед.) и к изменению состава образующихся продуктов.
При мех. воздействии из-за неравномерного распределения напряжения по отдельным хим. связям в полимере происходит разрыв тех из них, к-рые испытывают нагрузки, близкие к их предельной прочности (см. Механохимия). Мех. напряжения м. б. следствием не только внеш. воздействия, но и возникать в материале в ходе его изготовления и послед. использования.
Большой урон наносит старение полимеров под воздействием агрессивных сред: а) кислорода, окисляющего полимеры; б) воды, приводящей к хим. превращениям материала и к обратимым и необратимым изменениям его физ. св-в; в) озона, в значит. мере определяющего поверхностное старение полимеров с двойными связями; г) к-т и оснований, вызывающих, в частности, гидролиз эфирных и амидных связей.
При биологическом старении полимеров агрессивность внеш. среды проявляется в обрастании полимеров грибами, бактериями и др. микро- и макроорганизмами (в т. ч. в водных средах), а также в воздействии химически активных в-в (ферменты, ионы), выделяемых живыми организмами. Таким эффектам подвергаются, напр., полимерные материалы, введенные в живой организм для лечения или протезирования.
Для уменьшения или устранения вредного влияния старения полимеров применяют разл. способы стабилизации полимеров.
В исследоват. целях старение полимеров проводят в искусств. условиях, имитирующих условия эксплуатации или ускоренных и форсированных испытаний, а также позволяющих получить количеств. информацию об отдельных стадиях процесса, установить достоверность представлений о его механизме и об изменении во времени практически важных св-в.
Зависимость механических свойств полимеров от некоторых внешних факторов
Старение полимеров
Для полимеров характерно старение — изменение структуры со временем, сопровождающееся изменением механических характеристик. Старение может вызываться как химическими процессами (в основном деструкцией), так и структурными перестройками, например, медленной кристаллизацией. Одним из проявлений старения является растрескивание полимерных материалов.
Скорость старения полимеров существенно зависит от среды, в которой оно происходит, и от температуры (с ростом последней скорость резко возрастает). Изменение механических характеристик даже в обычных атмосферных условиях может быть очень сильным (см. Атмосферостойкостъ). Старение часто идет неравномерно, наблюдается явление насыщения — после резкого изменения механических свойств в первые несколько месяцев в последующие месяцы или даже годы механические свойства почти не меняются. В других случаях процесс носит ускоряющийся характер — некоторое время не наблюдается изменения механических свойств, а затем происходит их быстрое изменение. Для борьбы с ухудшением механических характеристик в полимер вводят стабилизаторы.
Влияние агрессивных сред на механические свойства полимеров
Влияние агрессивных сред на механические свойства полимеров обусловлено тем, что многие вещества, в частности кислоты и щелочи, вызывают протекание в полимерах химических процессов. Влияние среды может быть значительным даже тогда, когда она является химически нейтральной. Проникновение воды в микропустоты, имеющиеся в полимере, вызывает изменение деформационных и прочностных свойств, причем действие воды может быть как пластифицирующим, так и расклинивающий (эффект Ребиндера). Действие среды на поверхность обычно сказывается главным образом на прочностных характеристиках.
Влияние ионизирующих излучений на механические свойства полимеров
Действие различных ионизирующих излучений при больших дозах приводит к уменьшению прочности, в несколько меньшей степени влияя на деформационные свойства. При этом действие излучения часто носит критический характер — до определенной дозы прочность не изменяется (у ряда полимеров даже возрастает благодаря эффекту радиационного сшивания), начиная же с некоторой дозы происходит резкое падение прочности (см. Радиационная стойкость).
Влияние повышенных и пониженных температур на механические свойства полимеров
Диапазон «рабочих» температур наиболее распространенных полимерных материалов на основе карбоцепных полимеров обычно не превышает 100—150 ⁰С. При более высоких температуpax происходит резкое изменение механических свойств (уменьшение жесткости, прочности, твердости), связанное с приближением к температуре текучести аморфных или температуре плавления кристаллических полимеров (см. Теплостойкость).
Вплоть до температур 300—400 ⁰С способны сохранять прочность и жесткость некоторые гетероцепные полимеры, например кремнийорганические, нолифениленоксиды, полиимиды, полибензимидазолы. Изменение механических свойств перечисленных полимерах обычно бывает связано не с изменением агрегатного состояния, а с термической деструкцией (см. Термостойкость).
При низких температуpax для полимеров характерна хрупкость, что в случае ряда материалов, например, резин, приводит к невозможности их эксплуатации (см. Морозостойкость).
