โพลีคาร์บอเนตจะเหลืองจากแสง UV หรือไม่? คำแนะนำในการป้องกัน

เหตุใดการสัมผัสกับแสง UV จึงทำให้โพลีคาร์บอเนตเหลือง

การเสื่อมสภาพทางโฟโตเคมี: รังสี UV ทำลายพันธะในโพลีคาร์บอเนตได้อย่างไร

เมื่อรังสีอัลตราไวโอเลตตกกระทบวัสดุโพลีคาร์บอเนต โดยเฉพาะความยาวคลื่นที่ต่ำกว่า 320 นาโนเมตร จะทำให้วัสดุเสื่อมสภาพในระดับโมเลกุล เริ่มเกิดการสลายพันธะโควาเลนต์ที่อยู่ตามแนวโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์ สิ่งที่เกิดขึ้นต่อมาค่อนข้างน่าสนใจ เพราะรังสี UV จะทำให้พันธะเหล่านี้ขาดออกจากกัน จนเกิดเป็นอนุมูลอิสระที่มีแนวโน้มจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า โฟโต้ออกซิเดชัน (photo oxidation) เมื่อปฏิกิริยาทางเคมีนี้ดำเนินต่อไป จะทำให้สายโซ่โมเลกุลยาว ๆ ภายในพลาสติกถูกตัดขาดออกไปทีละส่วน กระบวนการนี้สามารถลดความแข็งแรงต่อแรงดึงของวัสดุได้มากถึงเจ็ดสิบเปอร์เซ็นต์ในแผ่นวัสดุที่ไม่มีการป้องกัน และยังมีอาการบ่งชี้อีกประการหนึ่งที่บ่งบอกถึงการเริ่มต้นของปรากฏการณ์นี้ นั่นคือ การเกิดตำหนิขนาดเล็กจิ๋วบนผิววัสดุ ซึ่งทำให้แสงกระเจิงไปในทุกทิศทาง ผู้คนส่วนใหญ่มักสังเกตเห็นสิ่งนี้ครั้งแรกในรูปของพลาสติกที่ขุ่นมัว ซึ่งจากการวิจัยของสถาบันพลาสติกที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว ระบุว่าความขุ่นมัวนี้ถือเป็นสัญญาณเริ่มต้นของการเสื่อมสภาพของวัสดุ

บทบาทของออกซิเดชันและการเกิดโครโมฟอร์ในปรากฏการณ์เปลี่ยนเป็นสีเหลืองที่มองเห็นได้

เมื่อวัสดุเริ่มเกิดการออกซิเดชัน โซ่พอลิเมอร์ที่สลายตัวจะจัดเรียงตัวเองใหม่กลายเป็นสิ่งที่เราเรียกว่า ระบบพันธะคู่แบบคอนจูเกต (conjugated double bond systems) ทันทีที่ช่วงของโซ่เหล่านี้มีพันธะต่อกันประมาณ 7 ถึง 8 พันธะ สิ่งที่น่าสนใจก็จะเกิดขึ้น — พวกมันกลายเป็นโครโมฟอร์ (chromophores) โครงสร้างโมเลกุลพิเศษเหล่านี้มีความสามารถในการดูดซับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ โดยเฉพาะกลุ่มคาร์บอนิล (โครงสร้าง C=O) ถือว่ามีประสิทธิภาพโดดเด่นเป็นพิเศษ เนื่องจากมันดูดซับแสงสีน้ำเงินในช่วงประมาณ 450 นาโนเมตรผ่านการเปลี่ยนระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์แบบ n ไป pi star ซึ่งทำให้วัสดุดูเหลืองมากกว่าปกติ หลายคนมักเข้าใจว่าการเปลี่ยนสีเหลืองนี้เกิดจากคราบสกปรกหรือความเสียหายจากความร้อน แต่แท้จริงแล้วสาเหตุหลักกลับมาจากการเกิดโครโมฟอร์นี้เอง สิ่งที่น่ากังวลยิ่งกว่าคือความเร็วของกระบวนการนี้ งานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Polymer Degradation Studies เมื่อปีที่แล้วระบุว่า หลังจากได้รับแสง UV โดยตรงเพียง 18 เดือน วัสดุมักแสดงอาการไม่เพียงแค่เปลี่ยนเป็นสีเหลืองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแตกร้าวบนผิวหน้าและการสูญเสียความยืดหยุ่นด้วย

ลำดับการเสื่อมสภาพของกุญแจ :

1. โฟตอนรังสีอัลตราไวโอเลตทำให้สายพอลิเมอร์ขาด → การเกิดอนุมูลอิสระ
2. อนุมูลอิสระ + ออกซิเจน → เปอร์ออกไซด์และหมู่คาร์บอนิล
3. การสะสมของคาร์บอนิล → การเกิดโครโมฟอร์
4. โครโมฟอร์ดูดซับแสงสีฟ้า → การรับรู้ว่าเหลือง

การป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับประสิทธิภาพของพอลิคาร์บอเนตในระยะยาว

การเคลือบที่ป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตและสารคงตัวช่วยรักษาความใสและความแข็งแรงได้อย่างไร

สารเคลือบพิเศษและตัวช่วยเสถียรภาพจะช่วยป้องกันไม่ให้วัสดุเสื่อมสภาพโดยการดักจับรังสี UV ที่เป็นอันตราย ก่อนที่จะไปถึงโครงสร้างพอลิเมอร์จริง เมื่อผู้ผลิตนำชั้นป้องกันเหล่านี้มาใช้ผ่านกระบวนการรีดขึ้นรูปแบบร่วม (co-extrusion) จะมีการฝังสารที่สามารถดูดซับพลังงานจากแสง UV และเปลี่ยนเป็นความร้อนที่ปลอดภัยผ่านกระบวนการระดับโมเลกุล อีกส่วนประกอบหนึ่งคือ HALS (hindered amine light stabilizers) ซึ่งทำงานต่างออกไปแต่มีความสำคัญไม่แพ้กัน สารประกอบเหล่านี้ช่วยต่อต้านการออกซิเดชันโดยการจับอนุมูลอิสระที่ก่อปัญหาและสลายไฮโดรเพอร์ออกไซด์ที่เป็นอันตราย ทั้งสองอย่างนี้ร่วมกันช่วยให้ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ยังคงดูดีและใช้งานได้ดีเป็นเวลานานหลายปีแม้อยู่กลางแจ้ง การทดสอบแสดงให้เห็นว่าประมาณ 90% ของความแข็งแรงและความโปร่งใสเดิมยังคงอยู่แม้หลังจากการได้รับแสงแดดเป็นเวลานาน ทำให้การรักษานี้จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับสิ่งของต่างๆ เช่น หน้าต่างในอาคาร หรือสิ่งกีดขวางเพื่อความปลอดภัย ที่ซึ่งทั้งการมองเห็นที่ชัดเจนและการสร้างที่แข็งแรงมีความสำคัญมาก

ข้อมูลอายุการใช้งานจริง: แผ่นเคลือบ vs. แผ่นไม่เคลือบ ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การพิจารณาประสิทธิภาพของโพลีคาร์บอเนตในสภาพแวดล้อมจริง เช่น ในทะเลทรายและพื้นที่ชายฝั่ง ทำให้เห็นชัดว่าทำไมการป้องกันรังสี UV จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง โพลีคาร์บอเนตทั่วไปที่ไม่มีการเคลือบใดๆ มักจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองค่อนข้างเร็ว และสูญเสียความแข็งแรงต่อแรงกระแทกไปประมาณครึ่งหนึ่งภายในสองปี เมื่อถูกแสงแดดจัด ซึ่งเป็นปัญหาที่ร้ายแรงสำหรับผู้ที่ต้องพึ่งพาวัสดุเหล่านี้ในการใช้งานกลางแจ้ง อย่างไรก็ตาม แผ่นที่ผ่านการเคลือบด้วยสารป้องกัน UV จะยังคงความใสเกือบทั้งหมด โดยมีค่าความขุ่นน้อยกว่า 3% แม้หลังจากอยู่ภายนอกเป็นเวลาหนึ่งทศวรรษ และยังคงรักษากำลังเดิมไว้ได้มากที่สุด โดยยังคงเหลือประมาณ 85% หรือมากกว่าของค่ากำลังในตอนใหม่ ความทนทานเช่นนี้หมายถึงต้นทุนการเปลี่ยนทดแทนที่ต่ำลงโดยรวม และลดปัญหาการเสียหายที่ไม่คาดคิด สำหรับผู้ประกอบการเรือนเพาะปลูก สิ่งนี้มีความสำคัญเพราะแผ่นที่เหลืองจะบล็อกแสงที่พืชต้องการในการเจริญเติบโต สถาปนิกก็ให้ความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากหลังคาที่เปราะบางอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อความปลอดภัยในช่วงพายุหรือฝนตกหนัก การทดสอบภาคสนามทั้งหมดชี้ไปในทิศทางเดียวกัน: การป้องกันรังสี UV ไม่ใช่แค่สิ่งเสริมที่สามารถเพิ่มเข้ามาภายหลังได้ มันจำเป็นต้องรวมอยู่ในการวางแผนตั้งแต่วันแรก หากเราต้องการให้โครงสร้างกลางแจ้งของเราใช้งานได้อย่างยั่งยืน

วิธีการป้องกันรังสี UV ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับการใช้งานพอลิคาร์บอเนต

ชั้นป้องกันรังสี UV ที่ผลิตด้วยกระบวนการรีดขึ้นรูปพร้อมกันและประสิทธิภาพเชิงอุตสาหกรรม

ในกระบวนการรีดขึ้นรูปแบบร่วม (co-extrusion) ผู้ผลิตจะสร้างชั้นดูดซับรังสี UV ที่คงทนถาวรขึ้นมาในตัวแผ่นพอลิคาร์บอเนตโดยตรงขณะผลิต ชั้นนี้จะยึดติดกับวัสดุพื้นฐานในระดับโมเลกุล สิ่งที่ทำให้แตกต่างจากชั้นเคลือบทั่วไปที่นำมาทาทีหลังคือ ชั้นดังกล่าวแทบไม่มีโอกาสหลุดลอกออกไปตามกาลเวลา และไม่จำเป็นต้องดูแลรักษาระยะยาว ชั้นพิเศษนี้ทำหน้าที่คล้ายตัวกรอง ป้องกันรังสี UV A และ UV B ที่เป็นอันตราย แต่ยังคงให้แสงที่ตามองเห็นส่วนใหญ่ผ่านได้ ผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการภายใต้สภาวะเร่งการเสื่อมสภาพพบว่า แผ่นที่ผลิตด้วยกระบวนการรีดขึ้นรูปแบบร่วมมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแผ่นทั่วไปที่ไม่มีชั้นเคลือบประมาณสามเท่า และจากการใช้งานจริงในสนามยังแสดงให้เห็นว่าแผ่นเหล่านี้ยังคงความใสและความแข็งแรงไว้ได้นานกว่าสิบห้าปีในงานติดตั้งจริง นี่จึงเป็นเหตุผลที่เรือนเพาะชำ อาคารพาณิชย์ที่มีช่องรับแสงบนหลังคา และเปลือกครอบอุปกรณ์กลางแจ้งจำนวนมากต่างพึ่งพาเทคโนโลยีนี้เมื่อต้องการวัสดุที่สามารถทนต่อการถูกแสงแดดเป็นเวลานานโดยไม่เสื่อมสภาพ

การเลือกสารเติมแต่ง: HALS เทียบกับตัวดูดซับรังสี UV แบบเบนโซไตรเอซอล — เมื่อใดควรใช้ชนิดใด

วิศวกรด้านวัสดุเลือกตัวป้องกันรังสี UV ตามปัจจัยความเครียดเฉพาะการใช้งาน:

• สารป้องกันแสงประเภทฮินเดอร์ด์ อะมีน (HALS) เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและรังสี UV สูง (เช่น ในทะเลทรายหรือพื้นที่ชายฝั่ง) โดยที่พลังงานความร้อนเร่งการสร้างอนุมูลอิสระ HALS ทำหน้าที่หลักเป็นสารกำจัดอนุมูลอิสระและสลายเปอร์ออกไซด์ ไม่ใช่ตัวดูดซับรังสี UV ทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งต่อการสัมผัสกลางแจ้งเป็นเวลานาน
• ตัวดูดซับรังสี UV แบบเบนโซไตรเอซอล ในทางตรงกันข้าม ทำหน้าที่เหมือนโมเลกุล 'ครีมกันแดด' ที่ดูดซับรังสี UV ในช่วง 290–400 นาโนเมตร ให้การป้องกันที่คุ้มค่าต้นทุนสำหรับพื้นที่ที่ใช้ทั้งภายในและภายนอกอาคาร เช่น ทางเดินที่มีหลังคาคลุมหรือผนังด้านนอกที่ได้รับแสงแดดรำไร

การรวมสารเติมแต่งทั้งสองชนิดเข้าด้วยกันจะให้ผลเชิงบวกต่อประสิทธิภาพ: HALS ช่วยยืดอายุการใช้งานของเบนโซไตรอะโซลได้ถึง 40% เมื่อสัมผัสกับแสงแดดแรงจัด (งานวิจัยการเสื่อมสภาพของพอลิเมอร์, 2566) สำหรับการติดตั้งแบบถาวรที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง การใช้พอลิคาร์บอเนตแบบร่วมอัดขึ้นรูปที่ออกแบบด้วยระบบการคงตัวด้วยสารเติมแต่งสองชนิด จะให้ความมั่นใจสูงสุดในด้านประสิทธิภาพทางแสงและกลไกในระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

อะไรเป็นสาเหตุทำให้วัสดุพอลิคาร์บอเนตเหลือง?

การเปลี่ยนสีเหลืองของพอลิคาร์บอเนตเกิดขึ้นหลักจากการเกิดโครโมฟอร์ระหว่างกระบวนการออกซิเดชันของสายพอลิเมอร์ ซึ่งดูดซับคลื่นแสงที่มองเห็นได้และทำให้ปรากฏเป็นสีเหลือง

การเคลือบที่กันรังสี UV ช่วยปกป้องพอลิคาร์บอเนตได้อย่างไร?

ชั้นเคลือบที่กันรังสี UV จะหยุดรังสี UV ไม่ให้แทรกซึมเข้าถึงโครงสร้างพอลิเมอร์ ป้องกันการเสื่อมสภาพโดยการเปลี่ยนพลังงานรังสี UV ให้กลายเป็นความร้อนที่ปลอดภัย และป้องกันการเกิดอนุมูลอิสระ

สามารถป้องกันการได้รับรังสี UV ได้ทั้งหมดในงานประยุกต์ใช้พอลิคาร์บอเนตหรือไม่?

แม้จะเป็นเรื่องยากที่จะป้องกันการสัมผัสรังสี UV ได้อย่างสมบูรณ์ แต่การใช้ชั้นวัสดุที่ต้านทานรังสี UV โดยกระบวนการรีดขึ้นรูปพร้อมตัวเสถียรภาพสามารถยืดอายุการใช้งานของวัสดุและรักษาความใสได้อย่างมาก

ทำไมต้องใช้ HALS และเบนโซไตรเอซอลร่วมกันในการป้องกันรังสี UV?

การใช้ HALS และเบนโซไตรเอซอลร่วมกันให้ผลการป้องกันที่เสริมฤทธิ์ซึ่งกันและกัน โดย HALS จะทำหน้าที่จับสารอนุมูลอิสระ ในขณะที่เบนโซไตรเอซอลดูดซับรังสี UV ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานในระยะยาว