高分子材料老化克星：探索紫外线吸收剂的奥秘与应用！
高分子材料老化克星：探索紫外线吸收剂的奥秘与应用！
在现代社会中，高分子材料被广泛应用于各个领域，从日常生活中的塑料制品到工业生产中的各种部件。然而，这些高分子材料在紫外线的长期照射下容易发生老化、降解和性能下降等问题。为了延长高分子材料的使用寿命和保持其性能稳定，紫外线吸收剂应运而生。本文将深入探讨紫外线吸收剂的原理、分类、应用，并重点阐述如何正确选用高分子材料紫外线吸收剂。
紫外线吸收剂的原理
二苯甲酮类
二苯甲酮类紫外线吸收剂是应用最为广泛的一类。其分子中的酮基与羟基能生成内在氢键，构成一个螯合环。吸收紫外线光能量后，分子发生热振动，内在氢键破坏，螯合环打开，将紫外光能量转化为热能释放。此外，羰基受激发产生互变异构现象，也消耗部分能量。分子内在氢键强度和苯环上烷氧基链长短影响其稳定效果。邻位含一个羟基的二苯甲酮类紫外线吸收剂，不吸收可见光，相容性好；含两个羟基则会吸收部分可见光，导致物品泛黄且相容性差。无邻羟的二苯甲酮因光照易分解，不适合作紫外线吸收剂。
水杨酸酯类
水杨酸酯类紫外线吸收剂应用较早，开始时紫外线吸收能力低且范围窄，经紫外线照射后发生分子重排，形成紫外线吸收能力强的二苯甲酮结构，从而增强吸收作用，因此被称为先驱型紫外线吸收剂。但分子重排后生成的双羟基二苯甲酮及其衍生物会吸收部分可见光而使物品泛黄。
苯并三唑类
苯并三唑类紫外线吸收剂的作用机理与二苯甲酮类相似，对紫外线吸收范围较广，且对 400nm 以上可见光几乎不吸收，使用后制品不会泛色。
其他类型
取代的丙烯腈、三嗪类紫外线吸收剂，推测其作用机理是通过顺反异构化，将光的能量转换为无害能量释放。丙烯腈取代物类紫外线吸收剂不吸收可见光，不会使物品泛色。三嗪类紫外线吸收剂能吸收 300 - 400nm 的紫外光。此外，还有能吸收波长在 400nm 以下助色基因和发色基团的紫外线吸收剂。有机镍可作为紫外线吸收剂，归类于猝灭剂，通过与被激发的高分子聚合物分子作用，使激发态回到基态，将紫外线能量转化为低能量光谱散发，防止聚合物被破坏。光屏蔽剂如炭黑、二氧化钛、氧化锌、锌钡等能吸收或反射紫外线，在聚合物与光源之间形成屏障。自由基捕获剂如受阻胺类光稳定剂，能产生光稳定作用。
紫外线吸收剂的分类
二苯甲酮类
二苯甲酮类紫外线吸收剂是邻羟基二苯甲酮的衍生物，包括单羟基、双羟基、三羟基、四羟基等。广泛用于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚苯乙烯、聚酰胺等高聚物及纺织材料后整理，与大多数高聚物相容性好，光热稳定性良好，升华性强，用于油漆、塑料时加入量为 0.1 - 0.5%。
水杨酸酯类
水杨酸酯类紫外线吸收剂紫外线吸收率较小，吸收波段窄，本身对紫外光不稳定，能吸收可见光使物品泛黄，但价格便宜，与高聚物相容性好，用于纤维素、聚酯、PVC、PE、聚偏乙烯、聚苯乙烯等高聚物。
苯并三唑类
苯并三唑类紫外线吸收剂性能优良，能强烈吸收 310 - 385nm 紫外光，几乎不吸收可见光，稳定性好但价格较贵。例如，UV-P 能吸收 270 - 380nm 紫外光，初期着色性小，用于多种制品，但不耐皂洗；UV-326 能有效吸收 270 - 380nm 紫外光，稳定效果好，对金属离子不敏感，挥发性小，有抗氧作用，初期易着色；UV-327 能强烈吸收 270 - 300nm 紫外光，化学稳定性好，挥发性小、毒性小、与聚烯烃相容性好；UV-5411 吸收紫外线光范围较广，挥发性小，初期着色性不大。
三嗪类
三嗪类紫外线吸收剂对 280 - 380nm 紫外光有较高吸收能力，吸收效果与邻羟基个数有关，引入不同取代基能提高耐光坚牢性及与树脂的相容性，效果优于常用紫外线吸收剂，但与高聚物相容性差，会使物品着色。