Влияние давления на механические свойства полимеров
Высокое давление приводит к существенному изменению механических свойств полимеров. Вызвано это тем, что модуль Юнга и модуль всестороннего сжатия полимеров превышают прочность и предел текучести не на 3—4 порядка, как у металлов, а всего на 1—2 порядка. Поэтому при напряжениях, значительно меньших разрушающего, может происходить изменение объема, сопровождающееся существенным изменением взаимодействия структурных элементов полимера.
У пластиков с ростом давления происходит:
У полистирола, например, при комнатной температуре и давлении 200—300 Мн/м 2 (2000—3000 кгс/см 2 ) наблюдается переход от хрупкого разрушения к пластическому, причем предел текучести в области давлений выше критического практически линейно растет с повышением давления. Под влиянием высокого давления в полимерах может совершаться перестройка надмолекулярной структуры, как обратимая, так и необратимая.
Читайте также:
Старение и стабилизация полимеров
Процессы старения полимеров
При хранении и переработке полимерных материалов, а также при эксплуатации изделий из них полимеры подвергаются воздействию различных факторов — тепла, света, проникающей радиации, кислорода, влаги, агрессивных химических агентов, механических нагрузок. Эти факторы, действуя раздельно или в совокупности, вызывают в полимерах развитие необратимых химических реакций двух типов. Деструкции, когда происходит разрыв связей в основной цепи макромолекул, и структурирования, когда происходит сшивание цепей. Изменение молекулярной структуры приводит к изменениям в свойствах полимерного материала; теряется эластичность, повышается жесткость и хрупкость, снижается механическая прочность, ухудшаются диэлектрические показатели, изменяется цвет, гладкая поверхность становится шероховатой, и т.д. Изменения свойств полимеров и изделий подобного рода называют старением.
Реакции, происходящие при старении полимеров, могут протекать по радикальному, ионному и редко по молекулярному механизмам. Радикальные процессы развиваются при эксплуатации полимеров и естественных атмосферных условиях и в космосе, при действии радиации.
Главная причина старения полимеров — окисление их молекулярным кислородом, которое особенно быстро протекает при повышенных температурах, например при переработке полимерных материалов. Окисление часто ускоряется и облегчается светом, примесями металлов переменной валентности, которые могут присутствовать в полимере из-за коррозии аппаратуры или неполного удаления катализатора из него после окончания синтеза. По типу активатора и основного агента, вызывающих разрушение полимеров, различают следующие виды старения: тепловое, термоокислительное, световое, атмосферное (озонное), радиационное и старение пол влиянием механических нагрузок (утомление).
Преимущественное протекание при старении полимеров ценных реакции деструкции или структурировании зависит от химического строения цепей. Как правило, виниловые полимеры склонны к деструкции, некоторые диеновые полимеры — к структурированию. Во всех видах старения деструкция макромолекул происходит тогда, когда в некоторых частях цепей сосредотачивается энергия, превосходящая энергию простой С—С-связи (305 кДж/моль). Это приводит к превращению макромолекулы в макрорадикал.
Термическая деструкция — это процесс разрушения макромолекул под влиянием повышенных температур. При термической деструкции одни полимеры разрушаются с образованием коротких цепей различного строения (полиэтилен, полипропилен), другие с образованием мономера.
Реакции деполимеризации подвержены полимеры, в цепях которых содержится третичный или четвертичный атом углерода. Деполимеризация, являясь видом старения полимеров, может намеренно применяться для утилизации отходов термопластов с целью получения мономеров и возвращения их в стадию синтеза полимера.
Термоокислительная деструкция — это процесс разрушения макромолекул при совместном действии на полимеры повышенных температур и кислорода. Присутствие кислорода существенно снижает стойкость полимеров к действию тепла.
Первичными продуктами термоокисления являются полимерные гидроперекиси, которые при распаде образуют свободные радикалы, вследствие чего процесс развивается по цепному механизму и является автокаталитическим. Полимеры, макромолекулы которых не содержат С-С-связей, более устойчивы к термоокислительной деструкции, чем, например, полиены, содержащие ненасыщенные связи. Это объясняется легкостью прямого присоединения кислорода к С=С-связям и образованием очень неустойчивых напряженных циклических перекисей.
При термоокислительной деструкции происходит образование больших количеств различных низкомолекулярных кислородсодержащих веществ: воды, кетонов, альдегидов, спиртов, кислот.
Фотохимическая деструкция представляет собой разрушение макромолекул под влиянием света. Особенно глубокая деструкция полимера происходит под влиянием ультрафиолетовых (УФ) лучей, характеризующихся длиной волны К менее 400нм. Энергия кванта УФ-излучения превышает энергию С—С-связи макромолекулы и не завысит от температуры. Поэтому фотодеструкция может развиваться даже при относительно низких температурах, ускоряясь и углубляясь в присутствии кислорода. Особенно интенсивно деструктируют полимеры, содержащие группы атомов, способные поглощать свет.
