Стабилизация полимеров

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ (от лат. stabilis-устойчивый), совокупность методов, применяемых для сохранения комплекса св-в полимеров и полимерных материалов в условиях их переработки, хранения и эксплуатации. Часто стабилизацию называют ингибированием. Осн. способ стабилизации полимеров-введение стабилизаторов-спец. в-в, к-рые снижают скорости хим. процессов, приводящих к старению полимеров. Применение стабилизаторов замедляет старение полимеров в неск., а иногда в сотни и тысячи раз.

В зависимости от природы агрессивных агентов (О₂,О₃ и др.) или физ.-хим. факторов (свет, ионизирующее излучение и т. п.), обусловливающих старение полимеров и полимерных материалов, стабилизаторы называют антиокси-дантами, антиозонантами, светостабилизаторами, антирадами и т.д.

По механизму стабилизации полимеров можно выделить цепную (см. Цепные реакции)и нецепную стабилизацию. Первая связана с дезактивацией активных центров цепного процесса (цепное инги-бирование), вторая-с дезактивацией в-в, участвующих в любых р-циях в полимере, приводящих к его старению (нецепное ингибирование).

К цепной относится стабилизация полимеров при их термоокислит. деструкции при т-рах, не превышающих 250-300 °С. В этих случаях стабилизаторы (ингибиторы) InH обрывают цепи окисления, взаимодействуя с радикалами RO^•₂ и R^• и образуя малоактивные радикалы In^•, напр.: RO^•₂ + InH : : ROOH + In^•. Однако при повыш. т-рах радикалы In^• становятся более активными и могут участвовать в процессах, приводящих к инициированию деструкции. Кроме того, в этих условиях возможен интенсивный распад гидроперо-ксидов ROOH с образованием активных радикалов (вырожденное разветвление) и ускорение др. нежелат. элементарных стадий окисления.

При термоокислит. старении твердых полимеров лимитирующей стадией процесса иногда становится микродиффузия молекул InH, что может привести к заметному снижению эффективности стабилизации полимеров. Поэтому часто бывает нецелесообразно применять высокомол. стабилизаторы, к-рые мало подвижны и с трудом равномерно смешиваются с полимером.

Ингибиторами термоокислит. деструкции являются фенолы, нафтолы, аминофенолы и др. соед. с подвижным атомом водорода, причем эффективность этих в-в существенно зависит от их хим. строения, в частности от наличия заместителей в ароматич. ядре. Примеры высокоактивных ингибиторов-пространственно-затрудненные фенолы типа 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола (ионол) и ароматич. амины типа N-фенил-2-нафтиламина (неозон-Д). Эти стабилизаторы наиб. эффективны для полиолефинов.

Активными стабилизаторами, реагирующими с алкиль-ными радикалами R^•, являются нитроксильные радикалы.

Их можно использовать для предотвращения старенияполимеров при недостатке кислорода. На практике удобно применять в-ва (напр., тетраметилпиперидины), из к-рых в условиях фото- и термостарения полимера генерируются нитроксильные радикалы по схеме:

Нитроксильные радикалы могут многократно обрывать цепи благодаря их регенерации при чередовании р-ций:

Кроме того, гидропероксидные группы в полимере распадаются с образованием Н₂О₂, к-рый также вызывает цикл регенерации нитроксильного радикала.

Др. тип стабилизаторов -соед., быстро реагирующие с продуктами окисления-гидропероксидами, к-рые являются разветвляющими агентами. В результате таких р-ций не должны образовываться активные радикалы. Примеры таких стабилизаторов-сульфиды и эфиры фосфористой к-ты (фосфиты). Обрыв цепей ароматич. фосфитами может происходить по схеме:

(АrО^•- неактивный феноксильный радикал). Фосфиты и сульфиды могут быстро расходоваться при стабилизации полимеров вследствие их собственного окисления. Предотвратить это можно путем добавления в полимер фенола (или амина), к-рый замедляет окисление как полимера, так и фосфита. При использовании смесей фенолов и аминов с фосфитами и сульфидами обычно наблюдается заметный синергич. эффект (см. ниже). К в-вам, разрушающим гидропероксидные группировки на макромолекулах, относятся, напр., полигард [трис(4-нонилфенил)фосфит)] и дилаурилтиодипропи-онат. Восстановителями гидропероксидов являются также амины, селеноэфиры и др.