取代丙烯腈类
此类紫外线吸收剂能吸收 310 - 320nm 紫外线，吸收率较低，化学稳定性好，与高聚物相容性好。如 N-53 适用于多种树脂，耐碱性好；N-539 相容性好，不着色，可用于各种合成材料。
紫外线吸收剂在纺织品上的应用
近年来，防紫外线织物受到广泛关注。日本率先开发了防紫外的纤维和服装，国内也开展了相关研究并生产出防紫外的运动服、长统袜、帽子和太阳伞等。
防紫外线纤维的制造
将紫外线吸收剂与屏蔽剂（如 ZnO、TiO₂ 等）掺入纤维中进行纺丝，制成防紫外线纤维，织成的织物在风格和耐洗性方面优于后整理施加法，能遮挡 60% 的紫外线，使服装内温度下降 4℃，已实现商品化。
后整理法施加紫外线吸收剂
根据紫外线吸收剂的品种，采用将其施加于染色或柔软整理浴中同时上染纤维的方法，可用浸染法、轧染法、印花法或柔软整理施加，适用于能与纤维素羟基、聚酰胺酰胺基、羊毛和丝绸氨基形成氢键的紫外线吸收剂。
制成微胶囊再施于织物上的方法
利用微胶囊技术将紫外线吸收剂制成微胶囊，囊衣采用高分子聚合物，如苯乙烯、丙烯酸酯，通过边聚合边微胶囊的方法，将紫外线吸收剂包于囊芯，再用粘合剂及交联剂固着在织物上，可制成紫外线屏蔽率达 85% 以上的纺织品，实现长效防紫外。
采用涂层施加法
将紫外线吸收剂添加在涂层剂中，进行涂层、烘干、焙烘，还可在涂层液中添加其他功能性整理剂。这种方法制成的帐篷、帽子等简便，但耐候性和耐洗性有待改进。
如何正确选用高分子材料紫外线吸收剂
考虑吸收波长
紫外线吸收剂的吸收波长应与材料所处环境和使用条件中的紫外线波长相匹配，以发挥最佳保护效果。不同的高分子材料在不同的使用场景中，所受到的紫外线波长可能有所差异。例如，用于户外的塑料制品可能需要能吸收更广泛波长紫外线的吸收剂，而用于室内的材料则可能对特定波长的吸收要求较低。
关注吸收率
吸收率是衡量紫外线吸收剂性能的重要指标。一般来说，吸收率越高，对材料的保护效果越好。但过高的吸收率可能会影响材料的透明度和光泽度。对于某些对外观要求较高的制品，如透明塑料或有光泽的涂层，需要在吸收率和外观性能之间找到平衡。
综合选用的帮助
选用合适的紫外线吸收剂不仅能提高材料的耐候性和稳定性，延长使用寿命，还能改善材料的透明度、光泽度等外观性能，使制品更加美观。同时，合适的紫外线吸收剂还能降低生产成本，提高生产效率。例如，某些高效的紫外线吸收剂可能用量较少就能达到良好的效果，从而降低添加剂的成本。
此外，在选用紫外线吸收剂时，还需要考虑与其他添加剂的相容性和协同作用。有些紫外线吸收剂与抗氧化剂、光稳定剂等其他添加剂并用时，能产生显著的协同效应，进一步提高材料的性能。同时，也要考虑紫外线吸收剂的毒性和安全性，特别是对于与食品接触或用于医疗领域的高分子材料。
结论
紫外线吸收剂在保护高分子材料免受紫外线损害方面发挥着至关重要的作用。通过深入了解其原理、分类和应用，以及正确的选用方法，能够更好地发挥紫外线吸收剂的功能，延长高分子材料的使用寿命，提高其性能和质量。随着科技的不断进步和对材料性能要求的不断提高，紫外线吸收剂的研究和发展也将不断深入，为高分子材料的广泛应用提供更有力的支持。
在未来的研究和应用中，我们期待看到更加高效、环保、低毒、多功能的紫外线吸收剂的出现，以满足不同领域和行业对高分子材料性能的多样化需求。同时，对于紫外线吸收剂的作用机制和性能评价方法的研究也将不断完善，为其合理选用和应用提供更加科学准确的依据。
总之，紫外线吸收剂作为高分子材料领域的重要组成部分，将继续为提升材料的品质和应用价值做出重要贡献，推动相关产业的持续发展和创新。