光穩(wěn)定劑作為高分子制品(例如塑料、橡膠、涂料、合成纖維)的一種添加劑,能夠屏蔽光線、吸收并轉(zhuǎn)移光能量、猝滅或捕獲自由基,使高分子聚合物在光的輻射下能排除或減緩光化學(xué)反應(yīng)可能性,阻止或延遲光老化的過(guò)程,從而達(dá)到延長(zhǎng)高分子聚合物制品使用壽命的目的。
光穩(wěn)定劑一般按作用機(jī)理分為光屏蔽劑、紫外光吸收劑、猝滅劑和受阻胺光穩(wěn)定劑4類(lèi)。
受阻胺光穩(wěn)定劑(HALS)是一類(lèi)具有空間位阻效應(yīng)的有機(jī)胺類(lèi)化合物,因其具有分解氫過(guò)氧化物、猝滅激發(fā)態(tài)氧、捕獲自由基、且有效基團(tuán)可循環(huán)再生功能,是國(guó)內(nèi)外用量較大的一類(lèi)光穩(wěn)定劑。國(guó)內(nèi)受阻胺光穩(wěn)定劑的消費(fèi)量占國(guó)內(nèi)光穩(wěn)定劑消費(fèi)總量的65%左右。
紫外光吸收型光穩(wěn)定劑通稱(chēng)為紫外光吸收劑,這類(lèi)光穩(wěn)定劑是利用自身分子結(jié)構(gòu),將光能轉(zhuǎn)換成熱能,避免塑料材料發(fā)生光氧化反應(yīng)而起到光穩(wěn)定作用。紫外光吸收劑根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同分為二苯甲酮類(lèi)和苯并三 唑類(lèi)等。國(guó)內(nèi)二苯甲酮類(lèi)光穩(wěn)定劑和苯并三 唑類(lèi)光穩(wěn)定劑消費(fèi)量分別占國(guó)內(nèi)光穩(wěn)定劑消費(fèi)總量的25%和10%左右。
猝滅劑與紫外光吸收劑都是通過(guò)轉(zhuǎn)移光能而達(dá)到光穩(wěn)定目的。紫外光吸收劑是自身分子直接吸收光能時(shí)轉(zhuǎn)移能量,猝滅是與塑料中因光照而產(chǎn)生的高能量、高化學(xué)反應(yīng)活性的激發(fā)態(tài)官能團(tuán)發(fā)生作用,轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)官能的能量。
正是因?yàn)殁缗c紫外光吸收劑轉(zhuǎn)移能量的機(jī)理完全不同,猝滅被列為光穩(wěn)定劑四大系列之一。猝滅劑的工業(yè)產(chǎn)品是二價(jià)鎳的絡(luò)合物,其分子中含重金屬鎳,從保護(hù)環(huán)境和人體健康方面考慮,歐洲、北美洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已停止或限 制使用猝滅。國(guó)內(nèi)猝滅生產(chǎn)廠只有一家。
光屏蔽劑有炭黑、鈦白粉、氧化鋅等。納米技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,將大幅度提高光屏蔽劑在塑料材料中的耐光和耐候性能。
國(guó)內(nèi)光屏蔽劑、紫外光吸收劑、猝滅劑三類(lèi)光穩(wěn)定劑在20世紀(jì)60年代前后即得到工業(yè)化應(yīng)用,而受阻胺光穩(wěn)定劑雖然在20世紀(jì)70年代中期才開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn),但其產(chǎn)品品種和產(chǎn)量的增加速度則大大高于其它3類(lèi)穩(wěn)定劑,是塑料光穩(wěn)定劑家族的后起之秀。
選用光穩(wěn)定劑的原則
主要應(yīng)根據(jù)塑料材料的種類(lèi)及型號(hào),加工設(shè)備及工藝條件,其它化學(xué)添加劑的品種及加入量,制品的使用環(huán)境及期限等因素綜合確定。選擇工業(yè)用途的光穩(wěn)定劑應(yīng)基本參考以下原則。
