第四章橡胶的老化与防护课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章 橡胶的老化与防护,4.1 概述,各种高分子材料虽然都有着各自优异的特性，但也有着共同的缺点，也就是说都有着一定的使用期限，原因就是它们都会在不同程度上发生老化。,一橡胶老化的概念,橡胶或橡胶制品在加工、贮存和使用的过程中，由于受内、外因素的综合作用（如热、氧、臭氧、金属离子、电离辐射、光、机械力等）使性能逐渐下降，以至于最后丧失使用价值，这种现象称为橡胶的老化。,橡胶老化的现象多种多样，例如:生胶经久贮存时会变硬，变脆或者发粘；橡胶薄膜制品（如雨衣、雨布等）经过日晒雨淋后会变色，变脆以至破裂；在户外架设的电线、电缆，由于受大气作用会变硬，破裂，以至影响绝缘性；在仓库储存的或其他制品会发生龟裂；在实验室中的胶管会变硬或发粘等。此外，有些制品还会受到水解的作用而发生断裂或受到霉菌作用而导致破坏所有这些都是橡胶的老化现象。,老化过程是一种不可逆的化学反应，象其他化学反应一样，伴随着外观、结构和性能的变化。,第四章 橡胶的老化与防护,1,二橡胶在老化过程中所发生的变化,1外观变化,橡胶品种不同，使用条件不同，发生的变化也不同。,变软发粘,：天然橡胶的热氧化、氯醇橡胶的老化。,变硬变脆：顺丁橡胶的热氧老化，丁腈橡胶、丁苯橡胶的老化。,龟裂,：不饱和橡胶的臭氧老化、大部分橡胶的光氧老化、但龟裂形状不一样。,发霉：,橡胶的生物微生物老化。,另外还有：出现斑点、裂纹、喷霜、粉化泛白等现象。,二橡胶在老化过程中所发生的变化,2,2.性能变化(最关键的变化),物理化学性能的变化：比重、导热系数、玻璃化温度、熔点、折光率、溶解性、熔胀性、流变性、分子量、分子量分布；耐热、耐寒、透气、透水、透光等性能的变化。,物理机械性能的变化：拉伸强度、伸长率、冲击强度、弯曲强度、剪切强度、疲劳强度、弹性、耐磨性都下降。,电性能的变化：绝缘电阻、介电常数、介电损耗、击穿电压等电性能的变化、电绝缘性下降。,外观变化、性能变化产生的原因是结构变化。,3结构变化,分子间产生交联，分子量增大；外观表现变硬变脆。,分子链降解（断裂），分子量降低，外观表现变软变粘。,分子结构上发生其他变化：主链或侧链的改性，侧基脱落弱键断裂（发生在特种橡胶中）。,2.性能变化(最关键的变化),3,三橡胶老化的原因：,1,内因：,橡胶的分子结构,化学结构（或链节结构）：橡胶的基本结构如天然橡胶的单元异戊二烯，,存在双键及活泼氢原子，所以易参与反应。,分子链结构：橡胶大分子链的弱键，薄弱环节越多越易老化。,不饱和碳链橡胶容易发生老化，饱和碳链橡胶的氧化反应能力与其化学结构有关，如支化的大分子比线型的大分子更容易氧化。就氧化稳定性来说，各种取代基团按下列顺序排列： CHCH,2,CH,3,。,三橡胶老化的原因：,4,硫化胶交联结构：交联键有S、S,2,、S,x,、CC，交联键结构不同，,硫化胶耐老化性不同，S,x,最差。,橡胶配合组分及杂质：,橡胶中常存在变价金属，如Ca、Fe、Co、Ni等，若超过3ppm就会大大加快橡胶的老化。,2外因：,物理因素：热电光机械力高能辐射等。,化学因素：氧臭氧，空气中的水汽酸碱盐等。,硫化胶交联结构：交联键有S、S2、,5,生物因素：微生物：细菌真菌,昆虫：白蚁蟑螂会蛀食高分子材料。,海生物：牡蛎石灰虫海藻海草等,在实际中也往往是上述几个因素同时发挥作用。,使用条件、地区不同这些因素的作用也不同，因此橡胶的老化是个复杂的过程。,其中最常见的、影响最大、破坏性最强的因素是：热、氧、光氧、机械力、臭氧，归结起来就是热氧老化、光氧老化、臭氧老化、疲劳老化。,生物因素：微生物：细菌真菌,6,四橡胶老化的防护,橡胶老化和铁生锈，人要衰老一样自然，我们只能通过老化规律的研究利用规律延缓橡胶的老化，但不能做到绝对防止。