Proprietà UV della plastica: trasmissione e resistenza

Siamo tutti senza dubbio consapevoli dell'effetto principale delle radiazioni ultraviolette (UV) su noi stessi: quanti di noi hanno avuto il naso rosso dopo una giornata al sole? La nostra pelle non è l'unica struttura organica a soffrire; anche i polimeri saranno influenzati in una certa misura dall'esposizione alla luce solare e alle radiazioni ultraviolette. Il problema principale è che così tanti parametri influenzano il livello di esposizione e ci sono diversi modi per fornire resistenza agli effetti.

Radiazioni UV e spettro elettromagnetico

La luce UV fa parte dello spettro elettromagnetico. È all'estremità superiore dell'energia rispetto alla luce visibile ed è seguita in energia dai raggi X e dai raggi gamma - vedi diagramma.

La radiazione UV è suddivisa in tre diversi tipi come descritto nella tabella 1 insieme al loro effetto caratteristico.

Uno dei problemi principali nel considerare l'effetto dei raggi UV sui polimeri è l'intensità relativa a: ozono stratosferico, nuvole, altitudine, posizione dell'altezza del sole (ora del giorno e periodo dell'anno) e riflessione. La complessità degli effetti può essere vista in un grafico globale dei livelli UV ?? il verde scuro è il più alto:

È anche importante ricordare che la temperatura ambiente e l'umidità effettive accelereranno qualsiasi effetto del livello di intensità. I principali effetti sui polimeri esposti ai raggi UV

Tutti i tipi di UV possono causare un effetto fotochimico all'interno della struttura polimerica, che può essere un vantaggio o portare alla degradazione di qualche tipo di materiale. Si noti che rispetto alla nostra pelle, è più probabile che l'energia UVC più elevata influisca sulla plastica.

Degradazione

I principali effetti visibili sono un aspetto gessoso e un cambiamento di colore sulla superficie del materiale, e la superficie del componente diventa fragile. Posso garantire per questi effetti come si trovano nelle scimmiette rosse in polipropilene (PP) dei miei figli. Dopo alcuni anni in giardino, i tubi estrusi hanno mantenuto il loro colore pieno, mentre le parti del morsetto stampate a iniezione sono diventate bianche e si sono screpolate. Altri componenti che potrebbero essere influenzati dall'esposizione solare includono sedili da stadio, mobili da esterno, pellicole per serre, telai di finestre e parti di automobili.

Alcune materie plastiche sono state esposte a livelli di radiazioni molto più severi di quelli che sperimentiamo sulla terra. I componenti del telescopio spaziale Hubble (HST) e della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) richiedono plastiche in grado di sopravvivere alle esigenze dello spazio. I fluoropolimeri come FEP e poliimmidi come Kapton sono materie plastiche che sono state utilizzate con successo per HST e ISS.

Gli effetti di cui sopra sono prevalentemente nello strato superficiale del materiale ed è improbabile che si estendano a profondità superiori a 0.5 mm nella struttura. Tuttavia, le concentrazioni di stress causate dalla natura altamente fragile di alcune materie plastiche potrebbero portare a un guasto completo del componente. Benefici.

Molti di noi traggono vantaggio dai rivestimenti polimerici protettivi polimerizzati con radiazioni UV, come gli acrilati di poliuretano, sui componenti esterni delle automobili. Un vantaggio più locale per molte persone è la radiazione UV nei depuratori da banco e nei refrigeratori d'acqua che è spesso assistita dalle buone proprietà di trasmissione dei tubi in FEP (fluorurato etilene propilene) e dalla loro capacità di non degradarsi. Il FEP lavorabile allo stato fuso viene anche utilizzato come rivestimento protettivo su lampade UV per cacciamosche elettroniche dove il rivestimento offre un'eccellente trasmissione (solo circa il 4% di perdita per una pellicola da 0.25 mm). Ci sono anche molte applicazioni per la polimerizzazione UV degli inchiostri su substrati in plastica. Non totalmente associata alla plastica è la radiazione UVC, che può essere utilizzata per la sterilizzazione dei componenti. Interazione tra radiazioni UV e plastica

L'energia UV assorbita dalla plastica può eccitare i fotoni, che quindi creano radicali liberi. Sebbene molte plastiche pure non siano in grado di assorbire le radiazioni UV, la presenza di residui di catalizzatore e altre impurità agirà spesso come recettori, causando il degrado. Potrebbe essere necessaria solo una quantità molto piccola di impurità perché si verifichi la degradazione, ad es. tracce per miliardo di valori di sodio nel policarbonato avvieranno l'instabilità del colore. In presenza di ossigeno, i radicali liberi degli idroperossidi di ossigeno possono rompere i doppi legami della catena principale portando a una struttura fragile. Questo processo è spesso chiamato fotoossidazione. Tuttavia, in assenza di ossigeno, ci sarà ancora il degrado dovuto al processo di reticolazione che è l'effetto della plastica utilizzata per il Telescopio Spaziale Hubble e la Stazione Spaziale Internazionale.

