چرا پلاستیک در مقابل نور خورشید خراب می شود؟

پلاستیک‌ها، یک دسته پرکاربرد از پلیمرها هستند که استفاده‌شان در فضای باز روز به روز در حال افزایش است. پلیمرها تحت شرایط مختلف آب و هوایی و تابش نور ماوراء بنفش (UV) ممکن است تغییراتی در ظاهر و کاربری خود نشان دهند. بطور معمول، زمانی که این مواد برای مدت طولانی با نور UV در تماس باشند، ممکن است رنگ و خواص مکانیکی آن‌ها تغییر کند، از جمله کاهش استحکام کششی و مقاومت در برابر ضربه، شکنندگی، تشکیل ترک و ورقه ای شدن سطوح اتفاق می افتد.

تخریب و تجزیه پلاستیک‌ها به دلیل عوامل مختلفی که به آن‌ها Weathering یا خوردگی هوا و هوازدگی می‌گویند، رخ می‌دهد. به همین دلیل، مقاومت پلاستیک‌ها در برابر شرایط جوی اهمیت زیادی پیدا کرده است. به منظور مقابله با این مشکلات، مواد پلیمری مقاوم در برابر نور UV توسعه داده شده‌اند و استفاده از انواع مستربچ افزودنی از جمله مستربچ آنتی یووی  در پلاستیک‌ها رایج شده است. این مواد و تکنولوژی‌ها به پلاستیک‌ها کمک می‌کنند تا در برابر تابش نور UV مقاومت بیشتری داشته باشند و از تغییرات غیرمطلوب در خصوصیات آن‌ها جلوگیری کنند.

در این مطلب، ابتدا به طور خلاصه به توضیح عوامل جوی مؤثر بر تخریب پرداخته می‌شود و سپس به معرفی برخی از مستربچ‌های مقاوم در برابر نور UV و ضرورت استفاده از آزمون‌های شرایط جوی تسریع‌یافته اشاره می‌شود.

عوامل منجر به تخریب پلاستیک

• تابش نور خورشید
• افزایش دما
• رطوبت
• اثرات اتمسفر

تابش نور خورشید

قرار گرفتن به مدت طولانی در معرض تابش آفتاب، به ویژه اشعه ماوراء بنفش، می‌تواند منجر به شکستن زنجیره‌های پلیمری و پیوندهای شیمیایی شود. این اتفاق باعث تضعیف خواص فیزیکی پلاستیک‌ها، تغییر رنگ آن‌ها و ورقه‌ای شدن سطوح می‌شود. در بدترین حالت، محصولات پلاستیکی ممکن است شکسته شوند و حتی در مدت زمان کوتاهی تجزیه شوند. به منظور محافظت از پلاستیک‌ها در برابر اثرات مخرب اشعه ماوراء بنفش، ترکیبات پایه باید به اندازه کافی استحکام‌بخشی شوند.

دما

وقتی مواد پلاستیکی به مدت طولانی در معرض گرما و سرمای شدید یا دمای بالا قرار می‌گیرند، ممکن است ساختار پلیمر آسیب ببیند. همچنین تغییرات دما می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را تحریک کرده و خواص مواد پلاستیکی را ضعیف کنند. شکل ۴ نشان‌دهنده تغییرات خواص مکانیکی پلاستیک‌ها در برابر سرما است.

علاوه بر این، دمای مورد استفاده ماده ممکن است در یک رنجی قرار گیرد که هنوز ماده دارای مقاومت قابل قبول در برابر ضربه و فشار باشد. با این حال، آلودگی هوا می‌تواند تأثیرات غیرمطلوبی بر این ویژگی‌ها داشته باشد. همچنین، تابش خورشید می‌تواند دمای سطوحی که به طور مستقیم در معرض آن قرار می‌گیرند را تا ۲۰ درجه سلسیوس بیشتر از دمای محیط افزایش دهد، که این مقدار بسته به رنگ ماده ممکن است متغیر باشد.

