UV vlastnosti plastů: Propustnost a odolnost

Všichni si nepochybně uvědomujeme hlavní vliv ultrafialového (UV) záření na nás samotné – kolik z nás skončilo s červeným nosem po dni stráveném na slunci? Naše kůže není jedinou organickou strukturou, která trpí; dokonce i polymery budou do určité míry ovlivněny vystavením slunečnímu záření a ultrafialovému záření. Hlavním problémem je, že tolik parametrů ovlivňuje úroveň expozice a existuje několik způsobů, jak zajistit odolnost vůči účinkům.

UV záření a elektromagnetické spektrum

UV světlo je součástí elektromagnetického spektra. Je na vyšším konci energie ve srovnání s viditelným světlem a je následováno v energii rentgenovým zářením a paprsky gama – viz diagram.

UV záření je rozděleno do tří různých typů, jak je popsáno v tabulce 1 spolu s jejich charakteristickým účinkem.

Jedním z hlavních problémů při zvažování vlivu UV záření na polymery je intenzita související se: stratosférickým ozónem, oblačností, nadmořskou výškou, polohou výšky slunce (denní a roční doba) a odrazem. Složitost účinků lze vidět na globálním grafu úrovní UV záření – nejvyšší je tmavě zelená:

Je také důležité si uvědomit, že skutečná okolní teplota a vlhkost urychlí jakýkoli účinek úrovně intenzity. Hlavní účinky na polymery vystavené UV záření

Všechny typy UV záření mohou způsobit fotochemický efekt v polymerní struktuře, který může být buď přínosem, nebo může vést k degradaci nějakého druhu materiálu. Všimněte si, že ve srovnání s naší kůží, vyšší energie UVC s větší pravděpodobností ovlivní plasty.

degradace

Hlavní viditelné efekty jsou křídový vzhled a barevný posun na povrchu materiálu a povrch součásti se stává křehkým. Mohu ručit za tyto účinky, které se nacházejí v červených polypropylénových (PP) tyčinkách mých dětí. Po několika letech na zahradě si extrudované trubky zachovaly svou plnou barvu, zatímco vstřikované díly svorek zbělely a popraskaly. Mezi další součásti, které mohou být vystaveny slunečnímu záření, patří stadionová sedadla, venkovní nábytek, skleníkové fólie, okenní rámy a automobilové díly.

Některé plasty byly vystaveny mnohem tvrdším úrovním radiace, než jaké zažíváme na Zemi. Komponenty Hubbleova vesmírného dalekohledu (HST) a Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) vyžadují plasty, které dokážou přežít požadavky vesmíru. Fluoropolymery jako FEP a polyimidy jako Kapton jsou plasty, které byly úspěšně použity pro HST a ISS.

Výše uvedené efekty jsou převážně v povrchové vrstvě materiálu a je nepravděpodobné, že by se rozšířily do hloubky nad 0.5 mm do struktury. Koncentrace napětí způsobené vysoce křehkou povahou některých komoditních plastů však může vést k úplnému selhání součásti. Výhody.

Mnoho z nás těží z ochranných polymerních povlaků vytvrzovaných UV zářením, jako jsou polyuretanové akryláty, na vnějších automobilových součástech. Lokálnějším přínosem pro mnoho lidí je UV záření v stolních čističkách a vodních chladičích, kterému často napomáhají dobré přenosové vlastnosti trubek FEP (Fluorinated Ethylene Propylene) a jejich schopnost nedegradovat. FEP zpracovatelný tavením se také používá jako ochranný povlak na UV lampách pro elektronické hubiče much, kde povlak poskytuje vynikající propustnost (pouze asi 4% ztráta pro 0.25 mm film). Existuje také mnoho aplikací pro UV vytvrzování inkoustů na plastových substrátech. S plasty není zcela spojeno UVC záření, které lze použít ke sterilizaci součástí. Interakce UV záření a plastů

UV energie absorbovaná plasty může excitovat fotony, které pak vytvářejí volné radikály. Zatímco mnoho čistých plastů nemůže absorbovat UV záření, přítomnost zbytků katalyzátoru a jiných nečistot často působí jako receptory, které způsobují degradaci. K tomu, aby došlo k degradaci, může být zapotřebí pouze velmi malé množství nečistot, např. hodnoty stopových dílů na miliardu sodíku v polykarbonátu iniciují barevnou nestabilitu. V přítomnosti kyslíku mohou volné radikály z kyslíkových hydroperoxidů rozbít dvojné vazby hlavního řetězce, což vede ke křehké struktuře. Tento proces se často nazývá fotooxidace. V nepřítomnosti kyslíku však bude stále docházet k degradaci v důsledku procesu zesíťování, což je účinek plastů používaných pro Hubbleův vesmírný dalekohled a Mezinárodní vesmírnou stanici.

