Понимание механизмов деградации и разрушения полимеров #
Полимерные материалы, особенно пластики, широко используются в промышленном производстве и повседневной жизни. Однако их характеристики и долговечность часто подвергаются испытаниям из-за различных внешних факторов, приводящих к различным формам деградации и растрескивания. В этой статье рассматриваются механизмы деградации полимеров, типы возможных трещин и аспекты выбора материалов для повышения прочности и устойчивости продукции.
Обзор деградации полимеров #
В реальных условиях полимерные материалы подвергаются воздействию сложных факторов среды. В результате они могут испытывать различные формы растрескивания и деградации, такие как:
- Термическое растрескивание
- Механическое растрескивание
- Фотолиз
- Радиационное растрескивание
- Окислительное растрескивание
- Биологическая деградация
- Химическое растрескивание
Эти процессы могут происходить как независимо, так и одновременно, часто под влиянием тепла, механического напряжения, света, кислорода, воды и радиации. Среди них окислительное растрескивание особенно распространено из-за неизбежного контакта с воздухом в процессе производства и эксплуатации.
Контроль этих факторов крайне важен для продления структурной целостности и срока службы полимерных изделий. Пластиковая промышленность отвечает на это, развивая материалы в двух основных направлениях: улучшение молекулярной структуры для сопротивления деградации и создание полимеров, которые легче разлагаются при определённых условиях для решения экологических задач.
Подходы к долговечности и устойчивости полимеров #
-
Укрепление молекулярных цепей: Модификация молекулярной структуры позволяет сделать полимеры более устойчивыми к деградации, что продлевает срок их службы и улучшает физические свойства.
-
Разработка разлагаемых материалов: В ответ на глобальные усилия по сокращению пластиковых отходов ведутся исследования биоразлагаемых, фотодеградируемых, термодеградируемых и химически разлагаемых полимеров. Эти материалы предназначены для более лёгкого разложения в природных условиях, поддерживая устойчивое развитие.
Механизмы деградации полимеров #
Деградация полимеров обычно связана с химическими изменениями, такими как разрыв цепей, сшивка или изменения боковых групп. Эти изменения могут быть вызваны:
- Физическими факторами: тепло, ультрафиолетовое излучение, высокоэнергетическое излучение, механическое воздействие
- Химическими факторами: кислород, озон, коррозионные вещества, химические реагенты
В результате часто происходит снижение молекулярной массы и потеря присущих материалу свойств.
Типы разрыва цепей #
-
Случайный разрыв цепей: разрыв происходит в случайных слабых местах вдоль основной цепи полимера, что снижает среднюю степень полимеризации. Это характерно для химической деградации, например, озонолиза ненасыщенных каучуков.
-
Деполимеризация цепей: обратный процесс полимеризации, при котором разрыв в определённых точках или на концах цепей приводит к непрерывному выделению мономеров. Физические факторы, такие как тепло, часто вызывают этот тип деградации, как при термической деполимеризации полиметилметакрилата.
Происхождение этих процессов — отдельно или совместно — зависит от структуры полимера и условий его эксплуатации.
Типы деградации пластиковых полимеров #
Термическая деградация (термическое растрескивание) #
Длительное воздействие высоких температур при формовании может вызвать термическую деградацию — реакцию деполимеризации с участием свободных радикалов, скорость которой увеличивается с ростом температуры. Сначала разрушаются самые слабые химические связи, что запускает цепочку реакций, укорачивающих молекулярные цепи и образующих различные продукты деградации. Это особенно актуально при использовании горячеканальных форм или высокотемпературных процессов.
Механическая деградация (растрескивание под нагрузкой) #
Высокое давление при смешивании, экструзии и механические напряжения в процессе обработки могут разрывать полимерные цепи, снижая молекулярную массу. Этот процесс, известный как механическая деградация, часто сопровождается выделением тепла. Если тепло не рассеивается, оно может ускорять термическую деградацию. Полимеры с более высокой молекулярной массой более подвержены механической деградации под нагрузкой, но эффект можно уменьшить повышением температуры или добавлением пластификаторов.
Окислительная деградация (окислительное растрескивание) #
При комнатной температуре большинство полимеров медленно реагируют с кислородом, образуя нестабильные пероксидные структуры, которые распадаются с образованием свободных радикалов и вызывают деполимеризацию. При формовании тепло ускоряет этот процесс, известный как термическая окислительная деградация. Скорость окисления зависит от структуры полимера (например, ненасыщенные углеродные цепи окисляются быстрее насыщенных), а также от содержания кислорода в окружающей среде, температуры и времени воздействия. Строгий контроль этих факторов в процессе обработки необходим для предотвращения окислительного повреждения.
Гидролитическая деградация (расщепление водой) #
Полимеры, содержащие гидролизуемые группы (например, амидные, эфирные, нитрильные или эфирные группы), особенно если они входят в основную цепь, подвержены деградации водой. Гидролиз может значительно ухудшить свойства материала. Для предотвращения этого необходимо тщательное высушивание сырья, особенно для гигроскопичных и полярных полимеров, таких как полиэфиры, полиэфиры и полиамиды.
Выбор материала и разработка продукции #
Выбор правильного материала — важный этап в разработке продукции. Необходимо учитывать такие факторы, как внешний вид, условия эксплуатации и требования к прочности, чтобы обеспечить оптимальную производительность и долговечность. Компания Yeh Her Yow Plastic Co., Ltd. (YHY) предлагает экспертную поддержку в выборе и разработке материалов, помогая клиентам подобрать наиболее подходящие полимеры для их конкретных задач.