Auswirkungen von UV-Strahlung auf Kunststoffe: Ein Überblick
In ähnlicher Weise wie unsere Haut durch den Kontakt mit schädlichen ultravioletten (UV) Strahlen (z. B. die Sonne) geschädigt werden kann, können UV-Strahlen auch schädliche Auswirkungen auf Kunststoffe haben. Für Ingenieure bedeutet dies, dass Projekte, die den Einsatz von Kunststoffen erfordern, möglicherweise nicht so reibungslos ablaufen, wodurch das Risiko von Betriebsausfällen und engen Budgets erhöht wird.
Die gute Nachricht ist, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, Widerstand gegen diese oft schädlichen Auswirkungen zu leisten.
Die Gefahr von UV-Strahlen
Als Teil des elektromagnetischen Spektrums wird die ultraviolette Strahlung in drei Arten aufgeteilt. Dazu gehören:
Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts sind winzig und werden in Milliardsteln eines Meters gemessen. Ein Milliardstel eines Meters wird als Nanometer oder nm bezeichnet. UVA hat einen Wellenlängenbereich von 320 bis 400 nm, UVB einen Bereich von 280 bis 320 nm. Dagegen liegt der UVC-Bereich zwischen 100 und 280 nm.
Wenn wir die Haut als Beispiel nehmen, kann UVA zu einer Bräunung des Teints führen, während UVB Verbrennungen verursachen kann. Die allgemein bekannte Wirkung von UVC ist keimtötend, was der wissenschaftliche Begriff für die Tötung oder Inaktivierung von Mikroorganismen ist, indem Nukleinsäuren zerstört werden und ihre DNA gestört wird. Dies macht sie nutzlos, wenn es darum geht, kritische zelluläre Funktionen auszuführen.
Aber was ist mit Kunststoff – wie wird er von den unterschiedlichen Arten von UV beeinflusst?
Wenn Kunststoff ultravioletten Strahlen ausgesetzt wird, werden Sie möglicherweise Folgendes feststellen:
- ein kreidiges Aussehen
- die Oberfläche der Komponente wird spröde
- eine Veränderung der Farbe auf der Oberfläche des Materials
In Bezug auf Komponenten, die mit höherer Wahrscheinlichkeit UV-Schäden ausgesetzt sind, stehen Automobilteile ganz oben auf der Liste. Die Auswirkungen führen vorwiegend zu einer Veränderung der Oberflächenschicht des Materials und bei manchen Kunststoffen führen Beschädigungen durch UV-Strahlung letztlich zum vollständigen Ausfall des Bauteils. Dies ist keine gute Nachricht, wenn ein Projekt kurz vor dem Abschluss steht oder bereits abgeschlossen wurde.
Freie Radikale und UV-Energie
Von Kunststoffen absorbierte UV-Energie kann Photonen anregen, die dann freie Radikale bilden. Bevor Sie es wissen, tritt ein Abbau auf, da Katalysatorrückstände oft als Rezeptoren wirken. Tatsache ist, dass viele reine Kunststoffe UV-Strahlung einfach nicht absorbieren können, wodurch Ihr Projekt und die dazugehörigen Komponenten einem hohen Risiko ausgesetzt sind.
Selbstverständlich können Beeinträchtigungen durch UV-Strahlen in Kunststoffen vermieden werden. Blocker, Stabilisatoren oder Absorber können mit großer Wirkung verwendet werden, während Titandioxid ebenfalls helfen kann. Währenddessen können Benzophenone und andere organische Verbindungen die UV-Strahlen absorbieren und als Wärme abgeben, was nicht annähernd so schädlich ist.
Einige Beispiele für Materialien, bei denen UV-Stabilisatoren oder andere Lösungen das Problem der Beeinträchtigung durch UV-Strahleng vollständig beseitigen können, sind die Folgenden:
- Polyolefin: Schrumpfschläuche und Endkappen
- Nylon: Kabelbinder und Kabelbinderbefestigungen
Gehen Sie jedoch niemals davon aus, dass eines dieser Materialien UV-beständig ist. Sie sind es in der Regel nicht und müssen speziell behandelt werden. Achten Sie in den Produktdetails immer auf „UV-beständig“.
