聚乙烯热光氧老化

聚乙烯热光氧老化

聚乙烯是一种通用热塑性高分子材料,其分子量高,支化度小,力学性能优异,常用作薄膜、通信电缆及其防腐蚀护套材料、各种塑料制品和包装材料等。因聚合物在加工、贮存和使用过程中常受到光、热、氧、臭氧、水份、工业有害气体、微生物等外界环境因素的作用而老化,从而使聚合物的使用性能逐渐下降以致失去使用价值。聚合物的结构状态及其组成和配方在很大程度上决定着材料的耐老化性的优劣,其中分子结构中的影响因素有支链、羰基、过氧化氢基团、分子量、分子量分布、结晶度等。聚乙烯在空气中热的作用下发生热氧老化;在大气中会同时发生热氧老化和光氧老化。一般认为,在户外大气环境下光是引起老化降解的主要因素。

1 聚乙烯材料的自由基反应机理

大量的研究结果表明[9 、10 ] :聚乙烯材料的氧化是自由基的自氧化支化链反应过程,热、紫外光、机械切削或由于金属杂质所产生的自由基都能造成PE 的氧化降解。大气中的氧、环境温度增加和某些金属离子杂质将加速这种氧化反应。自动氧化反应的机理如下[11 、12 ] :

链引发:

(1)

(2)

残留催化剂自由基 (3)

链增长:

(4)

(5)

链终止:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

氢过氧化物的生成和积聚是聚乙烯材料降解最关键的步骤,当一定浓度的氢过氧化物生成后,自由基枝化链的自氧化反应即快速推进。

2 热氧老化机理

在热氧老化过程中往往会同时伴有降解和交联这两类不可逆的化学反应,只不过是它以哪一类反应为主而已。在受热或氧直接引发作用下,高聚物产生游离基的过程是热氧老化的游离基链式反应整个过程中较难进行的一步,故测定氧化诱导期是评定塑料老化的常用指标。对于聚乙烯热氧化中的物理变化而言,长支链和交联比断裂更具有重要意义,至于交联原因还有不少互相矛盾的解释。过去一般认为烷基自由基、烷氧自由基和过氧自由基的结合导致交联(式6 、9 、10) ,而有越来越多的证据表明,自由基与双键的加成反应导致形成交联。例如“氢化”高密度聚乙烯在经过热处理后不出现熔体流动速率下降。在其它一些试验中发现,降低乙烯基浓度导致交联或相对分子质量增加。通过扭矩测试到的交联数目与乙烯基初始浓度有相关性。现假设烷基自由基与乙烯基自由基的加成反应,且还设想烷氧自由基和过氧自由基与乙烯基的加成反应来解释交联,试用下式(11) 、(12) 、(13) 来补充聚乙烯的热氧化机理。

（11）

（12）

（13）

有人假设,LDPE 中的亚乙烯基团通过烯丙基自由基结合而形成。一般固态HDPE 的老化都是因热氧化引起的[15 ] ,固态HDPE 的老化始于非结晶部位的氧

化,由于线性分子非结晶部位的断裂,机械强度明显下降,且分子量逐渐降低。实际生产及储运中的固态HDPE 一般在常温下热氧化作用使之老化的速度是相对缓慢的,但不能忽视这方面的问题。

