چرا پلاستیک‌ها مقابل نور UV خورشید تخریب می‌شوند؟

مقدمه

    پلاستیک‌ها دسته‌ای پرکاربرد از پلیمرها هستند که روز به روز استفاده از آنها در فضای باز در حال افزایش است. پلیمرها تحت شرایط مختلف آب و هوایی و UV دچار تغییراتی در ظاهر یا کاربری می‌شوند. این مواد به‌طور معمول در مواجهه‌ طولانی مدت با نور UV همانند شکل 1، متحمل تغییر رنگ و خواص مکانیکی از جمله کاهش استحکام کششی و مقاومت در برابر ضربه، شکنندگی، ایجاد ترک و ورقه‌ای شدن می‌شوند. تخریب و تجزیه پلاستیک‌ها که Weathering نامیده می‌شود، ناشی از عوامل مختلفی است. به همین دلیل، مقاومت این گونه مواد در برابر شرایط جوی به مسئله‌ای مهم تبدیل شده است. این موضوع مواد پلیمری مقاوم در برابر UV و استفاده از مستربچ UV در پلاستیک‌ها را توسعه داده است.

شکل 1. تغییر و تخریب پلاستیک‌ها در مواجهه طولانی مدت با نور UV

    در این نوشته ابتدا توضیح مختصری از هر کدام از عوامل جوی مؤثر بر تخریب، ارائه و سپس به معرفی برخی از مستربچ‌های مقاوم در برابر UV و لزوم استفاده از تست شرایط جوی تسریع‌یافته اشاره می‌گردد.

عوامل منجر به تخریب

    مهم‌ترین عوامل منجر به تخریب، به‌صورت جداگانه یا ترکیبی عبارتند از:

• تابش خورشید
• دما
• رطوبت
• اثرات دیگر اتمسفر

شکل 2.عوامل منجر به تخریب در یک نگاه

1) تابش خورشید

    قرار گرفتن بلند مدت در معرض تابش آفتاب، به‌ویژه پرتو فرابنفش، منجر به شکستن زنجیره‌های پلیمری و پیوندهای شیمیایی و ایجاد رادیکال و بنابراین تضعیف خواص فیزیکی، تغییر رنگ و ورقه‌ای شدن سطوح می‌شود. در بدترین حالت، محصولات پلاستیکی شکننده می‌شوند و حتی بعد از مدت کوتاهی تجزیه می‌گردند. برای محافظت از پلاستیک‌ها در مقابل اثرات مخرب پرتو فرابنفش، ترکیبات پایه باید به اندازه کافی تثبیت شوند. شکل 3 تأثیر نور UV بر پلاستیک‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 3. تأثیر نور UV بر اکثر پلاستیک‌ها

2) دما

    هنگامی که مواد پلاستیکی در معرض گرما و سرمای شدید یا دمای بالا در مدت زمان طولانی قرار می‌گیرند، ساختار پلیمر ممکن است متحمل آسیب فیزیکی گردد. هم‌چنین تغییرات زیاد دمایی منجر به تحریک واکنش‌های شیمیایی و تضعیف مواد پلاستیکی می‌شود. شکل 4 تغییر خواص مکانیکی پلاستیک‌ها در برابر سرما را نشان می‌دهد.

شکل 4. ترد و شکننده شدن پلاستیک‌ها در برابر سرما

    از طرفی، دمای کاربری ماده موردنظر می‌تواند در رنجی باشد که هم‌چنان ماده از مقاومت خوبی در برابر ضربه و فشار برخوردار باشد. با این وجود، آلودگی هوا می‌تواند اثرات نامطلوبی بر این ویژگی‌ها داشته باشد. هم‌چنین تابش خورشید، دمای سطوحی که به‌طور مستقیم در معرض قرار گرفتند را می‌تواند تا 20 درجه سلسیوس بالاتر از دمای محیط، بسته به رنگ ماده افزایش دهد.