Фотохимическая деструкция является радикально-цепным процессом и, в силу малой проникающей способности УФ-излучения, происходит преимущественно в поверхностных слоях полимера.
Радиационная деструкция происходит при воздействии на полимеры гамма-лучей, альфа-частиц, нейтронов. Энергия проникающей радиации значительно превосходит энергию химических связей в макромолекулах. Возникающие при этом свободные радикалы «захватываются» полимером и существуют в нем очень долго, разрушая его во времени.
Деструктировать полимер может и под действием механических напряжений. Механическая деструкция начинается, когда механические напряжения превышают энергии связей атомов в полимере. Распределение напряжений по отдельным связям макромолекулы может быть непрерывным, что приводит к возникновению в ней «перенапряженных участков» — центров разрушения. Механическая деструкции полимера возможна при его переработке, например, при длительном вальцевании, тонком помоле, скоростном механическом перемешивании. Возникающие в механическом поле свободные полимерные радикалы могут не только рекомбинировать, но и реагировать с макромолекулами полимера. Эти приводит к получению разветвленных или сшитых продуктов.
Химическая деструкция представляет собой разрушение макромолекул при действии химических агентов. Она характерна для многих гетероцепных полимеров, содержащих в основной цепи группы, способные к химическим превращениям. Глубина деструкции зависит от природы и количеств низкомолекулярного реагента, условий его воздействия.
Защита полимеров от старения
Поскольку старение многих полимеров протекает в основном по механизму цепных радикальных реакций, то при защите полимеров от старения нужно в первую очередь исходить их таких мер, которые были бы направлены па подавление этих реакций. Промышленным путем защиты полимеров от старения, стабилизации свойств изделий из них во времени является введение в полимеры на стадии переработки малых (до 5%) добавок низкомолекулярных — стабилизаторов. Общее назначение стабилизатора состоит в рассеянии на своих молекулах энергии, которая могла бы привести к разрушению полимера.
Стабилизаторы, подавляющие развитие цепных реакций деструкции, называют ингибиторам. Следовательно, стабилизатор-ингибитор— это вещество, распадающееся с образованием радикалов. Эффективность стабилизатора тем выше, чем менее активен в развитии цепных реакций и более устойчив во времени его радикал.
Стабилизаторы, препятствующие развитию окислительных реакций в полимерах, называют антиоксидантами. По механизму действия антиоксиданты делятся на две большие группы. Первую группу составляют вещества (ингибиторы), которые реагируют со свободными полимерными и радикалами на стадии их образования. К этой группе относятся широко применяемые на практике соединения на основе ароматических аминов и фенолов с разветвленными алкильными заместителями. Ко второй группе относятся вещества, не способные к образованию свободных радикалов, но уменьшающие разложение образующихся в макромолекулах полимерных гидроперекисей. Последние в определенных условиях сами становятся источником новых свободных радикалов, которые углубляют развитие реакций деструкции полимеров. Вещества, разрушающие полимерные гидроперекиси без образования радикалов, называют превентивными антиоксидантами. Превентивными антиоксидантами являются сульфиды, тиофосфаты и др.
Эффективную защиту от термоокислительного старения обеспечивает применение пары антиоксидантов, действующий по разным механизмам, взаимоусиленный стабилизирующий эффект смесью двух антиоксидантов называют синергизмом.
Многие антиоксиданты проявляют активность при температурах, не превышающих 280оС. При более высоких температурах полимеры защищают от термоокисления металлами, оксидами металлов переменной валентности. Тонкодисперсные порошки этих добавок поглощают кислород, и термоокислительная деструкция заменяется термической, которая всегда протекает медленнее.
Для защиты полимеров от светового старения применяют светостабилизаторы, действие которых основано как на поглощении солнечного света (УФ-абсорберы), так и на торможении реакций деструкции. Последние инициируются в полимере светом, но развиваются в его отсутствие. Защитное действие УФ-абсорберов заключается в том, что вся поглощенная ими энергия расходуется на перестройку макромолекул. Возвращение к начальной структуре сопровождается выделением теплоты, не опасной для полимера.
Активными светостабилизаторами для многих промышленных полимеров являются неорганические пигменты (TiO2, ZnS), канальная сажа, производные резорцина и т. д.
В настоящее время накоплен большой материал по механизму старения полимеров, разработаны эффективные меры комплексной защиты их от всех видов разрушения. При оценке эффективности стабилизаторов учитывают не только их активность в химических реакциях, но и способность совмещаться с полимерами, доступность, дешевизну и токсические свойства.
