Polimer aşınmasının faktörleri - Factors of polymer weathering
Doğal ve sentetik polimerik malzemeler yaşlanma olarak doğal bir olgudur metaller , cam , mineral ve diğer inorganik malzemeler. Polimerik malzemelerin bozulmasını etkileyen ana çevresel parametreler , sıcaklık , nem ve oksijenin etkileriyle birlikte gün ışığıdır . Bunlar, dış hava koşullarında stresin ana parametreleri görevi görür .
Giriş
Çoğu malzemenin bozulmasından sorumlu olan hava döngülerinin bileşenleri, iyonlaştırıcı olmayan radyasyon , atmosferik sıcaklık ve çeşitli biçimlerde nemdir. Bu, rüzgar ve atmosferik gazların ve kirletici maddelerin etkileriyle birleştirilir . Güneş radyasyonunun ultraviyole (UV) kısmı esas olarak hava etkilerinin başlatılmasından sorumlu olsa da , görünür ve yakın kızılötesi kısımlar da hava şartlandırma süreçlerine katkıda bulunabilir. Renkli malzemeler, görünür radyasyona karşı hassastır ve kızılötesine yakın radyasyon , malzeme sıcaklığını yükselterek kimyasal reaksiyonları hızlandırabilir . Diğer faktörler, yaşlandırma süreçlerini önemli ölçüde etkilemek için güneş radyasyonu ile sinerjik olarak hareket eder. Güneş ışığının kalitesi ve miktarı da dahil olmak üzere tüm hava faktörleri coğrafi konuma, günün ve yılın zamanına ve iklim koşullarına göre değişir. Havanın malzemeler üzerindeki etkisini tam olarak anlamak ve tahmin etmek için, bozulmaya katkıda bulunabilecek her bir faktör hakkında veri gereklidir.
Güneş radyasyonu
Çevreye maruziyetten kaynaklanan fiziksel değişiklikler , doğrudan veya dolaylı işlemlerle emilen ışığın neden olduğu kimyasal bağ kırma reaksiyonları ile başlatılır . Kimyasal bağ kırılması, herhangi bir kimyasal reaksiyon için bir ön koşuldur ve kimyasal reaksiyonlar, gözlemlenebilir veya ölçülebilir fiziksel değişiklikler için bir ön şarttır. Diğer hava faktörleri, bağların kopmasını takip eden ikincil reaksiyonlar üzerindeki etkileri yoluyla esas olarak hava koşullarını teşvik eder. Dış ortam koşullarına maruz kalan çoğu malzemenin bozunması , çoğunlukla en büyük etkiye sahip olan en kısa dalga boyları ile güneş enerjisinin ultraviyole kısmı olan UV bozulmasından kaynaklanır . Bu nedenle, hem de miktar ve ultraviyole kalitesi hem de varyasyonları direkt güneş ışınına ve yaygın gökyüzü radyasyon ayrışma testlerin tasarımı ve değerlendirilmesinde önemli faktörlerdir.
Sıcaklık
Güneş radyasyonuna maruz kalan malzemelerin sıcaklığının radyasyonun etkisi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Işığın yıkıcı etkileri genellikle yüksek sıcaklıklarda, artan ikincil reaksiyon hızının bir sonucu olarak hızlanır ve reaksiyon hızları, her 10 ° C'lik artışla yaklaşık iki katına çıkar; bu tüm malzemeler için geçerli olmayabilir, ancak genellikle polimerlerle bulunur. Yüksek sıcaklıklarda moleküller daha fazla hareket kabiliyetine sahiptir. Bu nedenle, oksijen difüzyon hızı artar ve birincil fotokimyasal işlemlerde oluşan serbest radikal parçaları daha kolay ayrılır. Böylece rekombinasyon şansı azalır ve ikincil reaksiyonlar teşvik edilir. Reaksiyonlar, çok düşük bir hızda meydana gelen daha yüksek sıcaklıklarda veya daha düşük sıcaklıklarda hiç gerçekleşmeyebilir.
Güneş ışığının varlığında bir nesnenin yüzey sıcaklığı genellikle havanın sıcaklığından oldukça yüksektir. Beyaz malzemeler için yaklaşık% 20'den siyah malzemeler için% 90'a kadar değişen güneş soğurma özelliği, renkle yakından ilgilidir; bu nedenle farklı renk örnekleri, farklı maruz kalma sıcaklıklarına ulaşacaktır. Çünkü ısı iletkenliği ve ısı kapasitesi polimerik malzemeler genel olarak düşük olan, daha yüksek sıcaklıklarda malzeme kütlesinin daha yüzeyi elde edilebilir. Bu nedenle, hem materyalin rengine göre değişen büyük ölçüde kızılötesi radyasyon absorpsiyonu ile üretilen numunelerin yüzey sıcaklıkları hem de ortam hava sıcaklığı ve maruziyet sırasındaki dalgalanmaları rol oynar.
