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プラスチックのUV特性:透過性と抵抗性

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UV光は電磁スペクトルの一部です。 それは可視光と比較してエネルギーの上限にあり、X線とガンマ線がエネルギーの後に続きます-図を参照してください。
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私たちは皆、紫外線(UV)放射が自分自身に及ぼす主な影響を認識していることは間違いありません。太陽の下で一日を過ごした後、赤い鼻になってしまった人はどれくらいいますか? 私たちの皮膚だけが苦しむ有機的な構造ではありません。 ポリマーでさえ、日光や紫外線への暴露によってある程度影響を受けます。 主な問題は、非常に多くのパラメータが曝露レベルに影響を与えることであり、その影響に対する耐性を提供する方法はいくつかあります。

紫外線と電磁スペクトル

UV光は電磁スペクトルの一部です。 それは可視光と比較してエネルギーの上限にあり、X線とガンマ線がエネルギーの後に続きます-図を参照してください。

表1に示すように、UV放射は、その特徴的な効果とともにXNUMXつの異なるタイプに分けられます。

商品説明波長範囲(nm)共通イオン効果
UVA320 – 400肌のなめし
UVB280 – 320皮膚の火傷。
UVC100 – 280殺菌

ポリマーに対する紫外線の影響を考慮する際の主な問題のXNUMXつは、成層圏オゾン、雲、高度、太陽の高さの位置(時刻と時刻)、および反射に関連する強度です。 効果の複雑さは、UVレベルのグローバルプロットで見ることができますか? 濃い緑色が最高です:

実際の周囲温度と湿度が強度レベルの影響を加速することを覚えておくことも重要です。 UVにさらされたポリマーへの主な影響

すべてのタイプのUVは、ポリマー構造内で光化学効果を引き起こす可能性があります。これは、利益になるか、ある種の材料の劣化につながる可能性があります。 私たちの肌と比較して、より高いエネルギーのUVCはプラスチックに影響を与える可能性が高いことに注意してください。

劣化

主な目に見える効果は、白亜質の外観と材料の表面の色の変化であり、コンポーネントの表面はもろくなります。 私の子供の赤いポリプロピレン(PP)ジャングルジムに見られるように、これらの効果を保証することができます。 庭で数年後、押し出されたパイプはフルカラーを維持しましたが、射出成形されたクランプ部品は白くなり、ひびが入りました。 太陽への露出の影響を受ける可能性のあるその他のコンポーネントには、スタジアムの座席、屋外用家具、温室フィルム、窓枠、自動車部品などがあります。

一部のプラスチックは、地球上で経験するよりもはるかに厳しい放射線レベルにさらされています。 ハッブル宇宙望遠鏡(HST)と国際宇宙ステーション(ISS)のコンポーネントには、宇宙空間の需要に耐えることができるプラスチックが必要です。 FEPなどのフッ素樹脂やカプトンなどのポリイミドは、HSTやISSで使用されているプラ​​スチックです。

上記の影響は主に材料の表層にあり、構造内の0.5mmを超える深さまで広がる可能性は低いです。 ただし、一部の市販のプラスチックの非常に脆い性質によって引き起こされる応力集中は、コンポーネントの完全な故障につながる可能性があります。 利点。

私たちの多くは、自動車の外装部品にポリウレタンアクリレートなどの紫外線硬化保護ポリマーコーティングを施すことで恩恵を受けています。 多くの人々にとってより地域的な利点は、カウンタートップの精製器やウォータークーラーのUV放射です。これは、FEP(フッ素化エチレンプロピレン)チューブの優れた透過特性と劣化しない能力によって支援されることがよくあります。 溶融加工可能なFEPは、電子フライキラーのUVランプの保護コーティングとしても使用され、コーティングによって優れた透過率が得られます(4mmフィルムの場合、損失は約0.25%にすぎません)。 プラスチック基板上のインクのUV硬化にも多くの用途があります。 プラスチックと完全に関連しているわけではないのは、コンポーネントの滅菌に使用できるUVC放射です。 紫外線とプラスチックの相互作用

プラスチックによって吸収されたUVエネルギーは、光子を励起し、フリーラジカルを生成する可能性があります。 多くの純粋なプラスチックは紫外線を吸収できませんが、触媒残留物やその他の不純物の存在はしばしば受容体として機能し、劣化を引き起こします。 劣化が発生するのに必要な不純物はごくわずかです。たとえば、ポリカーボネート中のナトリウムのXNUMX億分のXNUMXの値は、色の不安定性を引き起こします。 酸素の存在下では、酸素ヒドロペルオキシドからのフリーラジカルが主鎖の二重結合を切断し、脆い構造をもたらす可能性があります。 このプロセスは、しばしば光酸化と呼ばれます。 ただし、酸素がない場合でも、ハッブル宇宙望遠鏡と国際宇宙ステーションに使用されているプラ​​スチックの影響である架橋プロセスにより、劣化が発生します。

