紫外線吸收劑、光穩(wěn)定劑機理以及對材料的保護-上海納塑合金科技有限公司

時間：2020-04-09

塑料放在室外被日曬雨淋就會出現黃變、褪色、粉化、龜裂等現象，我們稱之為光老化。光老化的途徑， 其實與熱老化差不多，差別只在熱源。光老化的熱源來自陽光中的紫外線，而熱老化則是加熱造成的。 

 

紫外線是指波長在 10 nm 至 400 nm 之間的電磁波 ( 可見光是 400 nm 到 700 nm)，** 280 nm 的 紫外線不存在于空氣中，因為被臭氧層擋掉，而** 400 nm 的可見光能量太小，不足以破壞塑料 ( 但 可以破壞某些染 / 顏料 )。所以要抑制光老化就是要對付 280-400 nm 這段紫外線。 幾乎跟熱老化的自發(fā)氧化循環(huán)機理一模一樣。首先是塑料碳鏈上，一些不穩(wěn)定的碳鍵結被光的能量激發(fā)而斷裂，形成碳自由基。然后就進入自由基氧化循環(huán)。光老化跟熱老化較大的不同是光老化慢 ( 低溫 ) 而熱老化快 ( 高溫 )。為抑制光老化，現已開發(fā)四項方法，分別是：以下就將主流產品紫外線吸收劑及受阻胺光穩(wěn)定劑做較詳盡的介紹。 

 

一、紫外線吸收劑


把 280-400 nm 的紫外線吸收掉，直接把激發(fā)的能量拿掉 ( 好像停止加熱 )，使其沒有能量進行氧化循環(huán)，這是光老化的**道防線，也是較  有效的一道。 顧名思義，紫外線吸收劑就是用來吸收紫外線，但僅這樣還不夠，因為顏料，如鈦白、碳黑，甚至一些填料如滑石 (Talc)，也都會吸收紫外線，所以要能夠快速地把吸收的光能轉換成無害的熱能，然后再繼續(xù)吸光的才叫紫外線吸收劑。然而，成為優(yōu)秀的紫外線吸收劑它對熱老化也同樣重要。紫外線吸收劑作用理論是，吸收光能量后，分子結構轉換成激發(fā)態(tài)，然后經由分子共振消耗吸收的能量回到原來狀態(tài)，并開始再吸收光能量。 

紫外線吸收劑的的選用，主要是考慮下列幾項因素：
 a ) 兼容性
 b) 光壽命
 c ) 底色
 d) 酸堿性
 e ) 與其他添加劑的相互作用
 f ) 熱安定劑
 g) 價格
 f ) 有效添加量 

 

二、紫外光屏蔽劑


把紫外線屏蔽掉讓其不至于影響塑料。常見的光屏蔽劑，就是一般顏料或填料，它們必須加到 5%以上才看得出效果，會影響物性及外觀，所以并不常用。另一種是透明的光屏蔽劑，千分之一的用量就可以把紫外線全部濾掉，不過這種能力主要用來保護塑料產品。 可以遮蔽或反射紫外線，像是鈦白、碳黑、滑石、氧化鋅，它們的優(yōu)點是壽命很長，吸收的光譜很寬，價格便宜，所以能使用它們就盡量使用它們，其他光保護劑就不用加。但是它們的缺點是效率不高、不透明，所以就有透明的光屏劑研發(fā)出來，不過諷刺的是它們反而不是用來保護塑料，而是塑料內裝的東西，如食物的營養(yǎng)素、色素。**支透明的光屏蔽劑即 塑料瓶內一些營養(yǎng)素，如維生素 A、兒茶素、β- 胡蘿卜素、不飽和油脂、胺基酸，或是避免某些對紫外線敏感的色素遭到破壞。前者的用途較常被用到機能飲料，如運動飲料，后者像是清潔用品的包裝。

三、受阻胺光穩(wěn)定劑 

 

如果沒有辦法靠紫外線吸收劑發(fā)揮功效，例如兼容性不佳或是應用產品太薄，那就要靠*二道防線來亡羊補牢。這次是啟動捕捉自由基方式，而負責此防線的就是受阻胺光穩(wěn)定劑。一般而言，其效果較紫外線吸收劑差，但對于某些塑料如聚烯烴，因為兼容性佳，效果比紫外線吸收劑還佳。 80 年代初受阻胺光穩(wěn)定劑 770(42) 問市，六圓環(huán)的氮兩旁被四個保護。由于它的雪白顏色，加上優(yōu)異的光保護效果，馬上就在塑料業(yè)界被廣泛使用在戶外應用。在接下來的三十多年中，陸陸續(xù)續(xù)新進者又開發(fā)出液態(tài)型、胺型、大分子型及耐酸性型等各式各樣的受阻胺產品。光穩(wěn)定劑主要是保護光澤度 (gloss)、拉伸受自由基破壞的物性，對顏色保護的提升較小。以 PP 為例，如果沒有加任何光穩(wěn)定劑，紫外線照 100 小時就會脆化，而加了 0.2% 光穩(wěn)定劑，就可以耐到 1,000 小時以上。


受阻胺與紫外線吸收劑搭配使用可以得到巨大的協(xié)同效應，所以能合并使用，且通常會合并使用，如之前介紹的 Chiguard? HP-1011。目前受阻胺較大的應用是在聚烯烴類產品，因為在此應用它們有非常好的兼容性，只要加上 0.2-0.5%，不會增加多少成本，就可以大幅增加其的戶外光牢度。選用受阻胺重要的就是要知道應用的材質、添加劑以及厚度。比如說，如果是薄型應用 ( 即薄件 ) 如膜 (film)、纖維 (fiber) 則建議以大分子的受阻胺；如果是厚件應用 ( 即厚件 )，則建議以小分子為主。這是因為受阻胺要發(fā)揮作用必須先啟動，而啟動的來源是過氧化物，而過氧化物都是在表面有接觸光及氧氣的地方比較密集。所以在塑料內遷移是一個對受阻胺很重要的特性，小分子遷移快，很快就到表面了，很快就發(fā)揮效果，特別適合厚件，但有可能跑到表面外面，而形成一些副作用，例如造成漆脫落或被雨水洗走。而大分子受阻胺遷移慢，用到厚件，不知何時才能跑到表面啟動。但如果是用于薄件，如薄膜，則滲透到塑料中的氧氣就可以啟動受阻胺。那這時候，大分子的優(yōu)勢就出來了，就是不會跑出表面外層造成副作用。不過不同的大分子受阻胺之間，其實也有差別，較大不同之處是分子量分布。如果分子量分布廣，那就會有含有小分子以及**大分子受阻胺其中小分子部分會造成遷移問題，而**大分子會影響流動性及色相問題。


受阻胺的作用基理，過去三十年，也被許多學者研究過 ( 注 )，大致上已確認它是經過一個 Denisov 循環(huán)機制如圖十六。在這機理中，受阻胺首先會被過氧化物活化變成次 (Nitroxyl) 這個自由基，由于立體障礙，雖然它是自由基，但它的壽命很長，在常溫甚至可以單離。 Nitroxyl 能有效淬滅在光氧化途徑中生成的各式自由基，就像是一級抗氧劑 ( 事實上它也常被用做低溫長效抗氧劑 )。不過如果只是一級抗氧劑，就沒有什么了不起。這產品的特色就是能夠再生，會重復作用，而不是一次性產品。了解更多助劑請登錄。


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