腐蝕與劣化

高分子老化(polymer weathering)

金屬會生鏽;塑膠則以自己的方式腐爛。把一張塑膠椅、一條花園水管或一片汽車儀表板放在太陽下曬個一兩年,它就會褪色、粉化、變硬,一彎折就裂。這就是高分子老化:塑膠與橡膠被陽光、氧、熱和濕氣緩慢降解的過程。它是腐蝕的非金屬分支——化學不同,故事相同:材料被它的環境摧毀,在失效的管路、龜裂的密封件與剝落的塗層上同樣代價高昂。

戶外的主要元凶是紫外光。高分子是一條由數千個重複單元組成的長鏈,而一個紫外光子帶有足以扯斷該鏈上一個化學鍵的能量——這就是鏈斷裂(bond rupture)。斷掉的鏈變短,材料因而失去強度與韌性、變脆;被釋放的斷鍵碎片與氧反應(光氧化)形成新的官能基,使表面變色(黃化)並產生一層粉狀的降解層(粉化)。其他環境的攻擊方式不同:有些溶劑滲入時把鏈撐開造成膨潤,有些造成徹底溶解,而熱加上氧即使在黑暗中也驅動熱氧化老化。與金屬腐蝕不同,這裡沒有電極電位、沒有陽極——傷害是直接的斷鍵化學,而非電化學電池。

防護之道是摻進塑膠裡的添加劑。紫外線吸收劑,以及最有效的受阻胺光穩定劑(HALS),在有害反應切斷鏈之前就攔截它們;抗氧化劑清除反應性碎片;而單純的碳黑是便宜又極佳的紫外線遮蔽劑,這就是為什麼戶外管路、輪胎與電纜外皮常是黑色的。選用本質穩定的高分子(氟聚合物、壓克力)並讓零件遠離直射陽光也有幫助。兩點誠實提醒:「塑膠永遠不壞」只對了一半——它們難以生物分解,卻會在戶外數年內風化變脆;而毀掉垃圾的同一種紫外線脆弱性,也被刻意設計進某些產品,好讓它們更快分解。

一條便宜、未加穩定劑的聚丙烯繩放在船甲板上,可能在一個夏天就失去大半強度:陽光扯斷它的鏈,表面粉化發白,纖維輕輕一拉就斷——而同一條加了紫外線穩定劑與碳黑的繩子,在同樣的陽光下卻能耐用多年。

紫外線穩定劑與碳黑,正是戶外塑膠常是黑色、而便宜的透明塑膠很快失效的原因。

高分子老化不是電化學腐蝕——沒有陽極、陰極或電極電位;傷害是紫外線、氧、熱或溶劑直接斷鍵造成的,所以像陰極保護這類金屬腐蝕的解方毫無作用,改用的是穩定劑添加與材料選擇。

又稱
photodegradationUV degradationpolymer aging塑膠老化光降解聚合物風化