لا شك أننا جميعًا ندرك التأثير الرئيسي للأشعة فوق البنفسجية على أنفسنا - كم منا انتهى به الأمر بأنف أحمر بعد قضاء يوم في الشمس؟ بشرتنا ليست البنية العضوية الوحيدة التي تعاني ؛ حتى البوليمرات ستتأثر إلى حد ما بالتعرض لأشعة الشمس والأشعة فوق البنفسجية. المشكلة الرئيسية هي أن العديد من المعلمات تؤثر على مستوى التعرض ، وهناك عدة طرق لتوفير مقاومة للتأثيرات.
الأشعة فوق البنفسجية والطيف الكهرومغناطيسي
ضوء الأشعة فوق البنفسجية جزء من الطيف الكهرومغناطيسي. إنه يقع في الطرف الأعلى من الطاقة مقارنة بالضوء المرئي ويتبعه في الطاقة الأشعة السينية وأشعة جاما - انظر الشكل.
تنقسم الأشعة فوق البنفسجية إلى ثلاثة أنواع مختلفة كما هو موضح في الجدول 1 مع تأثيرها المميز.
| الوصف | نطاق الطول الموجي (نانومتر) | التأثير المشترك |
| UVA | ٢٠٢٤/٢٠٢٣ | دباغة الجلد |
| UVB | ٢٠٢٤/٢٠٢٣ | حرق الجلد |
| UVC | ٢٠٢٤/٢٠٢٣ | جرميسيدال |
تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية للنظر في تأثير الأشعة فوق البنفسجية على البوليمرات في شدتها المتعلقة بـ: أوزون الستراتوسفير ، والسحب ، والارتفاع ، وموقع ارتفاع الشمس (الوقت من اليوم والوقت من السنة) ، والانعكاس. يمكن رؤية تعقيد التأثيرات في مخطط عالمي لمستويات الأشعة فوق البنفسجية ؟؟ الأخضر الداكن هو الأعلى:
من المهم أيضًا أن تتذكر أن درجة الحرارة المحيطة والرطوبة الفعلية ستسرع من أي تأثير لمستوى الشدة. التأثيرات الرئيسية على البوليمرات المعرضة للأشعة فوق البنفسجية
يمكن أن تسبب جميع أنواع الأشعة فوق البنفسجية تأثيرًا كيميائيًا ضوئيًا داخل بنية البوليمر ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا أو يؤدي إلى تدهور نوع من المواد. لاحظ أنه بالمقارنة مع بشرتنا ، من المرجح أن تؤثر الأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة العالية على البلاستيك.
انحلال
التأثيرات المرئية الرئيسية هي المظهر الطباشيري وتغير اللون على سطح المادة ، ويصبح سطح المكون هشًا. يمكنني أن أؤكد على هذه التأثيرات كما هو موجود في قضبان قرد حمراء من مادة البولي بروبيلين (PP) لأطفالي. بعد بضع سنوات في الحديقة ، احتفظت الأنابيب المبثوقة بلونها الكامل ، بينما أصبحت أجزاء المشبك المصبوبة بالحقن بيضاء ومتشققة. تشمل المكونات الأخرى التي من المحتمل أن تتأثر بالتعرض لأشعة الشمس مقاعد الاستاد ، والأثاث الخارجي ، وأفلام الدفيئة ، وإطارات النوافذ ، وقطع غيار السيارات.
تعرضت بعض المواد البلاستيكية لمستويات إشعاع أقسى بكثير مما نشهده على الأرض. تتطلب المكونات الموجودة في تلسكوب هابل الفضائي (HST) ومحطة الفضاء الدولية (ISS) مواد بلاستيكية يمكنها تحمل متطلبات الفضاء الخارجي. البوليمرات الفلورية مثل FEP والبوليميدات مثل Kapton هي مواد بلاستيكية تم استخدامها بنجاح في HST و ISS.
التأثيرات المذكورة أعلاه في الغالب في الطبقة السطحية للمادة ومن غير المرجح أن تمتد إلى أعماق تزيد عن 0.5 مم في الهيكل. ومع ذلك ، قد تؤدي تركيزات الإجهاد الناتجة عن الطبيعة الهشة للغاية لبعض المواد البلاستيكية السلعية إلى فشل كامل للمكون. فوائد.
