ポリマー材料の老化現象（プラスチック製品）

ポリマー材料には、プラスチック、ゴム、繊維、フィルム、接着剤、コーティングが含まれます。彼らは従来の構造材料よりも多くの潜在的な特性を持っているため、軍事および民間の製品の分野でますます広く使用されています。

ただし、光、熱、酸素、水、高エネルギー放射、化学的および生物学的侵食、およびその他の内部および外部因子の効果により、ポリマー材料の化学組成と構造により、処理、保管、および使用の過程で一連の変化が起こり、物理的特性もそれに応じて変化します。たとえば、硬く、粘着性、脆性、変色、強度の喪失など、この現象はポリマー材料の老化です。

ポリマー材料の老化の本質は、物理的構造または化学構造の変化を指します。これは、材料の性能の徐々に低下し、その正当な使用値の喪失として現れます。ポリマー材料の老化障害は、ポリマー材料のさらなる発達と応用を制限する重要な問題の1つになりました。

老化現象

さまざまな種類のポリマー材料と使用条件が異なるため、異なる老化現象と特性があります。たとえば、太陽と雨の後の農業プラスチックフィルムは、変色、脆性、透明性の低下を起こします。航空プレキシガラスは、長期間の銀パターンに使用した後、透明性の低下。ゴム製の製品の弾力性は、長期使用後に減少、硬化、亀裂、または柔らかく粘着性になります。長期使用、光の喪失、粉末、泡、皮むきなどの後のペイント。

老化現象は、次の4つの変更にまとめることができます。

1.外観が変わります

汚れ、斑点、銀、ひび割れ、霜、粉末、粘着性、粘着性、魚眼、しわ、縮小、焦げ、光学的歪み、光学色の変化が発生します。

2.物理的特性が変化します

溶解度、腫れ、レオロジーの特性と寒冷抵抗、耐熱性、水透過性、空気透過性、その他のパフォーマンスの変化を含む。

3、機械的特性が変化します

引張強度、曲げ強度、せん断強度、衝撃強度、相対伸長、ストレス弛緩、その他の特性は変化します。

4、電気性能の変化

表面抵抗、体積抵抗、誘電率、分解強度、その他の変化など。

老化係数

ポリマー材料の物理的特性は、化学構造と凝集状態構造に密接に関連しています。

化学構造は、共有結合に接続された高分子の長い鎖構造であり、凝集構造は、結晶、アモルファス、結晶モアルファスなどの分子間力によって配置され、積み上げられた多くの高分子の空間構造です。凝集構造を維持する分子間力には、イオン結合力、金属結合力、共有結合力、ファンデルワールス力が含まれます。

環境要因は、分子間の力の変化、チェーンの破損、またはいくつかのグループの崩壊につながり、最終的に材料の骨材構造を破壊し、材料の物理的特性を変化させます。通常、ポリマー材料の老化に影響する2つの要因があります。内部要因と外部因子です。

内因子

1.ポリマーの化学構造

ポリマーの老化はその化学構造と密接に関連しており、化学構造の弱い結合は、外部要因によって容易に影響を受け、フリーラジカルになります。このフリーラジカルは、ラジカル反応の出発点です。

2.物理的な形

ポリマーの分子結合の一部は秩序化され、一部は障害があります。秩序ある分子結合は結晶領域を形成することができ、無秩序な分子結合はアモルファス領域です。多くのポリマーの形状は均一ではなく、結晶領域とアモルファス領域の両方を備えた半結晶です。老化反応はアモルファス領域から始まります。

3、3次元統合

ポリマーの立体統合は、その結晶性と密接に関連しています。一般に、構造化されたポリマーは、ランダムポリマーよりも優れた老化耐性を持っています。

4、分子量とその分布

一般に、ポリマーの分子量は老化とはほとんど関係がなく、分子量の分布はポリマーの老化性能に大きな影響を与え、分布が広くなります。、エンドグループが多いほど、老化反応を引き起こすことが容易になります。

5、微量金属不純物やその他の不純物

ポリマーが処理されると、金属と接触する必要があり、微量金属と混合されるか、重合にはいくつかの金属触媒が残り、自動酸化の開始（つまり、老化）に影響します。

外部要因

1.温度の影響

温度が上昇すると、ポリマー鎖の動きが強化されます。化学結合の解離エネルギーを超えると、ポリマー鎖の熱分解またはグループの脱落が引き起こされます。現在、ポリマー材料の熱分解が広く報告されています。温度の低下は、しばしば材料の機械的特性に影響します。機械的特性に密接に関連する臨界温度ポイントには、ガラス遷移温度、粘性流温度、融点が含まれます。材料の物理的状態は、ガラス状態、高弾性状態、および粘性流量状態に分割できます。

