
فهرست مطالب
Toggleکدام پلیمرها در برابر اشعه فرابنفش مقاوم هستند؟ کدام پلیمر در برابر اشعه فرابنفش دارای مقاومت بیشتری است؟ در کدام صنایع از پلیمرهای مقاوم در برابر UV استفاده میشود؟ در این مقاله از پنادپلاستیک با ما همراه باشید، چرا که قصد داریم به صورت کامل پلیمرهای مقاوم در برابر اشعه فرابنفش را معرفی و ویژگی و کاربرد هر یک از آنها را برررسی کنیم.
اشعه فرابنفش بخشی از طیف الکترومغناطیسی خورشید است که طول موج آن کوتاه تر از نور مرئی است و به سه دسته تقسیم می شود:
با اینکه شعاع نوع C تا حد زیادی توسط لایه اوزون جذب می شود، اما دو نوع دیگر می توانند به سطح زمین برسند و اثرات تخریبی از خود به جای بگذارند. این تاثیر می تواند به خصوص بر پلمیرها بیشتر باشد.
اشعه فرابنفش می تواند باعث ایجاد اثراتی در پلمیرها و موادی که با استفاده از آنها ساخته شده اند، شود، از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
محصولات پلیمری که در فضای باز یا در معرض نور خورشید قرار دارند (مثل تجهیزات ساختمانی، خودرویی یا کشاورزی)، تخریب ناشی از UV یکی از عوامل اصلی کاهش عمر مفید است. به همین دلیل، استفاده از پلیمرهای مقاوم در برابر UV به یک ضرورت در طراحی صنعتی و مهندسی مواد تبدیل شده است.
با توجه به اینکه پلیمرها امروزه در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، معماری، صنایع نفت و گاز، بسته بندی، تجهیزات فضای باز و غیره مورد استفاده قرار می گیرند، تولیدکنندگان به دنبال پلیمرهای مقاوم در برابر UV برای افزایش کارایی و تاب آوری محصولات خود در این صنایع هستند.
پلیمرهایی که بهطور ذاتی یا با استفاده از افزودنیهای خاص در برابر اشعه UV مقاومسازی شدهاند، میتوانند عمر مفید محصولات را بهطور چشمگیری افزایش دهند و هزینههای تعمیر و جایگزینی را کاهش دهند. اطلاعاتی که در ادامه به شما منتقل خواهیم کرد، در مورد انواع پلیمرها، نقش آنها و کاربردشان در صنایع گوناگون خواهد بود و از همین رو اگر در صنایع پلیمری و محصولات مرتبط با آن مشغول هستید، پیشنهاد می کنیم که حتما تا انتها این مطلب را دنبال فرمایید.
اگر این پرسش مطرح شود که چرا باید از پلیمرهای مقاوم در برابر UV استفاده کنیم، باید گفت که اثرات اشعه فرابنفش، می تواند رفته رفته به نابودی و از بین رفتن پلیمرها و محصولاتی که با آنها ساخته شده اند، تاثیر بگذارد. صنایع به دنبال محصولاتی هستند که تاب آوری بالایی از خود در فضای باز نشان دهد، شاید سخت ترین آسیب ها از همین UV به پلیمرها در فضای باز وارد شود.
از همین رو، استفاده از محصولات و پلیمرهای مقاوم در برابر UV، روز به روز در حال افزایش است.
در ادامه، اثرات مخربی که اشعه فرابنفش بر پلیمرها دارد را بررسی خواهیم کرد:
اشعه فرابنفش (UV) دارای انرژی بسیار بالایی است که در مواجهه با پلیمرها میتواند ساختار شیمیایی آنها را تغییر دهد. این فرآیند که بهعنوان فتوتخریب (photodegradation) شناخته میشود، از طریق شکستن پیوندهای مولکولی در زنجیرههای پلیمر انجام میگیرد.
