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高分子添加劑

高分子很少單獨使用, 幾乎所有的高分子或多或少都需要不同的添加劑配合, 才能滿足不同產品特性的需求。
 
 
高分子添加劑在高分子材料加工性能的提升、物理化學特性的改善、特殊功能性的增進等方面都扮演十分重要且關鍵的角色。
▲高分子添加劑在高分子材料加工性能的提升、物理化學特性的改善、特殊功能性的增進等方面都扮演十分重要且關鍵的角色。
 
在材料工業的演進歷程中,由於二次世界大戰前後石油的出現,開啟了材料工業的另一個里程碑,即高分子工業時代的來臨。直到現在,舉凡眼界所及,不論是包裝食品用的各類容器、身上穿的衣物、室內所用的各類建材,以及汽機車用的輪胎、各類零組件等,人類的食衣住行與日常生活,以及高科技的國防、航太工業等,都已和高分子產生了密不可分的關係。它所帶來的實用性、便利性與功能性,更是不可言喻。
 
高分子顧名思義是指一種分子量很高(一般需大於1萬以上)的材料,它的來源通常有兩類。一類是自然形成的,如天然橡膠、棉花、纖維素、幾丁質等,稱為天然高分子;另一類是人工合成的,這類高分子一般是由石油裂解所得到的單體,再經過聚合反應得到的,而絕大部分的高分子都屬於這一類。
 
除此之外,依照組成與結構的不同,高分子又可分為熱塑性高分子和熱固性高分子兩類。熱塑性高分子是線性分子結構,受熱後可以軟化,這時施以壓力就可讓它流動,當冷卻時就可固化賦形;若再次受熱可再度軟化,施以壓力又可再次流動,例如聚乙烯、聚丙烯就屬於這類高分子。
 
另一類高分子當開始受熱時也可以軟化,但是加熱會使它產生化學交聯反應,形成三次元的網狀結構;當冷卻固化賦形後,即使再受熱或施予壓力,也無法再度軟化或使其流動。這一類的高分子稱為熱固性高分子,例如環氧樹脂、矽膠等就屬於這類高分子。
 
高分子的種類繁多,每一種高分子的特性也有所不同,而不同的高分子應用在不同的產品,所需要達成的特性指標也不一樣。例如應用在一些機械結構件,高分子需要有優異的強度;應用在汽車引擎室的高分子,需要有好的耐熱性;應用在電線電纜的高分子,需要有良好的電氣絕緣性;應用在建材的高分子,需要有一定的阻燃性。
 
一般而言,針對不同的製品,高分子需要滿足不同的特性。然而並不是所有的高分子都能同時滿足這些特性,為了達成不同產品的特性,必須添加一些具有特殊功能性的材料,這類功能性的材料就稱作高分子添加劑。
 
若針對高分子添加劑作一簡單的定義,就是藉由添加的方式把它加入高分子材料中,進而改善高分子各種特性的材料。進一步來說,高分子添加劑是針對高分子材料的諸多性質,諸如機械性能的增進、加工性的改善、功能性的賦予、品質的提升或經濟性的達成等為目的所添加的材料。
 
高分子在應用上很少單獨使用,幾乎所有的高分子或多或少都需要不同的添加劑配合,才能滿足不同產品的特性。在現今市場強調高分子產品的高機能化、高差異化的時代,對於高分子添加劑所要求的功能性與特殊性愈來愈多,對品質的要求也愈來愈高。
 
由於高分子產品的品項繁多,對功能性的要求也日趨複雜,因此高分子添加劑的種類相當多樣,目前商品化的高分子添加劑種類已超過上百種。若針對高分子添加劑分類,可依加工特性的提升、物理化學特性的提升,以及特殊功能性的提升分成3大類。

工業上常用的高分子添加劑
▲工業上常用的高分子添加劑
 
提升高分子加工性
 
在生產製造高分子產品時,常在高溫與高壓的環境下進行,高分子鍵結強度較弱的部位易受到熱、光與氧的作用產生分子鏈的斷裂,進而生成自由基。同時高分子會與氧直接反應產生過氧化物,過氧化物分解會生成更多的自由基,使得氧化連鎖反應持續進行,導致分子鏈的斷裂,高分子的性質也遭到破壞。
 
再者,在高分子加工的過程中,常利用加工機械的機件轉動所產生的剪切力來促進高分子的塑化。若機械的摩擦力過大,則容易造成過多熱量的產生;或分子間的內摩擦力太大,也會局部破壞高分子的內流動性。
 
為改善上述因為加工導致高分子結構變異或破壞的問題,可利用防止高分子分解裂化的抗氧化劑,以及避免因加工的高溫產生局部裂解的熱安定劑,或降低高分子與加工機械間的外摩擦所使用的外部滑劑,以及減少高分子的分子鏈間內摩擦所使用的內部滑劑,同時可使用促進熔解及降低剪切力以提升加工特性的加工助劑。
 
