Fotodegradering
Polymerkemi
Hvad går det ud på?
En af de meget udbredte årsager til nedbrydning af plast er fotodegradering. Fotodegradering er meget forskelligt fra bl.a. termisk nedbrydning, både i nedbrydningsmekanismen og effekten på polymeren. Når man taler om fotodegradering er det primært UV-stråling fra sollys man tænker på, og med god grund, men det er ikke det eneste elektromagnetisk stråling der kan nedbryde polymerer.
Nedbrydningsmekanismen
Energien for elektromagnetisk stråling stiger med frekvensen, jvf. E = h · f, og når lyset rammer en kovalent binding, afsættes denne energi og bindingen kan brydes, under dannelse af to radikaler. Netop fordi energien stiger med frekvensen, stiger den ødelæggende effekt med frekvensen, og for sollys er UV-strålingen den mest ødelæggende del af den elektromagnetiske stråling. Dette er en kombination af energien i lyset og mængderne, hvilket er vigtigt i forbindelse med accelererede ældninger og behovet for beskyttelse afhængig af om produktet er til indendørs eller udendørs brug. Selv om effekten af elektromagnetisk stråling udenfor UV-spektret ikke er dominerende i forhold til nedbrydning, skal man stadig være obs på at den har en effekt, ved langtidseksponeringer som f.eks. bygninger og køretøjer.
På sammen måde som ved den termiske nedbrydning, er der ved fotodegraderingen også hotspots, som er steder i polymerens arkitektur, som er mere modtagelig for degraderingen end resten af polymeren. Det er noget man udnytter aktivt ved f.eks. fremprovokering af mutationer i cellers DNA med UV eller tværbinding af polymerer med elektronstråling (EB).
Fotodegradering af polymerer giver gerne en gulning af materialet, som ved vedvarende eksponering går over i en rødbrun farve, som denne polyurethan-skum før og efter 1000 timers UV-eksponering:
En af de almindelige misforståelser omkring den ødelæggende effekt af lyset er, at når ødelæggelsen kun sker i de yderste mikrometer af overfladen, er ødelæggelsen mest af kosmetisk natur. Man skulle forvente, at effekten på f.eks. slag- og brudstyrke er minimal, fordi den ødelagte del af materialet er forsvindende lille. Dette er ikke tilfældet. Ødelæggelsen af overfladen virker som en kærv i overfladen, hvorfor styrken af materialet i virkeligheden falder drastisk. Man kender den samme effekt fra ESC (Environmental Stress Cracking), som er kemikalieinducerede brud. Her er det i stedet kemikalier, i så små mængder at man ikke kan se påvirkningen af overfladen, selv i elektronmikroskoper, der ødelægger bindingen mellem polymerkæderne, så materialet bliver svagt.
På sammen måde som ved den termiske nedbrydning, er der ved fotodegraderingen også hotspots, som er steder i polymerens arkitektur, som er mere modtagelig for degraderingen end resten af polymeren. Det er noget man udnytter aktivt ved f.eks. fremprovokering af mutationer i cellers DNA med UV eller tværbinding af polymerer med elektronstråling (EB).
Fotodegradering af polymerer giver gerne en gulning af materialet, som ved vedvarende eksponering går over i en rødbrun farve, som denne polyurethan-skum før og efter 1000 timers UV-eksponering:
En af de almindelige misforståelser omkring den ødelæggende effekt af lyset er, at når ødelæggelsen kun sker i de yderste mikrometer af overfladen, er ødelæggelsen mest af kosmetisk natur. Man skulle forvente, at effekten på f.eks. slag- og brudstyrke er minimal, fordi den ødelagte del af materialet er forsvindende lille. Dette er ikke tilfældet. Ødelæggelsen af overfladen virker som en kærv i overfladen, hvorfor styrken af materialet i virkeligheden falder drastisk. Man kender den samme effekt fra ESC (Environmental Stress Cracking), som er kemikalieinducerede brud. Her er det i stedet kemikalier, i så små mængder at man ikke kan se påvirkningen af overfladen, selv i elektronmikroskoper, der ødelægger bindingen mellem polymerkæderne, så materialet bliver svagt.
Hvordan beskytter man polymeren?
Man har to grundliggende måder at UV-beskytte på:
UV-stabilisatorer, eller UV-absorbere om man vil, er den type kemikalier man også anvender i solcremer. Det er molekyler der er specialt gode til at absorbere UV-strålingen, så den ikke ødelægger polymererne (eller huden ved solcremer), uden selv at blive ødelagt i nævneværdig grad.
Fyldstofferne fungere ved at skygge for strålingen. Det er en yderst effektiv beskyttelse, og fordi man til mange produkter har en interesse i at farve materialet og have en høj opacitet, er beskyttelse fra fyldstofferne ofte udgangspunktet for UV-beskyttelsen, som så suppleres med en UV-stabilisator.
- UV-stabilisator, som er en UV-absorber
- Fyldstoffer, især carbon black
UV-stabilisatorer, eller UV-absorbere om man vil, er den type kemikalier man også anvender i solcremer. Det er molekyler der er specialt gode til at absorbere UV-strålingen, så den ikke ødelægger polymererne (eller huden ved solcremer), uden selv at blive ødelagt i nævneværdig grad.
Fyldstofferne fungere ved at skygge for strålingen. Det er en yderst effektiv beskyttelse, og fordi man til mange produkter har en interesse i at farve materialet og have en høj opacitet, er beskyttelse fra fyldstofferne ofte udgangspunktet for UV-beskyttelsen, som så suppleres med en UV-stabilisator.