Стабилизаторы полимеров ( британский английский : polymer stabilisers ) — это химические добавки, которые могут добавляться к полимерным материалам для ингибирования или замедления их деградации. В основном они защищают пластиковые и резиновые изделия от нагрева, окисления и ультрафиолетового излучения. Наибольшее количество стабилизаторов используется для поливинилхлорида (ПВХ), поскольку производство и обработка этого типа пластика были бы невозможны без стабилизирующих химикатов. [1] Обычные процессы деградации полимеров включают окисление , УФ-повреждение , термическую деградацию , озонолиз , их комбинации, такие как фотоокисление , а также реакции с остатками катализатора , красителями или примесями. [1] [2] Все они разрушают полимер на химическом уровне посредством разрыва цепи , неконтролируемой рекомбинации и сшивания , что отрицательно влияет на многие ключевые свойства, такие как прочность, пластичность , внешний вид и цвет.
Стабилизаторы используются на всех этапах жизненного цикла полимера. Они позволяют производить пластиковые изделия быстрее и с меньшим количеством дефектов, продлевают срок их службы и облегчают их переработку. [1] Однако они также продолжают стабилизировать отходы пластика , заставляя их дольше оставаться в окружающей среде. Существует много различных типов пластика, и каждый из них может быть уязвим к нескольким типам деградации, что обычно приводит к использованию нескольких различных стабилизаторов в сочетании. Даже для предметов, изготовленных из одного и того же типа пластика, различные области применения могут иметь разные требования к стабилизации. Также присутствуют нормативные соображения, такие как одобрение на контакт с пищевыми продуктами . Экологически чистые стабилизаторы для биопластиков должны быть изготовлены из материалов на биологической основе, например, эпоксидированного соевого масла , и практически не вызывать запаха или выбросов ЛОС . Поэтому необходим широкий спектр стабилизаторов.
Рынок только антиоксидантных стабилизаторов оценивался в 1,69 млрд долларов США в 2017 году [3] , а общий рынок всех полимерных стабилизаторов, как ожидается, достигнет 6,5 млрд долларов США к 2033 году. В 2023 году почти половина всех продаваемых в мире полимерных стабилизаторов были на основе кальция, за которым следовали свинец (25,1 %), олово (15,4 %), жидкие смешанные металлы (LMM) и другие типы. [4]
Антиоксиданты ингибируют автоокисление , которое происходит, когда полимеры реагируют с кислородом воздуха. [5] Аэробная деградация происходит постепенно при комнатной температуре, но почти все полимеры подвержены риску термического окисления, когда они обрабатываются при высоких температурах. Формование или литье пластмасс (например, литье под давлением ) требует, чтобы они были выше их точки плавления или температуры стеклования (~200-300 °C). В этих условиях реакции с кислородом происходят гораздо быстрее. После начала автоокисление может быть автокаталитическим . [6] Таким образом, даже несмотря на то, что обычно прилагаются усилия для снижения уровня кислорода, полное исключение часто недостижимо, и даже чрезвычайно низкие концентрации кислорода могут быть достаточными для начала деградации. Чувствительность к окислению значительно варьируется в зависимости от рассматриваемого полимера; без стабилизаторов полипропилен и ненасыщенные полимеры, такие как каучук, будут медленно деградировать при комнатной температуре, тогда как полистирол может быть стабильным даже при высоких температурах. [7] Антиоксиданты играют важную роль на этапе процесса, при этом долгосрочная стабильность при температуре окружающей среды все чаще обеспечивается светостабилизаторами на основе затрудненных аминов (HAL). Антиоксиданты часто называют первичными или вторичными в зависимости от механизма их действия.