高分子應用在齒輪類高磨耗產品時需加入耐磨添加劑
▲高分子應用在齒輪類高磨耗產品時需加入耐磨添加劑
 
另外,對於一些加工時較難塑化的高分子,最典型的例子像是聚氯乙烯,可使用可塑劑因應。可塑劑是一種低分子材料,它與高分子有良好的相容性,添加可塑劑後,可塑劑分子會與高分子鏈作用,撐開高分子鏈間的糾纏,增加分子鏈的活動距離,降低分子間的作用力。因此添加可塑劑除了可以提升高分子在加工時的塑化性外,也可讓高分子變得較柔軟及有彈性。
 
提升高分子耐候性與耐久性
 
高分子常應用於一些如建築與裝潢用的材料,或汽車用的內裝材料,這些材料因長期暴露在熱、光、水、臭氧、鹽分、灰塵、微生物等環境中,使高分子的表面結構甚至內部結構產生質變或破壞,造成表面黃變、光澤度降低、脆性提升、機械強度降低等現象。這種使高分子外觀與物理性能隨時間而產生變異的現象稱為老化,如何因應對抗上述環境因素所需的耐候性,以及如何提升高分子在特定環境中使用時所需的耐久性,有其必要。
 
為了提升上述特性所使用的耐候性添加劑,如光安定劑或紫外線吸收劑,是為了防止或抵抗高分子在戶外環境中使用,因陽光中較低波長、較高能量的光線,如紫外光等,照射到高分子後導致外觀顏色上的變異或內部結構的破壞。為能增加高分子材料的耐久性,可添加一些抗老化劑,以提升高分子對老化的抵抗能力。有些抗老化添加劑也有防止氧化的效果,若與光安定劑搭配,會有更好的加乘效果。
 
其次利用一些結晶促進劑提升高分子的結晶化程度,可降低前面所述各類環境因素對高分子的破壞,並對高分子的耐候性與耐久性有所助益。再者,一些細菌與微生物容易在高溫與高溼的環境下滋長,有些高分子也會受到細菌與微生物的作用而變性、劣化或分解。在高分子材料中加入具有抗菌或防黴功效的添加劑,可防止高分子被細菌或微生物所危害,而提升製品的耐久性。

高分子功能性提升的添加劑
▲高分子功能性提升的添加劑
 
提升高分子阻燃性與耐熱性
 
絕大部分的高分子都屬於有機的碳氫化合物,這樣的組成結構使高分子本身具有相當的易燃性或可燃性。而愈來愈多的高分子材料廣泛應用於建築、裝潢、機械、電子電機、運輸器材等產品,而這些產品都需要具備一定程度的阻燃性才能滿足市場的需求,添加阻燃劑便能賦予原先易燃或可燃的高分子具有不同程度的阻燃性。阻燃劑是一種能阻止高分子引燃,或抑制火焰擴散的添加劑,添加阻燃劑可抑制高分子燃燒發生的可能性,使高分子不易燃燒或產生自熄的效果。
 
若高分子用於建築及裝潢類材料,或用在室內的電線或電纜披覆材料,其產品除需具一定的阻燃性外,還需針對燃燒時的發煙量或發煙密度作管控,以避免不幸發生火災時,因為過量的濃煙造成致命的傷害。因此這類的高分子材料除需添加阻燃劑外,還需加入發煙抑制劑,以期對燃燒時的發煙量有抑制的效果。
 
而當高分子需要接觸到其他高溫的物質或材料,或需暴露在較高的溫度下使用時,常因本身耐溫性不足限制了它的應用。而一般所謂的高分子耐熱劑,是指為了在高溫高壓的加工環境下,防止高分子局部裂解或顏色變異所使用的添加劑,對提升高分子本身的耐熱性並無實質的助益。因此若要提升高分子的耐熱性,有些高分子可添加一些交聯劑,藉由局部交聯結構的產生,避免因高溫而造成高分子結構崩壞或分解的現象。
 
再者可添加適當的填充劑或補強劑,通常這類材料是無機的礦物材或具較高長度∕直徑比的材料,在添加這類材料後,可藉由無機材料本身對高溫較佳的抵抗性,或較高的長度∕直徑比的材料對高分子結構所產生的補強性,進而提升高分子對高溫的抵抗能力。這樣的抵抗能力可藉由不同種類或比率的填充劑或補強劑的添加,提升高分子短期或長期的耐溫特性。

加入導熱添加劑的高分子材料可用在LED燈的散熱鰭片,提升LED燈的使用壽命 。
▲加入導熱添加劑的高分子材料可用在LED燈的散熱鰭片,提升LED燈的使用壽命 。
 
改善高分子表面特性
 
大部分的高分子是電的良好絕緣體,主要的原因是高分子的表面電阻較高,因此很容易因為製品表面與空氣的摩擦而產生靜電,靜電累積的結果便會造成灰塵的堆積或產生靜電放電,嚴重時甚至有爆炸的危險。而靜電的累積尤其在空氣乾燥的環境下容易產生,如何使高分子製品表面產生靜電中和、靜電防止或靜電消除,尤其對靜電敏感的製品,如IC或半導體元件等,是相當重要的議題。
 