紫外線に対して許容できない耐性があると見なされる未加工のプラスチックの種類は、POM(アセタール)、PC、ABS、およびPA6 / 6です。 PET、PP、HDPE、PA12、PA11、PA6、PES、PPO、PBT、PPOなどの他のプラスチックは公正と見なされます。 PC / ABS合金もフェアとして評価されていることに注意してください。 PTFE、PVDF、FEP、PEEKTMなどのZeusによって押し出されたポリマーから、紫外線に対する優れた耐性を実現できます。 優れた耐性を備えたプラスチックは、イミド、ハッブル宇宙望遠鏡で使用されているポリイミド(PI)、およびポリエーテルイミド(PEI)のみです。

PTFEは、非常に強力な炭素-フッ素(CF)結合[炭素-水素(CH)結合よりも約30%高い]であるため、特に優れた耐紫外線性を備えています。これは、炭素(CC)バックボーンを囲む一般的な側方結合です。らせんとそれを保護します。 ほとんどのフルオロポリマーはまた、光酸化の開始剤として機能することができるそれらの構造に光吸収発色団不純物を持っていません。

UVとプラスチックの有用な相互作用の400つは、蛍光増白剤(FWA)との相互作用です。 自然光では、多くのポリマー製品が黄色に見えることがあります。 しかし、FWAを追加することにより、吸収されたUV光は、黄色の領域ではなく、可視光の青色の領域(500〜0.01 nmの波長)で放出されます。 他の添加剤と比較して、FWAは少量、通常は0.05で添加する必要があります。 XNUMX重量%。

UV劣化を回避する方法

プラスチックのUV劣化を回避する方法はいくつかありますか? スタビライザー、アブソーバー、またはブロッカーを使用する。 多くの屋外用途では、約2%レベルのカーボンブラックを追加するだけで、ブロッキングプロセスによって構造物を保護できます。 二酸化チタンなどの他の顔料も効果的です。 ベンゾフェノンやベンゾトリアゾールなどの有機化合物は、UVを選択的に吸収し、主に熱として、より害の少ない波長で再放出する典型的な吸収剤です。 ベンゾトリアゾールタイプは、色が薄く、0.5%未満の低線量率で使用できるため、優れています。

保護のための他の主なメカニズムは、安定剤を追加することです。最も一般的なのはHALS(Hindered Amine Light Stabilizer)です。 これらは励起された基を吸収し、ラジカルの化学反応を防ぎます。

実際には、使用されるさまざまなタイプの添加剤は、組み合わせて使用​​されるか、元のポリマーに配合されて、UV保護用の特別なグレードとして製造されます。 光酸化を避けるために一部のプラスチックに酸化防止剤を加えることは魅力的かもしれませんが、選択した酸化防止剤が実際に分解プロセスを強化するUV吸収剤として機能しないように注意する必要があります。

コンポーネントのテスト

コンポーネントの風化は、ほとんどの場合、屋外製品に関連していますが、カバーが劣化や有害な着色に耐える必要がある屋内ストリップ蛍光灯からのUV放射もあります。 加速劣化は、さまざまな光源からの人工光にさらされた製品の長期的な損傷を評価するための一般的な手法です。 暴露はしばしば高温で行われ、高湿度の期間で循環する可能性があります。

照明のタイプとレベルを規制するいくつかの規格があります。たとえば、ASTM D 2565(屋外用途を対象としたプラスチックのキセノンアーク露光の標準プラクティス)です。 その他には、簡略化された説明とともに、ASTM D 4329(蛍光灯)、ASTM D 4459(屋内アプリケーションの2565)、SAE J1960(キセノンアーク付きの自動車外装)、ISO 4892-2(キセノンアーク)、およびISO4892-があります。 3(蛍光灯)。 ただし、いずれの基準も、暴露期間の終了時の製品の特性に必要な基準を示していません。

いくつかの主要なユーザーは、独自の基準を導き出します。 例としては、プラスチックパイプ研究所によるプラスチックパイプの風化(レポートTR18 / 99)があります。これは、米国内のさまざまな場所の環境の大きな違いを警告しています。 もう10つは、500時間の暴露後に外皮の硬度がXNUMX%を超えて変化してはならないプラスチック製材用です。

上記のリストには、屋内アプリケーションでの露出に関する基準があります。 これは、スペクトルにUV放射が含まれている蛍光灯ケーシングに使用されるプラスチックに非常に関連しています。 安定化されていないポリマーを使用すると、変色の明らかな影響があります。

サマリー

製品が直射日光にさらされる場合、設計者またはエンジニアは適切な試験基準を指定し、プラスチックが望ましい長期特性を維持するための適切な配合を持っていることを確認する必要があります。 ポリマー溶融プロセスに添加剤を含めると、保護が得られる場合があります。または、体積が十分に多い場合は、添加剤を樹脂に事前に配合することができます。

こんにちは、家族経営のEyouagro.comの創設者であるKevinLyuです。
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