聚碳酸酯也会变老吗?——聚碳酸酯老化行为之环境影响
发布者:澜雨塑料 发布时间:2021/4/30 13:50:36
聚碳酸酯作为一种具有优良力学性能、电绝缘性和透光性的工程塑料,在成型加工、贮存、使用和运输过程中,都不可避免地受到热、光、空气、水分、生物和机械应力等往外界因素的作用,会产生氧化、水解、降解、交联、支化和结晶等各种化学、物理变化,致使分子组成、结构状态和分子量发生改变,从而使聚碳酸酯的物理、化学性能均发生相应变化。一旦其中一些重要的应用性能变坏,就会使聚碳酸酯丧失使用价值,变成废品。聚碳酸酯的老化无所不在、无时不在,其后果相当于腐蚀对于金属制品一样,令人可畏。但因其进程比较缓慢,不易及时察觉,故经常被忽视。尤其,氧、紫外光、水、温度、腐蚀性介质等环境因素诱发的老化行为,最不容易引发重视。因此,了解环境因素下聚碳酸酯的老化失效规律,就显得十分紧迫。
聚碳酸酯在户外环境中使用时,由于辐照波长不同,一般会经历光氧老化过程和光解重排反应两种机理降解过程。聚碳酸酯的降解反应是光氧反应,并且降解反应有部分光解重排产物生成。同时导致光解重排反应的老化条件并不会导致高氧化反应速率,也就说光解重排反应不是由氧化开始的。
聚碳酸酯经紫外光照射后性能变化源于两个原因。一是光照射后的光化学产物的电子结构有所改变,这些产物的折光指数与聚碳酸酯基材的折光性能存在差别,因而造成折光指数出现差别。二是聚碳酸酯材料经紫外光照射后产生降解,使基材的密度改变,这又导致了折光指数的下降。总体而言,光引发初期,聚碳酸酯中的弗利斯重排反应是主要的,但随着降解进程,光氧化反应为主要方面。
大气环境中的一个环境因素是水,表现形式有降雨、湿度、凝露、霜、雪、冰雹等。由于聚碳酸酯含有水解基团(酯基),在水或水汽的长期作用下,会产生水解反应,水解反应产生的微观破坏加速聚碳酸酯力学性能劣化。另外,作为电绝缘材料使用的聚碳酸酯也常因吸水分后,其绝缘电阻和介电强度下降,介质损耗增加。研究发现聚碳酸酯含水量随着时间的延长而增大,最终趋于平衡。温度越高,平衡含水量越大。时间越长或温度越高,聚碳酸酯表面的微缺陷越多。未老化聚碳酸酯的冲击断面以剪切屈服破坏机理为主,老化后的聚碳酸酯主要以银纹集中破坏机理为主。单纯热空气老化的聚碳酸酯在冷却后,自由体积有较大降低;40℃热水老化的聚碳酸酯由于水的增塑与热导致自由体积降低的作用几乎平衡,冲击强度变化不大;80℃热水老化使聚碳酸酯冲击强度降低,主要是因为水解加速导致分子链断裂和导致自由体积降低。
另外,在聚碳酸酯中杂质与添加剂也会显著地影响材料的抗老化性能。杂质主要指在聚碳酸酯合成时引入后,在后处理阶段未能被彻底清除掉的物质,如催化剂残渣、原料单体和副产物、溶剂等,这些都是促进聚碳酸酯日后老化的隐患。各种添加剂是指在生产聚碳酸酯各种制品时添加的助剂或添加剂,它们会对聚碳酸酯起着催化氧化反应的作用,导致材料加速老化。
由此可见,尽管在常用的工程塑料中聚碳酸酯是比较耐老化,综合性能也是相当好的。但是如果选择不恰当的分子量和成型加工条件,不采用适当的防老化措施,不注意使用环境的温度、湿度、光照和机械外力,必将造成聚碳酸酯使用寿命的大幅缩减,进而影响使用效果。

聚碳酸酯在户外环境中使用时,由于辐照波长不同,一般会经历光氧老化过程和光解重排反应两种机理降解过程。聚碳酸酯的降解反应是光氧反应,并且降解反应有部分光解重排产物生成。同时导致光解重排反应的老化条件并不会导致高氧化反应速率,也就说光解重排反应不是由氧化开始的。
聚碳酸酯经紫外光照射后性能变化源于两个原因。一是光照射后的光化学产物的电子结构有所改变,这些产物的折光指数与聚碳酸酯基材的折光性能存在差别,因而造成折光指数出现差别。二是聚碳酸酯材料经紫外光照射后产生降解,使基材的密度改变,这又导致了折光指数的下降。总体而言,光引发初期,聚碳酸酯中的弗利斯重排反应是主要的,但随着降解进程,光氧化反应为主要方面。

大气环境中的一个环境因素是水,表现形式有降雨、湿度、凝露、霜、雪、冰雹等。由于聚碳酸酯含有水解基团(酯基),在水或水汽的长期作用下,会产生水解反应,水解反应产生的微观破坏加速聚碳酸酯力学性能劣化。另外,作为电绝缘材料使用的聚碳酸酯也常因吸水分后,其绝缘电阻和介电强度下降,介质损耗增加。研究发现聚碳酸酯含水量随着时间的延长而增大,最终趋于平衡。温度越高,平衡含水量越大。时间越长或温度越高,聚碳酸酯表面的微缺陷越多。未老化聚碳酸酯的冲击断面以剪切屈服破坏机理为主,老化后的聚碳酸酯主要以银纹集中破坏机理为主。单纯热空气老化的聚碳酸酯在冷却后,自由体积有较大降低;40℃热水老化的聚碳酸酯由于水的增塑与热导致自由体积降低的作用几乎平衡,冲击强度变化不大;80℃热水老化使聚碳酸酯冲击强度降低,主要是因为水解加速导致分子链断裂和导致自由体积降低。

另外,在聚碳酸酯中杂质与添加剂也会显著地影响材料的抗老化性能。杂质主要指在聚碳酸酯合成时引入后,在后处理阶段未能被彻底清除掉的物质,如催化剂残渣、原料单体和副产物、溶剂等,这些都是促进聚碳酸酯日后老化的隐患。各种添加剂是指在生产聚碳酸酯各种制品时添加的助剂或添加剂,它们会对聚碳酸酯起着催化氧化反应的作用,导致材料加速老化。

由此可见,尽管在常用的工程塑料中聚碳酸酯是比较耐老化,综合性能也是相当好的。但是如果选择不恰当的分子量和成型加工条件,不采用适当的防老化措施,不注意使用环境的温度、湿度、光照和机械外力,必将造成聚碳酸酯使用寿命的大幅缩减,进而影响使用效果。
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