EN
دلیل ایجاد زردشدگی در پلیکربنات در اثر تابش ماوراء بنفش چیست
تخریب فوتوشیمیایی: نحوه تخریب پیوندهای پلیکربنات توسط تابش ماوراء بنفش
وقتی تابش فرابنفش به مواد پلیکربنات، به ویژه آن طول موجهایی که زیر ۳۲۰ نانومتر هستند، برخورد میکند، شروع به تجزیهٔ ماده در سطح مولکولی میکند. آنچه بلافاصله بعد از آن رخ میدهد در واقع بسیار جالب است: نور فرابنفش پیوندهای کووالانسی موجود در زنجیر اصلی پلیمر را میشکند. این پیوندهای شکسته شده، رادیکالهای آزاد ایجاد میکنند که تمایل زیادی به واکنش با اکسیژن موجود در هوا دارند و واکنشی را آغاز میکنند که دانشمندان آن را فتو اکسیداسیون (اکسیداسیون نوری) مینامند. همراه با ادامهٔ این واکنش شیمیایی، به طور واقعی زنجیرهای بلند مولکولی در پلاستیک قطع میشوند. این فرآیند میتواند مقاومت کششی ماده را در صفحات بدون محافظ تا حدود هفتاد درصد کاهش دهد. علاوه بر این، نشانهٔ دیگری نیز وجود دارد که هنگام آغاز این فرآیند ظاهر میشود. نقصهای میکروسکوپی در سراسر سطح شکل میگیرند و نور را در تمام جهات پراکنده میکنند. بیشتر مردم ابتدا این پدیده را به صورت مهآلود شدن سطح پلاستیکهای خود مشاهده میکنند. بر اساس تحقیقات انجامشده توسط مؤسسهٔ پلاستیک که سال گذشته منتشر شده است، این مهآلود شدن نشانهٔ آغاز مرحلهٔ تخریب ماده محسوب میشود.
نقش اکسیداسیون و تشکیل کروموفور در زرد شدن قابل مشاهده
وقتی مواد شروع به اکسید شدن میکنند، زنجیرههای پلیمری تجزیهشده در واقع خود را به سیستمهای پیوند دوگانه مزدوج تبدیل میکنند. هنگامی که این قطعات زنجیره به حدود ۷ یا ۸ پیوند متصل شده برسند، اتفاق جالبی رخ میدهد — تبدیل به کروموفور میشوند. این ساختارهای مولکولی خاص توانایی جذب طول موجهای نور مرئی را دارند. در میان انواع مختلف، گروههای کربونیل (ساختارهای C=O) بهویژه در انجام این کار برجسته هستند. این گروهها با جذب نور آبی در محدوده حدود ۴۵۰ نانومتر از طریق انتقالات الکترونی n به پی ستاره (pi star)، باعث میشوند مواد زردتر از آنچه هستند به نظر بیایند. بیشتر مردم فکر میکنند زرد شدن ناشی از تجمع گرد و غبار یا آسیب حرارتی است، اما در واقع این اثر کروموفوری است که عامل اصلی آن محسوب میشود. چیزی که نگرانکنندهتر است، سرعت پیشرفت این فرآیند است. طبق تحقیقات اخیر منتشرشده در مطالعات تخریب پلیمر سال گذشته، پس از تنها ۱۸ ماه قرار گرفتن در معرض مستقیم نور فرابنفش، مواد معمولاً نه تنها زرد شدن، بلکه ترکهای سطحی و کاهش انعطافپذیری را نیز نشان میدهند.
دنباله تخریب کلیدی :
- فوتونهای فرابنفش زنجیرهای پلیمری را میشکنند → تشکیل رادیکال آزاد
- رادیکالها + اکسیژن → تشکیل هیدروپراکسیدها و گروههای کربونیل
- تجمع گروههای کربونیل → تشکیل کروموفور
- کروموفورها نور آبی را جذب میکنند → ایجاد حس زردی
محافظت در برابر اشعه فرابنفش برای عملکرد بلندمدت پلیکربنات غیرقابل چانهزنی است
چگونه پوششها و پایدارکنندههای مسدودکننده اشعه فرابنفش، شفافیت و استحکام را حفظ میکنند
پوششها و مواد پایدارکننده خاص با جذب پرتوهای مضر فرابنفش قبل از رسیدن به ساختار پلیمری، از تخریب مواد جلوگیری میکنند. هنگامی که سازندگان این لایههای محافظ را از طریق تکنیکهای همزدهکردن (co-extrusion) اعمال میکنند، موادی را در آنها قرار میدهند که انرژی فرابنفش را جذب کرده و از طریق فرآیندهای مولکولی آن را به گرمای بیخطر تبدیل میکنند. ماده دیگری به نام HALS (مواد پایدارکننده نوری از نوع آمین مهارشده) وجود دارد که به شیوهای متفاوت عمل میکند اما به همان اندازه مهم است. این ترکیبات با گرفتن رادیکالهای آزاد مزاحم و تجزیه کردن پراکسیدهای مضر، در برابر اکسیداسیون مقاومت میکنند. این ترکیب با هم باعث میشود بیشتر محصولات برای سالها در فضای باز ظاهر مناسب و عملکرد خوبی داشته باشند. آزمایشها نشان میدهند که حدود ۹۰٪ از استحکام و شفافیت اولیه حتی پس از قرار گرفتن طولانیمدت در معرض نور خورشید، حفظ میشود. این امر باعث میشود این روشهای محافظتی برای مواردی مانند پنجرههای ساختمان یا موانع ایمنی که در آنها هم دید شفاف و هم ساختار محکم بسیار مهم است، کاملاً ضروری باشند.
دادههای عمر واقعی: ورقهای پوششدار در مقابل ورقهای بدون پوشش در محیطهای سخت
بررسی نحوه عملکرد پلیکربنات در شرایط واقعی مانند بیابانها و مناطق ساحلی، دلیل اهمیت حفاظت در برابر اشعه ماوراء بنفش را آشکار میکند. پلیکربنات معمولی که بدون هیچ پوششی باشد تمایل به زرد شدن نسبتاً سریع دارد و در معرض نور شدید خورشید، ظرف دو سال حدود نیمی از استحکام ضربهای خود را از دست میدهد. این موضوع برای هر کسی که به این مواد در فضای باز متکی است، مشکل بزرگی محسوب میشود. از سوی دیگر، ورقهایی که با عوامل پایدارکننده UV پوشش داده شدهاند تقریباً کاملاً شفاف باقی میمانند و حتی پس از ده سال قرار گرفتن در فضای باز، کمتر از ۳٪ کدر شدهاند. این ورقها همچنین بیشتر استحکام اولیه خود را حفظ میکنند و حدود ۸۵٪ یا بیشتر از مقاومت اولیه خود را نگه میدارند. این ماندگاری بالا به معنای کاهش هزینههای تعویض و تعداد کمتری خرابی غیرمنتظره است. برای بهرهبرداران گلخانهها این موضوع مهم است، زیرا صفحات زرد شده نور لازم برای رشد گیاهان را مسدود میکنند. معماران نیز به همین دلیل به آن اهمیت میدهند، چرا که سایهبانهای ترد در طول طوفانها یا بارانهای شدید خطرات ایمنی ایجاد میکنند. تمام آزمایشهای میدانی به یک حقیقت ساده اشاره دارند: حفاظت در برابر اشعه UV فقط یک قابلیت اضافه نیست که بتوان بعداً به آن افزود. اگر میخواهیم سازههای فضای باز ما عمر طولانیتری داشته باشند، این حفاظت باید از ابتدا در برنامهریزی گنجانده شود.
روشهای اثباتشده حفاظت در برابر پرتو فرابنفش برای کاربردهای پلیکربنات
لایههای مقاوم در برابر پرتو فرابنفش با روش همزمانافزاری و قابلیت اطمینان صنعتی آنها
در فرآیند هماکستروژن، تولیدکنندگان در واقع لایهای دائمی جاذب پرتوهای ماوراء بنفش را بهطور مستقیم در حین تولید ورق پلیکربنات در آن ایجاد میکنند. این لایه در سطح مولکولی با خود مادهٔ اولیه پیوند میخورد. چه چیزی این روش را از پوششهای معمولی که پس از تولید اعمال میشوند متمایز میکند؟ خب، عملاً امکانِ بلند شدن یا جدا شدن این لایه با گذشت زمان وجود ندارد و همچنین نیازی به هیچگونه نگهداری و تعمیرات دورهای نیست. این لایهٔ ویژه مانند یک فیلتر عمل میکند، پرتوهای مضر UV A و UV B را متوقف میکند، اما بیشتر نور مرئی که ما میبینیم را عبور میدهد. آزمایشهای آزمایشگاهی که شرایط پیرشدگی شتابدار را شبیهسازی کردهاند، نشان دادهاند که این ورقهای هماکستروژن شده حدود سه برابر طول عمر بیشتری نسبت به ورقهای معمولی بدون پوشش دارند. همچنین تجربیات عملی نشان میدهد که این ورقها در نصبهای واقعی بیش از پانزده سال دوام داشته و همچنان شفاف و محکم باقی میمانند. به همین دلیل است که بسیاری از گلخانهها، ساختمانهای تجاری مجهز به نورگیر، و پوستههای تجهیزات بیرونی از این فناوری استفاده میکنند، زمانی که به دنبال چیزی هستند که بتواند در برابر سالها قرار گرفتن در معرض شرایط محیطی مقاومت کند و از کار نیفتد.
انتخاب افزودنی: مهارکنندههای نوری نوع HALS در مقابل جاذبهای UV بنزوتریازول — چه زمانی از کدام استفاده کنیم
مهندسین مواد، مهارکنندههای UV را بر اساس عوامل تنشزای خاص کاربرد انتخاب میکنند:
- مهارکنندههای نوری آمین مختلشونده (HALS) در محیطهای با دمای بالا و تابش شدید UV (به عنوان مثال بیابانها، مناطق ساحلی) عملکرد برجستهای دارند، جایی که انرژی گرمایی تولید رادیکالهای آزاد را تسریع میکند. HALS عمدتاً به عنوان شکارچی رادیکالها و تجزیهکننده پراکسید عمل میکنند — نه به عنوان جاذب UV — که آنها را برای قرارگیری طولانیمدت در فضای باز ایدهآل میسازد.
- جاذبهای UV بنزوتریازول در مقابل، به عنوان مولکولهای «ضدآفتاب» عمل میکنند که تابش UV را در محدوده 290 تا 400 نانومتر جذب میکنند و محافظت اقتصادیتری را برای محیطهای ترکیبی داخلی-خارجی مانند راهروهای پوشیده یا نمای نیمهسایهدار فراهم میکنند.
ترکیب هر دو افزودنی عملکرد سینرژیستی را به همراه میآورد: HALS عمر فعال بنزوتریازولها را در معرض تابش شدید خورشیدی تا ۴۰٪ افزایش میدهد (تحقیقات پیرشدگی پلیمر، ۲۰۲۳). برای نصبهای حیاتی و دائمی، پلیکربنات کو-اکسترود شده که با پایدارساز دوگانه فرموله شده است، بالاترین تضمین عملکرد بلندمدت اپتیکی و مکانیکی را فراهم میکند.
سوالات متداول
علت زرد شدن مواد پلیکربنات چیست؟
زرد شدن در پلیکربنات عمدتاً ناشی از تشکیل کروموفورها در طی اکسیداسیون زنجیرهای پلیمری است که طول موجهای نور مرئی را جذب کرده و ظاهر زردی ایجاد میکنند.
پوششهای ضد UV چگونه از پلیکربنات محافظت میکنند؟
پوششهای ضد UV از رسیدن پرتوهای فرابنفش به ساختار پلیمری جلوگیری کرده و با تبدیل انرژی UV به گرمای بیخطر، از تخریب و تشکیل رادیکالهای آزاد جلوگیری میکنند.
آیا میتوان در کاربردهای پلیکربنات، قرار گرفتن در معرض تابش UV را کاملاً جلوگیری کرد؟
اگرچه جلوگیری کامل از تابش UV دشوار است، اما استفاده از لایههای مقاوم در برابر UV با روش کو-اکسترود و پایدارکنندهها میتواند بهطور قابل توجهی عمر مواد را افزایش دهد و شفافیت آنها را حفظ کند.
چرا HALS و بنزوتریآزول در ترکیب برای محافظت در برابر UV استفاده میشوند؟
ترکیب HALS و بنزوتریآزول محافظت همافزا فراهم میکند؛ HALS رادیکالهای آزاد را خنثی میکند، در حالی که بنزوتریآزول تابش UV را جذب میکند و عملکرد بلندمدت را بهبود میدهد.