Стойкость пластиков к ультрафиолету

Рекомендуемое оборудование: УФ-лампа 250 нм, 11 Вт.

Как ультрафиолет разрушает полимеры

Под воздействием солнечных лучей меняются внешний вид и свойства изделий из полимеров. Разрушительное влияние ультрафиолета происходит за счёт уничтожения связей между атомами в полимерах под воздействием лучей этого спектра. Последствия видны невооружённым глазом:

• ухудшение механических свойств и прочности изделия;
• повышение хрупкости;
• выгорание.

Основной видимый эффект – появление так называемых «меловых пятен», изменение цвета поверхности и повышение хрупкости отдельных участков. Это часто наблюдается на изделиях, которые постоянно эксплуатируются вне помещений: сиденьях на стадионах, садовой мебели, тепличной плёнке, оконных рамах. Для изделий космических аппаратов требования выше – там применяют материалы вроде FEP.

Отмеченные эффекты редко проникают в структуру глубже 0,5 мм. Тем не менее деградация материала на поверхности при наличии нагрузки может приводить к разрушению изделия в целом.

Роль примесей и фотоокисление

Многие полимеры в чистом виде не поглощают УФ-излучение. Но наличие в составе катализаторов и прочих загрязнений, служащих рецепторами, приводит к деградации материала. Причём для запуска процесса достаточно ничтожных долей загрязнителя: например, миллиардная доля натрия в составе поликарбоната ведёт к нестабильности цвета.

В присутствии кислорода свободные радикалы формируют гидроперекись, которая разрывает двойные связи в молекулярной цепочке, и материал становится хрупким – этот процесс называют фотоокислением. Однако даже при отсутствии кислорода деградация всё равно происходит вследствие связанных процессов, что особенно характерно для элементов космических аппаратов. Подробнее о механизме – в статье механизм повреждающего действия ультрафиолета.

Стойкость пластиков к УФ: сводная таблица

Важно: таблица относится к материалам в немодифицированном виде. Тот же поликарбонат с УФ-стабилизирующим слоем служит на улице годами, а незащищённый желтеет и мутнеет за один-два сезона.

Как защитить пластик от ультрафиолета

Испытания полимеров нужны в том числе для того, чтобы понять, требуется ли менять состав. Основные способы повысить стойкость:

• УФ-абсорберы – поглощают ультрафиолет и переводят энергию в тепло, работая как «защитный слой» внутри материала;
• Стабилизаторы – повышают устойчивость и прочность межатомных связей, гасят уже образовавшиеся радикалы (класс HALS);
• Наполнители – технический углерод (сажа) физически экранирует УФ, поэтому чёрные изделия обычно долговечнее на солнце;
• Защитный слой – соэкструзионный УФ-слой или лакокрасочное покрытие: именно так делают уличный поликарбонат.

Классический способ проведения испытаний

Существуют требования технических условий и методический регламент на проведение испытаний по воздействию ультрафиолета. По алгоритму методики сначала выполняется внешний осмотр образцов и измерение контролируемых параметров; по завершении испытания образец сравнивается с эталонным. Характеристики светового потока должны быть приближены к солнечным – к тем, под которыми изделие будет работать. Учитывают:

• интенсивность и длительность процесса;
• влажностные показатели;
• соответствующий эксплуатационным реалиям угол облучения;
• цикличность или непрерывность воздействия.

Нужно различать испытания в базовых условиях и испытания, когда на продукцию воздействует полный комплекс вредных атмосферных факторов. Базовые условия: интенсивное облучение на уровне 1,8–2,0 мкал/см²·мин лучами с длиной волны в диапазоне 2,9–40,0 тысяч ангстрем (то есть 290–4000 нм); температура в камере при замере в тени – 60 °C ±2 °C.

Длительность облучения определяют делением срока службы изделия на коэффициент К: для тропиков К = 12, для умеренного климата К = 8. При воздействии полного комплекса атмосферных факторов облучение ведут 5 суток непрерывно либо 5 циклов при циклической процедуре.

Камеры бывают двух видов: в одной имитируется жаркий климат с малой влажностью, в другой – все прочие условия. Облучение выполняют лампами ПРК или НГ (ртутно-кварцевыми) разного давления – низкого, среднего (1,0–3,0 атм.) и высокого. Световой поток регулируется, предусмотрены защитные устройства, а видимые лучи, искажающие чистоту эксперимента, отсекают светофильтрами. О типах источников – в статье искусственные источники УФ-А.

Ускоренный способ проведения испытаний

Многие полимеры широкого потребления деградируют под УФ-светом: исчезает цвет, тускнеет поверхность, появляются трещины, иногда изделие разрушается полностью. Скорость УФ-старения растёт с временем воздействия и интенсивностью света. К чувствительным относятся термопластики – полипропилен, полиэтилен, полиметилметакрилат (органическое стекло), а также специальные волокна, например арамидное. Поглощение ультрафиолета разрушает полимерную цепь и снижает прочность в ряде точек структуры.