اشعه UV قادر است انرژی کافی برای شکست پیوندهای C-H، C-C و بهویژه پیوندهای C-O و C=O را فراهم کند. این شکستن پیوندها موجب ایجاد رادیکالهای آزاد میشود که به نوبه خود واکنشهای زنجیرهای تخریب بیشتر را تسریع میکنند. نتیجه این فرآیندها کاهش وزن مولکولی، افت خواص مکانیکی، کاهش انعطافپذیری، و در نهایت ترکخوردگی یا شکنندگی سطحی است.
در بسیاری از پلیمرها، اشعه UV ابتدا با اجزای خاصی مانند گروههای کربونیل یا ترکیبات آروماتیک موجود در ساختار پلیمر واکنش میدهد. پس از آن، واکنشهای اکسیداسیون در حضور اکسیژن محیط باعث تشکیل محصولاتی مانند هیدروپراکسید، آلدهید و کتون میشود که خود این محصولات نیز ناپایدار هستند و باعث تسریع تخریب بیشتر میگردند.
در غیاب فناوری مناسب، این فرایندها باعث کاهش چشمگیر عمر مفید محصولات پلیمری میشوند. به همین دلیل، استفاده از پلیمرهای مقاوم در برابر UV یا افزودن پایدارکنندههای نوری به آنها، برای محافظت در برابر این تخریب الزامی است.
اشعه فرابنفش به سه باند اصلی تقسیم میشود: UV-A (320 تا 400 نانومتر)، UV-B (280 تا 320 نانومتر) و UV-C (100 تا 280 نانومتر). هر یک از این سه نوع اشعه، میزان انرژی متفاوتی دارند و تأثیرات خاصی بر مواد مختلف از جمله پلیمرها میگذارند.
هرچند اثرات این باندها ممکن است در شدت و نوع متفاوت باشند، ولی در مجموع، پلیمرهای مقاوم در برابر UV باید توانایی مقابله با طیف وسیعی از این اشعهها را داشته باشند. از این رو در طراحی محصولات فضای باز یا صنعتی، ارزیابی دقیق عملکرد پلیمر در برابر UV-A و UV-B ضروری است.
پلیمرهایی که بهخوبی در برابر اشعه UV محافظت نشدهاند، در طول زمان دچار تغییرات فیزیکی و شیمیایی قابل مشاهدهای میشوند که بهعنوان نشانههای پیری نوری شناخته میشوند. از جمله این نشانهها میتوان به زرد شدن سطح (yellowing) اشاره کرد که در پلیمرهای شفاف مانند پلیکربنات یا پلیاسترها بسیار شایع است. این تغییر رنگ ناشی از تشکیل کروموفورها (گروههایی که نور مرئی را جذب میکنند) در اثر واکنشهای فتوشیمیایی با اشعه UV است.
ترکخوردگیهای سطحی (cracking) نیز از علائم مهم تخریب نوری پلیمرهاست. این ترکها معمولاً به صورت ریز و شبکهای ظاهر شده و به تدریج به ترکهای بزرگتر تبدیل میشوند، خصوصاً در پلیمرهایی با مدول بالا که انعطافپذیری کمی دارند. شکنندگی (brittleness) نیز پیامد مستقیم کاهش وزن مولکولی و از بین رفتن خواص مکانیکی پلیمر است؛ یعنی مادهای که پیشتر منعطف و مقاوم بود، بهتدریج خشک و شکننده میشود.
از دیگر نشانههای قابل مشاهده، ماتی سطح، گچمانند شدن یا پودری شدن (chalking) است که معمولاً در پلیاتیلن و پلیپروپیلن دیده میشود. این پدیده به دلیل تخریب لایههای سطحی و خروج افزودنیهای ناپایدار به سطح رخ میدهد. چنین علائمی نهتنها ظاهر محصولات را تحت تأثیر قرار میدهد، بلکه مقاومت آنها در برابر شرایط جوی و ضربه نیز کاهش مییابد.
بنابراین شناسایی زودهنگام این علائم و استفاده از پلیمرهای مقاوم در برابر UV نقش حیاتی در افزایش طول عمر محصولات ایفا میکند.