常用的防护方法有：,物理防护法：,尽量避免橡胶与老化因素相互作用的方法。如：在橡胶中加入石蜡，橡塑共混，电镀，涂上涂料等。,化学防护法：,通过化学反应延缓橡胶老化反应继续进行。如：加入化学防老剂。,四橡胶老化的防护,7,五本章内容与要求,1,掌握橡胶烃及硫化胶的热氧老化机理及防护措施,。,2掌握橡胶的臭氧老化机理及防护方法。,3掌握橡胶的疲劳老化机理及防护方法。,4,掌握常用橡胶防老剂的作用特性及选用原则,。,5了解光氧老化机理及防护。,六主要参考书,1高分子材料的老化与防老化， 化工部合成材料老化研究所编（TQ311.乙1）,2聚合物的稳定化，美 W.L.霍金斯著，吕世光译。,O631.3.乙2. 轻工业出版社,3橡胶化学与物理 TQ33.乙7 朱敏主编 化工出版社,4橡胶化学,五本章内容与要求,8,4.2 橡胶的热氧老化与防护,橡胶老化最主要的因素是氧化作用，它使橡胶分子结构发生裂解或结构化，致使橡胶材料性能变坏，温度对氧化有很大影响。提高温度会加速橡胶氧化反应，特别是橡胶制品在高温下或动态下使用时，生热提高会发生显著的热氧化作用。,一橡胶烃的热氧化,4.2 橡胶的热氧老化与防护,9,1.热氧化机理,研究发现，橡胶热氧老化是一种链式的自由基反应。,自由基链式反应过程如下：,1.热氧化机理研究发现，橡胶热氧老化是一种链式的自由基反应,10,第四章橡胶的老化与防护课件,11,2.吸氧曲线与自催化氧化,橡胶等高聚物的物理性能的下降，,与吸氧量有密切的关系，所以常通过测定橡胶等的吸氧量与时间的关系来判断橡胶老化的程度。,通过吸氧量的测定，了解到高聚物的氧化反应一般有三个明显的阶段。如图中的B、C、D阶段。个别情况下，如含有填充剂的某些橡胶的吸氧曲线，还会出现A阶段。,A阶段,开始时吸氧速度很高，,但很快降到一个非常小的恒定值而进入B阶段，A阶段的影响因素很复杂，其吸氧量与全过程的吸氧量相比很小，对橡胶性质的变化来说影响也不大。,2.吸氧曲线与自催化氧化,12,B阶段为恒速阶段,，A-B可合称为诱导期，以比较小的恒定速度吸收氧化。,在此期间橡胶的性能虽有所下降，但不显著，是橡胶的使用期。,B阶段为恒速阶段，A-B可合称为诱导期,13,C阶段：自加速阶段（自催化反应阶段）,，,该阶段吸氧速度激烈增加，比诱导期大几个数量级，如用模拟化合物氧化时，因为氢过氧化物大量分解产生的自动催化过程完全相同，此时橡胶已深度氧化变质，丧失使用价值。,氢过氧化物量多，发生双分子分解反应。,C阶段：自加速阶段（自催化反应阶段），该,14,D阶段：,吸氧速度变慢，最后处于稳定期，橡胶反应的活性点没有了,，也就是说橡胶深度老化。,由吸氧曲线可见，吸氧的过程是时间的函数，且呈现出自动催化反应的S型曲线特征。所以说元素氧对橡胶等高聚物的氧化，称为自动氧化。它是一个自动催化过程。在其中作为主要反应产物的氢过氧化物分解，产生了游离基而开始了游离基链式反应，因此反应开始缓慢，当产生的氢过氧化物分解引起引发作用时，速度不断增加，直到最大值。然后当橡胶等被深度氧化而变性时，氧化速度缓慢下来。,D阶段：吸氧速度变慢，最后处于稳定期，橡胶,15,3.不饱和橡胶烃的热氧化特征,橡胶的自加速作用是不饱和橡胶氧化的特征之一，,为了全面把握橡胶的氧化特征，我们首先讨论不饱和橡胶的氧化特征。,所有的不饱和橡胶在热氧化过程中，因为橡胶品种的不同，都不同程度的产生自催化氧化作用。,这一特征可分为两类来讨论。,3.不饱和橡胶烃的热氧化特征,16,a.以NR、IR为主的橡胶在热氧化过程中，分子链降解，分子量下降,，并产生含有醛酮以及水等的低分子化合物；氧化的橡胶表面发粘、变软，氧可继续扩散氧化。,NR的氧化过程如下：,a.