Первичные антиоксиданты (также известные как антиоксиданты, разрывающие цепи) действуют как поглотители радикалов и удаляют пероксидные радикалы (ROO•), а также в меньшей степени алкоксидные радикалы (RO•), гидроксильные радикалы (HO•) и алкильные радикалы (R•). Окисление начинается с образования алкильных радикалов, которые образуются, когда высокие температуры и высокое напряжение сдвига, испытываемые во время обработки, разрывают полимерные цепи гомолитическим образом . Эти алкильные радикалы очень быстро реагируют с молекулярным кислородом (константы скорости ≈ 10 7 –10 9 моль –1 с –1 ) с образованием пероксидных радикалов [8] , которые, в свою очередь, отнимают водород от нового участка полимера на этапе распространения цепи с образованием новых алкильных радикалов. [9] [10] Общий процесс чрезвычайно сложен и будет различаться в зависимости от полимера [11], но первые несколько шагов показаны ниже в общем виде:
Из-за его быстрой реакции с кислородом удаление начального алкильного радикала (R•) затруднено и может быть достигнуто только с помощью специализированных антиоксидантов [12] большинство первичных антиоксидантов вместо этого реагируют с более длительными пероксидными радикалами (ROO•). Абстрагирование водорода обычно является этапом, определяющим скорость деградации полимера, и пероксидные радикалы могут быть удалены путем донорства водорода из альтернативного источника, а именно первичного антиоксиданта. Это превращает их в органический гидропероксид (ROOH). Наиболее важными коммерческими стабилизаторами для этого являются затрудненные фенолы, такие как BHT или его аналоги , и вторичные ароматические амины, такие как алкилированный дифениламин . Амины, как правило, более эффективны, но вызывают выраженное обесцвечивание, что часто нежелательно (например, в упаковке пищевых продуктов, одежде). Общая реакция с фенолами показана ниже:
Конечными продуктами этих реакций обычно являются хинонметиды , которые также могут придавать нежелательный цвет. [13] Современные фенольные антиоксиданты имеют сложные молекулярные структуры, часто включающие пропионатную группу в пара-положении фенола (т.е. они являются орто-алкилированными аналогами флоретовой кислоты ). [14] Их хинонметиды могут перегруппироваться один раз, образуя гидроксициннамат , восстанавливая фенольную антиоксидантную группу и позволяя удалять дополнительные радикалы. [15] [16] Однако в конечном итоге первичные антиоксиданты являются жертвенными, и как только они полностью израсходуются, полимер начнет разрушаться.
Вторичные антиоксиданты действуют, удаляя органические гидропероксиды (ROOH), образованные под действием первичных антиоксидантов. Гидропероксиды менее реакционноспособны, чем радикальные виды, но могут инициировать новые радикальные реакции: [6]
Поскольку они менее химически активны, им требуется более реактивный антиоксидант. Наиболее часто используемый класс — это фосфитные эфиры, часто затрудненных фенолов, например, трис(2,4-ди-трет-бутилфенил)фосфит . [17] Они преобразуют полимерные гидропероксиды в спирты, окисляясь в процессе до органофосфатов : [18] [19]
Затем может произойти переэтерификация, при которой гидроксилированный полимер заменяется на фенол: [20]
Этот обмен дополнительно стабилизирует полимер, высвобождая первичный антиоксидант, из-за этого фосфиты иногда считаются многофункциональными антиоксидантами, поскольку они могут сочетать оба типа активности. Сероорганические соединения также являются эффективными разрушителями гидропероксидов , причем тиоэфиры особенно эффективны против долгосрочного термического старения, они в конечном итоге окисляются до сульфоксидов и сульфонов . [21]
Антиозонанты предотвращают или замедляют деградацию материала, вызванную озоном . Он естественным образом присутствует в воздухе в очень низких концентрациях, но чрезвычайно реактивен, особенно по отношению к ненасыщенным полимерам, таким как резина, где он вызывает растрескивание под действием озона . Механизм озонолиза отличается от других форм окисления и, следовательно, требует своего собственного класса антиоксидантных стабилизаторов. Это в первую очередь производные п-фенилендиамина (PPD) и работают, реагируя с озоном быстрее, чем он может реагировать с уязвимыми функциональными группами в полимере (обычно алкеновыми группами). Они достигают этого, имея низкую энергию ионизации , которая позволяет им реагировать с озоном посредством переноса электронов, что превращает их в радикальные катионы, которые стабилизируются ароматичностью . Такие виды остаются реактивными и будут реагировать дальше, давая такие продукты, как 1,4-бензохинон , димеры фенилендиамина и аминоксильные радикалы . [22] [23] Некоторые из этих продуктов затем могут быть очищены антиоксидантами.
Светостабилизаторы используются для ингибирования фотоокисления полимеров, которое является совместным результатом действия света и кислорода. Как и автоокисление, это свободнорадикальный процесс, поэтому антиоксиданты, описанные выше, являются эффективными ингибирующими агентами, однако дополнительные классы добавок также полезны, такие как УФ-поглотители, гасители возбужденных состояний и HALS. [24]
Восприимчивость к УФ-излучению значительно различается у разных полимеров. Некоторые поликарбонаты , полиэфиры и полиуретаны очень восприимчивы, разрушаясь посредством перегруппировки Фото-Фриса . УФ-стабилизаторы поглощают и рассеивают энергию УФ-лучей в виде тепла, как правило, путем обратимого внутримолекулярного переноса протонов. Это снижает поглощение УФ-лучей полимерной матрицей и, следовательно, снижает скорость выветривания. Фенольные бензотриазолы (например, УФ-360 , УФ-328 ) и гидроксифенилтриазины (например, Бемотризинол ) используются для стабилизации поликарбонатов и акрилатов , [25] оксанилиды используются для полиамидов и полиуретанов, в то время как бензофеноны используются для ПВХ .
