1. УФ-излучение и электромагнитный спектр
2. Деградация.
3. Как избежать УФ-деградации
4. Тестирование компонентов
5. Резюме

УФ-воздействие на полимеры (деградация) и как избежать ультрафиолетового разложения

Все мы, без сомнения, осознаем основной эффект ультрафиолетового (УФ) излучения на себя - у скольких из нас появился красный нос после дня на солнце? Наша кожа - не единственная органическая структура, которая страдает; даже полимеры будут в некоторой степени подвержены воздействию солнечного света и ультрафиолетового излучения. Основная проблема заключается в том, что многие параметры влияют на уровень воздействия, и существует несколько способов обеспечения устойчивости к воздействию.

УФ-излучение и электромагнитный спектр

УФ-свет является частью электромагнитного спектра. Это находится на более высоком конце энергии по сравнению с видимым светом и сопровождается энергией рентгеновскими лучами и гамма-лучами - см. Диаграмму.

Ультрафиолетовое излучение делится на три различных типа, как описано в таблице 1, вместе с их характерным эффектом.

ОПИСАНИЕ ДИАПАЗОН ДЛИНЫ (нм) ОБЩИЙ ЭФФЕКТ UVA 320 - 400 УХОД ЗА КОЖЕЙ UVB 280 - 320 УХОД ЗА КОЖЕЙ UVC 100 - 280 GERMICIDAL

Одной из основных проблем рассмотрения влияния ультрафиолетовых лучей на полимеры является интенсивность, связанная с: стратосферным озоном, облаками, высотой, положением высоты солнца (временем суток и временем года) и отражением. Сложность эффектов можно увидеть на общем графике уровней ультрафиолета - темно-зеленый самый высокий:

Также важно помнить, что фактическая температура окружающей среды и влажность ускорят любое воздействие уровня интенсивности. Основные эффекты на полимеры, подвергающиеся воздействию ультрафиолета

Все типы УФ-излучения могут вызывать фотохимический эффект в структуре полимера, что может быть либо преимуществом, либо приводить к некоторой деградации материала. Обратите внимание, что по сравнению с нашей кожей, более высокая энергия UVC, скорее всего, повлияет на пластики.

Деградация.

Основными видимыми эффектами являются появление мела и изменение цвета на поверхности материала, а поверхность компонента становится хрупкой. Я могу ручаться за эти эффекты, которые можно найти в красных обезьянках из полипропилена (РР) моих детей. После нескольких лет в саду экструдированные трубы сохранили свой полный цвет, в то время как литые детали зажима стали белыми и потрескавшимися. Другие компоненты, которые могут пострадать от солнечного воздействия, включают сиденья стадиона, уличную мебель, пленки для теплиц, оконные рамы и автомобильные детали.

Некоторые пластики подвергались воздействию гораздо более высоких уровней радиации, чем мы испытываем на Земле. Для компонентов космического телескопа им. Хаббла (HST) и Международной космической станции (МКС) требуются пластики, которые могут выдержать требования космического пространства. Фторполимеры, такие как FEP, и полиимиды, такие как Kapton, представляют собой пластики, которые были успешно использованы для HST и ISS.

Вышеуказанные эффекты имеют место преимущественно в поверхностном слое материала и вряд ли распространятся на глубину более 0,5 мм в структуре. Однако концентрации напряжений, вызванные очень хрупкой природой некоторых товарных пластиков, могут привести к полному выходу компонента из строя. Выгоды.

Многим из нас выгодно использовать защитные полимерные покрытия, отверждаемые УФ-излучением, такие как полиуретан-акрилаты, на внешних элементах автомобиля. Более локальным преимуществом для многих людей является ультрафиолетовое излучение в очистителях столешницы и водоохладителях, чему часто помогают хорошие свойства пропускания FEP (фторированный этилен-пропилен) трубки и его способность не ухудшаться. Обрабатываемый в расплаве FEP также используется в качестве защитного покрытия на ультрафиолетовых лампах для электронных убийц мух, где покрытие обеспечивает превосходную пропускную способность (потеря пленки составляет около 4% для пленки толщиной 0,25 мм). Есть также много применений для УФ-отверждения чернил на пластиковых подложках. Не полностью связано с пластмассами УФ-излучение, которое можно использовать для стерилизации компонентов. Взаимодействие УФ-излучения и пластмасс

Ультрафиолетовая энергия, поглощаемая пластмассами, может возбуждать фотоны, которые затем создают свободные радикалы. Хотя многие чистые пластмассы не могут поглощать ультрафиолетовое излучение, присутствие остатков катализатора и других примесей часто будет действовать как рецепторы, вызывая деградацию. Для того, чтобы произошла деградация, может потребоваться только очень небольшое количество примесей, например, следовые доли на миллиард значений содержания натрия в поликарбонате будут вызывать нестабильность цвета. В присутствии кислорода свободные радикалы образуют гидропероксиды кислорода, которые могут разорвать двойные связи основной цепи, что приводит к хрупкой структуре. Этот процесс часто называют фотоокислением. Однако в отсутствие кислорода все равно будет происходить деградация из-за процесса сшивания, который является эффектом для пластмасс, используемых для космического телескопа Хаббла и Международной космической станции.

