چرا پلاستیک ها مقابل نور خورشید تخریب می‌شوند؟

مقدمه

پلاستیک ها دسته‌ای پرکاربرد از پلیمرها هستند که روز به روز استفاده از آن ها در فضای باز در حال افزایش است. پلیمرها تحت شرایط مختلف آب و هوایی و UV دچار تغییراتی در ظاهر یا کاربری می شوند. به طور معمول این مواد 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 ورقه ای شدن می‌شوند. تخریب و تجزیه پلاستیک‌ها ناشی از عوامل مختلف که Weathering نامیده می‌شوند، صورت می‌گیرد. 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 پلاستیک ها را توسعه داده است.

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

عوامل منجر به تخریب

مهم ترین عوامل منجر به تخریب به صورت جداگانه یا ترکیبی عبارتند از:

• تابش خورشید
• دما
• رطوبت
• اثرات دیگر اتمسفر

1) تابش خورشید

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

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. هم چنین تغییرات دمای بالا منجر به تحریک واکنش‌های شیمیایی و تضعیف مواد پلاستیکی می‌شود. شکل 4 تغییر خواص مکانیکی پلاستیک‌ها در برابر سرما را نشان می‌دهد.

از طرفی می‌تواند دمای کاربری ماده موردنظر در رنجی باشد که هم چنان ماده از مقاومت خوبی در برابر ضربه و فشار برخوردار باشد با این وجود آلودگی هوا می‌تواند اثرات نامطلوبی بر این ویژگی ها داشته باشد. هم چنین تابش خورشید دمای سطوحی که به طور 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 رادیکال های آزاد می‌شود. این رادیکال ها می‌توانند فرایند تخریب را آغاز کنند و ادامه دهند. علاوه بر این ممکن است تخلخل و مهاجرت میکروب ها را افزایش دهد. اکثر فرایندهای تخریب در آب‌ و هوای خشک بسیار آهسته تر از آب‌ و هوای مرطوب است.

4) اثرات دیگر اتمسفری

آلاينده‌هاي مختلف جوی مانند خاک و گرد و غبار و همچنين مواد مضر مثل گوگرد دي 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 می‌باشد که می‌تواند تخریب مواد را به طور 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 افزودنی ها 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، تثبیت کننده‌ها باید بازده بیش تری داشته باشند.

در ادامه به برخی از افزودنی های مقاوم در برابر UV و مستربچ های 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. به طور کلی جاذب‌های نور در شرایط شدید Weathering عملکرد مناسبی ندارند.

کربن سیاه یکی از جاذب‌های با بازده بالا و ارزان قیمت به عنوان 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 رنگ های دیگر مطلوب باشد، مناسب نیست.

هم چنین تیتانیوم دی اکسید (TiO₂) به طور گسترده ای به عنوان جاذب نور برای محصولات PVC به کار می رود 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.

پایدارکننده‌های نور UV 

پایدارکننده، فرایند تخریب را از طریق واکنش با رادیکال‌ها متوقف می‌کنند. این مواد برای برخی از پلاستیک‌ها و کاربردها توسعه یافته‌اند. فرمولاسیون پایدار‌کننده به طور 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 کننده ها را در برخی کاربردها نشان می‌دهد. از جمله این پایدارکننده‌ها می‌توان به Hindered Amine Light Stabilizers) HALS) اشاره کرد.

چه طور می‌توان از مقاومت پلاستیک ها در برابر UV اطمینان حاصل کرد؟

طبق موارد گفته شده در بالا تولیدکنندگان مواد پلاستیکی نیازمند بررسی میزان مقاومت محصول خود در برابر عوامل جوی مختلف می‌باشند چرا که خواص مکانیکی این مواد به مرور زمان در معرض تابش خورشید، دمای بسیار بالا یا بسیار کم، رطوبت، آلودگی هوا تضعیف می‌شود. حال چون این بررسی در شرایط واقعی محیطی به دلیل دخیل بودن متغیرهای زیاد و نیاز صنعت به تست محصولات در مدت زمان کم امکان پذیر نیست، بدین منظور از تست شرایط جوی تسریع یافته 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 (هر چه به ناحیه استوایی نزدیک تر،UV بیش تر)
• ارتفاع (هر چه قطعه به خورشید نزدیک‌تر، UV بیش تر)
• شرایط محلی (به عنوان مثال یک باد دائمی، نمونه های آزمون را خشک می‌کند)
• تغییرات تصادفی سال به سال در آب و هوا (تخریب می تواند در سال های متوالی به طور قابل توجهی در همان محل تغییر کند).
• تغییرات فصلی (در زمستان ممکن است کم تر از تابستان تخریب صورت گیرد)
• جهت نمونه
• خواص متغیر مواد آزمون

آزمون شرایط جوی تسریع یافته متغیرهای کم تری دارد. این آزمون ممکن است با استفاده از عملیات صحیح و روش های نگهداری کنترل شود:

• چرخه عملیاتی تجهیزات آزمایشگاهی (چرخه نور / تاریکی / رطوبت معمولاً توسط یک استاندارد مشخص می‌شود)
• دمای مورد استفاده در آزمون آزمایشگاهی (داغ تر سریع تر است)
• 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 تسریع یافته را نشان می‌دهد. بهترین عملیات این است که بعد از آزمون شرایط جوی تسریع یافته، با قرار دادن نمونه در شرایط واقعی نتایج به دست آمده را تأیید کرد.

بنابراین به منظور بررسی مقاومت مواد پلیمری در برابر عوامل جوی مختلف باید از تست شرایط جوی تسریع یافته 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