3 光氧老化机理

3. 1 光氧老化机理简述

聚合物暴露在日光下,其吸收光的基团受到激发而生成自由基,若有氧存在,聚合物同时也被氧化(光氧化) 。聚合物的光老化实际上是伴随着自动氧化反应而使老化过程和机理变得相当复杂,光氧化降解是光老化的主要反应过程。PE 本身并不带可吸收紫外光的生色基团,必须依靠外加光引发剂来引发交联,其光引发剂可分为两大类:裂解型光引发剂和夺氧型光引发剂。研究结果普遍认为,造成聚合物光氧老化的主要原因有:残留催化剂的光引发作用;热致氢过氧化物的引发作用;羰基的引发作用;单线态氧的引发作用;不饱和结构的引发作用。紫外光是引起PE 老化的主要因素,其所具有的能量在攻击高分子化学结构导致断键、断链等“光致化学降解”作用上最有威力。据光量子理论,在290 —400nm 范围的紫外光所具有的能量一般高于高分子链上各种化学键断裂所需要的能量,且远紫外光(波长200 —300nm) 的存在还会使材料的光氧老化变得更为明显。材料发生光化学反应之前首先必须吸收光,即构成聚合物的分子或基团吸收光能,使分子或基团处于高能状态(激发态) ,但是材料吸收光能之后并不一定发生光化学反应,因为所吸收的光能有下列几种转化:转化成热能消散;转变成荧光或磷光发射;将能量转移到别的分子;引起光化学反应。在光氧化过程中,致使聚乙烯分子链发生断裂或处于激发态,断链的自由基和处于不稳定的激发态分子又很容易发生氧化反应生成氢过氧化物和羰基,这二者是引发PE 发生化学反应的主要基团。反复断链和吸氧,使光敏点越来越多,从而开始聚乙烯分子的自动氧化反应即老化过程。

3. 2 羰基及氢过氧化物的引发作用羰基的引发能力似乎小得多,按Norrish Ⅰ型反应生成的自由基显然不是有效的引发剂,按NorrishⅡ型反应发生断链,但得到的产物不是有效的光引发剂。近年来特别是α、β不饱和羰基的光氧化引发引起了注意,但其在聚烯烃光引发过程中的重要性还有待讨论。α、β不饱和羰基的引发或稳定作用还没有定论,Schaffar A 与Scott G甚至认为共轭羰基是光

稳定剂。还有人认为,两种不同作用的相对重要性取决于聚合物结构、试验条件,例如紫外光和温度。普遍认同的羰基引发的降解机理包括四个步骤:羰基吸收光; 羰基n - π3激发态发生Nor2rishN Ⅱ型分裂;羰基( n - π3 ) 三线态猝灭形成单线态氧分子;单线态氧分子与Ⅱ型分裂形成的乙烯基反应。反应步骤可概括如下:

某些氢过氧化物和过氧化物具有很高的引发能力,原因在于它分解成自由基时量子产率很高(几乎等于1) 。热氧化时,聚乙烯中的氢过氧化物不断积累;在紫外光作用下时,氢过氧化物下降得很快。例如LDPE 在160 ℃加工时,在亚乙烯基的α位生成氢过氧化物形成的烯丙基氢过氧化物引发聚乙烯的光氧化反应,而LDPE 在85 —95 ℃热氧化下形成的氢过氧化物不具有明显的光引发作用,这是由于氢过氧化物发生均裂时(式17) 生成烷氧自由基和羟基自由基,它们之间的反应非常迅速。也有人质疑此解释,推出了氢过氧化物分解的新机理,认为主要光解产物可能是通过氢过氧化物和相邻链段之间的双分子反应得到的,即在聚乙烯中酮主要是由仲氢过氧化物光解产生的,反2亚乙烯基主要是产生于叔氢过氧化物,故与无支链的PE 分子作用时,叔氢过氧化物不引发光氧化。室温下,由于自由基均解活化能较低,氢过氧化物总是按自由基方式均解:

ROOH— RO + OH (均解,自由基方式, E =42Kcal/ mol)

从而引起自由基加速自氧化反应。氢过氧化物是聚烯烃光氧化中的控制因素,显然猝灭激发态氢过氧化物将对聚烯烃的稳定化处理有着主要的意义,即通过过氧化物的分解对聚合物起到紫外线的稳定化作用。在发达国家电线电缆生产过程中普遍采用紫外光交联聚乙烯,然而在我国则刚刚起步,但其具有独特的优势,极易在普通中小电缆厂推广应用。

4 结束语