پیش‌بینی عمر پلاستیک‌ها در برابر خورشید

مقدمه

     اکثر پلیمرها و پلاستیک‌‌ها 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 و ورقه‌ای شدن می‌شوند. برای جلوگیری از این اتفاق و افزایش عمر پلاستیک‌ها از مستربچ‌های یووی استفاده می‌شود. در نوشته قبلی به عوامل تخریب پلاستیک‌ها در فضای باز اعم از نور خورشید، دمای بسیار بالا یا بسیار کم، رطوبت و آلودگی هوا اشاره شد. حال چون تولیدکننده‌های پلاستیک نیازمند بررسی میزان مقاومت محصول خود در برابر عوامل جوی مختلف هستند، باید به‌گونه‌ای این شرایط آب و هوایی معادل‌سازی شود. اما اطمینان از عمل‌کرد مورد انتظار و عمر پلاستیک‌ها در شرایط واقعی محیطی، عملی زمان‌بر است، بدین منظور از تست شرایط جوی تسریع‌یافته (accelerated weathering test) استفاده می‌شود. دستگاه تست Weathering اثرات مضر قرار گرفتن دراز مدت مواد و پوشش‌ها در فضای باز را با قرار دادن نمونه‌های آزمون در شرایط مختلف weathering مانند اشعه ماورای بنفش، رطوبت و گرما شبیه‌سازی می‌کند. درون محفظه از لامپ‌های فلورسنت، زنون، کربن و… استفاده می‌کنند تا یک طیف تابش در محدوده طول موج‌های یووی ایجاد شود. دما توسط یک گرم‌کننده و رطوبت به وسیله کندانس شدن کنترل می‌شود.

شکل 1. نمایی از برخی دستگاه‌های مختلف تست شرایط جوی تسریع‌یافته 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 تسریع‌یافته و استانداردهای این تست برای مواد مختلف اشاره می‌شود.

پارامترهای اصلی مورد بررسی در آزمون ودرینگ

    پلاستیک‌ها در معرض فضای باز، به‌دلیل حضور تابش UV، گرما یا سرما و رطوبت، دچار تغییر رنگ و تضعیف خواص مکانیکی می‌شوند. تغییرات این سه فاکتور در اغلب تست‌های شرایط جوی تسریع‌یافته مورد بررسی قرار می‌گیرد. با تغییر سه عامل نور مصنوعی، دما و اسپری آب، شبیه‌سازی شرایط محیطی صورت می‌گیرد. جدول 1 مقایسه‌ای بین عوامل متعدد تأثیرگذار بر هوای محیط و سه عامل متغیر تست شرایط آب‌ و هوایی تسریع‌یافته را نشان می‌دهد.

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

شکل 2 پاشش آب در دستگاه Weathering در جهت شبیه‌سازی رطوبت هوا را نشان می‌دهد

شکل 2. پاشش آب روی نمونه‌ها در دستگاه weathering، به‌منظور شبیه‌سازی رطوبت

    از دیگر تفاوت‌های این تست با شرایط واقعی، می‌توان به زمان چرخه اشاره کرد. در حالی که در حالت واقعی، در طی 24 ساعت، مواد در معرض شرایط پیچیده‌ هوای محیط قرار دارند، در این تست بسته به شرایط آب‌ و هوایی منطقه، چند چرخه پیچیده طی یک روز روی مواد تکرار می‌شود. زمان هر کدام از این چرخه‌ها بین 2 تا 4 ساعت متغیر است. خلاصه‌ای از تفاوت شرایط چرخه در جدول 2 آمده است.

جدول 2- 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 3 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 است.

شکل 3. طیف الکترومغناطیس

    اشعه ماورای بنفش به سه نوع مختلف تقسیم می‌شود که در جدول 3 شرح داده شده است.

جدول 3- 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 نمی‌شود 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 است. 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 می‌گیرد.

انواع دستگاه‌های تست Weathering

• منابع نور دستگاه‌های این تست:

• لامپ‌های قوس بلند زنون فیلترشده (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

• انواع لامپ‌های فلورسنت UV:

1. UVA
2. UVB

    یکی از اثرات قرار گرفتن پلاستیک‌ها در معرض یووی، تغییر رنگ و زرد شدن آنهاست. شکل 5 مقایسه‌ای بین روند زرد شدن دو نمونه مختلف بعد از 0، 250، 500 و 800 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 500 ساعت تابش اشعه ماورای بنفش، به‌وضوح دیده می‌شود و بعد از 800 ساعت، شدت زرد شدن به بالاترین سطح خود رسید. در حالی که نمونه Diglycidyl ether of bisphenol A) B و Epikure F205 و 3% آنتی UV)، پس از 800 ساعت با شدت بسیار کم زرد شده که نشان‌دهنده حفاظت مؤثر نمونه B در برابر نور UV به‌علت 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

انواع استانداردهای تست شرایط آب و هوایی تسریع‌یافته برای رابرها و پلاستیک‌ها

• 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 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 آب‌ و هوایی تسریع‌یافته با استفاده از منابع نور آزمایشگاهی”

    این استاندارد روش‌های عمومی را در هنگام قرار گرفتن مواد غیر فلزی در دستگاه‌های تست شرایط آب‌ و 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 (به‌صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به‌صورت 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 (به‌صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به‌صورت باران و یا شبنم پوشش می‌دهد.

• ASTM G154

    “استاندارد برای استفاده از نور فلورسنت اشعه ماورای 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 آب‌ و هوا هنگام استفاده از مواد در معرض نور خورشید (به‌صورت مستقیم یا از طریق شیشه پنجره) و رطوبت به‌صورت 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 فیلترشده 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 پلاستیک‌ها 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 پلاستیک‌های 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 است..

• ASTM D4811

    “مشخصات استاندارد برای ورق لاستیکی غیر ولکانیزه‌شده مورد استفاده برای درزگیر سقف“

    این مشخصات، ورقه لاستیکی پخته‌نشده از جنس EPDM (اتیلن پروپیلن دی‌ان مونومر) یا CR (پلی‌کلروپرن) برای استفاده به‌عنوان درزگیر در معرض هوا را مورد بررسی قرار می‌دهد.

• ASTM D5208

    “استاندارد قرار گرفتن پلاستیک‌های تخیب‌پذیر در اثر نور در معرض نور فلورسنت اشعه ماورای بنفش”

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

• ASTM D750

    “استاندارد روش تست برای تخريب لاستیک با استفاده از دستگاه آب‌ و هوایی مصنوعی”

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

• ISO 4892

    “روشی برای قرار گرفتن پلاستیک‌ها در معرض نور آزمایشگاهی“

    روش‌های مشخص آزمایشگاهی برای شبیه‌سازی شرایط واقعی آب‌ و هوا با اضافه کردن رطوبت و 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 (به‌صورت 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 (به‌صورت 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