چرا پلاستیک‌ها در مقابل نور خورشید تخریب می‌شوند

مقدمه

پلاستیک‌ها دسته‌ای پرکاربرد از پلیمرها هستند که روز به روز استفاده از آن‌ها در فضای باز در حال افزایش است. پلیمرها تحت شرایط مختلف آب وهوایی و UV دچار تغییراتی در ظاهر یا کاربری می‌شوند. به طور معمول این مواد در مواجهه‌ طولانی مدت با نور UV همانند شکل ۱ متحمل تغییر رنگ و خواص مکانیکی از جمله کاهش استحکام کششی و مقاومت در برابر ضربه، شکنندگی، ایجاد ترک و ورقه‌ای شدن می‌شوند. تخریب و تجزیه پلاستیک‌ها ناشی از عوامل مختلف که Weathering نامیده می‌شوند، صورت می‌گیرد. به همین دلیل مقاومت این گونه مواد در برابر شرایط جوی به مسئله‌ای مهم تبدیل شده است. این موضوع مواد پلیمری مقاوم در برابر UV و استفاده از مستربچ UV در پلاستیک‌ها را توسعه داده است.

شکل ۱: تغییر کاربری پلاستیک‌ها در مواجهه‌ی طولانی مدت با نور UV

در این نوشته ابتدا به توضیح مختصری از هر کدام از عوامل جوی مؤثر بر تخریب پرداخته می‌شود و سپس به معرفی برخی از مستربچ‌های مقاوم در برابر UV و لزوم استفاده از تست شرایط جوی تسریع‌یافته اشاره می‌گردد.
عوامل منجر به تخریب

مهم‌ترین عوامل منجر به تخریب به صورت جداگانه یا ترکیبی عبارتند از:

    تابش خورشید
    دما
    رطوبت
    اثرات دیگر اتمسفر

شکل ۲: عوامل منجر به تخریب در یک نگاه


تابش خورشید

قرار گرفتن بلند مدت در معرض تابش آفتاب، به ویژه اشعه ماوراء بنفش، منجر به شکستن زنجیره‌های پلیمری و پیوندهای شیمیایی و ایجاد رادیکال و بنابراین تضعیف خواص فیزیکی، تغییر رنگ و ورقه‌ای شدن سطوح می‌شود. در بدترین حالت محصولات پلاستیکی شکننده می‌شوند و حتی بعد از مدت کوتاهی تجزیه می‌گردند. برای محافظت از پلاستیک‌ها در مقابل اثرات مخرب اشعه ماوراء بنفش، ترکیبات پایه باید به اندازه کافی تثبیت شوند.  شکل ۳ تأثیر نور UV بر پلاستیک‌ها را نشان می‌دهد.

شکل ۳: تأثیر نور UV بر اکثر پلاستیک‌ها

دما

هنگامی که مواد پلاستیکی در معرض گرما و سرمای شدید یا دمای بالا در مدت زمان طولانی قرار می‌گیرند، ساختار پلیمر ممکن است متحمل آسیب فیزیکی گردد. همچنین تغییرات دمای بالا منجر به تحریک واکنش‌های شیمیایی و تضعیف مواد پلاستیکی می‌شود. شکل ۴ تغییر خواص مکانیکی پلاستیک‌ها در برابر سرما را نشان می‌دهد.

شکل ۴: ترد و شکننده شدن پلاستیک‌ها در برابر  سرما

از طرفی می‌تواند دمای کاربری ماده موردنظر در رنجی باشد که همچنان ماده از مقاومت خوبی در برابر ضربه و فشار برخوردار باشد با این وجود آلودگی هوا می‌تواند اثرات نامطلوبی بر این ویژگی‌ها داشته باشد. همچنین تابش خورشید دمای سطوحی که به طور مستقیم در معرض قرار گرفتند را می‌تواند تا ۲۰ درجه سلسیوس بالاتر از دمای محیط، بسته به رنگ ماده افزایش دهد.

رطوبت

تأثیر نور UV روی آب منجر به تولید انواع مختلف رادیکال‌های آزاد می‌شود. این رادیکال‌ها می‌توانند فرایند تخریب را آغاز کنند و ادامه دهند. علاوه بر این ممکن است تخلخل و مهاجرت میکروب‌ها را افزایش دهد. اکثر فرایندهای تخریب در آب‌و هوای خشک بسیار آهسته‌تر از آب‌و هوای مرطوب است.

اثرات دیگر اتمسفری

آلاینده‌های مختلف جوی مانند خاک و گرد و غبار و همچنین مواد مضر مثل گوگرد دی اکسید (SO2) یا ازون و سولفوریک اسید موجود در باران اسیدی در کاربردهای مربوط به فضای باز اجتناب‌ناپذیر هستند. این آلاینده‌ها می‌توانند باعث اثرات شدیدتر Weathering شوند. از جمله مواردی که می‌توان به آن اشاره کرد، قرار گرفتن در معرض شدید گازهای خاصی مانند خروجی از اگزوز وسایل نقلیه می‌باشد که می‌تواند تخریب مواد را به طور قابل توجهی تسریع کند و منجر به ضعف عملکرد مکانیکی شود.

