Ảnh hưởng của tia cực tím lên polyme (sự phân hủy) và cách tránh sự phân hủy tia cực tím:
Tất cả chúng ta đều không nghi ngờ gì về tác động chính của bức xạ tia cực tím (UV) đối với bản thân - bao nhiêu người trong chúng ta đã kết thúc với chiếc mũi đỏ sau một ngày ra nắng? Da của chúng ta không phải là cấu trúc hữu cơ duy nhất phải chịu đựng; thậm chí các polyme sẽ bị ảnh hưởng ở một mức độ nào đó khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và bức xạ tia cực tím. Vấn đề chính là có quá nhiều thông số ảnh hưởng đến mức độ phơi nhiễm, và có một số cách cung cấp khả năng chống lại các ảnh hưởng.
Bức xạ UV và phổ điện từ:
Tia UV là một phần của quang phổ điện từ. Nó ở cuối năng lượng cao hơn so với ánh sáng nhìn thấy và tiếp theo là năng lượng bởi tia X và tia Gamma - xem biểu đồ.
Bức xạ UV được chia thành ba loại khác nhau như được mô tả trong bảng 1 cùng với tác dụng đặc trưng của chúng.
| SỰ MIÊU TẢ | DÒNG SÓNG (nm) | HIỆU QUẢ CHUNG |
|---|---|---|
| Tia UVA | 320 - 400 | TẨY DA CHẾT |
| UVB | 280 - 320 | TRẮNG DA |
| UVC | 100 - 280 | GERMICIDAL |
Một trong những vấn đề chính của việc xem xét ảnh hưởng của tia UV đối với polyme là cường độ liên quan đến: tầng ôzôn ở tầng bình lưu, mây, độ cao, vị trí chiều cao mặt trời (thời gian trong ngày và thời gian trong năm) và phản xạ. Sự phức tạp của các hiệu ứng có thể được nhìn thấy mức độ UV toàn cầu?? màu xanh lá cây đậm là cao nhất.
Cũng cần nhớ rằng nhiệt độ và độ ẩm thực tế của môi trường xung quanh sẽ đẩy nhanh bất kỳ ảnh hưởng nào tới mức cường độ.
Các tác động chính đối với polyme tiếp xúc với tia cực tím:
Tất cả các loại UV đều có thể gây ra hiệu ứng quang hóa trong cấu trúc polyme, có thể là một lợi ích hoặc dẫn đến sự xuống cấp của một số loại vật liệu. Lưu ý rằng so với da của chúng ta, UVC năng lượng cao hơn có nhiều khả năng ảnh hưởng đến nhựa hơn.
Suy giảm, xuống cấp của vật liệu:
Các hiệu ứng có thể nhìn thấy chính là sự xuất hiện như phấn và sự thay đổi màu sắc trên bề mặt vật liệu, và bề mặt thành phần trở nên giòn. Ta có thể dễ dàng tìm thấy 1 ví dụ về thanh Polypropylene (PP) màu đỏ: Sau một vài năm trong vườn, các ống đùn vẫn giữ nguyên màu sắc của chúng, trong khi các bộ phận kẹp được đúc phun trở nên trắng và nứt. Các thành phần khác có thể bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với năng lượng mặt trời bao gồm ghế ngồi ở sân vận động, bàn ghế ngoài trời, phim nhà kính, khung cửa sổ và các bộ phận ô tô.
Một số chất dẻo đã tiếp xúc với mức độ bức xạ khắc nghiệt hơn nhiều so với mức độ chúng ta trải qua trên trái đất. Các thành phần trong kính viễn vọng không gian Hubble (HST) và Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) yêu cầu chất dẻo có thể tồn tại trước nhu cầu của không gian vũ trụ. Fluoropolyme như FEP và polyimide như Kapton là chất dẻo đã được sử dụng thành công cho HST và ISS.
Các tác động trên chủ yếu ở lớp bề mặt của vật liệu và không có khả năng mở rộng đến độ sâu trên 0,5mm vào kết cấu. Tuy nhiên, nồng độ ứng suất gây ra bởi tính chất giòn cao của một số loại nhựa hàng hóa có thể dẫn đến hỏng hóc hoàn toàn thành phần.