I tipi non modificati di plastica che si ritiene abbiano una resistenza inaccettabile ai raggi UV sono POM (acetale), PC, ABS e PA6/6. Altre materie plastiche come PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT e PPO sono considerate eque. Si noti che anche una lega PC/ABS è classificata come equa. Una buona resistenza ai raggi ultravioletti può essere ottenuta dai polimeri estrusi da Zeus come PTFE, PVDF, FEP e PEEKTM. Le uniche materie plastiche che si trovano con un'eccellente resistenza sono le immidi, la poliimmide (PI) utilizzata nel telescopio spaziale Hubble e la polieterimmide (PEI).

Il PTFE ha una resistenza ai raggi UV particolarmente buona grazie al suo legame carbonio-fluoro (CF) molto forte [quasi il 30% superiore al legame carbonio-idrogeno (CH)], che è il comune legame laterale che circonda la spina dorsale di carbonio (CC) in un elica e la protegge. La maggior parte dei fluoropolimeri inoltre non ha le impurità cromoforiche che assorbono la luce nella loro struttura che possono agire come iniziatore per la fotoossidazione.

Un'utile interazione tra UV e plastica è con gli agenti sbiancanti fluorescenti (FWA). Alla luce naturale, molti prodotti polimerici possono sembrare di colore giallo. Ma aggiungendo un FWA la luce UV assorbita viene quindi emessa nella regione blu della luce visibile (lunghezza d'onda 400-500 nm), invece della regione gialla. Rispetto ad altri additivi, gli FWA devono essere aggiunti solo a piccoli livelli, in genere 0.01 ?? 0.05% in peso.

Come evitare la degradazione dei raggi UV

Esistono diversi modi per evitare la degradazione UV nella plastica ?? utilizzando stabilizzanti, assorbitori o bloccanti. Per molte applicazioni esterne, la semplice aggiunta di nerofumo a un livello di circa il 2% fornirà protezione alla struttura mediante il processo di blocco. Possono essere efficaci anche altri pigmenti come il biossido di titanio. Composti organici come benzofenoni e benzotriazoli sono assorbitori tipici che assorbono selettivamente gli UV e riemettono a una lunghezza d'onda meno dannosa, principalmente sotto forma di calore. Il tipo di benzotriazolo è buono, poiché ha un colore basso e può essere utilizzato a basse dosi inferiori allo 0.5%.

L'altro meccanismo principale di protezione consiste nell'aggiungere uno stabilizzatore, il più comune è un HALS (stabilizzatore di luce amminica ostacolata). Questi assorbono i gruppi eccitati e impediscono la reazione chimica dei radicali.

In pratica, i vari tipi di additivi utilizzati sono in combinazione o sono composti nel polimero originale per essere prodotto come grado speciale per la protezione dai raggi UV. Può essere interessante aggiungere antiossidanti ad alcune materie plastiche per evitare la fotoossidazione, ma occorre prestare attenzione che l'antiossidante scelto non agisca come assorbente UV, il che aumenterà effettivamente il processo di degradazione.

Test dei componenti

L'invecchiamento dei componenti è più spesso associato ai prodotti per esterni, ma possono esserci anche radiazioni UV da strisce di illuminazione fluorescente per interni, dove le coperture dovrebbero essere resistenti al degrado e alla colorazione avversa. L'invecchiamento accelerato è una tecnica comune per valutare i danni a lungo termine con il prodotto esposto alla luce artificiale da varie fonti. L'esposizione avviene spesso ad una temperatura elevata e può essere ciclata con periodi di elevata umidità.

Esistono diversi standard che regolano il tipo ei livelli di illuminazione, ad esempio ASTM D 2565 (pratica standard per l'esposizione ad arco di xeno di materie plastiche destinate ad applicazioni esterne). Altri sono, con descrizioni abbreviate, ASTM D 4329 (lampada fluorescente), ASTM D 4459 (come per 2565 con applicazioni per interni), SAE J1960 (esterni automobilistici con arco allo xeno), ISO 4892-2 (arco allo xeno) e ISO 4892- 3 (fluorescente). Tuttavia, nessuno degli standard fornisce uno standard richiesto per le proprietà del prodotto alla fine del periodo di esposizione.

Diversi utenti importanti derivano i propri criteri. Un esempio è il Weathering of Plastic Pipes (Report TR18/99) del Plastic Pipe Institute, che mette in guardia sulle grandi differenze ambientali tra le diverse località degli Stati Uniti. Un altro è per il legname di plastica in cui la durezza della pelle esterna non deve essere cambiata di oltre il 10% dopo 500 ore di esposizione.

Nell'elenco sopra sono riportati gli standard per l'esposizione in applicazioni interne. Questo è molto importante per le plastiche utilizzate negli involucri di luce fluorescente, dove il loro spettro contiene radiazioni UV. Ci sarà un evidente effetto di scolorimento se viene utilizzato un polimero non stabilizzato.

Sommario

Se un prodotto deve essere esposto alla luce solare diretta, il progettista o l'ingegnere devono specificare standard di prova adeguati e assicurarsi che la plastica abbia la formulazione appropriata per mantenere le proprietà a lungo termine desiderate. L'inclusione di additivi nel processo di fusione del polimero può fornire protezione o, se i volumi sono sufficientemente elevati, gli additivi possono essere precomposti nella resina.