Старение полимерных материалов
Старение — пластмасса
Старение пластмасс в различных химических средах изучают на специальных образцах, имеющих форму диска диаметром 50 мм.
Старение пластмасс проявляется в потере свойств с течением времени. Действие температуры, влажности, света, воды, длительное пребывание в атмосферных условиях ускоряют процесс старения пластмасс.
Под старением пластмасс понимают необратимое изменение важнейших эксплуатационных свойств, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале под влиянием условий испытания или эксплуатации. На практике, как правило, полимерный материал подвергается комплексному воздействию перечисленных факторов.
| Изменение излучательной способности ксеноновой лампы в аппарате Ксенотест-450. |
Для изучения старения пластмасс и других материалов наибольший интерес представляет измерение освещенности.
В почве и морской воде старение пластмасс протекает очень замедленно, что обеспечивает длительный срок службы этого покрытия. Наибольшей прочностью и стойкостью обладают лавсановые, полиамидные и толстые перхлорвиниловые пленки.
Стабилизаторы — специальные добавки для замедления процессов старения пластмасс были рассмотрены ранее.
При одновременном действии повышенной температуры и влажности процесс старения пластмасс ускоряется. В пластмассах происходят необратимые процессы, приводящие к резкому снижению их прочности.
Защита полимеров от старения
Поскольку старение многих полимеров протекает в основном по механизму цепных радикальных реакций, то при защите полимеров от старения нужно в первую очередь исходить их таких мер, которые были бы направлены па подавление этих реакций. Промышленным путем защиты полимеров от старения, стабилизации свойств изделий из них во времени является введение в полимеры на стадии переработки малых (до 5%) добавок низкомолекулярных — стабилизаторов. Общее назначение стабилизатора состоит в рассеянии на своих молекулах энергии, которая могла бы привести к разрушению полимера.
Стабилизаторы, подавляющие развитие цепных реакций деструкции, называют ингибиторам. Следовательно, стабилизатор-ингибитор— это вещество, распадающееся с образованием радикалов. Эффективность стабилизатора тем выше, чем менее активен в развитии цепных реакций и более устойчив во времени его радикал.
Стабилизаторы, препятствующие развитию окислительных реакций в полимерах, называют антиоксидантами. По механизму действия антиоксиданты делятся на две большие группы. Первую группу составляют вещества (ингибиторы), которые реагируют со свободными полимерными и радикалами на стадии их образования. К этой группе относятся широко применяемые на практике соединения на основе ароматических аминов и фенолов с разветвленными алкильными заместителями. Ко второй группе относятся вещества, не способные к образованию свободных радикалов, но уменьшающие разложение образующихся в макромолекулах полимерных гидроперекисей. Последние в определенных условиях сами становятся источником новых свободных радикалов, которые углубляют развитие реакций деструкции полимеров. Вещества, разрушающие полимерные гидроперекиси без образования радикалов, называют превентивными антиоксидантами. Превентивными антиоксидантами являются сульфиды, тиофосфаты и др.
Эффективную защиту от термоокислительного старения обеспечивает применение пары антиоксидантов, действующий по разным механизмам, взаимоусиленный стабилизирующий эффект смесью двух антиоксидантов называют синергизмом.
Многие антиоксиданты проявляют активность при температурах, не превышающих 280оС. При более высоких температурах полимеры защищают от термоокисления металлами, оксидами металлов переменной валентности. Тонкодисперсные порошки этих добавок поглощают кислород, и термоокислительная деструкция заменяется термической, которая всегда протекает медленнее.
Для защиты полимеров от светового старения применяют светостабилизаторы, действие которых основано как на поглощении солнечного света (УФ-абсорберы), так и на торможении реакций деструкции. Последние инициируются в полимере светом, но развиваются в его отсутствие. Защитное действие УФ-абсорберов заключается в том, что вся поглощенная ими энергия расходуется на перестройку макромолекул. Возвращение к начальной структуре сопровождается выделением теплоты, не опасной для полимера.
Активными светостабилизаторами для многих промышленных полимеров являются неорганические пигменты (TiO2, ZnS), канальная сажа, производные резорцина и т. д.
В настоящее время накоплен большой материал по механизму старения полимеров, разработаны эффективные меры комплексной защиты их от всех видов разрушения. При оценке эффективности стабилизаторов учитывают не только их активность в химических реакциях, но и способность совмещаться с полимерами, доступность, дешевизну и токсические свойства.
Защитить от старения полимер можно также путем изменения его физической структуры. Для этого полимер подвергают специальной механический или термической обработке или вводят в него добавки — структурообразователи.