رطوبت

تابش نور UV بر روی آب منجر به تولید انواع رادیکال‌های آزاد می‌شود. این رادیکال‌ها می‌توانند آغازگر فرایند تخریب باشند و آن را ادامه دهند. همچنین، تأثیر نور UV ممکن است تخلخل و مهاجرت میکروب‌ها را افزایش دهد. باید توجه داشت که بیشتر فرایندهای تخریب در آب‌و هوای خشک به طور قابل ملاحظه‌ای نسبت به آب‌و هوای مرطوب آهسته‌تر اتفاق می‌افتند.

اثرات اتمسفر

آلاینده‌های مختلف جوی مانند خاک و گرد و غبار، و همچنین مواد مضر مانند گوگرد دی اکسید (SO2)، اوزون و سولفوریک اسید موجود در باران اسیدی، در کاربردهای مربوط به فضای باز اجتناب‌ناپذیر هستند. این آلاینده‌ها می‌توانند به شدت فرایند خوردگی را تسریع دهند. برخی از موارد که می‌توان به آنها اشاره کرد، شامل قرار گرفتن در معرض گازهای خاصی مانند خروجی اگزوز وسایل نقلیه است که می‌تواند فرایند تخریب مواد را به طور قابل توجهی شتاب بخشد و باعث ضعف عملکرد مکانیکی شود.

پایدارکننده‌های آب‌و هوا برای مواد پلاستیکی

برای حفاظت از مواد پلیمری در برابر اشعه ماوراء بنفش و فرایند خوردگی، معمولاً از ترکیباتی از مواد پلیمری با افزودنی‌ها استفاده می‌شود. انتخاب یک ماده پایدارکننده مناسب بستگی به زمینه کاربردی، منطقه آب‌و هوایی، نیازهای ماندگاری و شرایط خاص در معرض قرارگیری دارد. با افزایش شدت اشعه ماوراء بنفش و فرایند خوردگی، نیاز به تثبیت‌کننده‌ها با بازده بیشتر افزایش می‌یابد.

در ادامه، به برخی از عوامل مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش (UV) و مستربچ‌های پایدارکننده UV اشاره می‌شود.

جاذب‌های نور UV

جاذب‌های نور قادرند اشعه ماوراء بنفش را جذب کنند و آن را به اشعه مادون قرمز یا انرژی حرارتی تبدیل کنند. این گرما سپس از طریق ماتریس پلیمری منتشر می‌شود. با این حال، در شرایط شدید فرایند خوردگی، جاذب‌های نور عملکرد مناسبی از خود نشان نمی‌دهند.

کربن سیاه

کربن سیاه به عنوان یک جاذب با بازده بالا و هزینه اقتصادی، به عنوان یک افزودنی استاندارد برای قطعات خاکستری و سیاه استفاده می‌شود. قطعاتی که از کربن سیاه تشکیل شده‌اند، در حال حاضر در مناطق آب و هوایی معتدل، مقاومت خوبی در برابر اشعه ماوراء بنفش را ارائه می‌دهند. با این حال، رنگ سیاه برای مواجهه با اثرات شدید Weathering یا در مواردی که رنگ‌های دیگر مورد نیاز هستند، مناسب نیست.

تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2)

تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) نیز به طور گسترده‌ای به عنوان جاذب نور برای محصولات PVC استفاده می‌شود و در حال حاضر در برابر اشعه ماوراء بنفش بسیار مقاوم است. این ماده به طور عمده برای قطعاتی با رنگ سفید (به استثنای سیاه) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پایدارکننده‌های نور UV

پایدارکننده‌ها به وسیله تعامل با رادیکال‌ها، فرآیند تخریب را متوقف می‌کنند. این مواد توسعه یافته برای برخی از پلاستیک‌ها و کاربردها هستند. فرمولاسیون پایدارکننده به طور خاص بستگی به موقعیت جغرافیایی، شرایط آب‌و هوا، نوع کاربرد و مدت زمان در معرض قرارگیری دارد. البته برای افزودن رنگ به مواد پلاستیکی هم از انواع مستربچ رنگی نظیر مستربچ زرد استفاده می شود.

