Стойкость пластиков к ультрафиолету

Ускоренные испытания полимеров на стойкость к ультрафиолету

Используемое оборудование: УФ-прожектор 10W, 250нм
http://www.nipg.ru/ru/magazin/uv-lampy/uf-prozhektor-10w-250nm

Влияние ультрафиолетового излучения на полимерные изделия.polikarbonat

Как известно, под воздействием солнечных лучей происходят изменения внешнего вида и различных свойств продукции промышленных предприятий, изготовленной из полимеров. Полимеры - это активные химические вещества, которые в последнее время приобретают широкую популярность из-за массового потребления пластмассовых изделий. С каждым годом растут объемы мирового производства полимеров, а изготовленные с их использованием материалы завоевывают новые позиции в бытовой и производственной сферах.

Разрушительное влияние ультрафиолета происходит за счет уничтожения связей между атомами в полимерах под воздействием лучей этого спектра. Последствия такого неблагоприятного воздействия можно наблюдать визуально. Они могут выражаться:

  • в ухудшении механических свойств и прочности пластмассового изделия;
  • повышении хрупкости;
  • выгорании.

Основной видимый эффект от воздействия УФ–излучения на полимерные материалы – появление т.н. «меловых пятен», изменение цвета на поверхности материала и повышение хрупкости участков поверхности. Данный эффект можно часто наблюдать на пластиковых изделиях, постоянно эксплуатируемых вне помещений: сиденьях на стадионах, садовой мебели, тепличной пленке, оконных рамах и т.д.

Для изделий, эксплуатируемых на космических аппаратах предъявляют повышенные требования, что требует применения таких материалов как FEP.

Отмеченные выше эффекты от воздействия УФ-излучения редко проникают в структуру глубже 0.5 мм. Тем не менее, деградация материала на поверхности при наличии нагрузки может приводить к разрушению изделия в целом.

Многие полимеры в чистом виде не поглощают УФ-излучение. В то же время, наличие в их составе катализаторов и прочих загрязнений, служащих рецепторами, может приводить к деградации материала. Причем для начала процесса деградации требуются ничтожные доли загрязнителей, например, миллиардная доля натрия в составе поликарбоната ведет к нестабильности цвета. В присутствии кислорода свободные радикалы формируют гидроперекись кислорода, которая ломает двойные связи в молекулярной цепочке, что делает материал хрупким. Данный процесс часто называют фотоокислением. Однако даже при отсутствии водорода все равно происходит деградация материала вследствие связанных процессов, что особенно характерно для элементов космических аппаратов.

Среди полимеров, обладающих в немодифицированном виде неудовлетворительной стойкостью к УФ-излучению можно отметить POM, PC, ABS и PA6/6.

PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT считаются достаточно стойкими к УФ-излучению, как и комбинация PC/ABS.

Хорошей стойкостью к УФ-излучению обладают PTFE, PVDF, FEP и PEEK.

Великолепной стойкостью к УФ-излучению обладают PI и PEI.

Классический способ проведения испытаний.

Существуют требования технических условий и методический регламент на проведение испытаний по воздействию ультрафиолетовых излучений.

Согласно алгоритму методики, вначале выполняется внешний осмотр исследуемых предметов, измерение тех или иных контролируемых параметров. Подвергшийся воздействию образец по завершении испытания сравнивается с выбранным в начале испытания эталонным образцом. В методике оговариваются характеристики светового потока, которым облучают образец в специальной камере. Эти характеристики должны быть приближены к характеристикам солнечного светового потока, под воздействием которого будут находиться исследуемые изделия в ходе своей эксплуатации. Важно при этом учитывать:

• интенсивность и длительность процесса;

• влажностные показатели;

• соответствующий эксплуатационным реалиям угол облучения;

• цикличность или непрерывность воздействия и пр.

Необходимо различать испытания продукции в базовых условиях от испытаний на воздействие ультрафиолета в случаях, когда на продукцию воздействует полный комплекс вредных атмосферных факторов.