برخی از پلیمرها هستند که به صورت ذاتی در برابر اشعه فرابنفش مقاومت نشان می دهند. همچنین برخی از افزودنی ها می توانند مقاومت برخی پلیمرها را در برابر UV افزایش دهند. در این بخش از مقاله به بررسی و معرفی تخصصی انواع پلیمرهای مقاوم در برابر UV خواهیم پرداخت و هر کدام را از منظر خواص فیزیکی، کاربرد، مزایا و میزان مقاومت بررسی خواهیم کرد:
پلیکربنات یکی از پلاستیک های مهندسی محبوب است که به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر ضربه، شفافیت نوری فوقالعاده و استحکام مکانیکی بالا در بسیاری از صنایع کاربرد دارد. این پلیمر دارای دمای عملکردی گسترده است و در محیطهایی با تغییرات دمایی زیاد نیز عملکرد مطلوبی از خود به جای میگذارد.
از نظر مقاومت در برابر اشعه UV، پلیکربنات در حالت خام تمایل به زرد شدن و کاهش استحکام دارد. با این حال، با افزودن پایدارکنندههای نوری مانند UV absorberها و یا استفاده از پوششهای محافظ، میتوان مقاومت آن را در برابر نور خورشید به شکل قابل توجهی افزایش داد.
این ویژگی باعث شده است در ساخت سقفهای شفاف، پانلهای نورگیر، محافظهای نوری و پنجرههای هواپیما از این پلیمر استفاده شود. در مقایسه با آکریلیک (PMMA)، پلیکربنات مقاومت به ضربه بیشتری دارد اما مقاومت UV کمتری دارد و در محصولاتی که ارجحیت با مقاومت نوری است، نیاز به تقویت دارد.
پلیآمید که بیشتر با نام نایلون شناخته میشود، دارای استحکام مکانیکی، سختی و مقاومت به سایش بالایی است. این پلیمر اغلب در صنایع مکانیکی، قطعات خودرو و تجهیزات مهندسی بهکار میرود. پلیآمید بهطور طبیعی در برابر UV مقاومت بالایی ندارد و در معرض تابش فرابنفش به مرور زمان زرد و شکننده میشود.
با افزودن پایدارکنندههای HALS (Hindered Amine Light Stabilizers) یا ترکیبات جاذب UV، میتوان مقاومت آن را تا حدود زیادی بهبود بخشید. از آنجا که جذب رطوبت پلیآمید بالاست، باید در شرایط خشک نگهداری و استفاده شود. در مقایسه با پلیپروپیلن مقاومشده، پلیآمید خواص مکانیکی بالاتری دارد اما نسبت به UV حساستر است، مگر آنکه تقویت شود.
HDPE یکی از پرمصرفترین پلیمرهای صنعتی است که به دلیل سبکی، انعطافپذیری و مقاومت شیمیایی بالا شناخته میشود. این پلیمر دارای چگالی بالا و ساختاری نیمهبلوری است که به آن خواص مکانیکی مطلوبی میدهد. در حالت پایه، HDPE در برابر UV مقاومت بالایی ندارد و پس از چند ماه قرار گرفتن در فضای باز ممکن است ترک بخورد یا تغییر رنگ دهد.
اما با افزودن دوده (Carbon Black)، پایدارکنندههای نوری و آنتیاکسیدانها، مقاومت آن در برابر UV به طرز چشمگیری افزایش مییابد. HDPE
مقاومشده میتواند تا بیش از یک دهه در فضای باز باقی بماند. از این پلیمر در ساخت مخازن، انواع بشکه پلاستیکی، لولههای انتقال آب و گاز، تجهیزات کشاورزی و بستهبندیهای صنعتی استفاده فراوانی میشود. در مقایسه با uPVC، HDPE انعطافپذیرتر و سبکتر است، ولی در برابر شعله و تغییر شکل دمایی مقاومت کمتری دارد.