以NR、IR为主的橡胶在热氧化过程中，,17,由此可以看出，此过程为一链断裂过程。,第四章橡胶的老化与防护课件,18,b.以丁二烯均聚物或其他共聚的橡胶如,：,SBR、NBR一般认为在热氧化过程中，分子链的降解与交联两种反应同时存在，,无论哪一种含有丁二烯链节的聚合物或共混物，对氧化降解都是敏感的，这是因为各种丁二烯链节结构中都有不饱和键的存在。老化的初期降解占优势，到达反应后期，交联反应占优势。,b.以丁二烯均聚物或其他共聚的橡胶如：S,19,总起来说，以丁二烯均聚或其他单体共聚的橡胶，,如：SBR、NBR在热氧老化时以交联反应为主，,使橡胶表面层的交联密度显著增大，外观表现为变硬、变脆。,总起来说，以丁二烯均聚或其他单体共聚的橡胶，如：,20,第四章橡胶的老化与防护课件,21,1，2结构氧化降解机理不同,1，2结构氧化降解机理不同,22,其中烷氧基可以以下列方式断裂：,其中烷氧基可以以下列方式断裂：,23,4.饱和碳链橡胶和杂链橡胶的热氧老化特征,饱和碳链橡胶,因吸氧速度慢，有较好的耐氧化作用。其特征如下,a. 没有明显自催化作用（原因：饱和碳链橡胶的热氧化反应必须在较高的温度下才能进行，但这时产生的氢化过氧化物很快分解，不能发挥催化氧化作用）,b. 常常分子量下降，但由于化学结构不同，也常产生其他的异构化反应，或生成低分子挥发物（如：乙丙橡胶氧化后产生羟基，羧基或酮基基团）,4.饱和碳链橡胶和杂链橡胶的热氧老化特征,24,杂链橡胶的氧化特征,杂链橡胶的热氧化反应较慢，并且研究也较少，,但其热氧化过程仍具有链反应的特征，,且自催化作用也很不明显。,它除了具有链反应特征的裂解交联等一般规律外，还具有其他类型的反应。它的氧化反应温度比一般橡胶要高得多，在280以上开始有低分子挥发物产生，裂解产物经分析证明是一氧化碳、甲醛、甲醇等。,杂链橡胶的氧化特征,25,聚有机硅氧烷热氧化反应机理表述如下：,（）氧与接在硅原子上的甲基作用生成过氧化物,聚有机硅氧烷热氧化反应机理表述如下：,26,（ii）过氧化物迅速裂解生成甲醛和.OH基,（ii）过氧化物迅速裂解生成甲醛和.OH基,27,（iii）.OH基与大分子链上具有子电荷的硅原子结合，进而产生交联,（iii）.OH基与大分子链上具有子电荷的硅原子结合，进而产,28,二、影响橡胶热氧老化的因素,1橡胶种类的影响,橡胶的品种不同，耐热氧老化的程度不同，这主要是由于过氧自由基从橡胶分子链上夺取H的速度不同所造成的。活泼H的电子性质受分子链中的双键及取代基影响。,（1）双键的影响,橡胶分子链上存在着双键时，由于双键很活泼，容易发生加成或其它反应，同时由于双键的存在，影响到与双键相邻的-亚甲基上的氢原子特别活泼，容易被其它物质夺去，引起取代反应或形成大分子的游离基。因此，,含有大量双键的橡胶（即不饱和橡胶）如：NR、SBR、BR等都易于受氧的袭击而不耐老化。,二、影响橡胶热氧老化的因素,29,但是,双键所在位置不同，它们的活泼性也很大差别，,如：SBR中分布在乙烯基侧链上的不饱和端（即1,2-结构）常称为外双键，又比分布在主链上的双键（即1,4-结构，称为内双键）要稳定得多。从上图中可以看出，不饱和度很小的IIR要比高不饱和度的橡胶稳定得多。,但是双键所在位置不同，它们的活泼性也很大差,30,（2）双键取代基的影响,橡胶在氧化过程中，无论是受热光氧等的引发，还是链增长阶段的传递反应（ ）都牵涉到RH 的脱氢反应。,RH是电子给予体，脱氢难易受电子效应的影响，,因之也影响到橡胶老化的难易和速度。常见的极性和非极性橡胶中，这种电子效应的影响是较明显的。,（2）双键取代基的影响,31,a吸电子效应,CR的分子在它的双键处有一极性基团，即带负电的氯原子，因为氯原子分布在双键邻近，它吸引着双键的活泼的电子，这就降低了双键的活性，降低了双键的反应能力，,同时也降低了氢原子的活性，所以CR在温度不太高时氧化作用进行得较为缓慢，比较耐氧老化。