Propriedades UV de plásticos: transmissão e resistência

Todos nós, sem dúvida, estamos cientes do principal efeito da radiação ultravioleta (UV) em nós mesmos - quantos de nós acabamos com o nariz vermelho depois de um dia ao sol? Nossa pele não é a única estrutura orgânica a sofrer; até mesmo os polímeros serão afetados em algum grau pela exposição à luz solar e à radiação ultravioleta. O principal problema é que tantos parâmetros afetam o nível de exposição, e existem várias formas de fornecer resistência aos efeitos.

Radiação UV e o espectro eletromagnético

A luz ultravioleta faz parte do espectro eletromagnético. Ele está na extremidade superior da energia em comparação com a luz visível e é seguido em energia pelos raios X e os raios gama - consulte o diagrama.

A radiação UV é dividida em três tipos diferentes, conforme descrito na tabela 1, juntamente com seus efeitos característicos.

Um dos principais problemas de se considerar o efeito dos raios ultravioleta sobre os polímeros é a intensidade relacionada a: ozônio estratosférico, nuvens, altitude, posição da altura do sol (hora do dia e época do ano) e reflexão. A complexidade dos efeitos pode ser vista em um gráfico global dos níveis de UV ?? verde escuro sendo o mais alto:

Também é importante lembrar que a temperatura ambiente real e a umidade irão acelerar qualquer efeito do nível de intensidade. Os principais efeitos em polímeros expostos a UV

Todos os tipos de UV podem causar um efeito fotoquímico dentro da estrutura do polímero, que pode ser benéfico ou levar à degradação de algum tipo de material. Observe que, em comparação com a nossa pele, o UVC de energia mais alta tem maior probabilidade de afetar os plásticos.

degradação

Os principais efeitos visíveis são uma aparência calcária e uma mudança de cor na superfície do material, e a superfície do componente torna-se quebradiça. Posso atestar esses efeitos como encontrados nas barras de macaco vermelhas de polipropileno (PP) dos meus filhos. Depois de alguns anos no jardim, os tubos extrudados mantiveram sua cor completa, enquanto as peças da braçadeira moldadas por injeção ficaram brancas e rachadas. Outros componentes que podem ser afetados pela exposição solar incluem assentos de estádios, móveis para áreas externas, películas para estufas, caixilhos de janelas e peças automotivas.

Alguns plásticos foram expostos a níveis de radiação muito mais severos do que experimentamos na Terra. Os componentes do Telescópio Espacial Hubble (HST) e da Estação Espacial Internacional (ISS) exigem plásticos que possam sobreviver às demandas do espaço sideral. Fluoropolímeros como FEP e poliimidas como Kapton são plásticos que foram usados ​​com sucesso para o HST e ISS.

Os efeitos acima são predominantemente na camada superficial do material e é improvável que se estendam a profundidades acima de 0.5 mm na estrutura. No entanto, as concentrações de tensão causadas pela natureza altamente frágil de alguns plásticos de commodities podem muito bem levar a uma falha completa do componente. Benefícios.

Muitos de nós se beneficiam de revestimentos poliméricos protetores curados por radiação UV, como poliuretano-acrilatos, em componentes externos de automóveis. Um benefício mais local para muitas pessoas é a radiação UV em purificadores de bancada e refrigeradores de água, que muitas vezes é auxiliada pelas boas propriedades de transmissão da tubulação FEP (Etileno Propileno Fluorado) e sua capacidade de não se degradar. O FEP processável por fusão também é usado como revestimento protetor em lâmpadas UV para mata-moscas eletrônicos, onde o revestimento oferece excelente transmissão (apenas cerca de 4% de perda para um filme de 0.25 mm). Existem também muitas aplicações para cura UV de tintas em substratos plásticos. Não totalmente associada aos plásticos está a radiação UVC, que pode ser utilizada para a esterilização de componentes. Interação de Radiação UV e Plásticos

A energia UV absorvida pelos plásticos pode excitar fótons, que então criam radicais livres. Embora muitos plásticos puros não possam absorver a radiação UV, a presença de resíduos de catalisadores e outras impurezas geralmente atuam como receptores, causando degradação. Apenas uma quantidade muito pequena de impureza pode ser necessária para que a degradação ocorra, por exemplo, traços de partes por bilhão de valores de sódio em policarbonato iniciarão a instabilidade da cor. Na presença de oxigênio, os radicais livres de hidroperóxidos de oxigênio podem quebrar as ligações duplas da cadeia principal, levando a uma estrutura frágil. Este processo é muitas vezes chamado de foto-oxidação. No entanto, na ausência de oxigênio, ainda haverá degradação devido ao processo de reticulação que é o efeito dos plásticos usados ​​no Telescópio Espacial Hubble e na Estação Espacial Internacional.

