پایدار کننده های نوری

رفتارهای مختلف رزین هایی که هم دارای ترکیبات آروماتیکی هستند و هم رزین های عاری از ترکیبات آروماتیک بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که پرتو UV بر تمام رزین ها از طریق واکنش های مختلف اثر می گذارد. در نتیجه شفاف پوشه ها باید به صورت جدا گانه ای در برابر پرتو UV حفاظت شوند. امروزه تمام شفاف پوشه ها حاوی پایدار کننده های نوری هستند. پایدار کننده های نوری متشکل از جاذب های UV و خاموش کننده های رادیکال آزاد هستند. جاذب های UV موادی شبیه رنگزاها هستند که به جای نور مرئی، پرتو UV را جذب می کنند. در این میان ذکر این نکته ضروری است که جاذب های پرتو UV فقط باید بخش UV نور ورودی را جذب کنند و نه نور مرئی را، چرا که در غیر این صورت باعث ایجاد اختلال در شفافیت و رنگ شفاف پوشه، مثل زرد شدگی می شود. جاذب های پرتو UV باید سازگاری بهینه ای را در فاز مایع و همچنین در ماتریس فیلم داشته باشند. پس جاذب های پرتو UV انتخاب شده باید با ساختارهای مولکولی آلی دوست اصلاح شوند. آنها باید در برابر تبخیر و مهاجرت مقاوم باشند. و البته تحت تأثیر نور نباید تجزیه و تخریب شوند. اولین جاذب های پرتو UV که برای شفاف پوشه های خودرویی مناسب بودند، ترکیبات اکسالانیلیدها بودند. سپس آنها با 2-هیدروکسی فنیل بنزوتری آزول ها جایگزین شدند. امروزه 2-هیدروکسی فنیل تری آزولها جزء بهترین جاذب های UV در بازار هستند. شکل زیر ساختار شیمیایی یک نمونه از هردو گروه جاذب های UV ذکر شده را نشان می دهد و شکل 1 طیف جذبی این جذب ها را نشان می دهد.

شکل 1- ساختار شیمیایی یک نمونه جاذب های UV و طیف جذبی پایدار کننده های نوری

جاذب های پرتو UV، پرو UV را طبق معادله بیر-لامبرت که ارتباط بین ضخامت لایه و جذب را بیان می کند، جذب می کنند. اثر فیلتری اذب های UV در بالاترین قسمت لایه پوششی نسبتا ً کم است و یکسری واکنش های تجزیه ای ممکن است در قسمت های بالایی فیلم اتفاق بیافتد که منجر به تشکیل رادیکال های آزاد در فیلم می شوند. علاوه بر این، پرتو UV ممکن است با مولکول های دیگر، به غیر از ماتریس فیلم مثل آب و یا رطوبت محیط، واکنش داده و تشکیل رادیکال آزاد بدهد و رادیکال های تشکیل شده موجب آسیب رسیدن به لایه شفاف پوشه شوند. به این دلیل است که همیشه جاذب های پرتو UV با ترکیبات خاموش کننده رادیکال آزاد، زمانی که قرار است در شفاف پوشه ها استفاده شوند، ترکیب می شوند. خاموش کننده های رادیکال آزاد، ترکیباتی هستند که رادیکالهای آزاد با انرژی کم و طول عمر طولانی ایجاد می کنند که این رادیکال ها می توانند با رادیکال های آزاد پر انرژی ترکیب شوند و به این صورت انرژی آنها را به انرژی شیمیایی تبدیل کنند و دوباره به حالت اولیه ی خود برگردند. مهمترین دسته خاموش کننده های رادیکال آزاد برای شفاف پوشه ها، آمین های ممانعت فضایی شده هستندکه با ترکیب 2،2،6،6-تری متیل پای پیریدین ها استخلاف شده اند. استخلاف های مختلف آنها به اتم های نیتروژن و حلقه پای پیریدین متصل می شوند. این محصولات را پایدار کننده های نوری آمینی ممانعت شده یا غیر آزاد مینامند. ساختار مولکولی یک نوع ترکیب HALS در شکل زیر نشان داده شده است. سازو کار واکنش خاموش کننده های رادیکال آزاد نیز نشان داده شده است.

شکل 2- ساختار مولکولی یک نوع ترکیب HALS

دیگر الزامات خاموش کننده های رادیکال آزاد شبیه ترکیبات جاذب پرتو UV است. سازگاری با ماتریس رزین، فشار بخار خیلی پایین، عدم مهاجرت و مقاومت نوری.

 از آنجایی که اتم های نیتروژن درجه 2 و پای پیریدین های استخلاف شده با N-آلکیل، ترکیبات قلیایی هستند، دارای اثرات کاتالیستی بر روی واکنش های ایزوسیاناتی و اثرات غیر-کاتالیستی بر روی واکنش های ملامین ها هستند. این ترکیبات اثرات جزئی تری دارند اما در خاموش کردن رادیکال آزاد خیلی مؤثر نیستند. بهترین آنها ترکیبات N-آلکوکسی پای پیریدین هاست. آنها قلیایی نداشته و دارای بالاترین بازده رادیکالهای آزاد هستند.

