高分子材料的老化及防老化研究

高分子材料实验室老化试验技术详解

【摘要】本文围绕实验室老化试验技术，详细介绍了老化试验的原理，各种常用光源的光谱能量分布及各自的优缺点，包括荧光紫外灯、碳弧灯、氙弧灯、金属卤素灯等。介绍了常见的光老化试验箱以及各种光源常用的测试标准，并对光源的选择、滤镜的选择以及样品的外观评价等试验技术进行了详细介绍。

【关键词】光老化试验；荧光紫外灯；碳弧灯；氙弧灯；金属卤素灯；测试标准

塑料、涂料、纺织品、皮革等高分子材料在使用过程中经常出现粉化、变色、起泡、龟裂、脱落等劣化现象，严重影响产品的机械、表观等方面的性能，因此需要了解高分子材料的光老化机理并寻找合适的人工加速光老化试验方法来客观地模拟自然使用条件，为材料的研发及应用提供快速的检测与评价方面的依据。目前常用的人工加速老化试验方法主要有荧光紫外灯老化、碳弧灯老化、氙灯老化、金属卤素灯老化等试验方法，下面详细介绍一下这几种不同的老化测试方法。

1.荧光紫外老化试验

紫外光老化试验箱采用荧光紫外灯为光源，通过模拟自然阳光中的紫外辐射和冷凝，对材料进行加速耐候性试验，以获得材料耐候性的结果。荧光紫外试验可模拟紫外、雨淋、高温、高湿、凝露、黑暗等自然环境条件，通过将这些条件重现并循环开展老化试验。目前常用的紫外线光源分为长波紫外线光源（UVA

灯）以及短波紫外线光源（UVB灯）两种类别，共包括四种光源，其光谱能量分布见图1[1]。

1.1 长波紫外线光源

长波紫外线灯对于比较不同类型聚合物的耐紫外线性能尤为有用。因为UVA灯的光谱不包含295nm以下的紫外线，跟户外阳光的波长截止点相同，通常不像短波紫外线破坏材料那样快，但它们比较接近真实的户外老化。目前常用的光源包括：

（1）UVA-340光源，在295nm～365nm的紫外波段最接近于太阳光的光谱，它的辐射峰值是在340nm，是目前最接近于户外阳光的紫外光源；

（2）UVA-351光源，模拟日光被窗户玻璃过滤后的紫外线部分，它适用于户内环境应用。用于测试室内环境的材料，例如油墨和那些靠近窗边的聚合物的老化性能。

高分子材料的老化和防老化

第 2 页 高分子材料的老化和防老化

研究高分子材料的老化和防老化是一个很实际的问题，也是一个很复杂的问题。

高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，以致最后丧失使用价值，这种现象就是老化。老化是一种不可逆的变化，它是高分子材料的通病。担是人们可以通过对高分子老化过程的研究，采取适当的防老化措施，提高材料的耐老化的性能，延缓老化的速率，以达到延长使用寿命的目的。

（1）发和老化的原因主要是由于结构或组分内部具有易引起老化的弱点，如具有不饱和双键、支链、羰基、末端上的羟基，等等。外界或环境因素主要是阳光、氧气、臭氧、热、水、机械应力、高能辐射、电、工业气体（如、、、等）、海水、盐雾、霉菌、细菌、昆虫，等等。

从结构上的原因来说，聚乙烯比聚四氟乙烯容易老化，因为C—F键的键能比C—H键的键能大，它起着保护碳链的作用。聚丙烯不如聚乙烯耐老化，这是因为聚丙烯的碳链上有甲基，甲基碳原子上的氢原子比较容易脱去。由于聚酰胺链上有羧基，聚酯纤维中的酯键容易水解，因此也容易老化。又如二烯烃聚合的橡胶中含C=C双键，容易发生热氧老化、光氧老化、臭氧老化。由于橡胶常在应力条件下使用，比较容易发生臭氧龟裂，因此臭氧老化是橡胶老化的主要原因。氯

第 3 页

第 4 页

并延长使用寿命。

其次是在合成材料加工过程中添加防老剂。如添加防止氧气或臭氧引起老化的抗氧剂，添加紫外光稳定剂、热稳定剂、防霉剂，等等。

再次，还可以用物理防护的方法，如涂漆、镀金属、浸涂防老剂溶液等。

总之，对聚合物的老化和防老化的研究是高分子科学和技术的一个重大问题。在选择单体、改进加工聚合方法、添加防老剂、保护制品表面等方面，虽已取得显著成果，但仍需进行深入的研究。

我们在使用高分子材料制品时，也要注意保护，以延缓其老化。例如，湿的聚酯纤维衣服不宜在日光下曝晒，塑料雨伞、雨衣在使用后要擦干以防止因霉菌侵蚀而发霉，等等。但是，有些制品是难于避免这些外界因素的，如塑料地膜、塑料大棚上的薄膜、汽车轮胎、室外电缆包皮等都不能避免日晒雨淋以及氧气等的侵蚀。这就要依靠从高分子结构、加工等方面来提高质量以加强聚合物内部防老化的能力。

