پیش بینی عمر پلاستیکها در برابر خورشید

مقدمه

اکثر پلیمرها و پلاستیک‌ ها در معرض فضای باز و اشعه UV در دراز مدت دچار افتی در خواص مکانیکی (کاهش چقرمگی و در نتیجه شکننده شدن قطعه)، تغییر رنگ، زردشدگی، ترک، ورقه ای شدن می‌شوند. برای جلوگیری از این اتفاق از مستربچ‌های یووی استفاده می‌شود. در نوشته قبلی به عوامل تخریب پلاستیک ها در فضای باز اعم از نور خورشید، دمای بسیار بالا یا بسیار کم، رطوبت و آلودگی هوا اشاره شد. حال چون تولیدکننده های پلاستیک نیازمند بررسی میزان مقاومت محصول خود در برابر عوامل جوی مختلف هستند، باید به گونه ای این شرایط آب وهوایی معادل سازی شود. اما اطمینان از عملکرد و عمر مورد انتظار پلاستیک ها در شرایط واقعی محیطی عملی زمان بر است، بدین منظور از تست شرایط جوی تسریع یافته (accelerated weathering test) استفاده می‌شود. دستگاه تست weathering اثرات مضر قرار گرفتن مواد و پوشش‌ها در معرض دراز مدت در فضای باز را با قرار دادن نمونه‌های آزمون در شرایط مختلف weathering مانند اشعه ماوراء بنفش، رطوبت و گرما شبیه‌سازی می‌کند. درون محفظه از لامپ‌های فلورسنت، زنون، کربن و … استفاده می‌کنند تا یک طیف تابش در محدوده طول موج‌های یو وی ایجاد شود. دما توسط یک گرم‌کننده و رطوبت به وسیله کندانس شدن کنترل می‌شود.

شکل 1: نمایی از برخی دستگاه‌های مختلف تست شرایط جوی تسریع یافته با اجزای مختلف آن

شکل ۱: نمایی از برخی دستگاه‌های مختلف تست شرایط جوی تسریع یافته با اجزای مختلف آن

در این نوشته ابتدا به متغیرهای مورد بررسی در آزمون ودرینگ پرداخته و سپس به انواع تابش فرابنفش و همچنین دستگاه‌های مختلف آزمون شرایط جوی تسریع یافته و استانداردهای این تست برای مواد مختلف اشاره می‌شود.

پارامترهای اصلی مورد بررسی در آزمون ودرینگ

پلاستیکها در معرض فضای باز به دلیل حضور  تابش uv، گرما یا سرما و رطوبت دچار تغییر رنگ و تضعیف خواص مکانیکی می شوند. تغییرات این سه فاکتور در اغلب تست های شرایط جوی تسریع یافته مورد بررسی قرار می‌گیرد. با تغییر سه عامل نور مصنوعی، دما و اسپری آب شبیه‌سازی شرایط محیطی صورت می‌گیرد. در جدول ۱ مقایسه‌ای بین عوامل متعدد تأثیرگذار بر هوای محیط و سه عامل متغیر تست شرایط آب‌و هوایی تسریع یافته را نشان می‌دهد.

جدول 1: مقایسه‌ای بین متغیرهای آزمون شرایط جوی تسریع‌یافته و عوامل مؤثر بر هوای محیط

جدول ۱: مقایسه‌ای بین متغیرهای آزمون شرایط جوی تسریع‌یافته و عوامل مؤثر بر هوای محیط

شکل ۲ پاشش آب در دستگاه weathering در جهت شبیه سازی رطوبت هوا را نشان می‌دهد.

شکل 2: پاشش آب روی نمونه ها در دستگاه weathering به منظور شبیه سازی رطوبت

شکل ۲: پاشش آب روی نمونه ها در دستگاه weathering به منظور شبیه سازی رطوبت

از دیگر تفاوت‌های این تست با شرایط واقعی می‌توان به زمان چرخه اشاره کرد. در حالی که در حالت واقعی در طی ۲۴ ساعت مواد در معرض شرایط پیچیده‌ی هوای محیط قرار دارند، در این تست بسته به شرایط آب‌و هوایی منطقه چند چرخه پیچیده طی یک روز روی مواد تکرار می‌شود. زمان هر کدام از این چرخه‌ها بین ۲ تا ۴ ساعت متغیر است. خلاصه‌ای از تفاوت شرایط چرخه در جدول ۲ آمده است.