يستفيد الكثير منا من الطلاءات البوليمرية الوقائية المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية ، مثل البولي يوريثان أكريلات ، على مكونات السيارات الخارجية. هناك فائدة محلية أكثر لكثير من الناس هي الأشعة فوق البنفسجية في أجهزة تنقية الأسطح ومبردات المياه والتي غالبًا ما تساعدها خصائص النقل الجيدة لأنابيب الإيثيلين المفلورة وقدرتها على عدم التدهور. يتم استخدام FEP القابل للمعالجة بالذوبان أيضًا كطلاء واقي على مصابيح الأشعة فوق البنفسجية لقاتل الذباب الإلكتروني حيث يعطي الطلاء انتقالًا ممتازًا (فقط حوالي 4٪ خسارة لفيلم 0.25 مم). هناك أيضًا العديد من التطبيقات للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية للأحبار على ركائز بلاستيكية. لا ترتبط الأشعة فوق البنفسجية UVC تمامًا بالبلاستيك ، والتي يمكن استخدامها لتعقيم المكونات. تفاعل الأشعة فوق البنفسجية والمواد البلاستيكية
يمكن أن تثير الطاقة فوق البنفسجية التي يمتصها البلاستيك الفوتونات ، والتي بدورها تخلق الجذور الحرة. في حين أن العديد من اللدائن النقية لا يمكنها امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، فإن وجود بقايا المحفز والشوائب الأخرى غالبًا ما تعمل كمستقبلات ، مما يتسبب في التدهور. قد تكون هناك حاجة فقط إلى كمية صغيرة جدًا من الشوائب لحدوث التحلل ، على سبيل المثال ، سوف تبدأ الأجزاء النزرة لكل مليار من قيم الصوديوم في البولي كربونات في عدم استقرار اللون. في وجود الأكسجين ، يمكن للجذور الحرة من الأكسجين الهيدروجين أن تكسر الروابط المزدوجة لسلسلة العمود الفقري مما يؤدي إلى بنية هشة. غالبًا ما تسمى هذه العملية بالأكسدة الضوئية. ومع ذلك ، في حالة عدم وجود الأكسجين ، سيظل هناك تدهور بسبب عملية الربط المتقاطع والتي هي تأثير المواد البلاستيكية المستخدمة في تلسكوب هابل الفضائي ومحطة الفضاء الدولية.
أنواع البلاستيك غير المعدلة التي تعتبر ذات مقاومة غير مقبولة للأشعة فوق البنفسجية هي POM (Acetal) ، PC ، ABS ، و PA6 / 6. تعتبر مواد بلاستيكية أخرى مثل PET ، PP ، HDPE ، PA12 ، PA11 ، PA6 ، PES ، PPO ، PBT ، و PPO مواد عادلة. لاحظ أن سبيكة PC / ABS يتم تصنيفها أيضًا على أنها عادلة. يمكن تحقيق مقاومة جيدة للأشعة فوق البنفسجية من البوليمرات المبثوقة بواسطة زيوس مثل PTFE و PVDF و FEP و PEEKTM. المواد البلاستيكية الوحيدة التي وجدت بمقاومة ممتازة هي imides و Polyimide (PI) كما هو مستخدم في تلسكوب هابل الفضائي و Polyetherimide (PEI).
يتمتع PTFE بمقاومة جيدة للأشعة فوق البنفسجية نظرًا لرابطه القوي جدًا بفلور الكربون (CF) [أعلى بنسبة 30 ٪ تقريبًا من رابطة الكربون والهيدروجين (CH)] ، وهو الرابط الجانبي المشترك الذي يحيط بالعمود الفقري للكربون (CC) في اللولب ويحميها. لا تحتوي معظم البوليمرات الفلورية أيضًا على شوائب الكروموفور الممتصة للضوء في بنيتها والتي يمكن أن تعمل كبادئ لأكسدة الصور.
أحد التفاعلات المفيدة للأشعة فوق البنفسجية والبلاستيك هو عوامل التبييض الفلورية (FWA). في الضوء الطبيعي ، يمكن أن يبدو أن العديد من منتجات البوليمر لها مظهر أصفر. ولكن بإضافة FWA ، ينبعث ضوء الأشعة فوق البنفسجية الممتص في المنطقة الزرقاء من الضوء المرئي (الطول الموجي 400-500 نانومتر) ، بدلاً من المنطقة الصفراء. بالمقارنة مع المضافات الأخرى ، لا يلزم إضافة FWA إلا عند مستويات صغيرة ، عادةً 0.01 ؟؟ 0.05٪ بالوزن.