Güneş radyasyonunda günlük ve mevsimsel değişiklikler meydana gelir. Sıcaklık döngüsü , özellikle geniş ölçüde farklı sıcaklık katsayılarına sahip malzemelerden oluşan kompozit sistemlerde mekanik gerilime neden olabilir . Sıcaklık ve döngüleri de tüm biçimleriyle suyla yakından bağlantılıdır. Sıcaklıktaki düşüşler, suyun malzeme üzerinde çiğ olarak yoğunlaşmasına, sıcaklıktaki bir artış buharlaşmaya neden olabilir ve ani yağış termal strese neden olabilir .
Nem
Nem , ortam sıcaklığına bağlı olarak nem , çiy , yağmur , kar , don veya dolu şeklinde olabilir. Nem, güneş radyasyonu ile birlikte birçok malzemenin hava koşullarına önemli ölçüde katkıda bulunur. Bunun nedeni, hem nem emildiğinde veya desorbe edildiğinde uygulanan mekanik stresler hem de nemin kimyasal evrimdeki kimyasal katılımı (ve bazı durumlarda etki gibi fiziksel etkiler). Yağışın meydana geldiği zaman aralığı ve ıslaklık sıklığı, malzemelerin ayrışmasında toplam yağış miktarından daha önemlidir. Donma / çözülme döngüsünün neden olduğu mekanik gerilmeler , bazı sistemlerde yapısal arızalara neden olabilir veya zaten başlatılmış olan bozunmayı hızlandırabilir.
Nem, bozulmaya hem fiziksel hem de kimyasal olarak katılır. Su emme ile sentetik malzeme ve nem ve doğrudan ıslaklık kaplamalar bir difüzyon kontrollü bir işlemdir. Yüzey katmanlarının bu hidrasyonu, kuru yüzey altı katmanlarına mekanik baskı uygulayan bir hacim genişlemesi oluşturur. Sonraki kuruma süresi , suyun desorpsiyonunu belirtir . Yüzey katmanlarının kuruması, bir hacim daralmasına yol açacaktır; hidratlı iç tabakalar bu büzülmeye direnerek yüzey gerilim çatlamasına yol açar. Hidratlanmış ve susuz kalmış durumlar arasındaki bu salınım, stres kırılmalarına neden olabilir . Organik malzemelerdeki difüzyon oranları nedeniyle nem dengesine ulaşmak haftalar veya aylar alabilir .
Nemin kimyasal etkileri titanyum dioksit (TiO 2 ) pigmentli kaplamalar ve polimerlerin tebeşirlenmesinde görülebilir ; anataz ise bir şekilde 405 ile ilgili nm altındaki dalga boylarında, özellikle hassas olan rutil formlar bu dalga boyu üzerinde enerji emer. Tebeşirleşme bozunması sonuçları bağlayıcı malzeme TiO bir salınımı ile sonuçlanan 2 pigment partikülleri. Bu parçacıklar yüzeyde silinebilen donuk bir tabaka oluşturur. Deneyimler, yüzeyde daha fazla su bulunan yerlerde tebeşirleşmenin en güçlü olduğunu göstermektedir; kuru atmosferlerde çok az tebeşirlenme olur veya hiç olmaz. TiO 2 a, yarı iletken burada elektron geçişleri ile ilgili valans için iletim bandı 400 nm altında yakın UV aralığındaki dalga boylarında ışığı absorbe sonucuna. Ultraviyole radyasyon , TiO 2 kafesinde elektron deliği çiftlerinin oluşmasına neden olur . Bunlar yüzeydeki hidroksit grupları ve Ti 4+ iyonları ile reaksiyona girer . Hidroksil ve perhidroksil radikalleri oksijen dönüşümü ve bir geçiş oluşturulmaktadır su molekülü TiO böylece 2 yüzey yeniden böylece tebeşirlenme döngü tekrar başlangıç şeklini sürdürür ve devamı aktivitesi için bir katalizör olarak hareket eder. Hidroksit ve neden sonra perhidroksil radikal oksidatif ayrışma TiO daha sonra serbest bırakılması ile, bağlayıcının 2 parçacıkları.