Những lợi ích:
Nhiều người trong chúng ta được hưởng lợi từ các lớp phủ polyme bảo vệ chống tia cực tím, chẳng hạn như polyurethane-acrylates, trên các bộ phận bên ngoài ô tô. Một lợi ích cục bộ hơn đối với nhiều người là bức xạ tia cực tím trong máy lọc và máy làm mát nước hàng đầu thường được hỗ trợ bởi các đặc tính truyền dẫn tốt của ống FEP (Fluorinated Ethylene Propylene) và khả năng không bị suy giảm. FEP có thể xử lý nóng chảy cũng được sử dụng làm lớp phủ bảo vệ trên đèn UV cho máy diệt ruồi điện tử, nơi lớp phủ này cho khả năng truyền dẫn tuyệt vời (chỉ mất khoảng 4% đối với màng 0,25mm). Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng để đóng rắn bằng tia UV đối với mực trên nền nhựa.
Không hoàn toàn liên quan đến nhựa là bức xạ UVC, có thể được sử dụng để khử trùng các bộ phận.
Tương tác của bức xạ UV và nhựa:
Năng lượng UV được nhựa hấp thụ có thể kích thích các photon, sau đó tạo ra các gốc tự do. Trong khi nhiều loại nhựa nguyên chất không thể hấp thụ bức xạ UV, sự hiện diện của dư lượng chất xúc tác và các tạp chất khác thường sẽ hoạt động như các chất tiếp nhận, gây ra sự xuống cấp. Chỉ một lượng rất nhỏ tạp chất có thể cần thiết để sự phân hủy xảy ra, ví dụ như vết vết phần tỷ giá trị của natri trong polycarbonate sẽ tạo ra sự mất ổn định về màu sắc. Khi có oxy, các gốc tự do tạo thành oxy hydroperoxit có thể phá vỡ các liên kết đôi của chuỗi xương sống dẫn đến cấu trúc giòn. Quá trình này thường được gọi là quá trình quang oxy hóa.
Tuy nhiên, các loại nhựa chưa biến tính được coi là có khả năng chống tia cực tím không thể chấp nhận được là POM (Acetal), PC, ABS và PA6 / 6. Các loại nhựa khác như PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT và PPO được coi là công bằng. Lưu ý rằng hợp kim PC / ABS cũng được đánh giá là công bằng. Khả năng chống tia cực tím tốt có thể đạt được từ các polyme được Zeus ép ra như PTFE, PVDF, FEP và PEEKTM. Loại nhựa duy nhất được tìm thấy có khả năng chống chịu tuyệt vời là imides, Polyimide (PI) được sử dụng trong Kính viễn vọng không gian Hubble và Polyetherimide (PEI).
PTFE có khả năng chống tia cực tím đặc biệt tốt vì liên kết cacbon-flo (CF) rất mạnh [cao hơn gần 30% so với liên kết cacbon-hydro (CH)], là liên kết bên phổ biến bao quanh xương sống cacbon (CC) trong một xoắn và bảo vệ nó. Hầu hết các chất fluoropolyme cũng không có tạp chất mang màu hấp thụ ánh sáng trong cấu trúc của chúng có thể hoạt động như một chất khơi mào cho quá trình oxy hóa quang.
Một tương tác hữu ích của UV và nhựa là với chất làm trắng huỳnh quang (FWA). Trong ánh sáng tự nhiên, nhiều sản phẩm polyme có thể xuất hiện màu vàng. Nhưng bằng cách thêm FWA, ánh sáng UV được hấp thụ sau đó sẽ phát ra trong vùng màu xanh lam của ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 400-500nm), thay vì vùng màu vàng. So với các chất phụ gia khác, FWA chỉ cần bổ sung ở mức nhỏ, điển hình là 0,01 ?? 0,05% khối lượng.
