光稳定剂作为高分子制品(例如塑料、橡胶、涂料、合成纤维)的一种添加剂,能够屏蔽光线、吸收并转移光能量、猝灭或捕获自由基,使高分子聚合物在光的辐射下能排除或减缓光化学反应可能性,阻止或延迟光老化的过程,从而达到延长高分子聚合物制品使用寿命的目的。
光稳定剂一般按作用机理分为光屏蔽剂、紫外光吸收剂、猝灭剂和受阻胺光稳定剂4类。
受阻胺光稳定剂(HALS)是一类具有空间位阻效应的有机胺类化合物,因其具有分解氢过氧化物、猝灭激发态氧、捕获自由基、且有效基团可循环再生功能,是国内外用量最大的一类光稳定剂。国内受阻胺光稳定剂的消费量占国内光稳定剂消费总量的65%左右。
紫外光吸收型光稳定剂通称为紫外光吸收剂,这类光稳定剂是利用自身分子结构,将光能转换成热能,避免塑料材料发生光氧化反应而起到光稳定作用。紫外光吸收剂根据分子结构不同分为二苯甲酮类和苯并三唑类等。国内二苯甲酮类光稳定剂和苯并三唑类光稳定剂消费量分别占国内光稳定剂消费总量的25%和10%左右。
猝灭剂与紫外光吸收剂都是通过转移光能而达到光稳定目的。紫外光吸收剂是自身分子直接吸收光能时转移能量,猝灭是与塑料中因光照而产生的高能量、高化学反应活性的激发态官能团发生作用,转移激发态官能的能量。
正是因为猝灭与紫外光吸收剂转移能量的机理完全不同,猝灭被列为光稳定剂四大系列之一。猝灭剂的工业产品是二价镍的络合物,其分子中含重金属镍,从保护环境和人体健康方面考虑,欧洲、北美洲和日本等发达国家和地区已停止或限制使用猝灭。国内猝灭生产厂只有一家。
光屏蔽剂有炭黑、钛白粉、氧化锌等。纳米技术的工业化应用,将大幅度提高光屏蔽剂在塑料材料中的耐光和耐候性能。
国内光屏蔽剂、紫外光吸收剂、猝灭剂三类光稳定剂在20世纪60年代前后即得到工业化应用,而受阻胺光稳定剂虽然在20世纪70年代中期才开始工业化生产,但其产品品种和产量的增加速度则大大高于其它3类稳定剂,是塑料光稳定剂家族的后起之秀。
选用光稳定剂的原则
主要应根据塑料材料的种类及型号,加工设备及工艺条件,其它化学添加剂的品种及加入量,制品的使用环境及期限等因素综合确定。选择工业用途的光稳定剂应基本参考以下原则。
一、相容性。塑料聚合物的高分子是非常极性的,而光稳定剂的分子具有不同程度的极性,两者相容性较差,通常是在高温下将光稳定剂与聚合物熔体结合,聚合物固化时将光稳定剂分子相容在聚合物分子中间。在配方用量范围内,光稳定剂在加工温度下要熔融,要特别注意,设计配方时,选用光稳定剂的熔点或熔程上限,不应低于塑料聚合物的加工温度。
二、迁移性。塑料制品,尤其是表面积与体积比(或质量比)数值较小的制品,氧化主要发生在制品的表面,这就需要光稳定剂连续不断地从塑料制品内部迁移到制品表面而发挥作用。
但如果向制品表面的迁移速度过快,迁移量过大,光稳定剂就要挥发到制品表面的环境中,或扩散剂与制品表面接触的其它介质中而损失,这种损失事实上是不可避免的,设计配方时加以考虑。当光稳定剂品种有选择余地时,应选择分子量相对较大,熔点适当较高的品种,并且要以最严酷使用环境为前提确定光稳定剂的使用量。
三、稳定剂。光稳定剂在塑料材料中应保持稳定,在使用环境下及高温加工过程中挥发损失少,不变色或不显色,不分解(除用于加工热稳定作用的外),不与其它添加剂发生不利的化学反应,不腐蚀机械设备,不易被制品表面的其它物质所抽提。受阻胺光稳定剂一般为低碱性产品,塑料材料中选用受阻胺为光稳定剂时,配方中不应包含酸性的其它添加剂,相应塑料制品也不能用于酸性环境。
四、加工性。塑料制品加工时,加入光稳定剂对树脂黏度和螺杆转矩都可能发生改变。光稳定剂对树脂熔融范围如果相差较大,会产生光稳定剂偏流或抑螺杆现象。光稳定剂的熔点低于加工温度100℃以上时,应先将光稳定剂制成一定的母粒,再与树脂混合加工制品,以避免因偏流造成制品中光稳定剂分布不均及加工产量下降。
五、环境和卫生性。光稳定剂应无毒或低毒,无粉尘或低粉尘,在塑料制品的加工制造和使用中对人体无有害作用,对动物、植物无危害,对空气、土壤、水系地无污染。