پلی پروپیلن یک پلیمر سبک، ارزان و با مقاومت شیمیایی بسیار بالا است که در بسیاری از صنایع از بستهبندی گرفته تا کشاورزی و خودروسازی کاربرد دارد. در حالت معمولی، PP مقاومت بسیار کمی در برابر اشعه UV دارد و در معرض نور خورشید بهسرعت تخریب میشود.
با این حال، استفاده از ترکیبات پایدارکننده نوری مانند HALS و UV Absorbers باعث میشود پلیپروپیلن به مادهای مناسب برای کاربردهای بیرونی تبدیل شود. این نوع PP در ساخت مبلمان فضای باز، گلدانها، نوارهای آبیاری، اجزای خودرو و تجهیزات باغبانی استفاده میشود. مزیت اصلی آن در سبکی، قیمت پایین، و قالبگیری آسان است. در مقایسه با HDPE، پلیپروپیلن سفتتر و از نظر مقاومت حرارتی بهتر است، ولی در شرایط بدون پایدارکننده UV، عمر کمتری دارد.
uPVC یا پلیوینیل کلراید سخت، پلیمری با سختی و دوام بالا است که در برابر عوامل محیطی بسیار مقاوم میباشد. این پلیمر دارای خواص عایق الکتریکی عالی، مقاومت شیمیایی بالا و ثبات ابعادی بسیار خوبی است. در برابر UV، PVC در حالت خام به مرور زرد و شکننده میشود، اما استفاده از پایدارکنندههای خاص نوری و حرارتی مانند تیتانیوم دیاکسید باعث شده uPVC به یکی از پرکاربردترین مواد ساختمانی در فضای باز تبدیل شود.
از این ماده در تولید پنجرهها، دربها، لولههای آب و فاضلاب، و نمای بیرونی ساختمانها استفاده فراوانی میشود. uPVC نسبت به پلیمرهایی مانند HDPE کمتر انعطافپذیر است، اما مقاومت بسیار بالایی در برابر شعله، خوردگی و تابش UV دارد.
FRP یا کامپوزیت فایبرگلاس، ترکیبی از رزینهای پلیاستر و الیاف شیشه است که خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی فوقالعادهای را ارائه میدهد. این ماده بسیار مقاوم در برابر تنش، فشار، سایش و خوردگی است و در محیطهای صنعتی عملکرد بسیار خوبی دارد.
پلیاسترها بهتنهایی مقاومت UV متوسطی دارند و در مواجهه مداوم با نور خورشید دچار افت خواص میشوند، اما استفاده از ژلکوتهای مقاوم به UV و رزینهای اصلاحشده، این مشکل را برطرف کرده است. FRP در صنایع نفت و گاز، ساخت مخازن، سازههای دریایی، کانالهای تهویه و نماهای معماری استفاده میشود. در مقایسه با HDPE یا PVC، این ماده سختتر، مقاومتر و البته گرانتر است و برای محیطهای بسیار خشن و با دوام طولانی انتخاب میشود.
پلییورتان پلیمر بسیار انعطافپذیری است که در اشکال مختلف مانند فوم، الاستومر و پوششهای صنعتی استفاده میشود. PU به دلیل خواص مکانیکی بالا، مقاومت سایش عالی و قابلیت تنظیم سختی، در صنایع مختلف جایگاه ویژهای دارد. انواع آلیفاتیک پلییورتان دارای مقاومت طبیعی بالا در برابر UV هستند و بهطور گسترده در پوششهای صنعتی، رنگهای بیرونی و کفپوشهای مقاوم در فضای باز استفاده میشوند.
در حالی که انواع آروماتیک آنها مقاومت کمتری دارند و برای محیطهای داخلی مناسبترند. پلییورتانهای مقاوم به UV از نظر دوام و پایداری رنگ نسبت به بسیاری از پلیمرها عملکرد بهتری دارند. در مقایسه با uPVC یا HDPE، PU انعطافپذیرتر، اما گرانتر و دارای فرایند تولید پیچیدهتری است.