Сильно поглощающий свет PPS трудно стабилизировать. Даже антиоксиданты не справляются с этим богатым электронами полимером. Кислоты или основания в матрице PPS могут нарушить работу обычных поглотителей УФ-излучения, таких как HPBT. PTHPBT, который является модификацией HPBT, как показано, эффективен даже в этих условиях. [26]
Фотоокисление может начаться с поглощения света хромофором внутри полимера (который может быть красителем или примесью), заставляя его войти в возбужденное состояние . Затем он может реагировать с окружающим кислородом, превращая его в высокореактивный синглетный кислород . Гасители способны поглощать энергию из возбужденных молекул через механизм Фёрстера , а затем безвредно рассеивать ее либо в виде тепла, либо в виде флуоресцентного света более низкой частоты. Синглетный кислород может быть погашен хелатами металлов, причем феноляты никеля являются распространенным примером. [27] Гасители никеля, как правило, используются в сельскохозяйственных пластиках, таких как пластиковая мульча .
Способность светостабилизаторов на основе затрудненных аминов (HALS или HAS) поглощать радикалы, образующиеся при выветривании, можно объяснить образованием аминоксильных радикалов в процессе, известном как цикл Денисова. Аминоксильный радикал (NO•) соединяется со свободными радикалами в полимерах:
НЕТ• + Р• → НИ
Хотя их традиционно считают светостабилизаторами, они также могут стабилизировать термическую деградацию.
Хотя HALS чрезвычайно эффективны в полиолефинах , полиэтилене и полиуретане , они неэффективны в поливинилхлориде (ПВХ). Считается, что их способность образовывать нитроксильные радикалы нарушается. HALS действуют как основание и нейтрализуются соляной кислотой (HCl), которая выделяется при фотоокислении ПВХ. Исключением является недавно разработанный NOR HALS, который не является сильным основанием и не дезактивируется HCl. [28]
Полимеры подвержены деградации различными путями, помимо кислорода и света.
Кислотные поглотители, также называемые антацидами, нейтрализуют кислотные примеси, [29] особенно те, которые выделяют HCl . ПВХ подвержен кислотно-катализируемой деградации, HCl выводится из самого полимера. Катализаторы Циглера-Натта и галогенированные антипирены также служат источниками кислот. Обычные кислотные поглотители включают металлические мыла , такие как стеарат кальция и стеарат цинка , минеральные агенты, такие как гидротальцит и гидрокалумит, и основные оксиды металлов, такие как оксид кальция , оксид цинка или оксид магния .
Ионы металлов, такие как Ti , Al и Cu , могут ускорить деградацию полимеров. [30] Это вызывает особую озабоченность, когда полимеры находятся в прямом контакте с металлом, например, в проводах и кабелях. В более общем смысле, металлические катализаторы, используемые для формирования полимера, могут просто инкапсулироваться внутри него во время производства, это обычно касается катализаторов Циглера-Натта в полипропилене . В этих случаях для улучшения стабильности могут быть добавлены дезактиваторы металлов . Дезактиваторы работают путем хелатирования , образуя неактивный координационный комплекс с ионом металла. Соединения типа сален являются обычными.
Термические (или тепловые) стабилизаторы используются почти исключительно в ПВХ . При температурах выше 70 °C нестабилизированный материал подвержен деградации с потерей HCl. Как только начинается это дегидрохлорирование, оно становится автокаталитическим , с повышением кислотности, ускоряющим деградацию. Для предотвращения этого использовался широкий спектр агентов, причем многие из ранних агентов, такие как стеарат свинца , оловоорганические и кадмиевые комплексы, были высокотоксичными. Более безопасные современные альтернативы включают металлические мыла , такие как стеарат кальция , а также соединения бария и цинка, наряду с различными синергистами. [31] Уровни добавления обычно варьируются от 2% до 4%.
Антипирены представляют собой широкий спектр соединений, которые улучшают огнестойкость полимеров. Примерами являются бромированные соединения вместе с гидроксидом алюминия , триоксидом сурьмы и различными органофосфатами . [5] [32] Известно, что антипирены снижают эффективность антиоксидантов. [33]
Деградация, вызванная микроорганизмами ( биодеградация ), включает в себя свой собственный класс специальных биостабилизаторов и биоцидов (например, изотиазолиноны ).
Эти добавки добавляются к полимерам, используемым в качестве оболочки для электрических кабелей , чаще всего PEX . [34] Соединения включают производные бензила и тиоксантона . [35] Они обладают высоким сродством к электрону, что позволяет им захватывать и нейтрализовать носители заряда , которые могут вызвать диэлектрический пробой изоляции. [36]