روش های ایجاد مقاومت در پلاستیک‌ها در برابر UV

تولیدکنندگان مواد پلاستیکی برای بررسی مقاومت محصولات خود در برابر عوامل جوی مختلف نیازمند بررسی هستند. زیرا خواص مکانیکی این مواد با گذشت زمان و در معرض تابش نور خورشید، دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین، رطوبت و آلودگی هوا ضعیف می‌شود. با این حال، برای بررسی در شرایط واقعی محیطی، به دلیل دخیل بودن متغیرهای زیاد و نیاز صنعت به تست محصولات در مدت زمان کم، امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل از تست شرایط جوی تسریع‌یافته استفاده می‌شود. از جمله متغیرهای مختلف در فضای باز  می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• چرخه روزانه نور و تاریکی و تغییرات آب و هوا
• عرض جغرافیایی منطقه قرارگیری (هر چه نزدیک به منطقه استوایی باشد، میزان تابش ماوراء بنفش بیشتر است)
• ارتفاع (هر چه قطعه نزدیکتر به خورشید باشد، میزان تابش ماوراء بنفش بیشتر است)
• شرایط محلی (مانند بادهای مداوم که نمونه‌های آزمون را خشک می‌کنند)
• تغییرات تصادفی سال به سال در آب و هوا (تخریب می‌تواند در سال‌های متوالی قابل توجه در یک منطقه مشخص تغییر کند)
• تغییرات فصلی (در زمستان ممکن است کمتر از تابستان تخریب رخ دهد)

خواص متغیر مواد آزمون

آزمون شرایط جوی تسریع‌یافته متغیرهای کمتری را در برمی‌گیرد و با استفاده از روش‌های صحیح و کنترل شده می‌تواند انجام شود. موارد زیر در این آزمون مد نظر قرار می‌گیرند:

چرخه عملیاتی تجهیزات آزمایشگاهی (مانند چرخه روزانه نور، تاریکی و رطوبت که معمولاً بر اساس استانداردهای مشخص تعیین می‌شوند)

دمای مورد استفاده در آزمون آزمایشگاهی (دماهای بالاتر منجر به تسریع تخریب می‌شود)

تغییر در منبع نور تست (کنترل دستی یا اتوماتیک تابش، عمر لامپ و فیلتر)

پلاستیک هایی که در معرض تخریب بیشتری هستند

مقاومت پلاستیک‌ها در برابر تخریب به نوع پلاستیک، ساختار شیمیایی و شرایط محیطی وابسته است. بعضی  از پلاستیک‌ها در معرض تخریب بیشتری قرار دارند. به طور کلی، پلاستیک‌هایی که شامل پیوندهای شیمیایی ضعیف‌تر هستند، به راحتی از پلاستیک‌های دیگر تخریب می‌شوند. در ادامه، به برخی از پلاستیک‌هایی که در معرض تخریب بیشتری قرار دارند اشاره می کنیم:

• پلاستیک‌های پلی‌وینیل کلراید (PVC): پلاستیک‌های PVC، به ویژه در مقابل تابش UV و حرارت بالا، تخریب پذیر تر هستند. تابش UV امکان دارد بتواند موجب تخریب پیوندهای کربن-کلر شده و با ایجاد ضعف مکانیکی موجب تغییر رنگ در پلاستیک PVC شود.
• پلاستیک‌های پلی‌استر (Polyester): بعضی از پلاستیک‌های پلی‌استر، مثل پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) که در بطری‌های آب معدنی و نوشابه مورد استفاده قرار می گیرند، در مقابل تابش UV بسیار حساس می باشند. تابش UV قادر است موجب تغییر رنگ، کاهش مقاومت مکانیکی و شکست پیوندهای شیمیایی در این نوع پلاستیک‌ها شود.
• پلاستیک‌های پلی‌پروپیلن (Polypropylene): پلاستیک پلی‌پروپیلن در برابر تابش UV مقاومت کمتری از خود نشان می دهد و امکان دارددر صورت قرار گرفتن در معرض نور خورشید، تغییر رنگ داده و شکسته شود.
• پلاستیک‌های پلی‌اتیلن (Polyethylene): برخی از پلاستیک‌های پلی‌اتیلن، به خصوص پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، در مقابل نور خورشید و تابش UV مقاومت کمتری از خود نشان می دهند. تابش UV می‌تواند تغییر رنگ و ضعیف شدن پیوندهای مولکولی در این پلاستیک‌ها را ایجاد کند.