پایدارکننده‌های آب‌و هوا برای مواد پلاستیکی

حفاظت از مواد پلیمری در مقابل اشعه ماوراء بنفش و Weathering معمولا توسط ترکیب مواد پلیمری با افزودنی‌ها صورت می‌گیرد. انتخاب یک ماده پایدارکننده مناسب بستگی به زمینه کاربردی، منطقه آب‌و هوایی، الزامات ماندگاری و شرایط خاص در معرض قرارگیری دارد. با افزایش شدت اشعه ماوراء بنفش و Weathering، تثبیت‌کننده‌ها باید بازده بیشتری داشته باشند.

در  ادامه به برخی از ادتیوهای مقاوم در برابر UV و مستربچ‌های پایدارکننده UV اشاره می‌شود.

جاذب‌های نور UV

جاذب‌ها اشعه ماوراء بنفش را جذب کرده و به اشعه مادون قرمز یا انرژی گرمایی تبدیل می‌کنند. این گرما سپس از طریق ماتریس پلیمری انتشار می‌یابد. به طور کلی جاذب‌های نور در شرایط شدید Weathering عملکرد مناسبی ندارند.

شکل ۵: مکانیزم عملکرد جاذب‌های نور

کربن سیاه یکی از جاذب‌های با بازده بالا و ارزان قیمت به عنوان یک افزودنی استاندارد برای قطعات خاکستری و سیاه استفاده می‌شود. از این رو قطعات سیاه در حال حاضر مقاومت خوبی در برابر اشعه ماوراء بنفش در مناطق آب‌و هوایی معتدل ارائه می‌دهند. اما از سوی دیگر، رنگ سیاه برای اثرات بسیار شدید Weathering و یا در مواردی که رنگ‌های دیگر مطلوب باشد، مناسب نیست.

شکل ۶: کربن سیاه

همچنین تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) به طور گسترده‌ای به عنوان جاذب نور برای محصولات PVC به کار می‌رود و در حال حاضر در برابر اشعه ماوراء بنفش بسیار مقاوم است. این ماده عمدتا برای قطعاتی با رنگ سفید (به غیر از سیاه) استفاده می‌شود.

شکل ۷: پنجره‌ای از جنس PVC

پایدارکننده‌های نور UV

شکل ۸: استفاده از پایدارکننده‌های UV در قطعات پلاستیکی داخلی اتومبیل و موانع ترافیکی

پایدارکننده، فرآیند تخریب را از طریق واکنش با رادیکال‌ها متوقف می‌کنند. این مواد برای برخی از پلاستیک‌ها و کاربردها توسعه یافته‌اند. فرمولاسیون پایدار‌کننده به طور خاص بر اساس موقعیت جغرافیایی، شرایط آب‌و هوایی، نوع کاربرد و مدت زمان در معرض قرارگیری متغیر است. شکل ۸ موارد استفاده از این پایدار کننده‌ها را در برخی کاربردها نشان می‌دهد. از جمله این پایدارکننده‌ها می‌توان به hindered amine light stabilizers) HALS) اشاره کرد.

چطور می‌توان از مقاومت پلاستیک‌ها در برابر UV اطمینان حاصل کرد؟

طبق موارد گفته شده در بالا تولیدکنندگان مواد پلاستیکی نیازمند بررسی میزان مقاومت محصول خود در برابر عوامل جوی مختلف می‌باشند چرا که خواص مکانیکی این مواد به مرور زمان در معرض تابش خورشید، دمای بسیار بالا یا بسیار کم، رطوبت، آلودگی هوا تضعیف می‌شود. حال چون این بررسی در شرایط واقعی محیطی به دلیل دخیل بودن متغیرهای زیاد و نیاز صنعت به تست محصولات در مدت زمان کم امکان‌پذیر نیست، بدین منظور از تست شرایط جوی تسریع یافته استفاده می‌شود. متغیرهای مختلف در فضای باز عبارتند از:

    چرخه نور / تاریکی روزانه و تغییرات آب‌و هوا
    عرض جغرافیایی منطقه قرار گرفتن در معرض (هر چه به ناحیه استوایی نزدیک‌تر،UV بیشتر)
    ارتفاع (هر چه قطعه به خورشید نزدیک‌تر ،UV بیشتر)
    شرایط محلی (به عنوان مثال یک باد دائمی، نمونه‌های آزمون را خشک می‌کند)
    تغییرات تصادفی سال به سال در آب و هوا (تخریب می‌تواند در سال‌های متوالی به طور قابل توجهی در همان محل تغییر کند).
    تغییرات فصلی (در زمستان ممکن است کمتر از تابستان تخریب صورت گیرد
    جهت نمونه
    خواص متغیر مواد آزمون

آزمون شرایط جوی تسریع‌یافته دارای متغیرهای کمتری است. این آزمون ممکن است با استفاده از عملیات صحیح و روش‌های نگهداری کنترل شود:

    چرخه عملیاتی تجهیزات آزمایشگاهی (چرخه نور / تاریکی / رطوبت معمولا توسط یک استاندارد مشخص می‌شود)
    دمای مورد استفاده در آزمون آزمایشگاهی (داغ‌تر سریعتر است)
    تغییر در منبع نور تست تجهیزات (کنترل دستی یا اتوماتیک تابش، طول عمر لامپ و فیلتر)
    خواص متغیر مواد آزمون

شکل ۹ نمایی از دستگاه تست شرایط آب‌و هوایی تسریع یافته را نشان می‌دهد. بهترین عملیات این است که بعد از آزمون شرایط جوی تسریع یافته، با قرار دادن نمونه در شرایط واقعی نتایج حاصله را تأیید کرد.

شکل ۹: نمایی از دستگاه تست شرایط آب‌و هوایی تسریع یافته