,a吸电子效应,32,NBR虽然在分子结构中也含有负电性基（CN），但因为它不是直接分布在双键的碳原子上，所以它对双键的反应能力不能起到多大影响,。,b推电子效应,NR分子结构中双键的碳原子上有CH,3,基团，它是推电子的基团，由于CH,3,的存在及所处位置，就使得NR分子中的双键和-氢原子更加活泼，使NR更易与氧起作用，不耐氧老化。,NBR虽然在分子结构中也含有负电性基（C,33,（3）,位阻效应,无论是RH的脱氢还是活泼双键受到袭击，也还要受到它们在分子结构中所处位置的影响。如：聚乙烯基甲基醚和聚氧化丙烯是一对异构体，它们的叔氢原子有着相同的电子环境，但是聚氧化丙烯的氧化速度却比聚乙烯基甲基醚快3.5倍。,（3）位阻效应,34,聚苯乙烯有着庞大的侧基苯环，且又是刚性的，所以它能起到屏蔽主链，阻碍氧扩散的作用，即起到位阻效应，防碍氧袭击主链上的薄弱点，这也是PS较耐热养老化的主要原因之一,，而SBR由于侧基苯环较少，分布稀疏，不能起到有影响的为阻效应。,CR的侧基氯原子，也屏蔽着主链上的双键，加上氯原子的吸电子作用，使双键和a-亚甲基上的氢都较稳静，这也使得CR在不饱和橡胶中比较耐劳化。,聚苯乙烯有着庞大的侧基苯环，且又是刚性的,35,（4）橡胶的结晶性的影响,聚集态结构对热氧老化性也有影响，如在常温下古塔波胶的氧化反应性比NR低，,因为前者在室温下是结晶的，后者是非结晶的。,当聚合物产生结晶时，分子链在晶区内产生有序排列，使其活动性降低，聚合物的密度增大，氧在聚合物中的渗透率降低。因此聚合物的耐热氧老化性能随着结晶度及密度的提高而增大。,2。温度,在橡胶的热氧化中，热起了促进氧化的作用，因此,温度越高越易热氧老化。,（4）橡胶的结晶性的影响,36,3。氧的浓度,橡胶发生氧化，必须有足够的氧供给反应，研究表明：氧压高于100mmHg时，氧的浓度与热氧老化性无关。氧压低于100mmHg，或者橡胶的碳氢链非常活泼，或者在较高的温度下，氧化反应都与氧的浓度有关。,4。金属离子（也称变价金属离子）,在橡胶的合成及加工过程中，往往残留或混入一些变价,金属离子，它们对橡胶的氧化反应具有强烈的催化作用，能迅速使橡胶氧化破坏，尽管它们在橡胶中的含量很微小，但其破坏作用很惊人的,，这些重金属离子包括Cu、Co、Mn、Fe、Ni和Al等。它们对合成橡胶的催化氧化作用较NR稳定，对合成侧乙烯基较多的聚丁二烯橡胶来说，重金属催化氧化作用较为稳定，而含有极性基团的NBR，CR对重金属催化氧化作用的稳定性更大。,3。氧的浓度,37,重金属离子的催化氧化作用如下：,从上述反应看出，重金属离子有两个作用：,它既加速了氧化的引发反应，又催化氢化过氧化物分解成自由基。,重金属离子的催化氧化作用如下：,38,三、橡胶热氧老化的防护,前面已讲过，防止橡胶的老化具有重要的经济价值和使用价值。而有前面的讨论我们知道，橡胶的热氧老化是一种自由基链式反应，并且是一种由ROOH引起的自动催化氧化反应或由重金属离子引起的催化氧化反应。如果能设法阻止这种链反应的进行，或阻止催化氧化作用，就能延缓橡胶的老化。为此，,人们研制出了链终止型防老剂、破坏氢过氧化物型防老剂、重金属离子钝化剂等。,下面就它们的作用机理分别进行讨论。,三、橡胶热氧老化的防护,39,1。链终止型防老剂,这类防老剂的作用主要是与链增长自由基R或RO,2,反应，以终止链增长过程来减缓氧化反应,，该防老剂为,主要防老剂。,能够终止链增长过程的链终止型防老剂可与RO,2,（过氧自由基）反应，这类抗氧自由基与链增长自由基反应的方式有加成或偶合，有电子转移或最常见的氢转移。