高分子材料的老化及防老化研究

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括高分子、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子材料自身的性能较好，被广泛的应用在各行各业中，但是由于高分子材料在生产或储存的过程中，容易产生一些物理或化学变化，导致材料老化，性能降低，造成无法使用。本文主要通过分析高分子材料产生的老化问题，并探讨防治高分子材料老化的一些措施。

标签： 高分子材料；老化问题；预防对策

由于高分子材料具有其独特的优势，已被广泛地运用于国民经济和日常生活的许多领域。它是高科技和国家经济支柱产业中不可或缺的材料，也是重要的战略储备物资。高分子材料在生产和使用的过程中，其无法避免地会在不同程度上发生老化现象。随着高分子材料的种类、用量的增加和极端使用条件的扩大，其老化问题日益突出，因而对其老化规律、老化机理和防老化的研究也变得日益重要。本文主要针对其发生老化的原因进行讨论，找出预防老化的相应对策。

一、高分子材料的老化

（一）高分子材料老化的表现

1、由于高分子材料品种不同，使用条件各异，因而有不同的老化现象和特征。对于高分子制品来说，生胶经久贮存时会变硬、变脆或者发粘；高分子薄膜制品（如雨衣、雨布等）经过日晒雨淋后会变色，变脆以至破裂；在户外架设的电线、电缆，由于受大气作用会变硬、破裂，以至影响绝缘性；汽车轮胎和飞机轮胎使用日久后会发生龟裂；在实验室中的胶管会变硬或发粘；有些高分子制品还会受到霉菌作用而导致破坏等等。农用塑料薄膜经过日晒雨淋后发生变色、变脆、透明度下降；航空有机玻璃用久后出现银纹、透明度下降；

2、高分子材料老化发生的变化：首先是外观的改变，出现斑点、裂缝、污渍、喷霜、银纹、发粘、粉化、起皱、翘曲、焦烧、收缩、光学颜色的变化以及光学畸变。其次是使用方面的改变，使用方面的改变又包括物理性能改变，流变性能、溶胀性、溶解性、耐寒性以及耐热、透气透水等性能的变化。还有力学性能发生改变，相对伸长率、弯曲强度、拉伸强度、冲击强度、应力松驰、剪切强度等性能的变化。

ＤＯＩ:１０.１９３９２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７１￣７３４１.２０２００５１６２高分子材料的老化及防老化研究

