УФ-свойства пластмасс: пропускание и сопротивление

Все мы, несомненно, знаем о главном влиянии ультрафиолетового (УФ) излучения на самих себя - у скольких из нас после дня, проведенного на солнце, покраснел нос? Страдает не только наша кожа; даже полимеры в некоторой степени пострадают от воздействия солнечного света и ультрафиолетового излучения. Основная проблема заключается в том, что на уровень воздействия влияет очень много параметров, и есть несколько способов обеспечить устойчивость к воздействию.

УФ-излучение и электромагнитный спектр

Ультрафиолетовый свет является частью электромагнитного спектра. Он находится на более высоком уровне энергии по сравнению с видимым светом, за ним следуют по энергии рентгеновские лучи и гамма-лучи - см. Диаграмму.

УФ-излучение подразделяется на три различных типа, как описано в таблице 1 вместе с их характерным действием.

Одной из основных проблем при рассмотрении воздействия УФ-лучей на полимеры является интенсивность, связанная с: стратосферным озоном, облаками, высотой, положением высоты солнца (время суток и время года) и отражением. Сложность эффектов можно увидеть на глобальном графике уровней УФ-излучения ?? темно-зеленый - самый высокий:

Также важно помнить, что фактическая температура и влажность окружающей среды ускоряют любое влияние уровня интенсивности. Основные эффекты воздействия УФ-излучения на полимеры

Все типы УФ-излучения могут вызывать фотохимический эффект в структуре полимера, который может быть либо преимуществом, либо привести к разрушению какого-либо материала. Обратите внимание, что по сравнению с нашей кожей более высокая энергия ультрафиолетового излучения с большей вероятностью повлияет на пластик.

деградация

Основные видимые эффекты - это бледность и изменение цвета на поверхности материала, а также поверхность детали становится хрупкой. Я могу поручиться за эти эффекты, обнаруженные в моих детских батончиках из красного полипропилена (PP). После нескольких лет эксплуатации в саду экструдированные трубы сохранили свой полный цвет, а детали зажимов, изготовленные методом литья под давлением, стали белыми и потрескались. Другие компоненты, которые могут быть затронуты солнечным воздействием, включают сиденья стадиона, уличную мебель, тепличные пленки, оконные рамы и автомобильные детали.

Некоторые пластмассы подверглись гораздо более суровому воздействию радиации, чем мы испытываем на Земле. Для компонентов космического телескопа Хаббл (HST) и Международной космической станции (МКС) требуются пластмассы, способные выдержать требования космического пространства. Фторполимеры, такие как FEP, и полиимиды, такие как Kapton, представляют собой пластмассы, которые успешно используются для HST и ISS.

Вышеуказанные эффекты проявляются преимущественно в поверхностном слое материала и вряд ли распространятся на глубину более 0.5 мм в структуру. Однако концентрации напряжений, вызванные очень хрупкой природой некоторых товарных пластиков, вполне могут привести к полному выходу из строя компонента. Преимущества.

Многие из нас получают выгоду от отверждаемых УФ-излучением защитных полимерных покрытий, таких как полиуретан-акрилаты, на наружных компонентах автомобилей. Более локальным преимуществом для многих людей является УФ-излучение в настольных очистителях и водоохладителях, чему часто способствуют хорошие пропускающие свойства трубок из FEP (фторированный этилен-пропилен) и их способность не разрушаться. Обрабатываемый в расплаве FEP также используется в качестве защитного покрытия УФ-ламп для электронных средств уничтожения мух, где покрытие обеспечивает отличное пропускание (потери только около 4% для пленки толщиной 0.25 мм). Есть также много применений для УФ-отверждения красок на пластиковых подложках. Ультрафиолетовое излучение ультрафиолетового излучения, которое может использоваться для стерилизации компонентов, не полностью связано с пластиком. Взаимодействие УФ-излучения и пластмасс

УФ-энергия, поглощаемая пластиком, может возбуждать фотоны, которые затем создают свободные радикалы. Хотя многие чистые пластмассы не могут поглощать УФ-излучение, присутствие остатков катализатора и других примесей часто действует как рецепторы, вызывая разложение. Только очень небольшое количество примесей может потребоваться для того, чтобы произошло разложение, например, количество следов натрия на миллиард в поликарбонате вызовет нестабильность цвета. В присутствии кислорода свободные радикалы гидропероксидов кислорода могут разорвать двойные связи основной цепи, что приведет к хрупкой структуре. Этот процесс часто называют фотоокислением. Однако в отсутствие кислорода разложение все равно будет происходить из-за процесса сшивки, который является эффектом пластмасс, используемых для космического телескопа Хаббла и Международной космической станции.