根据它们与自由基的作用方式不同又分为三类：,自由基捕捉体、电子给予体和氢给予体。,1。链终止型防老剂,40,自由基捕捉体型,凡是能够与自由基反应，所生成的产物不再引发氧化反应的物质称为自由基捕捉体（或自由基阱）如：醌类化合物。,稳定的二烷基氮氧化物自由基（R2，NO）如：二特丁基氮氧化物自由基（1）和2,2,6,6-四甲基-4-吡啶酮氮氧化物自由基（2）将这类物质加入到橡胶中，在橡胶中进行热氧化时，能够与R和RO2反应，生成稳定的分子产物，终止链增长。,另外需说明的是：炭黑的表面上有醌基和多核芳烃结构存在，它们能捕捉活性自由基，使动力学链终止,自由基捕捉体型,41,氢给予体型,在聚合物热氧稳定中，,最常见的抗氧剂是仲芳胺和受阻酚，,它们分别含有反应性的N-H或O-H官能团，能与聚合物争夺过氧自由基，通过氢转移使链增长反应终止，如防老剂用AH表示。,氢给予体型,42,氢给予体防老剂应具备的条件：,A.具有活泼的氢原子，而且比橡胶主链的氢原子更易脱出。,B.防老剂本身应较难被氧化。,C.防老剂的游离基活性要较小，以减少它对橡胶引发的可能性。又要有可能参与终止反应。,氢给予体防老剂应具备的条件：,43,2破坏氢化过氧化物性防老剂,从橡胶的自动氧化机理可以看到，大分子的氢过氧化物是引发氧化的游离基的主要来源,。所以只要能够破坏氢过氧化物，使它们不生成活性游离基，也能延缓自动催化的引发过程，,能起到这种作用的化合物又称为氢过氧化物分解剂,。又因为这类防老剂要等到氢过氧化物生成后才能发挥作用，所以一般不单独使用，而是与酚类等抗氧剂并用，因此称为辅助防老剂。,常见的破坏氢化过氧化物型防老剂有：长链脂肪族含硫脂和亚磷酸酯，此外还有硫醇和二烷基二硫代氨基甲酸盐等，它们的作用机理分别叙述如下：,2破坏氢化过氧化物性防老剂,44,二烷基硫化物,如：常用的DLIP,(硫代二丙酸二月桂酯）H,25,C,12,OOC-CH,2,CH,2,-S-CH,2,-CH,2,-COOC,12,H,25,的作用为：,该化合物在氧化过程中既破坏了氢过氧化物的积累，也破坏了其分解产物的引发作用，是引发氧化反应的活性中心大大减少，因此消弱了自催化过程。,二烷基硫化物,45,亚磷酸酯类,如：TNP（三壬基苯基亚磷酸酯）和TPP（三苯基亚磷酸酯）等。,亚磷酸酯类,46,二硫代有机酸盐和二硫代磷酸盐类,它们也是非常有效的氢过氧化物分解剂。,二硫代有机酸盐和二硫代磷酸盐类,47,这类化合物之所以效果显著是因为这些反应产物可以分别连续与多量的氢过氧化物再反应。,一克分子的二硫代氨基甲酸盐就能分解七克分子的氢过氧化物。,这类化合物之所以效果显著是因为这些反应产物,48,硫醇类化合物,这类化合物也可以促使ROOH分解。,2RSH+ROOHROH+RSSR+H,2,O,硫醇类化合物,49,3,金属离子钝化剂(辅助防老剂),微量的二价或三价以上的重金属离子如,Cu、Mn、Fe、Co等对橡胶的氧化具有强烈的催化作用,。这些变价金属离子常常加速破坏生胶和硫化胶。但他们的危害性在很达程度上取决于这些金属存在于什么样的化合物中。如硫酸盐中甚至很微量的Mn也是有害的，而Mn在碳酸盐中则危害较小。显然这是与这些物在橡胶中溶解与否有关。,这类钝化剂常是酰胺类、醛胺缩合物等,，他们能与酚类和胺类防老剂有效地并用。主要是铜抑制剂和铁抑制剂。最早使用的铜抑制剂是水杨醛和乙二胺缩合物水杨叉乙二胺，其它如己二胺和水杨醛、糠醛或肉桂醛的缩合物。酰胺类有苯甲酰肼等。,3金属离子钝化剂(辅助防老剂),50,这些,金属离子钝化剂的作用特点是:,1)能以最大配位数强烈地络合重金属离子,2)能降低重金属离子的氧化还原电位,3)所生成的新络合物必须难溶于橡胶,4)有大的位阻效应,这些金属离子钝化剂的作用特点是:,51,4防老剂并用的加和效应、对抗效应和协同效应,两种或两种以上防老剂并用，往往可以产生加和效应、协同效应或对抗效应。