Tipos de plásticos não modificados que são considerados como tendo resistência inaceitável a UV são POM (Acetal), PC, ABS e PA6/6. Outros plásticos como PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT e PPO são considerados justos. Observe que uma liga PC/ABS também é classificada como razoável. Boa resistência aos raios ultravioleta pode ser alcançada a partir de polímeros extrudados pela Zeus, como PTFE, PVDF, FEP e PEEKTM. Os únicos plásticos encontrados com excelente resistência são as imidas, a Poliimida (PI) usada no Telescópio Espacial Hubble e a Polieterimida (PEI).

O PTFE tem uma resistência aos raios UV particularmente boa devido à sua ligação muito forte carbono-flúor (CF) [quase 30% maior do que a ligação carbono-hidrogênio (CH)], que é a ligação lateral comum que envolve o esqueleto de carbono (CC) em um hélice e a protege. A maioria dos fluoropolímeros também não possui as impurezas cromóforas absorventes de luz em sua estrutura que podem atuar como um iniciador para a foto-oxidação.

Uma interação útil de UV e plásticos é com agentes clareadores fluorescentes (FWA). À luz natural, muitos produtos poliméricos podem parecer amarelos. Mas ao adicionar um FWA, a luz UV absorvida é então emitida na região azul da luz visível (comprimento de onda de 400-500nm), em vez da região amarela. Em comparação com outros aditivos, os FWAs só precisam ser adicionados em pequenos níveis, normalmente 0.01 ?? 0.05% em peso.

Como evitar a degradação UV

Existem várias maneiras de evitar a degradação UV em plásticos ?? usando estabilizadores, absorventes ou bloqueadores. Para muitas aplicações externas, a simples adição de negro de fumo em cerca de 2% fornecerá proteção para a estrutura pelo processo de bloqueio. Outros pigmentos, como dióxido de titânio, também podem ser eficazes. Compostos orgânicos como benzofenonas e benzotriazoles são absorvedores típicos que absorvem seletivamente o UV e reemitem em um comprimento de onda menos prejudicial, principalmente como calor. O tipo benzotriazol é bom, pois tem baixa cor e pode ser usado em baixas taxas de dosagem abaixo de 0.5%.

O outro mecanismo principal de proteção é adicionar um estabilizador, sendo o mais comum um HALS (Hindered Amine Light Stabilizer). Estes absorvem os grupos excitados e evitam a reação química dos radicais.

Na prática, os vários tipos de aditivos utilizados são combinados ou compostos no polímero original a ser produzido como um grau especial de proteção UV. Pode ser atraente adicionar antioxidantes a alguns plásticos para evitar a foto-oxidação, mas deve-se tomar cuidado para que o antioxidante escolhido não atue como um absorvente de UV, o que realmente aumentará o processo de degradação.

Teste de Componentes

O desgaste dos componentes é mais frequentemente associado a produtos externos, mas também pode haver radiação UV da iluminação fluorescente interna, onde as tampas devem ser resistentes à degradação e coloração adversa. O envelhecimento acelerado é uma técnica comum para avaliar danos a longo prazo com o produto exposto à luz artificial de várias fontes. A exposição geralmente ocorre a uma temperatura elevada e pode ser alternada com períodos de alta umidade.

Existem vários padrões que regulam o tipo e os níveis de iluminação, por exemplo, ASTM D 2565 (Prática Padrão para Exposição a Arco de Xenônio de Plásticos Destinados a Aplicações Externas). Outros são, com descrições resumidas, ASTM D 4329 (lâmpada fluorescente), ASTM D 4459 (como para 2565 com aplicações internas), SAE J1960 (exteriores automotivos com arco de xenônio), ISO 4892-2 (arco de xenônio) e ISO 4892- 3 (Fluorescente). No entanto, nenhum dos padrões fornece um padrão exigido para as propriedades do produto no final do período de exposição.

Vários usuários principais derivam seus próprios critérios. Um exemplo é o Weathering of Plastic Pipes (Relatório TR18 / 99) do Plastic Pipe Institute, que alerta para as grandes diferenças ambientais entre diferentes localidades nos EUA. Outra é para madeira serrada de plástico, em que a dureza da camada externa não deve ter mudado em mais de 10% após 500 horas de exposição.

Na lista acima existem padrões para exposição em aplicações internas. Isso é muito relevante para plásticos usados ​​em invólucros de luz fluorescente, onde seu espectro contém radiação UV. Haverá um efeito óbvio de descoloração se um polímero não estabilizado for usado.

Resumo

Se um produto for exposto à luz solar direta, o projetista ou engenheiro deve especificar padrões de teste adequados e certificar-se de que o plástico tenha a formulação apropriada para manter as propriedades desejadas a longo prazo. A inclusão de aditivos no processo de fusão do polímero pode fornecer proteção ou, se os volumes forem suficientemente altos, os aditivos podem ser pré-compostos na resina.