Propiedades UV de los plásticos: transmisión y resistencia

Sin duda, todos somos conscientes del efecto principal de la radiación ultravioleta (UV) en nosotros mismos: ¿cuántos de nosotros hemos terminado con la nariz roja después de un día al sol? Nuestra piel no es la única estructura orgánica que sufre; incluso los polímeros se verán afectados hasta cierto punto por la exposición a la luz solar y la radiación ultravioleta. El principal problema es que muchos parámetros afectan el nivel de exposición y hay varias formas de proporcionar resistencia a los efectos.

Radiación ultravioleta y espectro electromagnético

La luz ultravioleta es parte del espectro electromagnético. Se encuentra en el extremo superior de la energía en comparación con la luz visible y es seguida en energía por los rayos X y los rayos Gamma; consulte el diagrama.

La radiación UV se divide en tres tipos diferentes como se describe en la tabla 1 junto con su efecto característico.

Uno de los principales problemas de considerar el efecto de los rayos UV sobre los polímeros es la intensidad relacionada con: ozono estratosférico, nubes, altitud, posición de la altura del sol (hora del día y época del año) y reflexión. La complejidad de los efectos se puede ver en una gráfica global de niveles de UV. verde oscuro siendo el más alto:

También es importante recordar que la temperatura ambiente y la humedad reales acelerarán cualquier efecto del nivel de intensidad. Los principales efectos sobre los polímeros expuestos a los rayos UV

Todos los tipos de rayos ultravioleta pueden causar un efecto fotoquímico dentro de la estructura del polímero, que puede ser beneficioso o provocar la degradación de algún tipo de material. Tenga en cuenta que, en comparación con nuestra piel, es más probable que los rayos UVC de mayor energía afecten a los plásticos.

degradación

Los principales efectos visibles son una apariencia calcárea y un cambio de color en la superficie del material, y la superficie del componente se vuelve quebradiza. Puedo dar fe de estos efectos que se encuentran en las barras rojas de polipropileno (PP) de mis hijos. Después de unos años en el jardín, los tubos extruidos conservaron su color completo, mientras que las piezas de la abrazadera moldeadas por inyección se volvieron blancas y agrietadas. Otros componentes que probablemente se verán afectados por la exposición solar son los asientos de los estadios, los muebles de exterior, las películas para invernaderos, los marcos de las ventanas y las piezas de automóviles.

Algunos plásticos han estado expuestos a niveles de radiación mucho más severos que los que experimentamos en la tierra. Los componentes del Telescopio Espacial Hubble (HST) y la Estación Espacial Internacional (ISS) requieren plásticos que puedan sobrevivir a las demandas del espacio exterior. Los fluoropolímeros como FEP y poliimidas como Kapton son plásticos que se han utilizado con éxito para HST e ISS.

Los efectos anteriores se encuentran predominantemente en la capa superficial del material y es poco probable que se extiendan a profundidades superiores a 0.5 mm en la estructura. Sin embargo, las concentraciones de tensión causadas por la naturaleza altamente frágil de algunos plásticos básicos pueden conducir a una falla completa del componente. Beneficios.

Muchos de nosotros nos beneficiamos de los revestimientos poliméricos protectores curados por radiación UV, como los acrilatos de poliuretano, en los componentes exteriores de los automóviles. Un beneficio más local para muchas personas es la radiación ultravioleta en los purificadores de mostrador y enfriadores de agua, que a menudo es asistida por las buenas propiedades de transmisión de los tubos de FEP (etileno propileno fluorado) y su capacidad para no degradarse. El FEP procesable por fusión también se utiliza como recubrimiento protector en lámparas UV para matamoscas electrónicos donde el recubrimiento brinda una transmisión excelente (solo alrededor del 4% de pérdida para una película de 0.25 mm). También hay muchas aplicaciones para el curado UV de tintas sobre sustratos plásticos. No está totalmente asociado con los plásticos la radiación UVC, que puede usarse para la esterilización de componentes. Interacción de la radiación ultravioleta y los plásticos

La energía ultravioleta absorbida por los plásticos puede excitar fotones, que luego crean radicales libres. Si bien muchos plásticos puros no pueden absorber la radiación ultravioleta, la presencia de residuos de catalizador y otras impurezas a menudo actuarán como receptores, provocando degradación. Puede que sólo se necesite una cantidad muy pequeña de impureza para que se produzca la degradación, por ejemplo, trazas de partes por mil millones de valores de sodio en policarbonato iniciarán la inestabilidad del color. En presencia de oxígeno, los radicales libres de los hidroperóxidos de oxígeno pueden romper los dobles enlaces de la cadena principal dando lugar a una estructura frágil. Este proceso a menudo se denomina fotooxidación. Sin embargo, en ausencia de oxígeno, seguirá habiendo degradación debido al proceso de reticulación que es el efecto de los plásticos utilizados para el Telescopio Espacial Hubble y la Estación Espacial Internacional.