,对抗效应,设防老剂a单独使用时防护效果为A，防老剂b单独使用时防护效果为B，防老剂a与b并用时的效果为C，CAB。,两种防老剂并用时的防护效果小于单独使用时防护效果之和，即对抗效应，也就是一种防老剂对另外的防老剂产生有害影响的现象，,又称为“反协同效应”,4防老剂并用的加和效应、对抗效应和协同效应,52,加和效应,两种防老剂并用时的防护效果等于单独使用时防护效果之和，即C=A+B称为加和效应。,如：将链断裂型抗氧剂芳胺或酚类化合物与金属离子钝化剂；氧化过氧化物分解剂和紫外线吸收剂等预防型抗氧剂并用时，它能对聚合物起抗热氧和防止其光氧化的作用；如果再加入一种抗臭氧剂，则还应当提高聚合物的耐臭氧性。这里，这几种防老剂发挥了各自的加和特性；又如采用不同挥发度或不同空间位阻程度的两种酚类化合物并用时，可以在很宽广的范围内，发挥它们抗氧化的加和效果。有时在配方中使用一种高浓度抗氧剂时，会引起氧化强化效应(助氧化效应)，而当采用几种低浓度的抗氧剂并用时，即可以避免氧化强化效应，又可以发挥加和的抗氧作用。,加和效应,53,协同效应,当抗氧剂并用时，它们的总效能超过它们各自单独使用的加和效能时，称为协同效应或超加和效应，,协同效应又分为均匀性协同效应和非均匀性协同效应（杂协同效应）。,A,均协同效应,指几种稳定机理相同，但活性不同的抗氧剂并用时所产生的协同效应。,如：两种活性不同的防老剂并用时，其中高活性防老剂给出氢原子，捕捉自由基终止活性链，而低活性的防老剂可以供给高活性的防老剂氢原子使之再生，结果也提高了并用效果。,协同效应,54,下列反应式,表示不同取代酚并用时的协同机理:,下列反应式表示不同取代酚并用时的协同机理:,55,B杂协同效应,指几种稳定机理不同的抗氧剂并用时产生的协同效应，如终止链反应型防老剂与破坏氢化过氧化物型防老剂的并用。,由于破坏氢化过氧化物型防老剂在反应过程中破坏了氢化过氧化物，使体系中难于生成引发反应的自由基，以至于减缓了链增长反应，因此减少了终止链反应型防老剂的消耗。同时，终止链反应型防老剂能够减少反应过程氢化过氧化物的生成量，从而又减少了破坏氢化过氧化物型防老剂的消耗，实现两者的相互保存。,B杂协同效应,56,另外，,有些化合物在单独使用时没有抗氧效能，但它是一个再生体，可以和其它抗氧剂配合使用，发挥协同作用,，如阻碍酚和磷酸酯的协同效应：,另外，有些化合物在单独使用时没有抗氧效能，,57,C,自协同效应,对于同一分子具有两种或两种以上的稳定机理者，常称自协同效应。,如某些胺类抗氧剂还具有金属离子钝化剂的作用；二烷基二硫代氨基甲酸盐生物，即使过氧化物分解剂，又是金属离子钝化剂；炭黑即是游离基抑制剂，也是光屏蔽剂。,此外，抗氧剂和紫外光吸收剂，炭黑和含硫抗氧剂并用时，都可以产生协同效应。,C自协同效应,58,四硫化胶的热氧老化,1硫化胶的热氧化与其橡胶烃热氧化的比较,硫化胶比其橡胶烃耐热氧化,原,因：a.橡胶硫化后，由于硫化反应是橡胶网构中能与氧反应的部位（双键或一次甲基氢）越来越少,由于硫化胶呈网状结构，随网构密度增大，分子运动性降低，氧扩散困难，热氧化性小,。,橡胶烃所发生的热氧化反应及其特征，在其硫化胶中同样发生。,交联结构及其硫化网外物对其热氧化要产生影响,四硫化胶的热氧老化,59,2不同交联键对热氧化的影响,从图中可以看出，单硫和双硫交联结构的硫化胶具有较好的耐氧化作用，而多硫交联的耐氧化作用最差。,交联硫键是在氢过氧化物或过氧化物游离基存在下被氧化的，不同的交联键作用如下：,a单硫键的作用：,2不同交联键对热氧化的影响,60,在无氧化情况下，次磺酸的两个分子合并，可部分的恢复被破坏的交联键。