Немодифицированными видами пластмасс, которые рассматриваются как имеющие неприемлемую стойкость к ультрафиолету, являются POM (Acetal), PC, ABS и PA6 / 6. Другие пластики, такие как ПЭТ, ПП, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT и PPO считаются справедливыми. Обратите внимание, что сплав ПК / АБС также оценивается как удовлетворительный. Хорошая стойкость к ультрафиолетовым лучам может быть достигнута с помощью полимеров, экструдируемых Zeus, таких как PTFE, PVDF, FEP и PEEKTM. Единственными пластиками, имеющими отличную стойкость, являются имиды, полиимид (PI), используемые в космическом телескопе Хаббла, и полиэфиримид (PEI).

ПТФЭ обладает особенно хорошей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению благодаря очень сильной углерод-фторсодержащей (CF) связи [почти на 30% выше, чем углерод-водородная (CH) связь], которая является общей боковой связью, которая окружает углеродную (CC) главную цепь в спираль и защищает его. Большинство фторполимеров также не имеют в своей структуре светопоглощающих хромофорных примесей, которые могут действовать в качестве инициатора фотоокисления.

Одним из полезных взаимодействий ультрафиолета и пластика является флуоресцентный отбеливающий агент (FWA). При естественном освещении многие полимерные продукты могут выглядеть желтыми. Но при добавлении FWA поглощенный ультрафиолетовый свет затем излучается в синей области видимого света (длина волны 400-500 нм) вместо желтой области. По сравнению с другими добавками FWA необходимо добавлять только в небольших количествах, обычно 0,01-0,05 мас.%.

Как избежать УФ-деградации

Существует несколько способов избежать разрушения ультрафиолета в пластмассах - с помощью стабилизаторов, поглотителей или блокаторов. Для многих наружных применений простое добавление сажи на уровне около 2% обеспечит защиту конструкции в процессе блокировки. Другие пигменты, такие как диоксид титана, также могут быть эффективными. Органические соединения, такие как бензофеноны и бензотриазолы, являются типичными поглотителями, которые избирательно поглощают ультрафиолетовое излучение и повторно излучают на менее вредной длине волны, главным образом в виде тепла. Тип бензотриазола хорош, так как он имеет низкий цвет и может использоваться при низких дозовых дозах ниже 0,5%.

Другим основным механизмом защиты является добавление стабилизатора, наиболее распространенным из которых является HALS (световой стабилизатор из затрудненного амина). Они поглощают возбужденные группы и предотвращают химическую реакцию радикалов.

На практике различные типы используемых добавок находятся в комбинациях или смешаны в исходный полимер, который будет производиться в качестве специального сорта для защиты от ультрафиолета. Может быть привлекательным добавлять антиоксиданты в некоторые пластмассы, чтобы избежать фотоокисления, но следует позаботиться о том, чтобы выбранный антиоксидант не действовал в качестве УФ-абсорбента, что фактически усилит процесс разложения.

Тестирование компонентов

Выветривание компонентов чаще всего связано с наружной продукцией, но также может присутствовать ультрафиолетовое излучение от флуоресцентного освещения в помещениях, где покрытия должны быть устойчивы к деградации и неблагоприятному окрашиванию. Ускоренное старение является распространенным методом оценки долговременного повреждения продукта, подвергаемого воздействию искусственного света из различных источников. Воздействие часто происходит при повышенной температуре и может периодически повторяться при высокой влажности.

Существует несколько стандартов, которые регулируют тип и уровни освещения, например, ASTM D 2565 (Стандартная практика для воздействия ксеноновой дуги пластмасс, предназначенных для наружного применения). Другие, с сокращенными описаниями, ASTM D 4329 (люминесцентная лампа), ASTM D 4459 (как для 2565 с внутренним применением), SAE J1960 (автомобильные экстерьеры с ксеноновой дугой), ISO 4892-2 (ксеноновая дуга) и ISO 4892-3 (флуоресцентная лампа). Однако ни один из стандартов не дает требуемого стандарта для свойств продукта в конце периода воздействия.

Несколько крупных пользователей получают свои собственные критерии. Примером может служить «Выветривание пластиковых труб» (Отчет TR18 / 99) Института пластиковых труб, которое предупреждает о больших различиях в окружающей среде для разных мест в США. Другой вариант - для пластиковых пиломатериалов, где твердость внешней оболочки не должна изменяться более чем на 10% после 500 часов выдержки.

В приведенном выше списке указаны стандарты воздействия в помещениях. Это очень актуально для пластиков, используемых в корпусах люминесцентных ламп, где их спектр содержит УФ-излучение. Там будет очевидный эффект обесцвечивания, если используется нестабилизированный полимер.

Резюме

Если продукт должен подвергаться воздействию прямых солнечных лучей, проектировщик или инженер должен указать подходящие стандарты испытаний и убедиться, что пластик имеет соответствующую рецептуру для сохранения желаемых долгосрочных свойств. Включение добавок в процесс плавления полимера может обеспечить защиту, или, если объемы достаточно велики, добавки могут быть предварительно смешаны в смоле.

Опубликовано с разрешения Zeus Industrial Products, Inc.

Похожие