透明尼龍塑料產品降解的奧秘
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發表時間：2022-12-30 14:40:47
塑料產品降解的奧秘： 
一、光熱氧的老化作用
自然光對材料的老化降解有促進作用。特別是紫外部分，波長在200-400nm，對高分子材料老化作用特別顯著，因為這一范圍內的紫外光的能量高于一般化學鍵斷裂所需要的能量。但一般情況下，聚合物不太容易發生光化學作用。一是這些材料吸收紫外比較少效率低，再就是在吸收的過程中也伴隨發生光物理反應，一部分紫外會轉化為熱能和較長波長的光被消耗掉。盡管如此，如果高分子材料中的金屬離子比較多，或者催化劑殘留較多，材料的降解則非常明顯。這些金屬離子在紫外作用下，活性大幅提高，會導致大量的自由基鏈反應，使材料性能下降。
事實上，在大量的使用環境中，除了光的作用以外，更多的還有熱與氧的老化作用，熱氧老化才是致命的。熱提供能量，氧提供活性，足夠摧毀材料的一切性能。要搞清楚尼龍是如何在熱與氧的條件下一步步降解的，就得回到高分子的微觀結構與宏觀性能上來，討論結構與性能的關系。
比如對于PA6，在熱氧老化的實驗中，老化溫度在100-120℃，算是比較溫和。也有在比較極端的環境中來研究熱氧化機理的，比如對于PA66，老化溫度從180-230℃不等。耐高溫尼龍也可以做同等研究，溫度從200-230℃，時間從3000-5000hrs或者更長，10000hrs，差不多有14個月！
當然，測試結果中的揮發產物非常多，成分復雜，這也就是沒人能夠徹底分析尼龍降解機理的原因。但對比以上結果，結合PA6的分子結構，分析發現與N原子相連的亞甲基最容易受到熱氧的攻擊，形成大分子自由基，并不斷參與反應，打斷分子鏈，促使材料降解。且在標況下，酰胺鍵的穩定性的確要比亞甲基高，所以亞甲基優先受到攻擊理所當然。道理很簡單，誰弱就攻擊誰。
有一點要明確，N原子相鄰的亞甲基受到攻擊，形成大分子自由基，斷裂的化學鍵不是酰胺鍵-CONH-，而是與亞甲基相連的C-N鍵和C-C鍵。經過多步的化學反應后，此時的大分子自由基的結構發生了變化，偏向于形成環狀化合物以及新的自由基。自由基反應在沒有外界的干擾下，會一直進行下去，循環往復，永不停止，直到材料變成渣渣。
二、水解作用
材料在應用中，還存在另外一種破壞形式與上述光熱氧作用很不相同，那就是水解。所謂的水解，除了水以外，還包括酸、堿、鹽溶液。很明顯，這種裂化反應受溶液的限制，溫度通常都不是很高，但酸堿鹽的破壞作用卻一點兒也不弱。
如果是在溫和條件下自然吸水，那么水分并不會明顯裂化材料性能，但對綜合性能的影響也不容小覷。聚酰胺是一種半結晶聚合物，水分很容易進入到非晶區，增加分子鏈的流動性，部分起到了潤滑劑的作用。隨著吸水率的增加，Tg呈減小趨勢，硬度、模量、拉伸強度下降；沖擊強度會增加。
第1種是固定結合水。這種水是在兩個羰基基團間形成氫鍵，結合緊密。當水分增多時，大量的水分子會在羰基與氨基之間形成第2種氫鍵，這是一種松散的結合方式。在分子空隙、晶區間空隙中還吸附了大量水分子，與第1種和第2種氫鍵中的水分子形成較弱的氫鍵。這些水分子大量存在，就相當于在材料中起到了潤滑或增塑作用，改變了材料的宏觀性能。
吸水平衡的過程是一個動態過程，在這個過程中，材料通常會釋放內應力，然后再重建內應力。熱處理也有同樣的作用。宏觀表現就是尺寸變化比較大，玻纖增強的體系翹曲很明顯。如何控制這種變化，是一門學問。
在水解過程中，是否像光熱氧的裂化機理那樣，水分最先攻擊亞甲基呢？這次情況有點不一樣，卻是酰胺鍵最先受到破壞，如果有酸堿鹽的存在，則會加速這種破壞。樹脂中的酰胺鍵具有很強的氫鍵作用，水分的侵蝕，實際上是逐步破壞了這種固有平衡作用，建立起了一種新的平衡。而這種新的平衡也是一種動態過程，如果水分持續增加，酰胺鍵會發生水解，使酰胺鍵-CONH-的C-N發生斷裂，形成端羧基和端氨基。這本質上打斷了分子鏈。
有研究顯示，在酸堿鹽的存在下，聚酰胺的水解速率增大，材料更容易失效。但當酸堿的濃度達到一定值時，水解反而無法進行。這種隨著酸堿濃度增加，水解速率反而下降的現象，有學者給出的解釋是，水分子被過量的酸堿包圍，無法與酰胺基團發生反應。
水解反應對應發生的基團是酰胺結構，酰胺結構在酸堿鹽溶液中水解是有一定隨機性的，每個基團的酰胺鍵發生水解的概率應該是相當的，也就說酰胺鍵的濃度是影響水解反應的關鍵因素。事實也證明了這一觀點。在聚酰胺的重復單元上，碳鏈越長，酰胺鍵的密度越低，吸水率也就越低，按照上述討論，這種材料的尺寸穩定性就會更好。
從宏觀角度來看，酸堿鹽溶液更容易加速材料裂化的進程，讓材料中的應力更容易暴露出來，形成開裂現象。比如，在汽車長效冷卻液中的應用，便是如此。
提升聚酰胺的抗水解性能的手段，除了增加碳鏈長度以外，還有一種有效方法，就是在分子鏈中引入苯環。苯環天然地具有耐化學腐蝕性，可以減緩材料的水解速度。同時苯環對耐熱和耐化學性能也很優異，已經發展出了一系列的全新聚合物，比如PA4T，PA6T，PA9T，PA10T，PA12T等等。
改變分子結構，是改善光熱氧、以及水解性能的有效途徑，常規手段有增加分子鏈的長度，或者分子鏈中引入芳香苯環。此外，共混改性也有一些方法可以提升相關性能，比如添加一種成炭劑或多羥基化合物，讓材料在熱氧老化時脫水形成致密碳層，阻隔熱氧攻擊；或者添加一種或幾種金屬離子，與酰胺鍵形成螯合作用，也有助于提升材料抵抗熱氧老化的能力。對于耐水解性能，可以添加一些多羥基類的或者含氟類的材料，在與水分接觸時能與之形成水膜，從而起到保護材料的作用。這些都是物理的改性方法了。
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