邵　杰

池州学院　安徽池州　２４７０００摘　要:在我国室外工程中ꎬ高分子材料的应用非常普遍ꎮ但是由于室外温度、湿度的变化ꎬ使得高分子材料容易随着时间的推移而老化ꎮ这种老化的过程是外观、性能的逐渐改变ꎬ通过对高分子材料的老化现象进行分析ꎬ从而提出高分子材料防老化的措施ꎬ对解决高分子老化现象有着一定的现实意义ꎮ关键词:高分子材料ꎻ老化ꎻ防老化一、高分子材料老化高分子材料老化是随着时间推移的正常现象ꎬ可以是电性能、力学性能、物理性能的变化ꎬ也有可能是外观的变化ꎮ我们要研究高分子老化现象ꎬ就必须对老分子老化的原理进行分析ꎮ①电性能老化ꎮ电性能老化主要指的是电学性能下降ꎬ如表面电阻下降、体积电阻下降、电常数下降等ꎮ②力学性能老化ꎮ力学性能老化是指的力学性能中剪切力、冲击力的降低ꎬ以及拉伸强度和弯曲强度的降低等情况ꎮ③物理性能老化ꎮ物理性能老化主要是材料的溶解性降低ꎬ流变性降低等情况ꎬ材料会发生耐寒性和透水性的改变等ꎮ④外观老化ꎮ外观老化主要是高分子材料外观的改变ꎬ如经过长年累月的日晒会导致材料变色、变脆ꎬ玻璃制品使用时间过长则会出现一定的纹路等ꎮ一般外观的改变主要是收缩、变色、裂纹、皱纹、斑点、霉渍等ꎮ由于高分子材料老化是必然现象ꎬ我们必须找出高分子材料老化的原因ꎬ才能有针对性的提出预防老化的措施ꎮ二、高分子材料老化的原因分析高分子材料老化主要是内部因素还有外部因素对高分子产生的影响ꎮ①内部因素ꎮ高分子材料老化的内部因素主要是物理形态、化学结构等变化产生的影响ꎮ高分子材料是由一些有序和无需的分子键组成的物理形态ꎬ形成结晶区和非结晶区ꎮ由于不是同一的形态ꎬ会导致结构形态不一致ꎬ因此在外部环境的影响下这些物理结构会逐渐发生变化ꎬ最终让高分子材料老化ꎮ高分子材料老化是由化学结构特殊的组成因子造成的ꎬ由于高分子材料内部存在弱键ꎬ很容易随着环境的变化而产生自由基ꎬ这些自由基随着时间的推移会让高分子材料老化ꎮ②外部因素ꎮ外部因素也是让高分子材料老化的一个重要因素ꎬ在温湿度变化、氧气、生物因素、化学介质的影响下ꎬ会让高分子材料逐渐发生老化ꎮ温度变化会影响高分子的聚集态结构ꎬ造成力学或是物理性能的改变ꎻ湿度变化使得高分子材料是水分对材料的作用力使得内部的分子发生溶解或溶胀ꎬ对材料的性能有着破坏作用ꎮ氧气是高分子材料老化的重要因素ꎬ氧气会造成高分子主链随着时间的推移而断裂ꎬ在时间不断增加的过程中ꎬ氧化会慢慢加剧ꎮ化学介质的参与也会影响高分子材料的内部结构ꎬ主要是对共价键和次价键的作用ꎮ三、高分子材料的防老化措施(一)添加防老剂ꎬ抑制高分子材料的老化高分子材料老化现象是不可避免的ꎬ但是通过添加防老剂可以使高分子材料老化速度变慢ꎬ延长高分子材料的使用时间ꎮ从目前的应用来看ꎬ高分子防老剂的应用效果十分显著ꎬ是在目前高分子材料领域使用最为频繁的一种防老化手段ꎬ目前在市面上主要有抗氧剂、热稳定剂、紫外线稳定剂等高分子防老剂ꎮ从原理上来看ꎬ高分子防老剂的原理主要是遏制氧化反应ꎬ这样高分子材料就不会或者很少受到氧气的破坏ꎬ内部结构更为稳定ꎬ自然而然的就降低了老化速度ꎮ防老剂必须在加工高分子材料的过程中加入ꎬ这样就能稳定高分子的内部结构ꎬ防护各类有害离子ꎬ从而达到抗老化的作用ꎮ(二)设置防老化涂层ꎬ从外部防止高分子材料的老化高分子材料老化的原因多种多样ꎬ和外部环境有着莫大的关系ꎬ当高分子材料受到臭氧、水、热度等的影响都会加速老化ꎮ因此ꎬ为了有效的防止这些引起高分子材料老化的环境ꎬ就必不可少的使用防老化涂层ꎬ例如色素涂层就可以有效的避免高分子材料在受到太阳直射时所产生的光氧化反应ꎬ减缓高分子材料老化的速度ꎬ为高分子材料装上保护层ꎮ(三)高分子材料并用ꎬ合成稳定性更强的高分子材料高分子材料并用是一种新的高分子材料防老化方法ꎬ主要指的是不同性质的高分子材料通过共同加工的方式来形成一个性能更加稳定的高分子材料ꎮ这种新的高分子材料在受到内部环境和外部环境影响时很难发生氧化反应ꎬ所以相对于普通的高分子材料氧化速度变慢ꎬ老化速度也会相应的减缓ꎮ当然ꎬ这种防老化措施有着一定的局限性ꎬ主要是由于并不是所有的高分子材料都可以用在一起合成一种新的材料来实现防老化ꎮ在不同高分子材料实行共同加工时ꎬ我们必须注意到要了解这些高分子材料的性能ꎬ不能够共生的高分子材料不可以合成新型高分子材料ꎬ而且每种材料的加工工艺都不同ꎬ这些因素都是必须纳入到ꎮ四、结语总而言之ꎬ高分子材料老化现象是必然的ꎬ随着时间的推移老化现象会越来越严重ꎬ如果不采用防老化措施势必会使得高分子材料的性能丧失ꎮ高分子材料老化的原理较为复杂ꎬ我们只有深入的考虑不同高分子材料的性能ꎬ找到这些高分子材料老化的原因ꎬ才有可能针对不同的高分子材料老化现象采用不同的方法去实现防老化过程ꎬ从而让高分子材料老化速度减缓ꎬ增加高分子材料的适用范围和性能ꎬ延长高分子材料的使用寿命ꎮ参考文献:[１]李宗胜.高分子材料老化机理及防治方法探讨[Ｊ].科技创新与应用ꎬ２０１９(１６):１２１￣１２２.[２]陈绍军ꎬ钟燕辉ꎬ叶旋.引起高分子材料老化的因素及防老化措施研究[Ｊ].开封教育学院学报ꎬ２０１７ꎬ３７(１１):２８９￣２９０.[３]曹毅.高分子材料的老化及防老化研究[Ｊ].化工管理ꎬ２０１７(０５):１２８.[４]赵素祥.试论高分子材料的老化及防老化技术[Ｊ].化工管理ꎬ２０１７(０３):１１５.作者简介:邵杰(１９９５￣)ꎬ男ꎬ安徽六安人ꎬ本科ꎬ研究方向:高分子材料与工程ꎮ