Los tipos de plásticos no modificados que se considera que tienen una resistencia inaceptable a los rayos UV son POM (acetal), PC, ABS y PA6 / 6. Otros plásticos como PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT y PPO se consideran justos. Tenga en cuenta que una aleación de PC / ABS también se califica como aceptable. Se puede lograr una buena resistencia a los rayos ultravioleta a partir de polímeros extruidos por Zeus como PTFE, PVDF, FEP y PEEKTM. Los únicos plásticos que se encuentran con excelente resistencia son las imidas, poliimida (PI) como se usa en el telescopio espacial Hubble y polieterimida (PEI).

PTFE tiene una resistencia a los rayos ultravioleta particularmente buena debido a su enlace carbono-flúor (CF) muy fuerte [casi un 30% más alto que el enlace carbono-hidrógeno (CH)], que es el enlace lateral común que rodea la columna vertebral de carbono (CC) en un hélice y lo protege. La mayoría de los fluoropolímeros tampoco tienen impurezas cromóforas absorbentes de luz en su estructura que puedan actuar como iniciadores de la fotooxidación.

Una interacción útil de los rayos UV y los plásticos es con los agentes blanqueadores fluorescentes (FWA). A la luz natural, muchos productos poliméricos pueden parecer amarillentos. Pero al agregar un FWA, la luz ultravioleta absorbida se emite en la región azul de la luz visible (400-500 nm de longitud de onda), en lugar de la región amarilla. En comparación con otros aditivos, los FWA solo deben agregarse en pequeños niveles, generalmente 0.01 ?? 0.05% en peso.

Cómo evitar la degradación por rayos ultravioleta

¿Hay varias formas de evitar la degradación por rayos UV en los plásticos? mediante el uso de estabilizadores, absorbentes o bloqueadores. Para muchas aplicaciones al aire libre, la simple adición de negro de humo a un nivel de alrededor del 2% proporcionará protección para la estructura mediante el proceso de bloqueo. También pueden ser eficaces otros pigmentos como el dióxido de titanio. Los compuestos orgánicos como las benzofenonas y los benzotriazoles son absorbentes típicos que absorben selectivamente los rayos UV y los reemiten en una longitud de onda menos dañina, principalmente en forma de calor. El tipo de benzotriazol es bueno, ya que tiene poco color y se puede utilizar a tasas de dosis bajas por debajo del 0.5%.

El otro mecanismo principal de protección es agregar un estabilizador, siendo el más común un HALS (Estabilizador de luz de amina obstaculizada). Estos absorben los grupos excitados y previenen la reacción química de los radicales.

En la práctica, los diversos tipos de aditivos utilizados se combinan o se combinan en el polímero original que se producirá como un grado especial para la protección UV. Puede resultar atractivo agregar antioxidantes a algunos plásticos para evitar la fotooxidación, pero se debe tener cuidado de que el antioxidante elegido no actúe como un absorbente de rayos ultravioleta, lo que en realidad mejorará el proceso de degradación.

Prueba de componentes

El desgaste de los componentes se asocia con mayor frecuencia con productos para exteriores, pero también puede haber radiación ultravioleta de las tiras de iluminación fluorescente para interiores, donde las cubiertas deben ser resistentes a la degradación y la coloración adversa. El envejecimiento acelerado es una técnica común para evaluar el daño a largo plazo con el producto expuesto a luz artificial de diversas fuentes. La exposición a menudo tiene lugar a una temperatura elevada y puede alternarse con períodos de alta humedad.

Existen varias normas que regulan el tipo y los niveles de iluminación, por ejemplo, ASTM D 2565 (Práctica estándar para la exposición al arco de xenón de plásticos destinados a aplicaciones en exteriores). Otros son, con descripciones abreviadas, ASTM D 4329 (lámpara fluorescente), ASTM D 4459 (como para 2565 con aplicaciones en interiores), SAE J1960 (exteriores de automóviles con arco de xenón), ISO 4892-2 (arco de xenón) e ISO 4892- 3 (fluorescente). Sin embargo, ninguno de los estándares proporciona un estándar requerido para las propiedades del producto al final del período de exposición.

Varios usuarios importantes derivan sus propios criterios. Un ejemplo es el Weathering of Plastic Pipes (Informe TR18 / 99) del Plastic Pipe Institute, que advierte de las grandes diferencias en el medio ambiente para diferentes ubicaciones en los EE. UU. Otro es para madera plástica donde la dureza de la piel exterior no debe haber cambiado en más del 10% después de 500 horas de exposición.

En la lista anterior hay estándares para la exposición en aplicaciones en interiores. Esto es muy relevante para los plásticos utilizados en carcasas de luz fluorescente, donde su espectro contiene radiación UV. Habrá un efecto obvio de decoloración si se usa un polímero no estabilizado.

Resumen

Si un producto va a exponerse a la luz solar directa, el diseñador o ingeniero debe especificar los estándares de prueba adecuados y asegurarse de que el plástico tenga la formulación adecuada para mantener las propiedades deseadas a largo plazo. La inclusión de aditivos en el proceso de fusión del polímero puede proporcionar protección, o si los volúmenes son suficientemente altos, los aditivos pueden precomponerse en la resina.