Ein Material, das als Ruß bezeichnet wird und über eine schwarze Färbung verfügt, kann das Risiko eines solchen Abbaus verringern, da es eine schützende Oberflächenbeschichtung bietet. Letzteres kann eine Metallisierung oder Farbe umfassen, obwohl Ruß eine in der Regel kostengünstige Option ist. Es kann auch genauso effektiv sein wie die Alternativen.
Bei welchen Kunststoffen ist ein Abbau durch UV-Strahlen eher möglich?
Wenn Sie im Begriff sind, ein neues Projekt durchzuführen, ist es sinnvoll zu wissen, welche Arten von Kunststoffen für diese Art von Abbau anfälliger sind.
Polypropylen (PP) und Polyethylen mit niedriger Dichte (LDPE) sind nur zwei Arten von Polymeren mit erhöhtem Risiko, bei denen ultraviolette Strahlen mit tertiären Kohlenstoffverbindungen innerhalb ihrer Kettenstruktur interagieren. Sie reagieren dann mit dem in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoff. Als nächstes werden Carbonylgruppen in der Hauptkette gebildet und die Bereiche des Bauteils, die freigelegt werden, könnten dann anfällig für Risse oder Verfärbungen sein.
In Bezug auf die ästhetischen Veränderungen, die bei nicht-UV-beständigen Kunststoffen festgestellt werden können, kann alles von Vergilbung über Auslaugung von gefärbten Materialien bis hin zum Bleichen der Oberfläche auftreten. Alle diese Veränderungen tragen letztlich zu einem weniger kostengünstigen Projekt und mehr Ausfallzeiten beim Austausch von Komponenten bei.
Können UV-Schäden von Kunststoffen erkannt werden?
Wie das Sprichwort sagt, ist „Vorbeugen besser als Heilen“. Gibt es in diesem Sinne eine Möglichkeit, solche UV-Störungen frühzeitig im Projekt zu erkennen oder ganz auszuschließen, bevor damit begonnen wird?
Das erste visuelle Anzeichen sind ernsthafte Risse in einem Produkt. Dies kann mittels der Infrarotspektroskopie betrachtet werden, welche „die Wechselwirkung von Infrarot-Strahlung mit Materie beinhaltet“. Sie wird zur Identifizierung und Untersuchung von Chemikalien verwendet, basiert hauptsächlich auf der Absorptionsspektroskopie und verwendet ein Infrarot-Spektrometer, das Carbonylgruppen erkennt, bevor sie echte Probleme verursachen.
Wie können Anti-UV-Chemikalien helfen?
Beim Mischen der Inhaltsstoffe – vor dem Spritzgussverfahren zum Formen von Produkten – können Anti-UV-Chemikalien eingesetzt werden. Zukünftige UV-Schäden durch Sonnenlicht können dadurch verhindert werden.
Es ist interessant festzustellen, dass die Chemikalien, die bei solchen vorbeugenden Maßnahmen verwendet werden, denen in der Sonnencreme ähnlich sind. Während Sonnenschutzmittel die Haut vor der Einwirkung von UV-Strahlen schützen, wirken die Chemikalien, die in UV-Stabilisatoren verwendet und Kunststoffen zugesetzt werden, in ähnlicher Weise.
Aber es sind nicht nur UV-Strahlen, die ein Risiko für Kunststoffe darstellen. Andere Umweltfaktoren, von Licht und Chemikalien bis hin zu Wärme, können eine große Rolle beim Abbau des Materials spielen, das in einem bestimmten Projekt verwendet wird.
Selbst einige Säuren, Laugen und Salze können für Veränderungen am Polymer verantwortlich sein, die alles von der chemischen Zersetzung oder dem biologischen Abbau umfassen können. Einige Veränderungen können auch das Molekulargewicht eines Polymers für das Recycling reduzieren. Diese Änderungen werden im Allgemeinen als „Alterung“ bezeichnet, da sie die Lebensdauer einer Komponente zusammen mit ihrem Aussehen erheblich beeinflussen.