2、湿度の影響

ポリマー材料に対する湿度の影響は、ポリマー材料の凝集構造を維持する分子間力が変化し、材料の凝集状態を破壊するように、材料に対する水の腫脹と溶解に起因する可能性があります。特に、非交配的なアモルファスポリマーの場合、湿度の影響は非常に明白であり、腫れや凝集状態のポリマー材料の崩壊さえも引き起こし、材料の性能を損傷します。プラスチックまたは繊維の結晶型の場合、水浸透制限の存在のために湿度の影響はあまり明白ではありません。

3.酸素の効果

酸素は、ポリマー材料の老化の主な原因です。酸素の透過性により、結晶ポリマーはアモルファスポリマーよりも酸化に対して耐性があります。酸素は、最初に、二重結合、ヒドロキシル、水素、他のグループまたは原子などのポリマーメインチェーンの弱いリンクを攻撃し、ポリマーペルオキシラジカルまたは過酸化物を形成し、次にこの部分でメインチェーンの破損を引き起こします。重度の場合、ポリマーの分子量は大幅に減少し、ガラス遷移温度が低下し、ポリマーが粘性になります。フリーラジカルに簡単に分解できるいくつかの開始因子または遷移金属が存在する場合、酸化反応は強化される傾向があります。

4、軽い老化

ポリマーに光によって照らされているかどうかは、分子鎖の骨折を引き起こす可能性があるかどうかは、光エネルギーと解離エネルギーの相対的なサイズと、ポリマー化学構造の光波に対する感度に依存します。オゾン層の存在と地球の表面の大気により、地面に到達できる太陽光の波長範囲は290〜4300Nmであり、光波エネルギーは紫外線でのみ化学結合の解離エネルギーよりも大きくなります。ポリマー化学結合の骨折を引き起こす領域。

たとえば、300〜400nmの紫外線波長は、カルボニル基と二重結合を含むポリマーによって吸収され、高分子鎖が破損し、化学構造が変更され、材料特性が劣化します。ポリエチレンテレフタレートは280nm UVの強い吸収を持ち、分解生成物は主にCo、Hおよびchです。 CC結合のみを含むポリオレフィンには紫外線吸収はありませんが、カルボニル基、不飽和結合、ヒドロペルオキシド基、触媒残基、芳香族、および遷移金属元素などの少量の不純物が存在する場合、ポリオレフィンの光酸化反応を促進できます。

5、化学媒体の影響

化学媒体は、ポリマー材料の内部に浸透する場合にのみ役割を果たすことができ、これらの役割には共有結合の役割と二次結合の役割が含まれます。共有結合の作用は、連鎖破壊、架橋、追加、またはこれらの効果の組み合わせとして現れます。これは不可逆化学プロセスです。化学媒体による二次原子価結合の破壊は化学構造の変化を引き起こすことはありませんが、材料の凝集構造は変化し、その物理的特性はそれに応じて変化します。

環境ストレスの亀裂、溶解亀裂、可塑化、その他の物理的変化は、ポリマー材料の化学老化の典型的な症状です。

溶解亀裂を排除する方法は、材料の内部応力を排除し、材料の成形後のアニーリングは、材料の内部応力を排除するのを助長することです。可塑化は、液体培地とポリマー材料の間の連続的な接触の場合にあり、ポリマーと小分子培地間の相互作用は、ポリマー間の相互作用を部分的に置き換えるため、ポリマー鎖セグメントが移動しやすくなります。ガラス遷移温度が低下し、材料の強度、硬度、弾性率が減少し、破損時の伸長が増加します。

6.生物学的老化

プラスチック製品は、ほとんどすべてが処理プロセスでさまざまな添加物を使用しているため、多くの場合、カビの栄養源になります。カビが成長すると、プラスチックの表面と内部の栄養素を吸収し、菌糸体になります。これは導体でもあり、プラスチックの断熱材が減少し、重量が変化し、重度の皮が発生します。カビの成長の代謝産物には有機酸と毒素が含まれており、プラスチックの粘着性、変色、脆弱性、仕上げの低下を行い、このカビの生えたプラスチックとの長期的な接触も引き起こします。

多糖類の天然ポリマーとその修飾化合物は、変更を一般的なプラスチックとブレンドすることにより、分解可能な使い捨てフィルム、シート、容器、発泡製品などに処理できます。廃棄物は、自然環境に広く存在するアミラーゼおよびその他の多糖天然ポリマー分解酵素の介入により、徐々に小分子化合物に徐々に加水分解できます。そして最終的に、汚染のない二酸化炭素と水に分解し、生物圏に戻ります。これらの利点に基づいて、澱粉で表される多糖天然ポリマー化合物は、依然として分解性プラスチックの重要な部分です。