جدول 2: مقایسه شرایط چرخه بین حالت واقعی و تست شرایط جوی تسریع‌یافته

جدول ۲: مقایسه شرایط چرخه بین حالت واقعی و تست شرایط جوی تسریع‌یافته

انواع تابش فرابنفش

اشعه ماورای بنفش بخشی از طیف الکترومغناطیسی نور است. همانطور که در شکل ۳ مشاهده می‌شود این موج دارای انرژی بسیار زیاد و طول موج کمی نسبت به نور مرئی است. انرژی این موج کمتر از تابش‌های گاما و X می‌باشد.

شکل 3: طیف الکترومغناطیس

شکل ۳: طیف الکترومغناطیس

اشعه ماوراء بنفش به سه نوع مختلف تقسیم می‌شود که در جدول ۳ شرح داده شده است:

جدول 3: انواع مختلف تابش فرابنفش و طول موج و اثر معمول هر کدام از آن‌ها بر پوست

جدول ۳: انواع مختلف تابش فرابنفش و طول موج و اثر معمول هر کدام از آن‌ها بر پوست

  • UVA (پرتو فرابنفش A): این موج قدرت نفوذ بالایی داشته و توسط لایه ازون جذب نمی‌گردد و موجب اثرات نامطلوب و تغییرات رنگدانه در پوست انسان (برنزه شدن و پیری زودرس پوست) و برخی از پلیمرها می‌شود.
  • UVB (پرتو فرابنفش B):  یک قسمت کوچک اما خطرناک از نور خورشید می‌باشد. بیشترین UVB خورشید توسط لایه ازون جذب می‌شود. قرار گرفتن در معرض این اشعه موجب آفتاب سوختگی شده و می‌تواند منجر به اثرات نامطلوبی بر پوست و چشم شود. همچنین می‌تواند باعث آسیب‌های شدید به پلیمرها شود.
  • UVC (پرتو فرابنفش C): این اشعه قوی‌ترین و مرگ‌بارترین اشعه‌ای است که از خورشید ساطع می‌شود اما خوشبختانه لایه ازون جلوی رسیدن آن را به سطح زمین را می‌گیرد.

انواع دستگاه‌های تست weathering

  • منابع نور دستگاه‌های این تست:

  • لامپ‌های قوس بلند زنون فیلتر شده (شبیه‌ساز بهتر نور مرئی و فرابنفش)
  • فلورسنت
  • هالوژنه فلزی
  • قوس کربن
  • لامپ‌های بخار جیوه و تنگستن (کمتر استفاده می‌شود)
شکل 4: نمایی از لامپ‌های درون دستگاه weathering

شکل ۴: نمایی از لامپ‌های درون دستگاه weathering

  • انواع لامپ‌های فلورسنت UV:

  1. UVA
  2. UVB

یکی از اثرات قرار گرفتن پلاستیکها در معرض یو وی تغییر رنگ و زرد شدن  آن هاست. شکل ۵ مقایسه‌ای بین روند زرد شدن دو نمونه مختلف بعد از  ۰، ۲۵۰، ۵۰۰ و ۸۰۰ ساعت در برابر اشعه UV در دستگاه ودرینگ را نشان می‌دهد. در نمونه Diglycidyl ether of bisphenol A) A و عامل پخت Epikure F205)، زرد شدن پس از ۵۰۰ ساعت تابش اشعه ماوراء بنفش به وضوح دیده می‌شود و بعد از ۸۰۰ ساعت شدت زرد شدن به بالاترین سطح خود رسید.در حالی که نمونه Diglycidyl ether of bisphenol A) B و Epikure F205 و ۳% آنتی UV) پس از ۸۰۰ ساعت با شدت بسیار کم زرد شده که نشان دهنده حفاظت موثر نمونه B در برابر نور UV به علت استفاده از جاذب UV است.