Нецепная стабилизация полимеров может быть достигнута удалением из полимера агентов, к-рые участвуют в р-циях, приводящих к его старению. В случае цепных процессов разрушения полимеров необходима дезактивация в-в, инициирующих зарождение цепей (кислорода, инициирующих примесей и т. п.) или участвующих, в р-циях их продолжения. Наилучшими способами устранения влияния вредных примесей (остатки инициаторов полимеризации, следы катализато-ров, продукты коррозии аппаратуры, продукты деструкции полимера) является очистка от них полимера или связывание их в стабильные комплексы. Примером последнего способа стабилизации полимеров может служить образование металлами-катализаторами неактивных комплексных соед. с этилендиамин-тетрауксусной к-той, к-рая является нецепным ингибитором.

Удаление О₂, Н₂О, НС1 из полимера или его расплава возможно путем введения т. наз. акцепторов. Использование последних целесообразно в условиях, когда концентрация активных агентов низка и когда ингибиторы цепного типа становятся неэффективными (обычно при повыш. т-рах).

При окислит. деструкции стабилизация полимеров достигается при выполнении условия (критерия):

где-скорость р-ции связывания кислорода акцептором с образованием инертного продукта,-суммарная скорость процессов окисления полимера. Выполнение этого критерия достаточно для эффективной стабилизации полимеров при переработке. Однако при эксплуатации изделий необходимо учитывать их форму и габариты. В простейшем случае для изделий в форме пластины (при выполнении упомянутого критерия) справедливо ур-ние

т = kL²[Z]₀/(Do₂[O₂]₀) + т',

где т-продолжительность сохранения изделием заданного комплекса св-в в присут. акцептора Z, т'-аналогичная величина для изделия, не Содержащего акцептор (т'т), k-константа, L-толщина пластины,-коэф. диффузии кислорода, [О₂]₀-р-римость последнего в полимере. Из этого ур-ния следует, что эффективная стабилизация полимеров при использовании акцепторов м. б. достигнута только для крупногабаритных или малопроницаемых для О₂ систем (трубы и крупные детали из наполненных полиолефинов г т.п.). Стабилизация же полимерных пленок в этом случае кратко-временна и, следовательно, неэффективна. Однако, если полимер (или введенная в него добавка) проявляет св-ва восстановителя, возможна регенерация акцептора, приводящая к заметному увеличению величины т.

Примерами акцепторов кислорода, используемых для стабилизации полиолефинов, полисилоксанов и др. полимеров, служат мелкодисперсные металлы переменной валентности и их низшие оксиды-Fe, FeO, Ni, Си и др. Для стабилизации поливинилхлорида в качестве акцепторов НС1 используют основные и средние соли свинца, оловоорг. соединения и др. Полиэфиры, полиамиды, полиарилаты предохраняют от вредного влияния влаги с помощью карбодиимидов, в частности дифенилкарбодиимидов ArN=C=NAr. Акцепторами могут служить также антио-зонанты. При этом длительность стабилизации полимеров значительна даже в пленках полимеров, т. к. концентрации озона в атмосфере низки, и антиозонант расходуется медленно.

Генерация и регенерация стабилизаторов в полимере часто повышает эффективность стабилизации. Так, ароматич. фосфиты, легко гидролизуясь, образуют эффективные стабилизаторы-фенолы. Иногда ингибиторы могут вырабатываться при окислении самих полимеров. Известны примеры генерирования акцепторов кислорода в полимерах при распаде формиатов и оксалатов переходных металлов. Так, формиаты и оксалаты железа распадаются с образованием активных FeO и Fe; причем при разложении формиатов кол-во Fe в продуктах р-ции заметно выше, чем при распаде оксалатов. Регенерация стабилизаторов наблюдается во мн. жидкофазных системах при окислении по цепному механизму, в частности в присут. ионола, фенозанов и др. фенолов. Высокоэффективная регенерация наблюдается для нитро-ксильных радикалов при термоокислит. деструкции нек-рых полиолефинов. Обнаружена также регенерация акцепторов кислорода в присут. фенолов, аскорбиновой к-ты и др. восстановителей. Это позволяет использовать малые концентрации стабилизатора-акцептора и увеличивать его эффективность.