Диапазоны УФ по ISO-DIS-21348

Ближний УФ-диапазон часто называют «чёрным светом»: он не распознаётся глазом, но при отражении от некоторых материалов переходит в видимую область из-за фотолюминесценции. При высокой яркости, например от диодов, глаз замечает фиолетовый свет, если излучение захватывает границу видимого спектра 400 нм. Для дальнего и экстремального диапазона используют термин «вакуумный» (VUV) – эти волны сильно поглощаются атмосферой Земли.

Как ускорить проверку

Для ускоренного выявления деградации пластиков применяют жёсткое излучение UVC: на малозащищённых пластиках изменение цвета и рост хрупкости заметны в самом начале теста, что позволяет выявить проблему за предельно короткое время. Используют люминесцентные лампы UVC-диапазона (например, УФ-лампу 250 нм 11 Вт) либо более мощные светодиодные решения.

Важно про безопасность: UVC (280–100 нм) опасен для глаз и кожи – вызывает фотокератит и ожог даже при коротком воздействии. Работать нужно в закрытой камере или в очках с УФ-фильтром и закрытой одежде, помещение проветривать: часть ламп этого диапазона образует озон.

Что это значит при склейке пластиков

Стойкость пластика к УФ влияет и на технологию склейки. Во-первых, изделие из нестойкого пластика само по себе состарится раньше, чем шов, – и виноватым будет казаться клей. Во-вторых, УФ-стабилизаторы и абсорберы в составе пластика поглощают ультрафиолет, поэтому засветить шов «через деталь» становится сложнее: нужен источник большей мощности или подача света с открытой стороны.

Под пластики у «Спектр» есть отдельная линейка УФ-клеёв: A-200 и A-180 для акрила и прозрачных пластиков, P-140 для монолитного поликарбоната, P-350 для ПЭТ, P-450 для полистирола и ABS; весь ассортимент – в разделе УФ-клей, источники – в разделе УФ-лампы. Технология по конкретным материалам разобрана в статьях склейка поликарбоната и склейка оргстекла.

Часто задаваемые вопросы

Какие пластики хуже всего переносят ультрафиолет?
В немодифицированном виде – POM, PC (поликарбонат), ABS и PA6/6. Именно у них быстрее появляются выцветание, «меловые пятна» и хрупкость.

Какие пластики самые УФ-стойкие?
Отличную стойкость имеют PI (полиимид) и PEI (полиэфиримид), хорошую – PTFE, PVDF, FEP и PEEK. Они применяются там, где условия жёстче всего, вплоть до космической техники.

Как выглядит УФ-деградация пластика?
Выцветание и изменение цвета, потускнение, «меловые пятна» на поверхности, микротрещины и повышенная хрупкость. Глубина обычно менее 0,5 мм, но под нагрузкой этого достаточно для разрушения детали.

Почему поликарбонат желтеет, хотя считается прочным?
Прочность механическая и стойкость к УФ – разные свойства. Незащищённый PC чувствителен к ультрафиолету, а его деградацию ускоряют даже следовые примеси: миллиардная доля натрия в составе ведёт к нестабильности цвета. Поэтому уличный поликарбонат делают с УФ-защитным слоем.

Что такое фотоокисление?
Процесс, при котором свободные радикалы в присутствии кислорода образуют гидроперекись, разрывающую двойные связи в молекулярной цепи. Материал становится хрупким. Без кислорода деградация тоже идёт, но по другим механизмам.

Как повысить УФ-стойкость пластика?
Ввести УФ-абсорберы и стабилизаторы (в том числе HALS), добавить технический углерод как физический экран или нанести защитный слой – лак либо соэкструзионный УФ-слой.

Зачем испытывать в UVC, если на улице такого излучения нет?
UVC несёт больше энергии на фотон и разрушает полимер быстрее, поэтому нестойкий материал проявляет себя за часы вместо месяцев. Это ускоренный отбраковочный тест, а не имитация солнца: для приближения к реальным условиям используют спектр, близкий к солнечному.

Как рассчитать длительность испытания?
Срок службы изделия делят на коэффициент К: для тропиков К = 12, для умеренного климата К = 8. При воздействии полного комплекса атмосферных факторов – 5 суток непрерывно или 5 циклов.

Опасны ли лампы для таких испытаний?
Да, особенно UVC-лампы: излучение 280–100 нм вызывает фотокератит и ожог кожи. Работать нужно в закрытой камере либо в очках с УФ-фильтром и закрытой одежде, помещение проветривать – часть ламп образует озон.

Влияет ли УФ-стойкость пластика на склейку?
Да. УФ-стабилизаторы в составе пластика поглощают ультрафиолет, поэтому засветить шов «через деталь» труднее – нужен более мощный источник или подача света с открытой стороны. Кроме того, у нестойкого пластика раньше стареет сама деталь, а не шов.

Обращайтесь, если необходима помощь с выбором УФ-клеёв для пластиков и УФ-ламп – детально проконсультируем по возникшим вопросам.

E-mail: market@nipg.ru
Тел.: +7 (831) 414-01-71, 8 (800) 600-76-32
WhatsApp: +7 (905) 014-00-15, Telegram: NIPGSpektr, МАХ

Материал подготовлен техническим специалистом ООО НИПГ «Спектр». При полном или частичном копировании материалов ссылка на источник обязательна.