پلیآکریلیک یا PMMA یکی از شفافترین پلیمرهای موجود در بازار است که جایگزین اقتصادی و سبکی برای شیشه محسوب میشود. این پلیمر دارای سختی سطحی بالا، ثبات رنگ و مقاومت خوب در برابر خراش است. مهمترین ویژگی PMMA، مقاومت طبیعی بسیار بالای آن در برابر UV است؛ بهطوری که حتی پس از سالها قرارگیری در معرض نور خورشید، دچار زردی یا افت نوری نمیشود.
از این رو، در ساخت تابلوهای تبلیغاتی، پوششهای نورگیر، محافظهای نوری، شیشههای هواپیما و تجهیزات نوری استفاده فراوانی دارد. در مقایسه با پلیکربنات، آکریلیک شفافتر و مقاومتر به نور است ولی در برابر ضربه شکنندهتر بوده و برای محیطهای پرتنش مناسب نیست.
در این بخش برای اینکه درک دقیق تر از انواع پلیمرهای مقاوم در برابر UV داشته باشیم، تلاش کردیم تا در قالب یک جدول، مقایسه ای بین انواع پلیمرها داشته باشیم:
| نوع پلیمر | مقاومت UV | قیمت تقریبی | کاربردهای رایج | دوام در فضای باز | قابلیت بازیافت |
| پلیکربنات (PC) | متوسط تا بالا (در صورت افزودن پایدارکننده) | بالا | نورگیرها، پنلهای روشنایی، شیشههای ایمنی و مقاوم | بالا (با افزودنی مناسب) | متوسط |
| پلیآمید (PA) | پایین تا متوسط (با پایدارکننده) | متوسط تا بالا | قطعات صنعتی و مکانیکی، قطعات خودرو، تجهیزات مهندسی | متوسط | بالا |
| HDPE | پایین (در حالت پایه)، بالا (با افزودنی) | پایین | مخازن، بشکهها، لولههای انتقال، کانتینرهای صنعتی | بالا (با افزودنی) | بالا |
| PP مقاومشده | بالا (در صورت تقویت با UV stabilizer) | بسیار پایین | تجهیزات باغبانی و کشاورزی، مبلمان فضای باز، بدنه خودرو | بالا | بالا |
| uPVC | بالا | متوسط | پنجرهها، دربها، نماهای ساختمانی، لولههای انتقال | بسیار بالا | پایین تا متوسط |
| FRP | بالا (با استفاده از ژلکوتهای مقاوم) | بالا | سازههای دریایی، مخازن شیمیایی، کاربردهای نفت و گاز | بسیار بالا | کم (بازیافت دشوار) |
| پلییورتان (PU) | بالا (بهویژه در نوع آلیفاتیک) | بالا | پوششهای مقاوم، رنگها، قطعات صنعتی و الکترونیکی | بالا | پایین تا متوسط |
| پلیآکریلیک (PMMA) | بسیار بالا | متوسط تا بالا | نورگیرهای شفاف، تابلوها، روکشها و قطعات تزئینی خارجی | بسیار بالا | بالا |
بنابراین، با این مقایسه میتوان تا حدودی فهمید که بهترین و مقاوم ترین گزینه با قیمت نه چندان بالا، کدام است!
برای بهبود مقاومت پلیمرها در برابر تابش UV، معمولاً از افزودنیهایی به نام پایدارکنندههای نوری استفاده میشود که به دو گروه اصلی تقسیم میشوند:
این افزودنیها به صورت همگن در ماتریس پلیمر پراکنده میشوند و در سطح و درون ماده اثر حفاظتی خود را اعمال میکنند. گاهی با پوشش سطحی یا ترکیب با مواد نانو، میتوان اثربخشی آنها را افزایش داد.
از مهمترین مزایای این افزودنی ها می توان به مواردی همچون: افزایش عمر مفید، بهبود ظاهر، جلوگیری از زرد شدن، حفظ خواص مکانیکی در طول زمان، اشاره کرد.