Neupravené typy plastů, které jsou považovány za nepřijatelné odolné vůči UV záření, jsou POM (acetal), PC, ABS a PA6/6. Ostatní plasty jako PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT a PPO jsou považovány za spravedlivé. Všimněte si, že slitina PC/ABS je také hodnocena jako spravedlivá. Dobré odolnosti vůči ultrafialovému záření lze dosáhnout z polymerů extrudovaných firmou Zeus, jako je PTFE, PVDF, FEP a PEEKTM. Jedinými plasty s vynikající odolností jsou imidy, Polyimid (PI) používaný v Hubbleově vesmírném dalekohledu a Polyetherimid (PEI).

PTFE má obzvláště dobrou odolnost vůči UV záření, protože má velmi silnou vazbu uhlík-fluor (CF) [téměř o 30 % vyšší než vazba uhlík-vodík (CH)], což je společná boční vazba, která obklopuje uhlíkovou (CC) páteř v šroubovice a chrání ji. Většina fluoropolymerů také nemá ve své struktuře chromoforové nečistoty absorbující světlo, které mohou působit jako iniciátor fotooxidace.

Jedna užitečná interakce UV záření a plastů je s fluorescenčními bělícími činidly (FWA). V přirozeném světle se mnoho polymerních produktů může jevit jako žluté. Ale přidáním FWA je absorbované UV světlo emitováno v modré oblasti viditelného světla (vlnová délka 400-500 nm) namísto žluté oblasti. Ve srovnání s jinými aditivy je třeba FWA přidávat pouze v malých množstvích, typicky 0.01 – 0.05 % hmotnosti.

Jak se vyhnout UV degradaci

Existuje několik způsobů, jak zabránit degradaci plastů UV zářením – pomocí stabilizátorů, absorbérů nebo blokátorů. Pro mnoho venkovních aplikací jednoduché přidání sazí v koncentraci kolem 2 % poskytne konstrukci ochranu procesem blokování. Účinné mohou být i jiné pigmenty, jako je oxid titaničitý. Organické sloučeniny, jako jsou benzofenony a benzotriazoly, jsou typickými absorbéry, které selektivně absorbují UV záření a re-emitují na méně škodlivé vlnové délce, hlavně jako teplo. Benzotriazolový typ je dobrý, protože má nízkou barvu a může být použit při nízkých dávkách pod 0.5 %.

Dalším hlavním mechanismem ochrany je přidání stabilizátoru, nejběžnější je HALS (Hindered Amine Light Stabilizer). Ty absorbují excitované skupiny a zabraňují chemické reakci radikálů.

V praxi jsou různé typy používaných aditiv v kombinacích nebo jsou zakomponovány do původního polymeru, který má být vyroben jako speciální třída pro UV ochranu. Může být atraktivní přidat do některých plastů antioxidanty, aby se zabránilo fotooxidaci, ale je třeba dbát na to, aby zvolený antioxidant nepůsobil jako UV absorbent, což ve skutečnosti zesílí proces degradace.

Testování komponent

Povětrnostní vlivy komponentů jsou nejčastěji spojovány s venkovními výrobky, ale může se jednat i o UV záření z vnitřního páskového zářivkového osvětlení, kde by kryty měly být odolné vůči degradaci a nepříznivému zbarvení. Urychlené stárnutí je běžnou technikou pro hodnocení dlouhodobého poškození výrobku vystaveného umělému světlu z různých zdrojů. Expozice často probíhá při zvýšené teplotě a může být cyklována v obdobích vysoké vlhkosti.

Existuje několik norem, které regulují typ a úrovně osvětlení, např. ASTM D 2565 (Standardní praxe pro vystavení plastů xenonovým obloukem určených pro venkovní aplikace). Dalšími jsou se zkrácenými popisy ASTM D 4329 (zářivka), ASTM D 4459 (stejně jako 2565 s vnitřními aplikacemi), SAE J1960 (exteriéry automobilů s xenonovým obloukem), ISO 4892-2 (xenonový oblouk) a ISO 4892- 3 (fluorescenční). Žádná z norem však nedává požadovanou normu pro vlastnosti produktu na konci doby expozice.

Několik hlavních uživatelů odvozuje svá vlastní kritéria. Příkladem je Weathering of Plastic Pipes (Report TR18/99) od Plastic Pipe Institute, který varuje před velkými rozdíly v prostředí pro různá místa v USA. Další je pro plastové řezivo, kde se tvrdost vnějšího pláště po 10 hodinách působení nesmí změnit o více než 500 %.

Ve výše uvedeném seznamu jsou normy pro expozici ve vnitřních aplikacích. To je velmi důležité pro plasty používané v pouzdrech zářivek, kde jejich spektrum obsahuje UV záření. Při použití nestabilizovaného polymeru bude zřejmý účinek odbarvení.

Shrnutí

Má-li být výrobek vystaven přímému slunečnímu záření, musí konstruktér nebo inženýr specifikovat vhodné zkušební normy a ujistit se, že plast má vhodné složení pro udržení požadovaných dlouhodobých vlastností. Zahrnutí přísad do procesu tavení polymeru může poskytnout ochranu, nebo pokud jsou objemy dostatečně vysoké, mohou být přísady předem smíchány do pryskyřice.