Làm thế nào để tránh sự suy giảm của tia cực tím:
Có một số cách để tránh sự suy giảm tia cực tím trong nhựa? Bằng cách sử dụng chất ổn định, chất hấp thụ hoặc chất chặn. Đối với nhiều ứng dụng ngoài trời, việc bổ sung đơn giản muội than ở mức khoảng 2% sẽ cung cấp sự bảo vệ cho kết cấu bằng quá trình chặn. Các chất màu khác như titanium dioxide cũng có thể có hiệu quả. Các hợp chất hữu cơ như benzophenones và benzotriazoles là những chất hấp thụ điển hình hấp thụ chọn lọc tia UV và phát lại ở bước sóng ít có hại hơn, chủ yếu là nhiệt. Loại benzotriazole là tốt, vì nó có màu sắc thấp và có thể được sử dụng ở liều lượng thấp dưới 0,5%.
Cơ chế chính khác để bảo vệ là thêm chất ổn định, phổ biến nhất là HALS (Chất ổn định ánh sáng Amine cản trở). Chúng hấp thụ các nhóm bị kích thích và ngăn chặn phản ứng hóa học của các gốc.
Trong thực tế, các loại phụ gia khác nhau được sử dụng ở dạng kết hợp hoặc được trộn thành polyme ban đầu để được sản xuất như một loại đặc biệt để chống tia cực tím. Có thể hấp dẫn khi thêm chất chống oxy hóa vào một số loại nhựa để tránh quá trình oxy hóa quang học, nhưng cần phải chú ý rằng chất chống oxy hóa được chọn không hoạt động như một chất hấp thụ tia cực tím, điều này sẽ thực sự tăng cường quá trình phân hủy.
Kiểm tra các thành phần:
Ảnh hưởng của thời tiết thường liên quan đến các sản phẩm ngoài trời, nhưng cũng có thể có bức xạ UV từ ánh sáng đèn huỳnh quang dải trong nhà, nơi các lớp phủ phải có khả năng chống xuống cấp và màu bất lợi. Lão hóa nhanh là một kỹ thuật phổ biến để đánh giá hư hỏng lâu dài khi sản phẩm tiếp xúc với ánh sáng nhân tạo từ nhiều nguồn khác nhau. Sự phơi nhiễm thường diễn ra ở nhiệt độ cao và có thể theo chu kỳ với thời gian có độ ẩm cao.
Có một số tiêu chuẩn quy định loại và mức độ chiếu sáng, ví dụ như ASTM D 2565 (Tiêu chuẩn thực hành về phơi nhiễm hồ quang Xenon của nhựa dành cho ứng dụng ngoài trời). Các loại khác, với mô tả rút gọn, ASTM D 4329 (đèn huỳnh quang), ASTM D 4459 (đối với 2565 với các ứng dụng trong nhà), SAE J1960 (ngoại thất ô tô với vòng cung Xenon), ISO 4892-2 (vòng cung Xenon) và ISO 4892-3 (Huỳnh quang). Tuy nhiên, không có tiêu chuẩn bắt buộc đối với các đặc tính của sản phẩm khi kết thúc thời gian phơi nhiễm.
Một số người dùng lấy chính tiêu chí của riêng họ, phụ thuộc vào địa điểm và môi trường khác nhau: Ví dụ như đối với gỗ nhựa thì độ cứng của vỏ ngoài không được thay đổi quá 10% sau 500 giờ tiếp xúc.
Tóm lược:
Nếu một sản phẩm phải tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, nhà thiết kế hoặc kỹ sư phải chỉ định các tiêu chuẩn thử nghiệm phù hợp và đảm bảo nhựa có công thức thích hợp để duy trì các đặc tính lâu dài mong muốn. Nó có thể bao gồm các chất phụ gia cho quá trình nấu chảy polyme nhằm cung cấp sự bảo vệ, hoặc nếu khối lượng đủ lớn, các chất phụ gia có thể được trộn trước vào nhựa.
Tham khảo một số mẫu sản phẩm nhựa đang kinh doanh tại QTE TECHNOLOGIES:
