תופעה מזדקנת של חומרי פולימר (מוצרי פלסטיק)

חומרי פולימר כוללים פלסטיק, גומי, סיבים, סרטים, דבקים וציפויים. מכיוון שיש להם תכונות פוטנציאליות רבות טובות יותר מחומרים מבניים מסורתיים, הם משמשים יותר ויותר בתחום מוצרים צבאיים ואזרחיים.

עם זאת, בתהליך עיבוד, אחסון ושימוש, בגלל ההשפעה המשולבת של אור, חום, חמצן, מים, קרינה אנרגטית גבוהה, שחיקה כימית וביולוגית וגורמים פנימיים וחיצוניים אחרים, ההרכב הכימי והמבנה של חומרים פולימריים תעבור סדרה של שינויים, תכונות פיזיות ישתנו גם בהתאם, כמו קשה, דביק, שביר, שינוי צבע, אובדן כוח וכו ', תופעה זו היא הזדקנות של חומרים פולימריים.

תמצית ההזדקנות של חומרי פולימר מתייחסת לשינוי המבנה הפיזי או המבנה הכימי, המתבטאת כירידה הדרגתית בביצוע החומר ואובדן ערך השימוש בו. כישלון הזדקנות של חומרי פולימר הפך לאחת מבעיות המפתח המגבילות את ההתפתחות והיישום של חומרי פולימר נוספים.

תופעה מזדקנת

בשל הזנים השונים של חומרים פולימריים ותנאי שימוש שונים, ישנם תופעות ומאפיינים מזדקנים שונים. לדוגמה, סרט פלסטיק חקלאי לאחר השמש והגשם מתרחש שינוי צבע, שבירות, ירידת שקיפות; Plexiglass תעופה לאחר שימוש במשך זמן רב בתבנית כסף, ירידה בשקיפות; האלסטיות של מוצרי גומי פוחתת, מתקשה, סדקים או הופכת רכה ודביקה לאחר שימוש לטווח הארוך; צבע לאחר שימוש ארוך טווח, אובדן אור, אבקה, בועה, פילינג וכו '.

ניתן לסכם את התופעה המזדקנת בארבעת השינויים הבאים:

1. המראה משתנה

כתמים, כתמים, סילברס, סדקים, ציפוי, אבקה, דביקות, עיוות, דגים, קמטים, התכווצות, חרוך, עיוות אופטי ושינויים בצבע אופטי.

2. שינוי תכונות פיזיקליות

כולל מסיסות, נפיחות, תכונות ריאולוגיות ועמידות לקור, עמידות בפני חום, חדירות מים, חדירות אוויר ושינויים בביצועים אחרים.

3, תכונות מכניות משתנות

חוזק מתיחה, חוזק כיפוף, חוזק גזירה, חוזק השפעה, התארכות יחסית, הרפיה מתח ותכונות אחרות משתנות.

4, שינויים בביצועים חשמליים

כמו התנגדות פני השטח, עמידות בפני נפח, קבוע דיאלקטרי, חוזק פירוק ושינויים אחרים.

גורם מזדקן

התכונות הפיזיות של חומרי פולימר קשורים קשר הדוק למבנה הכימי שלהם ולמבנה מצב הצבירה שלהם.

המבנה הכימי הוא מבנה שרשרת ארוך של מקרומולקולות המחוברות על ידי קשרים קוולנטיים, ומבנה הצבירה הוא מבנה מרחבי של מקרומולקולות רבות המסודרות ונערמות על ידי כוח בין-מולקולרי, כמו גבישי, אמורפי, קריסטלי-קורבי. הכוחות הבין -מולקולריים השומרים על המבנה המצטבר כוללים כוח קשר יוני, כוח קשר מתכתי, כוח הקשר הקוואליסטי וכוח ואן דר וואלס.

גורמים סביבתיים יובילו לשינוי הכוחות הבין -מולקולריים, אפילו לשבירת השרשרת או נפילה של קבוצות מסוימות, מה שבסופו של דבר יהרס את המבנה המצטבר של החומר וישנה את התכונות הפיזיות של החומר. בדרך כלל ישנם שני גורמים המשפיעים על הזדקנות חומרי הפולימר: גורמים פנימיים וגורמים חיצוניים.

גורם מהותי

1. מבנה כימי של פולימר

הזדקנותם של פולימרים קשורה קשר הדוק למבנה הכימי שלהם, והקשר החלש של המבנה הכימי מושפע בקלות מגורמים חיצוניים כדי לשבור ולהפוך לרדיקלים חופשיים. רדיקל חופשי זה הוא נקודת המוצא של תגובות רדיקליות.

2. צורה פיזית

חלק מהקשרים המולקולריים של הפולימר מסודרים וחלקם מופרעים. הקשרים המולקולריים המסודרים יכולים ליצור אזורים גבישיים, והקשרים המולקולריים המופרעים הם אזורים אמורפיים. צורתם של פולימרים רבים אינה אחידה, אלא גבישית למחצה, עם אזורים גבישיים ואמורפיים כאחד. התגובה המזדקנת מתחילה מהאזור האמורפי.

3, שילוב תלת ממדי

סטרינטריאציה של הפולימר קשורה קשר הדוק לגבישותו. באופן כללי, לפולימרים מובנים יש התנגדות מזדקנת טובה יותר מאשר פולימרים אקראיים.

4, משקל מולקולרי והפצתו

באופן כללי, למשקל המולקולרי של הפולימר יש מעט קשר עם הזדקנות, ולהפצת המשקל המולקולרי יש השפעה רבה על הביצועים המזדקנים של הפולימר, ככל שההפצה רחבה יותר, כך קל יותר להזדקן, מכיוון שככל שההפצה רחבה יותר ככל שקבוצות קצה יותר, כך קל יותר לגרום לתגובה מזדקנת.

5, עקבות זיהומים מתכתיים וזיהומים אחרים

כאשר מעובד הפולימר, יש צורך ליצור קשר עם המתכת, והוא עשוי להיות מעורב במתכות עקבות, או בפילמור, נותרו כמה זרזי מתכת, מה שישפיע על התחלת החמצון האוטומטי (כלומר, הזדקנות).

גורם חיצוני

1. השפעת הטמפרטורה

כאשר הטמפרטורה עולה, תנועת שרשראות הפולימר מתעצמת. לאחר חריגת אנרגיית הניתוק של קשרים כימיים, היא תגרום להשפלה תרמית של שרשראות פולימרים או לשפוך קבוצתי. נכון לעכשיו, דווח בהרחבה השפלה תרמית של חומרים פולימריים. ירידת הטמפרטורה משפיעה לרוב על התכונות המכניות של חומרים. נקודות הטמפרטורה הקריטיות הקשורות קשר הדוק לתכונות מכניות כוללות טמפרטורת מעבר זכוכית, טמפרטורת זרימה צמיגה ונקודת התכה. ניתן לחלק את המצב הפיזי של החומר למצב מזוגג, מצב אלסטי גבוה ומצב זרימה צמיגי.

2, השפעת הלחות

ניתן לייחס את השפעת הלחות על חומרים פולימריים לנפיחות ופירוק מים על החומר, כך שהכוחות הבין -מולקולריים השומרים על מבנה הצבירה של חומרי הפולימר משתנים ובכך משמיסים את מצב הצבירה של החומר. במיוחד עבור פולימרים אמורפיים שאינם מקושרים, השפעת הלחות ברורה ביותר, מה שיגרום לנפיחות ואפילו להתפוררות מצב הצבירה של חומרים פולימריים, ובכך לפגוע בביצועי החומר. עבור הצורה הגבישית של פלסטיקה או סיבים, השפעת הלחות אינה ברורה במיוחד בגלל קיומם של מגבלות חדירת מים.

3. השפעת החמצן

חמצן הוא הגורם העיקרי להזדקנות של חומרי פולימר. בשל חדירות החמצן, פולימר גבישי עמיד יותר לחמצון מאשר פולימר אמורפי. חמצן תוקף תחילה את הקישורים החלשים בשרשרת הראשית הפולימרית, כמו קשרים כפולים, הידרוקסיל, מימן וקבוצות או אטומים אחרים באטום הפחמן העל -תיכוני, ויוצר פרוקסירדים פולימריים או פרוקסידים, ואז גורם לשבירת השרשרת הראשית בחלק זה. במקרים חמורים, המשקל המולקולרי של הפולימר יורד באופן משמעותי, טמפרטורת מעבר הזכוכית פוחתת והפולימר הופך להיות צמיג. בנוכחות יוזמים מסוימים או מתכות מעבר שמתפרקות בקלות לרדיקלים חופשיים, תגובת החמצון נוטה להתעצם.