用於防止高分子產生靜電的添加劑稱作抗靜電劑,代表性的抗靜電劑如界面活性劑類的靜電防止劑,可藉由小分子移行至產品表面,再與空氣中的水氣結合,而達到抗靜電的效果。另外,可加入少量金屬粉體或導電碳黑等導電微粒,賦予高分子局部的導電特性,也可達到抗靜電的功效。
 
其次,可透過不同添加劑的加入,達到提升或降低高分子表面光澤度的效果。一般而言,高分子製品如電子、電器產品需要有較高的表面光澤度,可加入如玻璃微珠添加劑,藉由光線照至微細珠體表面所產生的折射累積效應,達到光澤度提升的效果。而其他的無機填充劑,因無法產生前述的效應,因此加入高分子後會產生反向的消光效果。另外透過晶核劑的添加來提升結晶性高分子的結晶特性,或添加特殊的外部滑劑,使其在一定時間後移行至高分子表面,都可對高分子表面的光澤度有提升的效果。
 
其他表面特性的改善,如接著性或印刷性的調整,則可依據相近相溶(like dissolves like)的原理,先掌握原有高分子本身具有的極性程度,藉由極性添加劑與非極性添加劑的極性化程度以及添加比率的不同,就可調整高分子產品表面所需不同程度的接著性或印刷性。
 
在高分子材料中添加透明劑可讓產品的透明性大幅提升(圖片來源:Milliken公司網站)
▲在高分子材料中添加透明劑可讓產品的透明性大幅提升(圖片來源:Milliken公司網站)
 
賦予高分子特殊機能
 
為達到環保與節能的訴求目標,諸多的產品設計會以輕量化與薄型化為主要設計的方向。高分子若欲以降低比重來達到輕量化的目的,可以添加發泡劑或中空微球。發泡劑是藉由物理或化學的方式產生氣體,當高分子熔融或處於可流動狀態時,再使氣體均勻分散於高分子內部以形成微泡結構。這固體與氣體共存的材料,由於低比重的氣體存在於高分子內部,使高分子的比重得以降低,同時有柔軟性提升、可撓性增加、收縮率降低及防震減震特性增加的效果。
 
再者由於溫度與聲音的傳遞都需要依靠介質的輔助,發泡高分子在介質被氣體阻斷的情況下,其熱傳導係數降低,聲波阻抗增加,因此高分子在發泡後同時有隔熱與隔音的效果,其機能性大幅提升。
 
其他高分子特殊機能性的賦予,諸如透過導電碳材或金屬粉體為添加劑,可提升高分子靜電消散或電磁波遮蔽的特性;透過陶瓷粉體的添加,可提升高分子導熱或散熱的特性;透過磁性粉體或壓電粉體的加入,形成磁性高分子或壓電高分子,可應用於微波通訊或壓電感測器的產品。這些機能性材料或產品在市場上的應用非常多,不同的高分子添加劑於這類產品的應用扮演了關鍵性的角色。

兒童遊戲間的巧拼地板是以高分子加入發泡劑形成發泡材料後製成,具有柔軟、吸震、防撞、質輕等特性。
▲兒童遊戲間的巧拼地板是以高分子加入發泡劑形成發泡材料後製成,具有柔軟、吸震、防撞、質輕等特性。
 
高分子添加劑的未來
 
由於高分子添加劑在高分子材料加工性能的提升、物理化學特性的改善、特殊功能性的增進等方面都扮演十分重要且關鍵的角色,因此高分子添加劑的未來發展自然受到相當的關注與重視。由於材料工業的快速發展,導致產業結構的改變,高分子產品在市場上的應用愈來愈多元,特性與品質的要求也愈來愈高,因此高分子添加劑在這部分的角色扮演更是愈來愈重要。
 
從高分子材料發展的歷程來看,以往的市場導向大多以材料本身能達成產品的特性及品質要求或價格要求為主。但隨著環保意識的高漲,以及人類對於身體健康與生命安全的重視程度愈來愈高,未來高分子添加劑的發展,除了添加劑本質上所必須具備的機能化、特殊化與多樣化外,也須考慮材質本身從源頭生產、加工應用,到廢棄物處理、回收再生等,整體過程中對環境是否產生汙染,對人體的健康是否安全。
 
由於綠色環保的趨勢會緊密牽動著高分子材料與添加劑的發展,因應材料的使用對環境生態的影響,高分子添加劑的發展應朝向可分解、可再生、低能耗、低汙染等方向,以循環經濟為思維,以永續環境為考量,才能在兼顧材料工業發展的前提下,建立人類永續生活的安全環境。
 
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