3) رطوبت

    تأثیر نور UV روی آب منجر به تولید انواع مختلف رادیکال‌های آزاد می‌شود. این رادیکال‌ها می‌توانند فرآیند تخریب را آغاز کنند و ادامه دهند. علاوه بر این ممکن است تخلخل و مهاجرت میکروب‌ها را افزایش دهد. اکثر فرآیندهای تخریب در آب‌ و هوای خشک بسیار آهسته‌تر از آب‌ و هوای مرطوب است.

4) اثرات دیگر اتمسفری

    آلاينده‌های مختلف جوی مانند خاک و گرد و غبار و هم‌چنين مواد مضر مثل گوگرد دی اکسيد (SO₂) یا ازون و سولفوریک اسید موجود در باران اسیدی، در کاربردهای مربوط به فضای باز، اجتناب‌ناپذير هستند. این آلاینده‌ها می‌توانند باعث اثرات شدیدتر Weathering شوند. از جمله مواردی که می‌توان به آن اشاره کرد، قرار گرفتن در معرض شدید گازهای خاصی مانند خروجی از اگزوز وسایل نقلیه است که می‌تواند تخریب مواد را به‌طور قابل توجهی تسریع کند و منجر به ضعف عمل‌کرد مکانیکی شود.

پایدارکننده‌های آب‌ و هوا برای مواد پلاستیکی

    حفاظت از مواد پلیمری در مقابل پرتو فرابنفش و Weathering، معمولاً توسط ترکیب مواد پلیمری با افزودنی‌ها صورت می گیرد. انتخاب یک ماده پایدارکننده مناسب، بستگی به زمینه کاربردی، منطقه آب‌ و هوایی، الزامات ماندگاری و شرایط خاص در معرض قرارگیری دارد. با افزایش شدت پرتو فرابنفش و Weathering، تثبیت‌کننده‌ها باید بازدهی بیش‌تری داشته باشند. در ادامه به برخی از افزودنی‌های مقاوم در برابر UV و مستربچ‌های پایدارکننده UV اشاره می‌شود.

جاذب‌های نور UV 

    جاذب‌ها پرتو فرانفش را جذب کرده و به پرتو فروسرخ یا انرژی گرمایی تبدیل می‌کنند. این گرما سپس از طریق ماتریس پلیمری انتشار می‌یابد. به‌طور کلی جاذب‌های نور در شرایط شدید Weathering عمل‌کرد مناسبی ندارند.

شکل 5. مکانیزم عمل‌کرد جاذب‌های نور

    کربن سیاه یکی از جاذب‌های با بازده بالا و ارزان قیمت، به‌عنوان یک افزودنی استاندارد برای قطعات خاکستری و سیاه استفاده می‌شود. از این رو قطعات سیاه، در حال حاضر مقاومت خوبی در برابر پرتو فرابنفش در مناطق آب‌ و هوایی معتدل ارائه می‌دهند. اما از سوی دیگر، رنگ سیاه برای اثرات بسیار شدید Weathering و یا در مواردی که رنگ‌های دیگر مطلوب باشد، مناسب نیست.

شکل 6. کربن سیاه

    هم‌چنین تیتانیوم دی اکسید (TiO₂) به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان جاذب نور برای محصولات PVC به‌کار می‌رود و در حال حاضر در برابر پرتو فرابنفش بسیار مقاوم است. این ماده عمدتاً برای قطعاتی با رنگ سفید (به غیر از سیاه) استفاده می‌شود.