Базовыми в данном случае считаются условия, когда происходит интенсивное на уровне 1,8-2,0 мкал/см2 *мин облучение лучами с длиной волны в диапазоне 2,9-40,0 тысяч. В испытательной камере температура при замере в тени должна быть 60-градусной с возможным отклонением в ту или другую сторону на 2 градуса.

Важным параметром процедуры является длительность облучения. Для ее определения нужно разделить срок службы исследуемого продукта на значение К (для тропиков К=12, умеренного климата К=8).

Когда на продукцию воздействует полный комплекс вредных атмосферных факторов облучение ультрафиолетом при непрерывной процедуре выполняется в течение 5 суток, при циклической - 5 циклов.

Камеры как испытательное оборудование бывают двух видов: в одной имитируется жаркий с малой влажностью климат. В другой - все прочие. Облучение осуществляется с применением ламп ПРК или НГ (ртутно-кварцевые). Задействуемые в процедуре ртутные лампы из кварцевого стекла могут быть разного давления: низкого, среднего (1,0-3,0 атм.) и высокого. Световой поток может регулироваться, в рабочем процессе предусмотрены защитные устройства, потребность убрать искажающие чистоту эксперимента видимые лучи решается использованием специальных светофильтров.

Ускоренный способ проведения испытаний.

Многие полимеры, используемые в товарах широкого потребления, деградируют под действием УФ-света. Проблема проявляется в исчезновении цвета, потускнении поверхности, растрескивании, а иногда и полном разрушении самого изделия. Скорость разрушения (УФ-старение) возрастает с ростом времени воздействия и интенсивности солнечного света.

К чувствительным полимерам относятся термопластики, такие как полипропилен, полиэтилен, полиметилметакрилат (органическое стекло), а также специальные волокна, например, арамидное волокно. Поглощение ультрафиолета приводит к разрушению полимерной цепи и потере прочности в ряде точек структуры.

Электромагнитный спектр ультрафиолетового излучения может быть по-разному поделен на подгруппы. Стандарт ISO по определению солнечного излучения (ISO-DIS-21348) даёт следующие определения:

Наименование Длина волны, нм Частота, ПГц Количество энергии на фотон, эВ Аббревиатура
Ближний 400-300 0,75-1 3,10-4,13 NUV
Ультрафиолет А, длинноволновой диапазон 400-315 0,75-0,952 3,10-3,94 UVA
Средний 300-200 1-1,5 4,13-6,20 MUV
Ультрафиолет B, средневолновой 315-280 0,952-1,07 3,94-4,43 UVB
Дальний 200-122 1,5-2,46 6,20-10,2 FUV
Ультрафиолет С, коротковолновой 280-100 1,07-3 4,43-12,4 UVC
Экстремальный 121-10 2,48-30 10,2-124 EUV, XUV

Ближний УФ диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения вследствие явления фотолюминесценции. Но при относительно высоких яркостях, например, от диодов, глаз замечает фиолетовый свет, если излучение захватывает границу видимого света 400 нм.

Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный» (VUV), в виду того, что волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли.

Для ускоренного способа выявления деградации пластиков можно использовать жесткое излучение UVC диапазона. На малозащищённых пластиках изменение цвета и повышение хрупкости можно заметить в самом начале теста, что позволит выявить этот фактор за предельно короткое время. Можно использовать люминесцентные ламы UVC диапазона, либо более мощные светодиодные решения.

УФ-прожектор 10W, 250нм 
http://www.nipg.ru/ru/magazin/uv-lampy/uf-prozhektor-10w-250nm

Заключение.

Испытания полимеров необходимы для того, чтобы сделать выводы о необходимости внесения изменений в химический состав веществ. Так, для того чтобы полимерный материал приобрел устойчивость к УФ-излучению, в него добавляют специальные адсорберы. За счет поглощающей способности вещества активизируется защитный слой.

Устойчивость и прочность межатомных связей также можно повысить путем введения стабилизаторов.