当温度高于100℃时，导热油与空气体中的氧气发生反应，生成相对分子质量较高的氧化降解产物和缩聚产物。这些反应产物比未氧化的导热油具有更低的稳定性，并且会增加导热油的粘度和强化裂化。使用氮气或惰性气体密封和覆盖可以避免系统中使用的导热油氧化。
导热油在高温下使用时，会因氧原子的攻击而氧化降解。反应初期的主要产物是氢过氧化物在适当的条件下分解成活性自由基，自由基与大分子碳氢化合物或氧气反应生成新的自由基，从而反复循环，使氧化反应按照自由基的链程进行。导热油生产过程中添加抗氧化剂的目的是为了捕获链式反应阶段形成的自由基，使其不会引起破坏性的链式反应。
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