Einige Überlegungen zu UV-beständigen Kunststoffen:
Für einen reibungslosen Ablauf eines Projekts ist es wichtig, dass ein UV-beständiger Kunststoff verwendet wird – wenn dieser Kunststoff UV-Licht ausgesetzt wird. Wenn dies nicht der Fall ist, können Ingenieure es sich leisten, weniger wählerisch zu sein, vorausgesetzt, der von ihnen gewählte Kunststoff ist für seine einzigartige Anwendung geeignet.
Aber für Projekte, die einen UV-beständigen Kunststoff erfordern, sind die folgenden Materialien mehr als angebracht:
- Acryl – Acryl ist in einer Reihe attraktiver Farben erhältlich und bietet Stärke und Steifigkeit. In Bezug auf die optische Klarheit schneidet es ebenfalls sehr gut ab. Außerdem verbindet es sich wirkungsvoll mit Lösungsmitteln und Klebstoffen und ist einfach herzustellen. Es verfügt über optimale Witterungseigenschaften, wodurch es sich hervorragend für den Außenbereich eignet. Darüber hinaus ist es vielseitig, langlebig und ästhetisch ansprechend, weshalb es ein hervorragendes Material für flächenbündige Scharniere ist.
- Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist flammhemmend und verfügt über hervorragende chemische Abriebeigenschaften. Dadurch eignet sich PVDF besonders gut für Unterlegscheiben. Mit seiner hervorragenden UV-Stabilität ist es FDA-konform und ein hochreiner technischer Thermoplast für eine Vielzahl von Anwendungen.
- Polytetrafluorethylen (PTFE) bleibt dank seiner hervorragenden Wetterbeständigkeit selbst bei Temperaturen von bis zu 260 °C (500 °F) stabil. Als reibungsarmes Fluorpolymer bietet es hervorragende elektrische Isoliereigenschaften, weshalb PTFE-Schläuche häufig zum Schutz von Glasfaserkabeln verwendet werden.
Die Vor- und Nachteile
Servicethread.com ist ein Verfechter der großflächigen Verwendung von Polypropylen, deutet jedoch darauf hin, dass es nicht für Projekte geeignet ist, die UV-Strahlen ausgesetzt sind: „Aufgrund der chemischen Struktur von Polypropylen hat es eine hohe Abbaurate, wenn es UV-Licht, wie z. B. durch Sonneneinstrahlung, ausgesetzt wird.“
In Fällen, in denen ein Bauteil einer langfristigen UV-Belastung ausgesetzt wird, sollten Ingenieure solche Materialien meiden.
Gleichzeitig eignet sich Polyester hervorragend für eine UV-Belastung. „Polyester ist anders. Es handelt sich um eine Kunststofffamilie, die eine ähnliche Struktur wie Ester zwischen zwei bindenden R-Gruppen aufweist. Da die R-Gruppen von jedem Kunststoff unterschiedlich sind, haben sie unterschiedliche Eigenschaften. Die Gesamtleistung dieser Kunststoffe im Vergleich zu Polypropylen ist jedoch in Bezug auf die UV-Beständigkeit viel höher.“
Laut einem von der North Carolina State University veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel kann Polypropylen nur sechs Tage durchhalten, bevor es aufgrund von UV-Strahlen bis zu 70 % seiner Festigkeit verliert. Polyester schneidet viel besser ab. Der Artikel zeigt auf, dass nach 12 Monaten UV-Strahlung über 67 % der Festigkeit eines Bauteils unverändert geblieben sind.
Daher ist es wichtig, dass Sie bereits im Vorfeld Ihres Projekts festlegen, welche Materialien Sie benötigen. Dies hilft Ihnen, unnötige Ausfallzeiten zu vermeiden und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Arbeit innerhalb des Budgets bleibt.
Berücksichtigen Sie die Anwendung der Komponente und die Umgebung, in der sie verwendet wird, bevor Sie die entsprechenden Teile für den Auftrag auswählen. Natürlich werden bei einem Projekt, bei dem wetterfeste Komponenten erforderlich sind, wahrscheinlich auch UV-beständige Teile erforderlich sein.
Stellen Sie sicher, dass Ihr Projekt für extreme Witterungseinflüsse gerüstet ist und Sie sicher sein können, dass Sie eine gute Arbeit ausführen können. Schließlich beeinträchtigen UV-Strahlen nicht nur die Ästhetik Ihrer Kunststoffe, sondern auch ihre Langlebigkeit.
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