,在无氧化情况下，次磺酸的两个分子合并，可,61,b双硫交联键,双硫交联键在相同条件下也与氢过氧化物作用生成硫代次磺酸盐，在过氧化物存在下将继续进行游离基的再分配，以及产生交联键的交换，,这种情况若是在应力作用下，就将导致硫化胶的蠕变和永久变形。,b双硫交联键,62,c多硫交联键,多硫交联键的氧化作用认为多硫交联键分裂出自由基，然后引发自动氧化的过程。,多硫交联键的研究早已受到各方面的注意，但还不能完全了解多硫交联键在氧化时的变化规律，特别是氧化机理。,c多硫交联键,63,3硫化胶网外物对热氧化的影响,网外硫化物比硫键更易与氢过氧化物反应，从而防护了硫化胶。好的耐老化性与环状硫化物有关。,未经抽提的TMTD无硫硫化胶的耐老化性能较好，是由于促进剂秋兰姆与氧化锌相作用生成四甲基二硫代氨基氨基甲酸锌（ZDNC），它起着强烈的钝化氢过氧化物的抗氧剂作用，未经抽提的TMTD硫化胶中有相当数量的ZNDC存在，所以很耐老化。TMTD无硫硫化胶经过热丙酮抽提8小时后，胶中所含ZMDC被抽提出来，这种硫化胶就不是耐老化的硫化胶。不仅ZNDC是良好的氢过氧化物分解剂，其它许多金属的二烷基二硫代氨基甲酸盐，如镉盐、铅盐、铜盐、铋盐等也都有良好的抗氧性能，甚至比锌盐的抗氧效果还要好许多。,根据以上所述，在理论上可引出借助网外物质防护硫化胶的实用体系如：借助交联键外的硫化物除去过氧化物，在这一反应中，过氧化氢与网外硫化物的反应较之于硫键反应更快，从而防护了硫化胶。,3硫化胶网外物对热氧化的影响,64,4.3 橡胶的光氧老化与防护,日光有很高的能量，橡胶吸收光子后被激发，生成游离基,，且橡胶的氢过氧化物吸收光子生成过氧化自由基，由光子所引发的反应如下:,4.3 橡胶的光氧老化与防护,65,以后即开始链的增长与终止反应，若在无氧状态下进行光化学反应，称为光老化。一般只限于表面层，表面开始发粘，后来变脆、变色或增厚，并生成无规则裂纹。,太阳光对聚合物材料的危害作用是紫外光和氧参与下的一系列复杂反应所造成的。,高分子材料受紫外光照射会发生光降解，波长290-400m的紫外光具有很高的能量,，如290-350m波长的紫外光，能量达97-82kcal/g分子，它足以切断有机物的化学键，所以这一过程被称为光氧化降解。,以后即开始链的增长与终止反应，若在无氧状态,66,一光氧化降解的影响,聚合物在含氧环境中受紫外光照射后会发生各种物理变化。虽然在早期阶段人们很难察觉出这种光氧化作用，但实际上，聚合物的细微化学变化确实一直不停的缓慢积累着，以致最后产生明显的物理效应，如变色、表面龟裂、机械性能和电气性能的恶化等。,1机械性能和光学性能,PS的氧化降解能引起颜色变黄，而PVC光降能的颜色变化则由黄红棕色。,伴随着光化学变化的发生，常有表面龟裂和脆化现象出现，致使韧性和拉伸强度剧烈下降，以致最后机械性能破坏。,一光氧化降解的影响,67,2化学变化,光氧老化经常引起聚合物的断裂或交联，并伴随着形成一些含氧官能团，如酮、羧酸、过氧化物和醇。,3电气性能,聚烯烃及其它许多聚合物都具有良好的电气性能，被广泛用作绝缘材料。但是由于光氧化能导致极性基团的的积累，聚合物的介电常数和表面电阻率会产生剧烈变化，最后造成电气性能的破坏。,2化学变化,68,二光氧化机理,橡胶在紫外线照射下，引起光活化作用，使大分子发生光引发的氧化链反应:,二光氧化机理,69,三光氧老化的防护,在实践中，通常是采用添加稳定剂的方法来阻止聚合物的光氧化。,常用的光稳定剂有三大类：光屏蔽剂、紫外线吸收剂和猝灭剂。,1,光屏蔽剂,：,能在聚合物与光辐射源之间起到屏蔽作用的物质。,功能：在有害的光辐射源到达聚合物表面之前将其吸收，限制其穿透到聚合物体内。,光屏蔽剂包括外部涂层如油漆，聚合物内渗出的防护性膜，以及各种助剂，主要是颜料，它分散于整个聚合物之中。