پلیمرهای مقاوم در برابر UV در صنایع گوناگونی میتوانند مورد استفاده قرار گیرند. بسیاری از صنایع برای تولیدات خود به این پلیمرها بیشتر نیاز دارند. در ادامه از کاربرد پلیمرهای مقاوم در برابر UV در صنایع مختلف خواهیم گفت:
در نماهای خارجی ساختمانها، پنجرههای دوجداره، پروفیلهای uPVC، ورقهای نورگیر پلیکربنات یا PMMA و سقفهای شیروانی، پلیمرهای مقاوم در برابر UV نقش کلیدی ایفا میکنند. در این کاربردها، مقاومت در برابر زرد شدن، ترکخوردگی و افت زیبایی بصری در اثر تابش خورشید اهمیت بالایی دارد.
برای تولید بشکه فلزی و پلاستیکی به شدت به استفاده از پلیمرهای مقاوم در برابر UV نیاز است. در فصل جدیدی که سال های اخیر به منظور تولید بشکه های مقاوم تر باز شده است، شاهد استفاده از پلیمرهای مقاوم در برابر UV برای تولید انواع بشکه هستیم.
بخشهایی مانند سپر، زه، آینههای جانبی، دستگیرهها و تزئینات بیرونی خودرو همواره در معرض تابش UV هستند. در این موارد، از PP مقاومشده، پلیآمیدهای UV-stabilized، پلییورتانهای مقاوم و پوششهای آکریلیک برای افزایش طول عمر و حفظ رنگ استفاده میشود.
در صنایعی که بستهبندی در فضای باز انجام میشود – مانند کشاورزی یا مصالح ساختمانی – استفاده از کیسهها و لفافهای پلیمری مقاوم در برابر UV بسیار مهم است. پلیاتیلن و پلیپروپیلن تقویتشده نقش عمدهای در این حوزه دارند.
روکشهای محافظ پنلهای فتوولتاییک باید در برابر UV و حرارت مقاوم باشند. پلیمرهایی مانند EVA اصلاحشده، PMMA و پلیکربنات با پوشش مقاوم به UV در این بخش استفاده میشوند. همچنین، در تجهیزات الکترونیکی فضای باز، پوستههای محافظ باید پایدار و غیرتخریبپذیر باشند.
در صنایع ذخیرهسازی، پلیمرهایی مانند HDPE، FRP و uPVC بهدلیل مقاومت بالا در برابر UV، خوردگی و تغییرات جوی انتخاب میشوند. این مواد، ضمن حفظ استحکام ساختاری، میتوانند عمر مخازن و خطوط انتقال را تا چند دهه افزایش دهند.
پلیمرهای مقاوم در برابر UV نقش مهمی در افزایش عمر، ایمنی، زیبایی و عملکرد محصولات پلیمری دارند، بهویژه در محیطهای باز و پرتاشع. استفاده از پلیمرهای مناسب، همراه با افزودنیهای پایدارکننده، میتواند بهطور چشمگیری هزینههای تعمیر و جایگزینی را کاهش دهد.
با توجه به تفاوت در قیمت، مقاومت، دوام و فرآیندهای تولید، انتخاب درست پلیمر مقاوم به UV باید با توجه به نیاز هر صنعت انجام گیرد. به عنوان مثال، در سازههای ساختمانی طولعمر بالا و زیبایی بصری مهم است، در حالی که در صنایع بستهبندی وزن و قیمت اهمیت دارد.
سوالات متداول (FAQ)
پلیمرهایی مانند پلیکربنات، پلیآکریلیک (PMMA)، uPVC، پلیپروپیلن تقویتشده و FRP از جمله پلیمرهای مقاوم در برابر UV هستند.
پلیآکریلیک (PMMA) و uPVC بیشترین مقاومت ذاتی در برابر اشعه UV را دارند، بهویژه در کاربردهای فضای باز طولانیمدت.
این پلیمرها در صنایع ساختمانی، خودروسازی، بستهبندی فضای باز، تجهیزات خورشیدی، و تولید مخازن و لولهها کاربرد فراوان دارند.