كيفية تجنب تدهور الأشعة فوق البنفسجية
هناك عدة طرق لتجنب تدهور الأشعة فوق البنفسجية في اللدائن ؟؟ باستخدام مثبتات أو ماصات أو حاصرات. بالنسبة للعديد من التطبيقات الخارجية ، ستوفر الإضافة البسيطة لأسود الكربون عند مستوى 2٪ حماية للهيكل من خلال عملية الحجب. يمكن أن تكون الأصباغ الأخرى مثل ثاني أكسيد التيتانيوم فعالة أيضًا. المركبات العضوية مثل benzophenones و benzotriazoles هي ماصات نموذجية تمتص بشكل انتقائي الأشعة فوق البنفسجية وتعيد إصدارها بطول موجي أقل ضرراً ، بشكل أساسي مثل الحرارة. نوع البنزوتريازول جيد ، لأنه ذو لون منخفض ويمكن استخدامه بمعدلات جرعة منخفضة أقل من 0.5٪.
تتمثل الآلية الرئيسية الأخرى للحماية في إضافة عامل استقرار ، وأكثرها شيوعًا هو HALS (مُثبِّت الضوء الأمين المعطل). هذه تمتص المجموعات المثارة وتمنع التفاعل الكيميائي للجذور.
من الناحية العملية ، يتم دمج الأنواع المختلفة من المواد المضافة المستخدمة في مجموعات أو يتم دمجها في البوليمر الأصلي ليتم إنتاجها كدرجة خاصة للحماية من الأشعة فوق البنفسجية. قد يكون من الجذاب إضافة مضادات الأكسدة إلى بعض المواد البلاستيكية لتجنب أكسدة الصور ، ولكن يجب الحرص على أن مضادات الأكسدة المختارة لا تعمل كممتص للأشعة فوق البنفسجية ، مما سيعزز بالفعل عملية التحلل.
اختبار المكونات
غالبًا ما ترتبط عملية التجوية للمكونات بالمنتجات الخارجية ، ولكن يمكن أيضًا أن يكون هناك إشعاع فوق البنفسجي من إضاءة الفلوريسنت الشريطية الداخلية حيث يجب أن تكون الأغطية مقاومة للتدهور والتلوين المعاكس. الشيخوخة المتسارعة هي تقنية شائعة لتقييم الضرر طويل المدى مع تعرض المنتج للضوء الاصطناعي من مصادر مختلفة. غالبًا ما يحدث التعرض في درجات حرارة مرتفعة ويمكن تدويره مع فترات من الرطوبة العالية.
هناك العديد من المعايير التي تنظم نوع ومستويات الإضاءة ، على سبيل المثال ASTM D 2565 (الممارسة القياسية لتعرض قوس الزينون للبلاستيك المخصص للتطبيقات الخارجية). البعض الآخر ، مع أوصاف مختصرة ، ASTM D 4329 (مصباح فلورسنت) ، ASTM D 4459 (بالنسبة لـ 2565 مع التطبيقات الداخلية) ، SAE J1960 (الأجزاء الخارجية للسيارات مع قوس زينون) ، ISO 4892-2 (قوس زينون) ، و ISO 4892- 3 (نيون). ومع ذلك ، لا يعطي أي من المعايير معيارًا مطلوبًا لخصائص المنتج في نهاية فترة التعرض.
يستمد العديد من المستخدمين الرئيسيين معاييرهم الخاصة. مثال على ذلك هو تجوية الأنابيب البلاستيكية (تقرير TR18 / 99) من قبل معهد الأنابيب البلاستيكية ، والذي يحذر من الاختلافات الكبيرة في البيئة لمواقع مختلفة في الولايات المتحدة الأمريكية. آخر هو الخشب البلاستيكي حيث يجب ألا تتغير صلابة القشرة الخارجية بأكثر من 10٪ بعد 500 ساعة من التعرض.
توجد في القائمة أعلاه معايير التعرض في التطبيقات الداخلية. هذا وثيق الصلة بالبلاستيك المستخدم في أغلفة ضوء الفلورسنت ، حيث يحتوي طيفها على الأشعة فوق البنفسجية. سيكون هناك تأثير واضح لتغير اللون إذا تم استخدام بوليمر غير مستقر.
الملخص
في حالة تعرض منتج ما لأشعة الشمس المباشرة ، يجب على المصمم أو المهندس تحديد معايير اختبار مناسبة والتأكد من أن البلاستيك يحتوي على الصيغة المناسبة للحفاظ على الخصائص طويلة المدى المطلوبة. قد يؤدي تضمين المواد المضافة في عملية صهر البوليمر إلى توفير الحماية ، أو إذا كانت الأحجام عالية بما فيه الكفاية ، فيمكن تجميع المواد المضافة مسبقًا في الراتينج.