,炭黑和其它一些颜料虽然通过分在光屏蔽剂类，但它们也能吸收有害的光辐射。严格地说，只有颜料的外部涂层才能算是光屏蔽剂，而在聚合物内部的颜料主要是靠吸收光发挥防护作用。,三光氧老化的防护,70,2,紫外光吸收剂,功能：在于吸收并消散能引发聚合物降解的紫外线辐射。,它能有选择地强烈吸收紫外线，并把被吸收的能量转变成热能或次级辐射（萤光）消散出去，它本身不会因吸收紫外线而发生化学变化。因而使材料避免与紫外线直接作用，从而免于遭受紫外线的破坏，起了保护材料的作用。紫外光吸收剂按其结构不同可分为如下几种：,邻羟基二苯甲酮类、水杨酸酯类、邻羟基苯并三唑类,2紫外光吸收剂,71,a,邻羟基二苯甲酮类,在羰基的邻位必须含有一个羟基，羰基和羟基之间形成羟基螯合环，这类化合物具有羟类吸收紫外线的特征。,化合物当受光照吸收能量后就发生螯合环开环，当它将所吸收的能量以其它无害能量转移时，如转化为热能，螯合环又闭环。所以如果形成的氢键越稳定，则开环所需的能量越多，因此传递给高分子材料的能量就越少，光稳定效果越佳。,a邻羟基二苯甲酮类,72,如果在羰基邻位不含羟基，该化合物虽然也有吸收紫外线的能力，但它受光照后会引起自身分解，故不适宜作紫外线吸收剂。,这类紫外线吸收剂常用的品种有：UV-9、UV-24、UV-531、DOBP等。,如果在羰基邻位不含羟基，该化合物虽然也有,73,b,水杨酸酯类,常称为先驱型紫外线吸收剂。这类化合物含有酚基芳酯的结构，它本身起初并不能吸收紫外线，但经光照后其分子内部发生重排，生成二苯甲酮结构，从而强烈的吸收紫外线。,这类紫外线吸收剂的生产工艺比二苯酮类简单，且原料易得，价廉，与高分子材料的相容性好，无味低毒。适合用于PVC、聚烯烃、聚氨酯、聚酯、纤维素酯和合成橡胶及油漆中。,这类紫外线吸收剂常用品种有：TBS、OPS、BAD、Salol等。,b水杨酸酯类,74,c,邻羟基苯并三唑类,在这类化合物中，羟基和三唑环之间形成氢键，可将激发能量转移。,这类紫外光吸收剂用量少（添加量0.01-0.1phr），而效果非常优良，有宽广的吸收范围，能强烈地吸收300-385m的紫外光，几乎不吸收可见光，而且它们热稳定性高，挥发性小，常用的品种有：UV-P，UV-327，UV-326等。其中UV-327和UV-326是最主要的品种，它们广泛用于聚烯烃、聚碳酸酯、聚酯、ABS以及涂料中，但目前价格较贵。,c邻羟基苯并三唑类,75,3.,紫外光猝灭剂,这类化合物的稳定作用主要不在于吸收紫外线，而是通过分子间的作用把能量转移掉。,即能够在瞬间把受到紫外光照射后处于激发态分子的激发能转移，使分子再回到稳定的基态，因而避免了高聚物的光氧老化。这种猝灭作用可有两种形式进行。,a激发态分子将能量转移给一个非反应性的猝灭剂分子。,3.紫外光猝灭剂,76,b,激发态分子与猝灭剂形成激发态的络合物，该络合物再经过其他光物理过程如发射萤光、内部转变等将能量消散。,b激发态分子与猝灭剂形成激发态的络合物，该络合物再经过其他,77,目前用得最广泛的猝灭剂是二价镍的络合物或盐，如硫代烷基酚镍络合物、二硫代氨基甲酸镍盐、磷酸单酯镍络合物、硫代酚氧基肟的镍络合物等。这些镍络合物多是带有绿色或浅绿色，常用的品种有：AM-101，2002，NBC，UV-1084等。这类光稳定剂特别适用于纤维和薄膜制品，很少用于厚制品。,上述各类光稳定剂都有各自不同的作用机理，在实际应用中，常常是两种或几种不同作用原理的光稳定剂合并使用。,可以取长补短，得到增效光稳定剂。如将几种紫外线吸收剂符合使用其效果比单一时有很大提高；有紫外线吸收剂长于猝灭剂并用，光稳定效果显著提高，因为紫外线吸收剂不可能把有害的紫外线全部吸收掉，这时猝灭剂可消除这部份未被吸收的紫外线对材料的破坏。,目前用得最广泛的猝灭剂是二价镍的络合物或盐,78,