شکل 5: زرد شدن نمونه‌های A و B بعد از صفر، 250، 500 و 800 ساعت قرار گرفتن در برابر اشعه UV

شکل ۵: زرد شدن نمونه‌های A و B بعد از صفر، ۲۵۰، ۵۰۰ و ۸۰۰ ساعت قرار گرفتن در برابر اشعه UV

انواع استانداردهای تست شرایط آب و هوایی تسریع یافته برای رابرها و پلاستیک ها

  • ASTM D1148

استاندارد روش تست تغییر یا از بین رفتن رنگ سطوح رابرهای با رنگ روشن در معرض گرما و اشعه فرابنفش

این روش تست، تکنیک‌هایی را برای ارزیابی تغییر رنگ سطح لاستیک ولکانیزه سفید یا با رنگ روشن که ممکن است در معرض اشعه UV یا UV / نور مرئی قرار گیرند، تحت شرایط کنترل رطوبت نسبی یا دما ارائه می‌دهد.

  • ASTM G151

“استاندارد برای پوشش مواد غیر فلزی در دستگاه‌های تست شرایط آب‌و هوایی تسریع یافته با استفاده از منابع نور آزمایشگاهی”

این استاندارد روش‌های عمومی را در هنگام قرار گرفتن مواد غیر فلزی در دستگاه‌های تست شرایط آب‌و هوایی با استفاده از منابع نور آزمایشگاهی فراهم می‌کند.

  • ASTM G152

“استاندارد برای عملیات دستگاه‌های نور باز قوس کربن برای در معرض قرار دادن مواد غیر فلزی

این استاندارد اصول اساسی و روش‌های عملی برای استفاده از دستگاه‌های نور و آب قوس کربن باز برای تولید اثرات weathering را هنگام برخورد با نور خورشید (به صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به صورت باران و یا شبنم پوشش می‌دهد.

  • ASTM G153

“استاندارد برای عملیات دستگاه‌های نور بسته قوس کربن برای در معرض قرار دادن مواد غیر فلزی

این استاندارد اصول اساسی و روش‌های عملی برای استفاده از دستگاه‌های نور و آب قوس کربن بسته برای تولید اثرات weathering را هنگام برخورد با نور خورشید (به صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به صورت باران و یا شبنم پوشش می‌دهد.

  • ASTM G154

“استاندارد برای استفاده از نور فلورسنت اشعه ماوراء بنفش برای مواد غیر فلزی”

این استاندارد اصول اساسی و روش‌های عملی برای استفاده از نور  UV فلورسنت و دستگاه آب را جهت شبیه‌سازی شرایط واقعی آب‌و هوا هنگام استفاده از مواد در معرض نور خورشید (به صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به صورت باران و یا شبنم پوشش می‌دهد.

  • ASTM G155

“استانداردی جهت کارآیی دستگاه Xenon Arc Light برای مواد غیر فلزی “

این تمرین اصول اساسی و روش‌های عملیاتی را برای استفاده از دستگاه نور قوس زنون و آب جهت شبیه‌سازی شرایط واقعی آب‌و هوا هنگام استفاده از مواد در معرض نور خورشید (به صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به صورت باران و یا شبنم پوشش می‌دهد.

  • ASTM D4459

استاندارد برای قرار دادن Xenon-Arc  برای پلاستیک‌ها در کاربرد فضای داخلی”

این استاندارد، روش‌های خاص و شرایط آزمایش برای قرارگرفتن پلاستیک‌ها در معرض دستگاه‌های قوس زنون فیلتر شده مطابق با اقدامات استاندارد G151 و G155 برای ارزیابی پایداری پلاستیک‌های مورد استفاده در محیط‌های داخلی پوشش می‌دهد.

  • ASTM D2565

استاندارد برای قرار دادن  Xenon-Arc برای پلاستیک‌ها در کاربرد فضای باز”

این استاندارد شامل روش‌های خاص و شرایط آزمون برای قرار گرفتن پلاستیک ها در معرض اشعه قوس زنون مطابق با روش G151 و G155 است.