Немодифицированные типы пластиков, которые считаются имеющими неприемлемую стойкость к ультрафиолетовому излучению, - это ПОМ (ацеталь), ПК, АБС и PA6 / 6. Другие пластмассы, такие как ПЭТ, ПП, ПЭВП, ПА12, ПА11, ПА6, ПЭС, ППО, ПБТ и ППО, считаются приемлемыми. Обратите внимание, что сплав ПК / АБС также считается удовлетворительным. Хорошая устойчивость к ультрафиолетовым лучам может быть достигнута из полимеров, экструдированных Zeus, таких как PTFE, PVDF, FEP и PEEKTM. Единственные пластмассы с превосходной стойкостью - это имиды, полиимид (PI), используемый в космическом телескопе Хаббла, и полиэфиримид (PEI).

ПТФЭ имеет особенно хорошую стойкость к ультрафиолетовому излучению из-за его очень прочной связи углерод-фтор (CF) [почти на 30% выше, чем связь углерод-водород (CH)], которая представляет собой обычную боковую связь, которая окружает углеродную (CC) основную цепь в спираль и защищает ее. Большинство фторполимеров также не имеют в своей структуре светопоглощающих примесей хромофора, которые могут действовать как инициатор фотоокисления.

Одно из полезных взаимодействий ультрафиолета и пластика - это флуоресцентные отбеливающие вещества (FWA). При естественном освещении многие полимерные продукты могут иметь желтый цвет. Но при добавлении FWA поглощенный УФ-свет излучается в синей области видимого света (длина волны 400-500 нм), а не в желтой области. По сравнению с другими добавками FWA нужно добавлять только в небольших количествах, обычно 0.01 ?? 0.05% по весу.

Как избежать УФ-деградации

Есть несколько способов избежать УФ-деградации пластмасс ?? с помощью стабилизаторов, поглотителей или блокаторов. Для многих наружных применений простое добавление технического углерода на уровне около 2% обеспечит защиту конструкции за счет процесса блокировки. Другие пигменты, такие как диоксид титана, также могут быть эффективными. Органические соединения, такие как бензофеноны и бензотриазолы, являются типичными поглотителями, которые избирательно поглощают УФ-излучение и повторно излучают на менее опасной длине волны, в основном в виде тепла. Тип бензотриазола хорош, так как он имеет низкую окраску и может использоваться при низких мощностях дозы ниже 0.5%.

Другой основной механизм защиты - это добавление стабилизатора, наиболее распространенным из которых является HALS (светостабилизатор с затрудненным амином). Они поглощают возбужденные группы и предотвращают химическую реакцию радикалов.

На практике различные типы добавок используются в комбинации или примешиваются к исходному полимеру, который будет производиться как специальный сорт для защиты от ультрафиолета. Может показаться привлекательным добавление антиоксидантов к некоторым пластмассам, чтобы избежать фотоокисления, но необходимо следить за тем, чтобы выбранный антиоксидант не действовал как поглотитель ультрафиолетового излучения, что фактически усилит процесс разложения.

Тестирование компонентов

Выветривание компонентов чаще всего связано с продуктами для наружного применения, но также может быть УФ-излучение от ламп дневного света в помещении, где покрытия должны быть устойчивы к разрушению и неблагоприятному окрашиванию. Ускоренное старение - это распространенный метод оценки долговременных повреждений продукта, подвергнутых воздействию искусственного света из различных источников. Воздействие часто происходит при повышенной температуре и может периодически меняться с периодами высокой влажности.

Существует несколько стандартов, регулирующих тип и уровни освещения, например, ASTM D 2565 (Стандартная практика воздействия ксеноновой дуги на пластмассы, предназначенные для наружного применения). Другие, с сокращенным описанием, ASTM D 4329 (люминесцентная лампа), ASTM D 4459 (как для 2565 для внутреннего применения), SAE J1960 (автомобильный экстерьер с ксеноновой дугой), ISO 4892-2 (ксеноновая дуга) и ISO 4892- 3 (флуоресцентный). Однако ни один из стандартов не устанавливает требуемых стандартов свойств продукта в конце периода воздействия.

Несколько основных пользователей выводят свои собственные критерии. Примером может служить выветривание пластиковых труб (Отчет TR18 / 99) Института пластиковых труб, в котором содержится предупреждение о больших различиях в окружающей среде для разных мест в США. Другой - для пластиковых пиломатериалов, у которых твердость внешней оболочки не должна измениться более чем на 10% после 500 часов выдержки.

В приведенном выше списке приведены стандарты воздействия в помещениях. Это очень актуально для пластмасс, используемых в кожухах люминесцентных ламп, где их спектр содержит УФ-излучение. При использовании нестабилизированного полимера будет очевидный эффект обесцвечивания.

Резюме

Если продукт подвергается воздействию прямых солнечных лучей, дизайнер или инженер должен указать подходящие стандарты испытаний и убедиться, что пластик имеет соответствующий состав для сохранения желаемых долговременных свойств. Включение добавок в процесс плавления полимера может обеспечить защиту, или, если объемы достаточно велики, добавки могут быть предварительно включены в смолу.