شکل 7. پنجره‌ای از جنس PVC

پایدارکننده‌های نور UV 

    پایدارکننده‌ها فرآیند تخریب را از طریق واکنش با رادیکال‌ها متوقف می‌کنند. این مواد برای برخی از پلاستیک‌ها و کاربردها توسعه یافته‌اند. فرمولاسیون پایدار‌کننده‌ها به‌طور خاص بر اساس موقعیت جغرافیایی، شرایط آب‌ و هوایی، نوع کاربرد و مدت زمان در معرض قرارگیری متغیر است. شکل 8 موارد استفاده از این پایدار کننده‌ها را در برخی کاربردها نشان می‌دهد. از جمله این پایدارکننده‌ها می‌توان به Hindered Amine Light Stabilizers) HALS) اشاره کرد.

شکل 8. استفاده از پایدارکننده‌های UV در قطعات پلاستیکی داخلی خودرو و موانع ترافیکی

چه‌طور می‌توان از مقاومت پلاستیک‌ها در برابر UV اطمینان حاصل کرد؟

    طبق موارد گفته‌شده در بالا، تولیدکنندگان مواد پلاستیکی نیازمند بررسی میزان مقاومت محصول خود در برابر عوامل جوی مختلف هستند، چرا که خواص مکانیکی این مواد، در معرض تابش خورشید، دمای بسیار بالا یا بسیار کم، رطوبت و آلودگی هوا، به مرور زمان تضعیف می‌شود. حال چون این بررسی در شرایط واقعی محیطی به‌دلیل دخیل بودن متغیرهای زیاد و نیاز صنعت به تست محصولات در مدت زمان کم، امکان‌پذیر نیست، بدین منظور از تست شرایط جوی تسریع‌یافته استفاده می‌شود. متغیرهای مختلف در فضای باز عبارتند از:

• چرخه نور/تاریکی روزانه و تغییرات آب‌ و هوا
• عرض جغرافیایی منطقه قرار گرفتن در معرض (هرچه به ناحیه استوایی نزدیک‌تر، UV بیش‌تر)
• ارتفاع (هرچه قطعه به خورشید نزدیک‌تر، UV بیش‌تر)
• شرایط محلی (به‌عنوان مثال یک باد دائمی نمونه‌های آزمون را خشک می‌کند.)
• تغییرات تصادفی سال به سال در آب و هوا (تخریب می‌تواند در سال‌های متوالی، به‌طور قابل توجهی در همان محل تغییر کند.)
• تغییرات فصلی (در زمستان ممکن است کم‌تر از تابستان تخریب صورت گیرد.)
• جهت نمونه
• خواص متغیر مواد آزمون

    آزمون شرایط جوی تسریع‌یافته متغیرهای کم‌تری دارد. این آزمون ممکن است با استفاده از عملیات صحیح و روش‌های نگهداری کنترل شود:

• چرخه عملیاتی تجهیزات آزمایشگاهی (چرخه نور/تاریکی/رطوبت، معمولاً توسط یک استاندارد مشخص می‌شود.)
• دمای مورد استفاده در آزمون آزمایشگاهی (هرچه داغ‌تر، سریع‌تر)
• تغییر در منبع نور تست تجهیزات (کنترل دستی یا اتوماتیک تابش، طول عمر لامپ و فیلتر)
• خواص متغیر مواد آزمون

    شکل 9 نمایی از دستگاه تست شرایط آب‌ و هوایی تسریع‌یافته را نشان می‌دهد. بهترین عملیات این است که بعد از آزمون شرایط جوی تسریع‌یافته، با قرار دادن نمونه در شرایط واقعی، نتایج به‌دست آمده را تأیید کرد.

شکل 9. نمایی از دستگاه تست شرایط آب‌ و هوایی تسریع‌یافته

    بنابراین به‌منظور بررسی مقاومت مواد پلیمری در برابر عوامل جوی مختلف، باید از تست شرایط جوی تسریع‌یافته استفاده شود که در مقاله بعدی به جزئیات این آزمون اشاره می‌شود.

منابع

www.dietzel-univolt.com/1127_EI.123?objid=3938

CREWDSON M, Ketola WDJECJ. Best practices in weathering. 2009(04):2009

گردآورنده: اسما نورمحمد