Table of Contents
أثر التعرض للأشعة فوق البنفسجية على مدى استدامة المواد ذات المطاط الطويل الأجل
إن المواد المصفوفة المتعددة المواد هي مواد أساسية للهندسة الحديثة والتصنيع، وهي بمثابة العمود الفقري للمنتجات التي تتراوح بين مركبي الطائرات وألواح الجسم الآلية وأجهزة التحلل السطحي والغطاء البحري، وهي عوامل تؤدي إلى اختلالات في نظم التحلل الفوقي والتشريد السطحي، وتنجم عن وجود مجموعة من الخصائص الخفيفة، ومقاومة التكديس، ومرونة التصميم وفعالية التكلفة، غير مضمونة الطويلة الأجل لهذه المواد الإشعاعية.
أساسيات الإشعاع فوق البنفسجي والاستيعاب من جانب البوليمر
الأشعة فوق البنفسجية تحدث موجات من حوالي 100 إلى 400 نانومترات، مع وجود أشعة فوق البنفسجية الأرضية التي تتركز في سطح الأرض (UV-A) (315-400 nm) وسلسلة الأشعة فوق البنفسجية (280-315 نانو متر)
آليات التحلل المستخلص من المركبات
إن تدهور المواد المصفوفة المتعددة البوليمر في إطار التعرض للأشعة فوق البنفسجية هو عملية معقدة ومتعددة العوامل تهيمن عليها ردود الفعل المسموعة بالصور، وتبدأ التسلسل عادة باحتساب الضوء فوق البنفسجي من قبل مجموعات الكروموسوماتية داخل البوليمر (مثلاً، مجموعات الكربون، أو الاضطرابات، أو المخلفات الحفازة)، أو بتشكيلات متطرفة ومضافة.
قصر الشاى
إنّ مقصّات التصادم تشير إلى الإنهيار العشوائي لسلاسل البوليمر الخلفية بسبب ردود الفعل المتطرفة، وهذا يقلّل من متوسط الوزن الجزيئي للبوليمر، مما يؤدي إلى فقدان قوة النسيج، والارتقاء في الكسر، ومقاومة الاصطدام، مثلاً في البوليثيلين وبوليبروبيلين، فإنّ التراكم السلاسل السائلة المسببة للأشعة فوق البنفسجية يؤدي إلى تكوين
الترابط والتشهير
ويحدث التقاطع عندما يتجمع المتطرفون الحرون في شكل روابط متزامنة جديدة بين سلاسل البوليمر المتاخمة، وفي حين أن درجة من الترابط يمكن أن تزيد في البداية من الاضطرابات والصعوبة، فإن التقاطع المفرط يؤدي إلى وجود شبكة متعددة الصلبات وذوي العشب، وتفقد المادة قدرتها على التكتل وتصبح عرضة للتشكيلات الدقيقة، ولا سيما في ظل التقلب الحراري أو التحميل الدينامي.
تدهور سطح الأرض وتعقب الميكروفونات
ونظرا لأن الاشعاع فوق البنفسجي يستوعب في المقام الأول في أقل الميكرونات السطحية، فإن التدهور كثيرا ما يكون مطروحا إلى طبقة معرضة للخطر، مما يؤدي إلى قذف السطح، وتعقبه، وتآكله، كما أن المياه، والرطوبة، والدورات الحرارية يمكن أن تعجل هذه الآثار بالتسبب في حدوث ضغوط تتضخم - تنموية تؤدي إلى شقوقات، وتتحول الشقوطات إلى عوامل توتر، وتزيد من حدة التآكل الحياة المضاعف.
العوامل التي تؤثر على إمكانية قبول المركبات فوق البنفسجية
ولا يستجيب جميع البوليمرات للكشف عن الأشعة فوق البنفسجية، إذ يتوقف معدل التدهور وشدته على الهيكل الكيميائي المتأصل، ووجود المثبتات، والظروف البيئية الخارجية، ويمكِّن فهم هذه العوامل من اختيار المواد المناسبة والتدابير الوقائية لتطبيقات محددة.
النوع المتعدد الطرازات والهيكل الجزيئي
(ب) البوليمرات الحرارية، مثل البوليكربونات، والبوليثيلين تيرفات (PET)، والبوليميرات تحتوي على حلقات متطورة تستوعب الضوء فوق البنفسجي بقوة، مما يجعلها أكثر عرضة لتدهور البوليمرات الفوقية مثل البوليثيلين أو البلوريلين (P).
دور المشترين والمضافين
وتضاف مثبتات الأشعة فوق البنفسجية عمداً إلى تركيبات البوليمرات لاعتراض أو تحييد الآثار الضارة للإشعاع فوق البنفسج، وبدون هذه المواد المضافة، فإن معظم البوليمرات ستفشل في غضون أشهر من التعرض للفي الهواء الطلق، وتشمل الفئات الرئيسية من المستقرين ما يلي:
- UV absorbers (UVAs):] These compounds, such as benzotriazoles and benzophenones, preferentially absorb UV light and dissipate the energy as heat, preventing it from reaching the polymer backbone, they are most effective when used in little layers or coatings.
- Hindered amine light stabilisers (HALS):] HALS function as radical scavengers by generating stable nitroxyl radicals that comp free radicals, interrupting the photo-oxidative cycle. They are highly efficient even at low concentrations and are widely used in polyolefins, polyurethanes, and polyamides.
- Antioxidants:] Phenolic antioxidants and phosphites decompose hydroperoxides and inhibit thermal oxidation, which complements UV stabilisers.
- Nanoparticle fillers:] Zinc oxide (ZnO) and titanium dioxide (TiO2) nanoparticles serve as both UV blockers and radical scavengers, they are used in coatings and films to provide broad-spectrum UV protection, but care must be taken to avoid agglomeration and photoca
الظروف البيئية
ويمكن أن يؤدي التدرج والرطوبة ووجود الملوثات في الغلاف الجوي (مثل الأوزون وثاني أكسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين) إلى زيادة التعرض للتدهور في الأشعة فوق البنفسجية، وزيادة درجات الحرارة في ارتفاع معدل انتشار الأوكسجين وتنقل الراديكاليات، وتسريع وتيرة التحلل الضوئي، ويؤدي التلقيح إلى تآكل الأورام في الأورام المرهقة.
التقييم الكمي لتحلل المركبات
وللتقييم الاستقرار الطويل الأجل للمواد المصفوفة المتعددة الألياف، يستخدم الباحثون والمهندسون الجيدون مجموعة متنوعة من التقنيات التحليلية التي تقيس التغيرات في الهيكل الكيميائي، والممتلكات الميكانيكية، والخصائص السطحية، وهذه الأساليب حاسمة في التنبؤ بحياة الخدمات، والتحقق من أداء المثبتات، ووضع بروتوكولات لمراقبة الجودة.
أساليب التصنيع الكيميائية
(أ) إن وجود فرق امتصاص الكربون (أساسية) في التكوين الكيميائي للكميات الفوقية (الثانية) (الثانية) (الثانية عشرة عشر - 140) (الثانية)
تقييم الممتلكات الميكانيكية
والاختبارات الاختزالية هي أكثر النهج الميكانيكي شيوعاً لتقييم الأضرار الناجمة عن الأشعة فوق البنفسجية، إذ أن التخفيضات في القوة الخفية والقلعة والارتفاع في الكسر ترتبط ارتباطاً مباشراً بدرجة التحلل الضوئي، إذ أن اختبارات التحلل الافتراضي والاختلال تكشف عن الاختلاط وفقدان القدرة على التعرّض للإصابة، وكثيراً ما يمكن أن تقيس التحلل الميكانيكي للأشعة السطحية.
تحليل سطحي وميكروسكوبيك
ويكشف جهاز الاستنساخ الإلكترونية المصغر (SEM) والنسخ المصغر للقوة الذرية عن تغيرات طبوغرافية مثل التشقق والحفر والتحات.() ويمكن أن تؤدي قياسات قياسات المساحات والجداول إلى قياس مدى تقريب السطح وفقدان التأمل المضارب.() ويمكن أن تحدث هذه المؤشرات التحذيرية الميكانيكية في كثير من الأحيان) تسجيلات صفرية موضوعية (ترد في القيمة*) والظلم (التقديرات).
دراسات الحالة: تدهور مستوى الأشعة فوق البنفسجية في نظم معينة من البوليمرات
Polypropylene in Automotive Exterior Parts
ويستخدم البوليبروبيلين على نطاق واسع في مضاعفات التهاب الكبد، والترايم، ومكونات تحت الغطاء النباتي بسبب انخفاض تكلفته وخصائصه الميكانيكية الجيدة، غير أن انخفاض أسعار الأشعة فوق البنفسجية غير المستقرة قد يُظهر بسرعة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما يدل على وجود تشنجات سطحية في غضون أسابيع من الطقس المشمس، ويُستخدم فيها تركيبات ذات الحرارة العالية التي تتراوح بين 0.2 و0.5 و0 في المائة،
Epoxy Composites in Wind Turbine Blades
أما البقايا السائلة الريحية فهي هياكل مركبة كبيرة يجب أن تتحلى بعقود من التعرض الخارجي، وتعطي الراتنجات البوكسية قوة ممتازة ومقاومة بدينية، ولكن تركيبها الجوي يجعلها عرضة للاختلالات الحرارية والتآكل السطحي، وتطبق المصانع المعاطف الجاهزة الواقية وأجهزة التصفيق التي تحتوي على مواصف الأشعة فوق البنفسجية والصور.