تقریبا ً در مورد همه پوشش ها شکلی از پایدارسازی در برابر نور الزامی استتا به قدر کافی در برابر اثرات مخرب نور خورشید محافظت گردند. پایدارسازی پلیمرهایی که به نور حساس هستند، شامل حذف فرایندهای فتوفیزیکی و فتوشیمیایی گوناگونی است که هنگام اکسایش نوری آنها رخ می دهند. بدیهی است که یک پایدارسازی کامل هرگز در مقیاس تجاری انجام نمی گیرد. در بسیاری از مواقع ممکن است که محصولات حاصل از تخریب ضداکسید کننده ها و پایدارکننده های نوری از پایداری نهایی یک ماده بکاهند. اولین تلاش ها در زمینه توسعه پایدارکننده ها در دهه 1920 آغاز شد. در دهه 1950 بطور منسجم در زمینه جاذب های نور فرابنفش فعالیت هایی انجام دادند، و به دنبال آن در دهه 1960 تلاش های زیادی در زمینه مواد واسطه انتقال دهنده و یا خاموش کننده های انرژی صورت گرفت. طی سالها 4 دسته از سیستم های پایدار کننده توسعه یافته اند. این دسته از پایدار کننده ها عمل پایدارسازی را بر مبنای یکی از سازوکارهای زیر انجام می دهند:

● غربال کردن (UV screening) یا صاف کردن پرتو فرابنفش

● جذب پرتو فرابنفش

● فرونشاندن حالت برانگیخته گونه های برانگیخته شده با پرتو فرابنفش

● از بین بردن رادیکال آزاد (Free radical scavenger) و یا متلاشی کردن هیدروپراکسید (Hydroperoxides decompose)

غربال کردن پرتو فرابنفش

درغربال کردن حفاظت از طریق رنگدانه ها و یا یک سامانه پوششی انعکاس دهنده صورت می گیرد. دوده سیاه رنگدانه ای است که اغلب در محصولات مورد استفاده در محیط برونگاهی بکار می رود و به دلیل جذب قوی این ماده در کل منطقه فرابنفش قادر است از پوشش در مقابل پرتو فرابنفش محافظت کند. دوده سیاه حتی در مقادیر کم (0/05 % wt) هم محافظت خوبی در مقابل واکنش های فتواکسیداسیون ایجاد می کند، که با افزایش این مقدار تا 5% ، محافظت بیشتر می شود. محصولات حاوی دوده سیاه معمولا سیاه رنگ می باشند و این باعث می شود که استفاده از آن برای محصولات متنوع محدود گردد. انواع دیگر رنگدانه ها که از لحاظ شیمیایی خنثی هستند و پرتو فرابنفش را حذف می کنند و ظاهر غیر فعالی دارند شامل گچ، تالک و الیاف کوتاه شیشه می باشند که فام های قهوه ای و خاکستری ایجاد می کنند. بعضی دیگر از رنگدانه ها، پلیمر را عملا ً نور فعال می کنند مثل سولفید کادمیوم در پلی اتیلن سبک. رنگدانه هایی از جمله اکسید تیتانیوم (در فرم غیر فعال فتوشیمیایی آن، روتایل)، اکسیدهای آهن (O₃,Fe₃O₂Fe₄)، اکسید کروم (O₂Cr₃)، اکسید سرب قرمز (O₃Pb₄) و اکسید روی (ZnO)، رنگدانه های آزویی، آنتراکینونی و ترکیبات تیوایندیگوئیدی نیز از جمله رنگدانه های آلی هستند که در این دسته قرار می گیرند. رنگدانه های متالیک مثل رنگدانه های آلومینیمی که در صنعت خودرویی به میزان زیادی استفاده می شود بازتابنده های قوی پرتو فرابنفش میباشند که می توانند عملکرد محافظتی خوبی از طریق غربال کردن داشته باشند. این دسته از پایدارکننده ها با توجه به ساختار غیر آلی که دارند با دسته وسیعی از پوشش ها سازگاری دارند.

جذب پرتو فرابنفش

در این روش از رنگدانه هایی که نسبت به نور مرئی شفاف هستند استفاده می شود. این رنگدانه ها ظاهر محصول را به خاطر نامرئی بودنشان تغییری نمی دهند و حتی می توان محصولات شفافی حاصل کرد. در واقع انتقال در ناحیه مرئی 100 درصد و در ناحیه فرابنفش صفر درصد می باشد.

شکل 3- تبدیل فرم فنولی به کینونی

پایدار کننده های نوری که در این دسته قرار می گیرند عمدتا ً شامل هیدروکسی بنزوفنون ها، هیدروکسی فنیل بنزوتری آزول ها، هیدروکسی فنیل تری آزین ها و مشتقات فنیل سالیسیلات می باشند در این نوع پایدار کننده ها انرژی حاصل از جذب نور فرابنفش، باعث تغییر ایزومرهای توتومری (تبدیل فرم فنولی به کینونی و برعکس) می شود شکل 3 و این امر منجر به از بین رفتن انرژی جذب شده می شود. این نوع پایدار کننده ها بیشتر در پلی الفین ها استفاده می شوند.