4, הזדקנות קלה

האם הפולימר מוקרן על ידי אור יכול לגרום לשבר של שרשרת מולקולרית תלוי בגודל היחסי של אנרגיית האור ואנרגיית הניתוק והרגישות של מבנה כימי פולימר לגל האור. בשל קיומה של שכבת האוזון והאטמוספרה על פני כדור הארץ, טווח אורך הגל של האור הסולארי שיכול להגיע לאדמה הוא 290 ~ 4300 ננומטר, ואנרגיית הגל האור גדולה יותר מאנרגיית הניתוק של קשרים כימיים רק באולטרה -ויולט אזור, שיגרום לשבר של קשרים כימיים פולימריים.

לדוגמה, אורך הגל האולטרה סגול של 300 ~ 400nm יכול להיספג על ידי פולימרים המכילים קבוצות קרבוניל וקשרים כפולים, והשרשרת המקרומולקולרית נשברת, המבנה הכימי משתנה, ותכונות החומר מתדרדרות; לפוליאתילן טרפטלטט יש ספיגה חזקה של UV של 280 ננומטר, ומוצרי ההשפלה הם בעיקר Co, H ו- Ch. לפוליולפין המכיל רק קשרי CC אין ספיגת UV, אלא בנוכחות כמות קטנה של זיהומים, כמו קבוצות קרבוניל, קשרים בלתי רוויים, קבוצות הידרופרוקסיד, שאריות זרז, ארומטים ואלמנטים מתכתיים במעבר, זה יכול לקדם את תגובת הפוטו של פוליולפין.

5, השפעת המדיה הכימית

המדיום הכימי יכול למלא תפקיד רק אם הוא חודר לפנים של חומר הפולימר, ותפקידים אלה כוללים את התפקיד של קשרים קוולנטיים ותפקיד קשרים משניים. פעולת הקשר קוולנטי באה לידי ביטוי כשבירת שרשרת, קישור צולב, תוספת או שילוב של השפעות אלה, שהוא תהליך כימי בלתי הפיך. למרות שההרס של קשר הערכיות המשני על ידי המדיום הכימי אינו גורם לשינוי המבנה הכימי, המבנה המצטבר של החומר ישתנה, ותכונותיו הפיזיות ישתנו בהתאם.

פיצוח מתח סביבתי, פיצוח פירוק, פלסטיז ושינויים פיזיים אחרים הם ביטויים אופייניים להזדקנות כימית של חומרים פולימריים.

השיטה לביטול פיצוח הפירוק היא לחסל את הלחץ הפנימי של החומר, וחישול לאחר דפוס החומר תורם לביטול הלחץ הפנימי של החומר. הפלסטיק הוא במקרה של מגע רציף בין המדיום הנוזל לחומר הפולימר, האינטראקציה בין הפולימר למדיום המולקולה הקטנה מחליפה בחלקה את האינטראקציה בין הפולימר, כך שקל יותר לקטע שרשרת הפולימר, המתבטא כ- טמפרטורת המעבר לזכוכית מופחתת, החוזק, הקשיות והמודולוס האלסטי של החומר יורדים, וההארכה בהפסקה מוגברת.

6. הזדקנות ביולוגית

מכיוון שמוצרי פלסטיק כמעט כולם משתמשים במגוון תוספים בתהליך העיבוד, הם הופכים לעתים קרובות למקור תזונתי של עובש. כאשר עובש גדל, הוא סופג את החומרים המזינים על פני השטח ובתוך הפלסטיק והופך ל- Mycelium, שהוא גם מוליך, כך שהבידוד של הפלסטיק מופחת, המשקל משתנה והקליפה החמורה תתרחש. המטבוליטים של צמיחת עובש מכילים חומצות אורגניות ורעלים, אשר יהפכו את פני השטח של הפלסטיק לדביק, שינוי צבע, שבירות וגימור מופחת, ויגרמו גם למגע ארוך טווח עם פלסטיק עובש זה.

ניתן לעבד פולימרים טבעיים של פוליסכריד ותרכובותיהם המותאמות לסרטים חד פעמיים, גיליונות, מכולות, מוצרים מקציפים וכו 'באמצעות שינוי מיזוג עם פלסטיק כללי. ניתן להדרג את הפסולת בהדרגה לתרכובות מולקולריות קטנות על ידי התערבות של אמילאז ואנזימי פירוק פולימרים טבעיים אחרים של פוליסכריד הקיימים בסביבה הטבעית. ובסופו של דבר מתפרקים לפחמן דו חמצני נטול זיהום ומים וחוזרים לביוספרה. בהתבסס על יתרונות אלה, תרכובות הפולימר הטבעי של פוליסכריד המיוצג על ידי עמילן הן עדיין חלק חשוב מהפלסטיקה המתכללת.