圖解熱和氧對(duì)塑料的危害及其機(jī)理

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汽車自然暴露時(shí)各部件溫度極值的分布如上圖，表明其塑料部件長(zhǎng)期處于熱氧的環(huán)境之中。塑料在加工、儲(chǔ)存、使用過程中，不可避免會(huì)處于熱和氧的環(huán)境中，從而產(chǎn)生降解的現(xiàn)象，影響塑料的使用，降低塑料的使用壽命。那么，熱和氧對(duì)塑料的危害有哪些？他們危害的機(jī)理又是什么？

一. 熱氧降解的機(jī)理分析

1. 熱降解危害性機(jī)理分析

在成型加工過程中，聚合物加熱成熔體，一般是在無氧或含氧量極少的螺桿中進(jìn)行的，熱引起聚合物降解的程度，關(guān)乎產(chǎn)品的質(zhì)量。從機(jī)理上看，主要會(huì)產(chǎn)生三種熱降解：

一是無規(guī)斷鏈反應(yīng)，幾乎所有縮聚物和大量加聚物的降解方式，如PE的熱降解。

圖1 PE熱降解反應(yīng)示意圖

二是解聚反應(yīng)，解聚主要發(fā)生在分子鏈端或薄弱點(diǎn)，如PMMA的降解。

圖2 PMMA熱降解反應(yīng)示意圖

三是主鏈不斷裂的小分子消除反應(yīng)，如PVC的降解。

圖3 PVC熱降解反應(yīng)示意圖

2. 熱氧降解危害性的機(jī)理分析

塑料在一定溫度下和氧反應(yīng)而引發(fā)降解，從而降低了塑料的性能。熱自動(dòng)氧化反應(yīng)是熱氧降解的特征，其示意圖如下：

圖4 聚合物自動(dòng)氧化反應(yīng)示意圖

二. 熱氧對(duì)塑料的危害有哪些？

塑料在熱與氧的作用下，分子內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)或者降解，使其機(jī)械性能變壞，乃至喪失使用價(jià)值。故而，長(zhǎng)期處于熱、氧環(huán)境中，對(duì)塑料危害很大，主要有以下幾個(gè)方面的表現(xiàn)：

1. 相對(duì)分子質(zhì)量下降

熱氧引發(fā)的塑料降解，最主要的表現(xiàn)就是相對(duì)分子質(zhì)量的下降，進(jìn)而表現(xiàn)出塑料性能的下降，甚至發(fā)生龜裂、粉化等。

2. 物理性能下降

長(zhǎng)期處于熱、氧環(huán)境中，塑料機(jī)械性能下降。如圖5，30%GF增強(qiáng)PP處于空氣中，在150℃條件下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沖擊強(qiáng)度逐漸下降，表明長(zhǎng)期處于熱氧環(huán)境會(huì)破壞塑料的機(jī)械性能。

圖5 PPGF沖擊強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化

3. 產(chǎn)品黃化

塑料長(zhǎng)期處于熱氧環(huán)境中，會(huì)發(fā)生降解并產(chǎn)生生色基團(tuán)，宏觀表現(xiàn)出材料發(fā)黃。如圖5，30%GF增強(qiáng)PP在150℃老化一段時(shí)間后，由于PP的叔炭活性很高，容易被氧進(jìn)攻，發(fā)生氧化反應(yīng)生成氫過氧化物、酮等生色基團(tuán)，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)黃。

圖6 PPGF顏色在150℃條件下隨老化時(shí)間的變化

4. 制件變形

5. 制件表面龜裂

6. 產(chǎn)品脆化開裂

7. 小分子揮發(fā)

較高溫度下，塑料生產(chǎn)過程中殘留的小分子及降解產(chǎn)生的小分子容易揮發(fā)出來，產(chǎn)生刺激氣味或者霧化，尤其是在汽車領(lǐng)域中，如車燈頭，由于處于較高溫度下，容易霧化。

由此可知，熱氧會(huì)給塑料帶來多種危害，主要預(yù)防的手段是添加抗氧劑，或者選用鍵能高、薄弱點(diǎn)少的材料。但是，塑料在改性過程中，不可避免會(huì)引入其他助劑，都會(huì)引入殘留的引發(fā)劑、單體、金屬離子等雜質(zhì)，從而加速塑料的熱氧老化，比如塑料中加入不同品質(zhì)的相容劑，引發(fā)劑殘留多、品質(zhì)差的相容劑會(huì)加速塑料的降解，降低塑料使用壽命，故而應(yīng)該選擇更加純凈的助劑。

作者：李昌鴻 來自微信公眾號(hào)，相容化技術(shù)論壇?佳易容，2015-03-17 ，轉(zhuǎn)載僅為分享更多信息；

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