Polycarbonate in Architectural Glazing
وتُستخدم صحائف البوليفات في أضواء السواحل والدفئات ومجلات الأمان بسبب ارتفاع قوة تأثيرها وبثها الخفيف، غير أن PC معرضة بشدة للصفر وفقدان الشفافية، حيث تُطبق الطبقات المُعدية التي تُستخدم في إطار نظام " UV " طبقات مُعدلة من مركبات الكربون المُقاومة للأشعة دون الحمراء أو المُصطفى المُصَعَة.
استراتيجيات لتحسين مقاومة الأشعة فوق البنفسجية
وتشمل حماية مواد مصفوفة البوليمر من أضرار الأشعة فوق البنفسجية مزيجاً من اختيار المواد وصياغتها وقرارات تصميمها، وغالباً ما يكون النهج الأكثر فعالية نظاماً متعدد المستويات يعالج تدهور سطح الأرض والجملة على السواء.
توجيهات اختيار المواد
وعندما تتطلب التطبيقات التعرض في الهواء الطلق لمدة طويلة، تختار البوليمرات ذات الاستقرار المتأصل في المركبات، وقد تكون البوليمرات المفلورة (البوليفورمبيوتر متعدد الكلور)، والأكريكة، والسيليكونيات، مقاومة أعلى، أما بالنسبة للمصفوفات المركبة، فينظر في استخدام مركبات التكسين أو ثنائي الفينيل المستقر بدلا من البوليفات البسيفينول ألفا، حيث أنها تستوعب أقل من ذلك.
المجمّعات المتطورة
أما أكثر أنواع الحماية قوة فهي من الخلايا السائلة للحامض النووي المغناطيسي ومصاعدات الأشعة فوق البنفسجية، مثلاً، نظام يضم 0.5 في المائة من الحامض المغناطيسي و 0.3 في المائة من ممتصات الأشعة فوق البنفسجية التي يمكن أن تمتد إلى عمر البوليبروبيلين بعامل يتراوح بين 5 و10 مقارنة بالراتنجات غير المستقرة.
التكتل الواقي والعلاج السطحي
فتطبيق المعاطف الفوقية الفوقية الفوقية السائلة هو في كثير من الأحيان أكثر الطرق اقتصادا لحماية البوليمر السائب، كما أن البوليوريثان أو التكريري مع ممتصات الأشعة فوق البنفسجية شائعة، ولزيادة القدرة على التحمل، والمعاطف الصلبة التي تشبه الخزفيات استنادا إلى البوليسيلوكسين أو البوليوريثان - السائلة - الاصطناعية توفر مقاومة للدماغية إلى جانب صناعة البولي في مجال الحماية القصوى.
اعتبارات التصميم
(ب) استخدام الظل أو الأغطية أو التوجهات التي تقلل من الإشعاعات الناجمة عن الحوادث، وإدراج طبقات التضحية أو الأفلام التي يمكن استبدالها والتي يمكن مسحها دون استبدال كامل المكون، وتجنب الحواف الحادة ومركّزات الضغط التي يمكن أن تتسارع في التشقق، ولكفالة اتساع نطاق المعاطف الواقية بسرعة على الحوافات والتوترات.
معايير الاختبار والنمذجة الافتراضية
وتُعدُّ هذه الاختبارات [الاستعجالية للتحلل ضرورية للمواد المؤهلة في إطار زمني عملي. ASTM G154] تصف دورة من التعرض للأشعة فوق البنفسجية باستخدام مصباح يو أم أ-340 (التي تُحاكي ضوء الشمس في منطقة الموجات القصيرة الحرجة) مع تغيير نماذج التكثيف أو رذاذ الماء.
خاتمة
إن التعرض للأشعة فوق البنفسجية يشكل تهديدا كبيرا للاستقرار الطويل الأجل للمواد التي تستخدم في المصفوفات المتعددة، مما يؤدي إلى إحداث تغييرات كيميائية وفيزيائية تتوج بانخفاض الأداء والفشل المبكر، كما أن آليات التأكسد الضوئي، ومقص السلاسل، والربط بين السلامة الميكانيكية المتدهورة والخصائص الاصطناعية، مع زيادة حدة التأثير على نوع البوليمر، ووجود المستقر، والعوامل البيئية.