Atmosferik oksijen
Fotooksidasyon , açık havada maruz kalma sırasında meydana gelen çoğu polimer arızasından sorumludur . Güneş radyasyonunun oksijen ile kombinasyonunun etkilerinden kaynaklanır. Oksijen bozunmayı çeşitli şekillerde teşvik edebilir. Kimyasal bağların güneş ışınımı ile bölünmesinin bir sonucu olarak oluşan serbest radikaller, bir dizi radikal zincir reaksiyonunu başlatan peroksi radikalleri oluşturmak için oksijen ile reaksiyona girer . Radyasyonun yıkıcı etkisi, bağ kırılmasının yayılması ve güneş ultraviyole radyasyonunu daha da emen hidroperoksitlerin oluşumu ile çok katlıdır . Bu kademeli etki, hava etkisiyle aşınma sürecinin otomatik olarak hızlanmasına neden olur ve radyant maruziyete hava etkisiyle oluşan genel doğrusal olmama durumunu kısmen açıklayabilir .
Oksijenin normal temel durumundaki reaksiyonlarına ek olarak, bazı oksijen reaksiyonları , molekülün oldukça reaktif bir formu olan uyarılmış tekli durumdan kaynaklanır . Singlet oksijen , malzemelerin, özellikle doğal kauçuk ve sentetik elastomerler gibi birleşik doymamışlık içeren malzemelerin hızla bozulmasından sorumludur . Bu oluştuğu zaman üçlü oksijen , normal bir temel durum, örneğin bazı olarak sensitizörler, ile reaksiyona girer boyalar ve ketonlar da üçlü durumları radyasyon uyarılan. Oksijen ayrıca bu malzemelerle bir kompleks oluşturarak konjuge doymamış hidrokarbonlar tarafından emilen güneş radyasyonu miktarını da arttırır .
Oksijen içeren fotokimyasal reaksiyonların ölçüsü, hem de iç ve dış katmanların farklılık aromatik ve alifatik polimerler , polimerin oksijenin difüzyonuna bağlı olmaları. Fotooksidasyon, oksijenin nüfuz ettiği derinliklerde önemli ölçüde azalır. Düşük yoğunluklu polietilen (LDPE), polimetilmetakrilat (PMMA) ve polivinilklorür (PVC) parçalanma profilleri ile ilgili çalışmalar, fotooksidasyonun ön ve arka yüzeylerde malzemenin iç hacmine göre daha yüksek olduğunu göstermektedir. Ultraviyole radyasyon bu malzemeler tarafından güçlü bir şekilde absorbe edilmediğinden, ön yüzeyde meydana gelen radyasyonun önemli bir kısmı, fotooksidasyonu başlattığı arka yüzeye iletilir.
İkincil hava faktörleri
Ozon , kısa dalga boylu (110 nm - 220 nm) üst atmosferdeki oksijenin UV fotolizi ile üretilir . Otomobil egzozlarından çıkan nitrojen oksit ve hidrokarbonların fotokimyasal reaksiyonu bir başka kaynaktır. Ozon, hava koşullarında ikili bir rol oynar. Üst atmosferdeki konsantre katman, güneş tarafından yayılan kısa dalga boylu (≤300 nm) ultraviyole radyasyonu emer ve bu nedenle karasal nesneleri bu aktinik radyasyondan korumada kritik bir rol oynar . Ozon ayrıca güçlü bir oksidandır ve elastomerler ve diğer doymamış polimerlerle hızla reaksiyona girdiği bildirilmiştir . Ozonoliz tipik olarak, özellikle mekanik stres altında sertleşme ve çatlamaya neden olur. Bununla birlikte, ozonoliz reaksiyonlarının genel fotooksidasyon sürecine katkısı hala tartışmalı bir konudur.
Güneş radyasyonu ile birlikte atmosferik kirleticiler (örn. Kükürt dioksit , nitrojen oksitler, hidrokarbonlar vb.) Da ciddi hasardan sorumlu olabilir. Asit bazının neden olduğu kimyasal değişiklikler de kirliliğin neden olduğu hasarların çoğundan sorumlu olabilir. Doymamış alkil ve aromatik bileşikler , polimerlerin foto-oksidasyonunda katalizör görevi görebilir. Kükürt dioksit ve oksijen varlığında ultraviyole radyasyon polietilen ve polipropilenin çapraz bağlanmasına neden olur ve pigmentli kaplamalarda hızlı renk kaybından sorumludur.
Nem, sıcaklıkla birlikte mikrobiyal büyümeyi de teşvik edebilir . Küf , küf ve diğer mikrobiyolojik ve botanik etkenler , özellikle tropikal ve subtropikal iklimlerde malzeme bozulmasında önemli bir rol oynayabilir , ancak bunlar genellikle hava koşullarına etki eden faktörler olarak düşünülmeyebilir.