Стабилизация полимеров иногда достигается за счет изменения надмолекулярной структуры полимера (т. наз. структурная стабилизация). Она м. б. осуществлена с помощью добавок, изменяющих структуру полимера, путем мех. воздействия (ориентация) и с помощью термич. обработки материала, как, напр., в случае феноло-формальд. смол.

Особое значение при стабилизации полимеров имеет синергизм, к-рый заключается в том, что защитное стабилизирующее действие смеси в-в превышает аддитивный эффект защитного действия индивидуальных компонентов (в концентрациях, равных суммарной концентрации всех стабилизаторов). Синергизм можно характеризовать разными способами. В частности, синергии. эффект определяют как превышение периода индукции окисления в присут. смеси в-в над периодом индукции в присут. наиб. эффективного компонента, взятого в концентрации, равной суммарной концентрации смеси. Одно из важных условий синергизма - непрерывная регенерация стабилизатора (ингибитора). Значит. синергич. эффекты наблюдаются при использовании смесей аминов и фенолов (напр., смеси неозона-Д и 2,6-ди-трет-бутилфенола), фенилзамещенных фенолов и сульфидов, оксида железа (акцептора кислорода) и аскорбиновой к-ты, а также в системах, когда один компонент разрушает гидропероксиды без образования радикалов, а другой - обрывает цепи. Примерами стабилизирующих систем последнего типа служат смеси аминов и фенолов с сульфидами и фосфитами.

Особое место занимает стабилизация полимеров от действия света. Применяемые для этого светостабилизаторы поглощают фотохимически активные компоненты солнечного света, дезактивируют возбужденные молекулы, поглотившие квант света (тушение возбужденных состояний) или замедляют т. наз. темновые р-ции, инициируемые светом. Применяют также светостабилизаторы, дезактивирующие фотохимически активные примеси и продукты фотопревращений. Напр., сажа поглощает фотохимически активный свет, тушит возбужденные состояния полимера и примесей, ингибирует темновые р-ции.

Знание механизма стабилизации полимеров позволяет прогнозировать и определять продолжительность надежной эксплуатации полимерных материалов, правильно выбирать способы введения стабилизаторов. Стабилизаторы можно вводить в поли-меры на стадии их синтеза, переработки или в готовое изделие. В последнем случае стабилизатор, нанесенный на пов-сть изделия, раств. в нем, напр. при нагревании.

Большинство полимерных материалов можно стабилизировать разл. способами. Однако в ряде случаев, напр. при стабилизации каучуков и резин, необходимо выбирать определенные приемы в зависимости от структуры вулканизац. сетки, от проницаемости по отношению к агрессивным агентам и т.п.

Лит.: Фойгт И., Стабилизация синтетических полимеров против действия света и тепла, пер. с нем., Л., 1972; Гладышев Г. П., Ершов Ю. А., Шустова О. А., Стабилизация термостойких полимеров, М., 1979; Шля-пинтох В. Я., Фотохимические превращения и стабилизация полимеров, М., 1979; Пиотровский К. Б., Тарасова 3. Н., Старение и стабилизация синтетических каучуков и вулканизаторов, М., 1980; Эмануэль Н. М., Буча-ченко А. Л., Химическая физика старения и стабилизации полимеров, М., 1982; Шляпников Ю. А., Кирюгакин С. Г., Марьин А. П., Антиокислительная стабилизация полимеров, М., 1986; Грасси Н., Скотт Дж., Деструкция и стабилизация полимеров, пер. с англ., М., 1988; Gladyshev G. P., Vasne-tsova О. А., Developments in polymer stabilisation, v. 6, L.-N. Y., 1983, p. 295-334.

Г. П. Гладышев.