Конструкции на основе полимерных материалов стали неотъемлемой частью современной промышленности. Химические и физические свойства высокомолекулярных соединений способствуют их повсеместному использованию [1]. В рамках эксплуатации полимерных материалов требуемый срок службы может составлять несколько десятков лет. Потому исследование способов защиты полимерных материалов от старения является актуальным направлением химической науки.
Цель работы: знакомство с различными методами защиты полимерных материалов от старения.
Старение полимеров – это совокупность физических и химических превращений, происходящих при переработке, хранении и эксплуатации полимерного материала и приводящих к потере им комплекса необходимых свойств. Данный процесс сопровождается нарушением структуры и строения макромолекул. Деструкция – процесс разрушения полимера с разрывом связей макромолекул. Структурирование – процесс образования макромолекул из образовавшихся в результате деструкции осколков [2].
Основные причины, влияющие на разрушение полимерных материалов, – это окисление и биологическое воздействие.
Окисление и биологическое старение полимеров. Химическое взаимодействие полимера с кислородом, приводящее к его окислению, играет большую роль в процессе старения полимерного материала. Важнейшими факторами, влияющими на скорость окисления, являются температура, с которой связан процесс термоокислительного старения, отравление полимера металлами, а так же солнечный свет. Для защиты полимерных конструкций от ультрафиолета применяются различные лаки и эмали, снижающие воздействие солнечного света, либо полностью перекрывающие его доступ к полимерному материалу [3].
Биологическое старение полимеров обусловлено воздействием на материал микроорганизмов (биодеструкторов) – бактерий, грибков, а так же лишайников и водорослей. В процессе своей жизнедеятельности эти микроорганизмы способны выделять различные ферменты и продукты своей жизнедеятельности, приводящие к разрушению структуры полимера. На долю биологических воздействий приходится более 20 % от общего числа повреждений полимерных материалов, а так же изделий и сооружений из них.
Методы защиты от старения. Защита полимерных материалов от коррозии является комплексным процессом. Она может осуществляться на стадии производства полимера при добавлении антиоксидантов – веществ, ингибирующих процесс окисления. Антиоксиданты делятся на 2 группы: первичные и вторичные. Первичные защищают изделие весь срок службы. К ним относят вторичные ароматические амины и замещённые фенолы. Вторичные антиоксиданты изолируют полимер до его переработки в изделие (фосфиты и фосфониты, металлические соли дитиокарбаматов и дитиосульфатов, тиоэфиры) [4].
Одним из перспективных направлений химической промышленности является использование антиоксидантов, полученных из растительного сырья. Помимо малого токсического воздействия на человека, их производство практически не загрязняет окружающую среду. К примеру, для защиты от термоокисления используются меланины – природные конденсированные полимеры, для которых характерно устойчивое свободно-радикальное состояние [5].
В процессе эксплуатации противокоррозионная защита заключается в обработке полимерного материала пропитками либо покрытием эмалями. Для внешней защиты от окисления используются различные эмали. Эмали должны обладать низкой диффузной проницаемостью для того, чтобы не дать влаге извне взаимодействовать с защищаемым материалом. К таким эмалям относят, например, полиуретановые покрытия (эмали ФП-566, ВЭ-46, УР-1161 и др.), содержащие группу [–СОNН–R–NНСОО–R′–О—]n.
Для защиты от воздействия микроорганизмов (грибов, бактерий, водорослей) существует насколько различных путей: поддержание правильного температурного и влажностного режима, физические методы, а также химические средства. К физическим методам относится применение фильтров, электромагнитного, ультрафиолетового и радиоизлучения.
Наиболее эффективным химическим методом является внедрение в материал низкомолекулярных или полимерных биоцидов. Биоциды, использующиеся для уничтожения микроорганизмов, можно разделить на 2 группы: 1) фунгициды применяются для противогрибковой защиты материалов, главным образом от плесневых грибов; 2) бактерициды используются в качестве защиты от бактерий гнилостных, слизеобразующих и кислотообразующих.
Изначально в качестве добавок использовались биоциды, содержавшие олово, ртуть, свинец и мышьяк (например, триоксид мышьяка As2O3). Однако, позже от них отказались в пользу менее токсичных соединений на основе меди (8-оксихинолят меди C18H12CuN2O2) и цинка (хлорид цинка, двойные хромово-кислые соли цинка и калия, фосфат цинка, смесь фосфатов цинка и хрома, диметилдитиокарбамат цинка и др.). Механизм действия данных добавок заключается в способности проникать в клетку микроорганизма или накапливаться на ее поверхности, вызывая ингибирование ферментных систем бактерий или грибов [6].
Заключение. Невозможно назвать сферу нашей жизни, в которой бы не применялись полимерные материалы и изделия из них. В связи с этим защита полимеров от старения является актуальной задачей, требующей комплексного подхода. Факторы, влияющие на процесс разрушения высокомолекулярных соединений, различны по своей сути. Поэтому выбор методов защиты полимерных материалов от коррозии зависит от условий эксплуатации.