(1)相容性。塑料聚合物的高分子是非常極性的,而光穩(wěn)定劑的分子具有不同程度的極性,兩者相容性較差,通常是在高溫下將光穩(wěn)定劑與聚合物熔體結(jié)合,聚合物固化時(shí)將光穩(wěn)定劑分子相容在聚合物分子中間。在配方用量范圍內(nèi),光穩(wěn)定劑在加工溫度下要熔融,要特別注意,設(shè)計(jì)配方時(shí),選用光穩(wěn)定劑的熔點(diǎn)或熔程上限,不應(yīng)低于塑料聚合物的加工溫度。
已證明,聚合物晶區(qū)球晶界面處的無(wú)定形相,是聚合物基質(zhì)中較易受氧化的部分,溶解性好的正好集中于聚合物更需要它們的區(qū)域。
(2)遷移性。塑料制品,尤其是表面積與體積比(或質(zhì)量比)數(shù)值較小的制品,氧化主要發(fā)生在制品的表面,這就需要光穩(wěn)定劑連續(xù)不斷地從塑料制品內(nèi)部遷移到制品表面而發(fā)揮作用。
但如果向制品表面的遷移速度過(guò)快,遷移量過(guò)大,光穩(wěn)定劑就要揮發(fā)到制品表面的環(huán)境中,或擴(kuò)散劑與制品表面接觸的其它介質(zhì)中而損失,這種損失事實(shí)上是不可避免的,設(shè)計(jì)配方時(shí)加以考慮。當(dāng)光穩(wěn)定劑品種有選擇余地時(shí),應(yīng)選擇分子量相對(duì)較大,熔點(diǎn)適當(dāng)較高的品種,并且要以更嚴(yán)酷使用環(huán)境為前提確定光穩(wěn)定劑的使用量。
(3)穩(wěn)定劑。光穩(wěn)定劑在塑料材料中應(yīng)保持穩(wěn)定,在使用環(huán)境下及高溫加工過(guò)程中揮發(fā)損失少,不變色或不顯色,不分解(除用于加工熱穩(wěn)定作用的外),不與其它添加劑發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng),不腐蝕機(jī)械設(shè)備,不易被制品表面的其它物質(zhì)所抽提。受阻胺光穩(wěn)定劑一般為低堿性產(chǎn)品,塑料材料中選用受阻胺為光穩(wěn)定劑時(shí),配方中不應(yīng)包含酸性的其它添加劑,相應(yīng)塑料制品也不能用于酸性環(huán)境。
(4)加工性。塑料制品加工時(shí),加入光穩(wěn)定劑對(duì)樹(shù)脂黏度和螺桿轉(zhuǎn)矩都可能發(fā)生改變。光穩(wěn)定劑對(duì)樹(shù)脂熔融范圍如果相差較大,會(huì)產(chǎn)生光穩(wěn)定劑偏流或抑螺桿現(xiàn)象。光穩(wěn)定劑的熔點(diǎn)低于加工溫度100℃以上時(shí),應(yīng)先將光穩(wěn)定劑制成一定的母粒,再與樹(shù)脂混合加工制品,以避免因偏流造成制品中光穩(wěn)定劑分布不均及加工產(chǎn)量下降。
(5)環(huán)境和衛(wèi)生性。光穩(wěn)定劑應(yīng)無(wú)毒或低毒,無(wú)粉塵或低粉塵,在塑料制品的加工制造和使用中對(duì)人體無(wú)有害作用,對(duì)動(dòng)物、植物無(wú)危害,對(duì)空氣、土壤、水系地?zé)o污染。
對(duì)農(nóng)用薄膜食品包裝盒、兒童玩具、一次性輸液等間接或直接接觸食品、藥品、醫(yī)療器具中接觸人體的塑料制品,不僅應(yīng)選用已通過(guò)美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)檢驗(yàn)并許可,或歐共體委員會(huì)法令允許的光穩(wěn)定劑品種,而且加入量應(yīng)嚴(yán)格控制在允許限度之內(nèi)。
光穩(wěn)定劑UV-326的毒性口服性實(shí)驗(yàn)數(shù)值LD50>5000 mg/kg,是相對(duì)無(wú)毒的化學(xué)物質(zhì),但歐共體委員會(huì)法令仍規(guī)定了UV-326在與食品接觸的塑料材料中的限量,在聚丙烯、聚乙烯中限量為0.5%,在聚乙烯中限量為0.3%,在聚苯乙烯中限量為0.6%。