  • ASTM D5071

استاندارد برای قرار گرفتن پلاستیکهای تخریب‌پذیر در برابر نور در معرض Xenon Arc

این استاندارد، روش‌های خاص و شرایط آزمون برای قرار گرفتن پلاستیک های تخریب‌پذیر در برابر نور در معرض قوس زنون مطابق با روش‌های G151 و G155 را پوشش می‌دهد.

  • ASTM D4329

استاندارد برای تابش فلورسنت UV پلاستیک

این استاندارد شامل روش‌های خاص و شرایط آزمون برای تابش فلورسنت UV پلاستیک با توجه به اقدامات G151 و G154 می‌باشد.

  • ASTM D4811

“مشخصات استاندارد برای ورق لاستیکی غیر ولکانیزه شده مورد استفاده برای درزگیر سقف

این مشخصات، ورقه لاستیکی پخته نشده از جنس EPDM (اتیلن پروپیلن دی‌ان مونومر) یا CR (پلی کلروپرن) برای استفاده به عنوان درزگیر در معرض هوا را مورد بررسی قرار می‌دهد.

  • ASTM D5208

“استاندارد قرار گرفتن پلاستیک های تخیب‌پذیر در اثر نور در معرض نور فلورسنت اشعه ماوراء بنفش”

این استاندارد، روش‌های خاصی را برای قرار گرفتن پلاستیک‌های تخریب‌پذیر در برابر نور در معرض نور فلورسنت اشعه ماوراء بنفش مطابق با روش‌های G151 و G154 را ارائه می‌دهد.

  • ASTM D750

“استاندارد روش تست برای تخریب لاستیک با استفاده از دستگاه آب‌و هوایی مصنوعی”

این روش تست، برای قرار گرفتن ترکیبات لاستیکی ولکانیزه در معرض شرایط آب‌و هوا، تغییرات خاص در شرایط آزمایش و روش‌هایی را که باید در هنگام تمرین G151 و G152، G153، G154 یا G155 قابل اجرا باشد، را ارائه می‌دهد.

  • ISO 4892

روشی برای قرار گرفتن پلاستیک‌ها در معرض نور آزمایشگاهی

روش‌های مشخص آزمایشگاهی برای شبیه‌سازی شرایط واقعی آب‌و هوا با اضافه کردن رطوبت، دما

  • ISO 4892-2

روشی برای قرار گرفتن پلاستیک‌ها در معرض نور آزمایشگاهی –قسمت دوم: استفاده از لامپ قوس زنون”

روش‌های مشخصی برای قرار دادن نمونه‌ها در معرض نور قوس زنون در حضور رطوبت جهت شبیه‌سازی اثرات آب و هوایی (به صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) ارائه می‌دهد.

  • ISO 4892-3

روشی برای قرار گرفتن پلاستیک‌ها در معرض نور آزمایشگاهی –قسمت سوم: استفاده از لامپ فلورسنت UV”

روش‌های مشخصی برای قرار دادن نمونه‌ها در معرض نور فلورسنت UV در حضور رطوبت جهت شبیه‌سازی اثرات آب و هوایی (به صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) ارائه می‌دهد.

 

مراجع

Crewdson, M.J.Q.-L.W.R.S., Outdoor weathering must verify accelerated testing. 2008. 1005: p. 33034-1725

Nikafshar, S., et al., The effects of UV light on the chemical and mechanical properties of a transparent epoxy-diamine system in the presence of an organic UV absorber. Materials, 2017. 10(2): p. 180.

https://www.americanairandwater.com/uv-facts/uv-health.htm

http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/WLS_materials/Zeus_UV_Properties.pdf

https://www.astm.org/DATABASE.CART/HISTORICAL/G151-00.htm

https://haidaequipment.en.made-in-china.com/product/jKMmhzSHLskr/China-UVA-UVB-UV-Accelerated-Weathering-Test-Machine-Price.html

http://www.qualitycontroltestingequipment.com/sale-10532805-rubber-uva-uvb-aging-test-machine-accelerated-weathering-chamber-astm-d1148.html

 

گردآورنده:

                 اسما نورمحمد

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *