УФ-деградация пластмасс: понимание повреждений и выбор УФ-стойких добавок

Солнечный свет может деградировать пластмассы

Без светозащитных агентов многие полимеры ухудшаются под воздействием солнечного света. Повреждение обычно проникает только примерно 0,05 мм в поверхность, вызывая деколоризацию, трещины или даже полную дезинтеграцию. Хрупкие пластмассы могут отказать после всего нескольких микрон УФ-воздействия.

Признаки УФ-деградации

• Хрупкий внешний слой (снижение относительного удлинения на разрыв)
• Пониженный молекулярный вес
• Потеря механических свойств
• Изменённые химические характеристики
• Деколоризация или жёлтение
• Выцветание цвета
• Снижение прозрачности
• Образование трещин
• Мелковидный внешний вид

Складной стул с УФ-повреждением

Три типа ультрафиолетового излучения

Электромагнитный спектр разделён на семь полос, от высшей к низшей энергии: гамма-лучи, рентген, ультрафиолет (УФ), видимый свет, инфракрасный и радиоволны. УФ сам делится на UVA, UVB и UVC. UFA загаряет кожу; UVB обжигает её; UVC, в основном поглощаемая озоновым слоем, бактерицидна. UVB оказывает наибольшее влияние на полимерную деградацию.

Как УФ-свет деградирует пластмассы

Полимеры состоят из длинных цепей мономеров. УФ-фотоны возбуждают электроны, создавая свободные радикалы, реагирующие с кислородом на гидропероксиды. Эта фото-окисляция разрывает цепи (разрыв цепи), ослабляя материал. Влажность, загрязнители, механическая нагрузка, температура и загрязнители могут ускорять процесс.

Пластмассы, деградирующие под УФ-светом

Специализированные добавки смягчают фото-окисление. Распространённые варианты: технический углерод, рутиловый TiO₂, бензофеноны, гидроксифенил-бензотриазол, HALS (охренённые аминовые световые стабилизаторы), оксанелиды, гидроксибензофенон, энзотриазолы, гидроксифенилтриазины, никелевые кенчеры и др. Каждый полимер может комбинировать несколько из них для достижения желаемой стойкости.

Нейлон 6/6

Как инженерный термопласт, нейлон 6/6 предлагает отличную прочность, вязкость и теплостойкость, делая его главным заменителем металла. УФ-защита обычно включает трёхкомпонентную смесь: фенольный антиоксидант, фосфит и HALS. Добавка УФ-поглотителя поверх HALS ещё больше повышает стабильность.

Полиоксиметилен (POM) – ABS

Используемый в шестернях, цепях, винтах и автокомпонентах, ABS требует УФ-стабилизаторов при наружном воздействии или резком освещении. Комбинация УФ-поглотителя бензотриазола и HALS обычно применяется для сохранения глянца и предотвращения трещин.

Высокоплотный полиэтилен (HDPE)

HDPE применяется в мусорных пакетах, пакетах для продуктов, кабельной изоляции, аграрном мульчировании и пищевой упаковке. Технический углерод 1–3 масс.% эффективно экранирует HDPE от УФ-повреждений.

Поликарбонат (PC)

Под солнцем PC склонен жёлтеть и терять ударную вязкость. Рекомендуется поглотитель гидроксифенил-бензотриазола; HALS избегают, потому что основные амины могут ускорять гидролиз.

Полипропилен (PP)

Длительное солнечное воздействие может значительно снизить механическую прочность PP. Стратегии смягчения: высоконагруженный технический углерод или HALS, хотя срок службы под интенсивным УФ остаётся ограниченным.

Природно УФ-стойкие пластмассы

Некоторые полимеры устойчивы к УФ-повреждениям внутренне. Акрил, Ultem и фторполимеры вроде PTFE, FEP, PFA и PVDF не требуют дополнительных добавок, делая их идеальными для авто- и авиакосмических компонентов, подвергающихся длительному солнечному свету.