تأثیر پرتو فرابنفش (UV) بر پلیمرها (بخش چهارم/پیش‌بینی عمر مفید پلیمرها و انواع تست‌ ودرینگ)

تولیدکنندگان محصولات پلاستیکی نیازمند بررسی میزان مقاومت محصول خود در برابر شرایط محیطی مختلف هستند. یکی از مواردی که در پیش‌بینی مقاومت پلاستیک‌ها حائز اهمیت است، بررسی پایداری آنها در برابر پرتو فرابنفش خورشید است. اما اطمینان از عمل‌کرد و عمر مورد انتظار پلاستیک‌ها در شرایط واقعی محیطی، عملی زمان‌بر و پرهزینه است. بدین منظور، از تست ودرینگ (شرایط جوی) تسریع یافته (accelerated weathering test) استفاده می‌شود. منابع نوری برای تست ودرینگ شامل زنون قوس بلند فیلتر شده، لامپ‌های فلورسنت متال هالید و قوس کربن هستند. منابع نوری که کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، عبارتند از بخار جیوه و لامپ های تنگستن [1].

فلورسنت یا Q-UV

برای تولید پرتو در ناحیه طول موج فرابنفش، می‌توان از لامپ‌های فلوورسنت استفاده کرد.

انواع لامپ‌های فلورسنت:

UV-A

UV-B

لامپ‌های UV-A

این لامپ‌ها بیشتر برای مقایسه میزان پایداری محصولات پلیمری به کار می‌رود. خروجی این لامپ بالاتر از 295 نانومتر است . لامپ UV-A340 بهترین نوع لامپ برای شبیه‌سازی نور خورشید است. لامپ‌های UV-A351 بیش‌تر نور فیلتر شده فرابنفش را شبیه‌سازی می‌کنند.

لامپ‌های UV-B

از این لامپ‌ها برای پلیمرهای با دوام بالا استفاده می‌شود. لامپ UV-B313 پرکاربردترین نوع این لامپ است. در شکل 1 یکی از پرکاربردترین دستگاه‌های ودرینگ، دستگاه ودرینگ Q-UV (Q-Lab Ultraviolet tester) مشاهده می‌شود. روش‌های تست استاندارد، شامل روش استاندارد ASTM D4329 برای پیش‌بینی عمر پلاستیک‌ها و روش استاندارد ASTM D4587 برای سنجش رنگ و پوشش‌های مرتبط است [1].

دستگاه QUV Q-Lab Ultraviolet tester)) شکل 1. دستگاه Q-UV (Q-Lab Ultraviolet tester) [2].

قوس زنون

قوس زنون یک لامپ تخلیه گاز است که در یک لوله کوارتز قرار گرفته است. با عبور دادن الکتریسیته، گاز زنون یونیزه شده، نور تولید می‌کند. از طریق ترکیبی از فیلترهایی که برای کاهش تشعشعات ناخواسته استفاده می‌شود، قوس زنون تشعشعات خورشیدی UV و مرئی را بیش‌تر از هر منبع نور مصنوعی دیگری شبیه‌سازی می‌کند. در شکل 2، یک دستگاه تست زنون را می‌توان مشاهده کرد. منابع نور قوس زنون به‌طور گسترده‌ای برای آزمایش مقاومت در برابر تغییر رنگ استفاده می‌شوند [1].

شکل 2. دستگاه تست زنون [3].

قوس کربن

دستگاه‌های قوس کربنی عموماً از دو لامپ (قوس دوقلو) استفاده می‌شود . قوس کربن محصور شده (ECA) در یک پوشش شیشه‌ای بوروسیلیکات (borosilicate) قرار دارد که به‌عنوان فیلتری برای تشعشعات با طول موج کم عمل می‌کند. مقدار قابل توجهی از تابش طیفی قوس کربن، زیر 300 نانومتر است. آزمایش قوس کربن روی موادی که فقط تابش طول موج کوتاه را جذب می‌کنند، تأثیر ضعیف‌تری (از فضای باز واقعی) خواهد داشت. علاوه بر این، نتایج ECA بر موادی که طول موج بلند UV و نور مرئی را جذب می‌کنند، تأثیر قوی‌تری (نسبت به فضای باز واقعی) خواهد داشت [1].

تست ازون

آزمایش ازون اغلب بر روی الاستومرها انجام می‌شود که درنتیجه باعث شکنندگی و ترک قطعه خواهد شد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، این کار با قرار دادن قطعات آزمایشی مانند حلقه‌های O شکل در محفظه ازون انجام می‌‌شود.

شکل 3. ترک لاستیک بر اثر تست ازون [4]

رایج‌ترین انواع لاستیک که تحت تأثیر نامطلوب ازون قرار می‌گیرند عبارتند از:

لاستیک طبیعی (Natural rubber)
پلی‌بوتادین
لاستیک استایرن بوتادین
لاستیک نیتریل (Nitrile rubber)

فرسودگی متداول (Conventional Aging)

این روش تست که ممکن است در بسیاری از مکان‌های جغرافیایی مختلف (مانند فلوریدا، آریزونا، اوکیناوا در ژاپن) انجام شده باشد، یک نوردهی به قطعه پلیمری در معرض مستقیم نور خورشید است. نوردهی مستقیم برای موادی در نظر گرفته شده است که در فضای باز استفاده می‌شوند و در معرض همه عوامل آب و هوایی هستند. زمان قرار گرفتن در معرض نور خورشید می‌تواند متغیر و 6، 12، 24 و 48 ماه باشد. موقعیت مکانی عامل مهمی در میزان زمان تابش این آزمون است.

در این آزمون، قفسه‌ای که نمونه‌های آزمایشی را در خود نگه می‌دارد چندین پیکربندی مختلف دارد. قفسه‌‌ها عموماً جهت‌‌گیری جنوبی و زاویه 45 درجه دارند که بیش‌ترین میزان تابش را در بر می‌گیرد. در شکل 4، یکی از این دستگاه‌های تست ودرینگ را می‌توان مشاهده کرد [1].

شکل 4. دستگاه تست نوردهی طبیعی [5].

دستگاه تست نوردهی جعبه سیاه

هدف از این نوردهی تقلید از شرایط موجود در صندوق عقب و کاپوت خودرو است. نوردهی جعبه سیاه به‌طور معمول منجر به ایجاد دماها و رطوبت بالاتر نسبت به روش محیط باز می‌شود. از این دستگاه در درجه اول برای آزمایش مواد داخلی به کار رفته در خودرو استفاده می‌شود. نمونه‌ها در پشت صفحات شیشه‌ای مخصوص در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند [6].

شکل 5. دستگاه نوردهی جعبه سیاه [7].

فرسودگی متداول با اسپری (Conventional Aging with Spray)

این دستگاه نوردهی با شیب 45 درجه افقی با یک اسپری آب طراحی شده است که برای ایجاد شرایط آب و هوایی مرطوب استفاده می‌شود. ورود آب در یک آب و هوای خشک، برخی از حالت‌‌های تخریب را تسریع می‌‌کند که بدون رطوبت به سرعت رخ نمی‌‌دهند. اسپری آب بر روی قطعه پلیمری باعث یک شوک حرارتی و کاهش دمای سطح نمونه تا 14 درجه سانتی‌گراد (57 درجه فارنهایت) می‌شود که منجر به تنش‌های فیزیکی خواهد شد و در نتیجه، تخریب را تسریع می‌کند. به طور معمول، افشانه‌های اسپری در بالای صفحه قفسه در نقاط توزیع شده نصب می شوند تا به طور یک‌نواخت کل منطقه را مرطوب کنند [1] .

شکل 6. خیس کردن دستگاه نوردهی و ایجاد محیط مرطوب برای تخریب پلیمرها [8].

تست در فضای باز (Outdoor Testing)

سه مورد از رایج‌ترین مکان‌های فرسودگی که اشاره شد، آریزونا، فلوریدا و ژاپن هستند. آریزونا به‌دلیل تشعشعات سالانه زیاد و دمای محیطی آن از اهمیت بالایی برخوردار است. جنوب فلوریدا به‌دلیل تشعشعات زیاد همراه با بارندگی زیاد منحصربفرد است. فلوریدا و آریزونا به آب و هوای مرجع بین‌المللی و ایالات متحده برای سنجش دوام مواد تبدیل شده‌اند، زیرا آنها بدترین حالت را برای مواد به‌ویژه پلیمرها در جهان نشان می‌دهند [1] .

تست پرتوگیری (Ultra-accelerated Exposure)

این دستگاه درحالی‌که نور خورشید را بر روی نمونه‌های آزمایشی متمرکز می‌کند، هم‌زمان در جهت خورشید نیز حرکت می‌کند. این سیستم دارای بازتاب بسیار بالایی در محدوده طول موج UV و نزدیک به مرئی است، درحالی‌که بازتاب را در بخش‌های با طول موج بلندتر مانند طیف مادون قرمز IR خورشید کاهش می‌دهد. این فرآیند باعث می‌شود تا غلظت بالایی از انرژی UV بدون گرم کردن بیش از حد نمونه‌ها به سطح مواد بتابد. همان‌طور که در شکل 7 مشاهده می‌شود، این دستگاه پرتودهی می‌تواند با شدت 50 تا 100 برابر بیش‌تر تابش معمول را بر نمونه‌ها بتاباند و میزان هوازدگی طبیعی یک سال را تنها در 3 تا 10 روز جمع‌آوری کند [1].

شکل 7. دستگاه پرتوگیری [9].

تست STCT ( Sunlight tracking concentrator testing)

یک روش آزمایش طبیعی با استفاده از آینه‌های بازتابنده ویژه برای متمرکز کردن تابش خورشید بر روی سطح نمونه آزمایش است. با توجه به اینکه STCT با قرار گرفتن در معرض محیطی طبیعی پردازش می‌شود، دقت نتایج آزمایش تا حد زیادی بهبود می‌یابد. مزیت STCT این است که می‌تواند هواپذیری یک ماده پلیمری را با کمک محیط واقعی آشکار کند. STCT در مقایسه با تست فرسودگی تسریع شده مصنوعی، هزینه کمتر اما قابلیت اطمینان بالاتر و هم‌چنین نرخ فرسودگی نسبی بالا را نشان می دهد [1].

در این دستگاه، طبق شکل زیر، با قرار دادن نمونه‌ها بر روی قفسه‌های عمودی و رو به جنوب آزمایش انجام می‌شود. برای کوتاه‌تر کردن زمان، می‌توان از قفسه 45 درجه جنوبی استفاده کرد تا نور خورشید بیشتری به نمونه‌ها بتابد [1].

شکل 8. متمرکزکننده ردیابی نور خورشید که توسط ATLAS ساخته شده است [10].

محدودیت‌ها

محدودیت اصلی فرسودگی تسریع شده مصنوعی این است که توزیع طیف نور کاملاً متفاوت از نور طبیعی است که برای تخریب مواد پلیمری مهم است. علاوه بر این، آزمایش‌‌های پیری تسریع‌‌ شده مصنوعی، تأثیرات عوامل خارجی مانند تفاوت دما بین روز و شب، تغییرات فصلی، میکروارگانیسم‌ها، ازون، آلاینده‌های شیمیایی موجود در هوا و نمک را نیز نادیده می‌گیرند. در نتیجه، آزمایش پیری تسریع شده مصنوعی نمی‌تواند محیط طبیعی را به‌طور کامل و واقعی شبیه‌سازی کند؛ که می‌تواند منجر به شکست در تعیین مکانیسم فرسودگی برای مواد پلیمری در محیط طبیعی شود. به همین دلیل است که قابلیت اطمینان نتایج حاصل از پیری مصنوعی نسبتاً پایین است. براساس نتایج آزمایش فرسودگی تسریع شده مصنوعی، ارزیابی هوازدگی مواد پلیمری همیشه طول عمر مورد انتظار بیشتری را ارائه می‌دهد که بسیار متفاوت از طول عمر واقعی تجهیزات صنعتی است [1].