- ۱۳۹۸ ۲۸ اردیبهشت
مقاومت تیتان در برابر اشعه UV و عوامل جوی
فیلمهای رنگ با رنگدانه در شرایط جوی دست خوش هوازدگی می شوند، تخریب اکسایشی به دلیل اثر پرتوی UV در حضور اکسیژن و آب به آهستگی رخ می دهد. فیلم رنگ ممکن است در معرض صدمات فیزیکی (سایشی، صدمات ناشی از نزولات جوی) قرار گیرد، کاهش چسبندگی (ورقه ای شدن، پوسته ای شدن) رخ دهد و یا به تدریج شکننده شود (ترک برداشتن، شکاف خوردن، طرح دار شدن).
با وجود این، با فرض اینکه مقدار زیادی از پوشش سطح به طور محسوس دست نخورده مانده باشد. براقیت سطح، به تدریج کاهش می یابد و تا حدی گچی شدن اتفاق می افتد و کاهش جرم حاصل از فرسایش قابل مشاهده و اندازه گیری است. ماتریس پلیمر تخریب می شود و رنگدانه «گچی» به هم نچسبیده که با یک سایش آهسته سطح رنگ قابل مشاهده است حاصل می شود. چسباننده آلی به مقدار گوناگونی تحت تأثیر تخریب اکسایشی نور شیمیایی قرار می گیرد و انرژی مورد نیاز برای شکست پیوندهای مولکولی به نوع پیوندهای موجود بستگی دارد. در کل سرعت شکست با افزایش جذب و کوتاه شدن طول موج (انرژی بالاتر) پرتو افزایش می یابد. بنابراین یک جاذب قوی فرابنفش (مانند آلکید پرروغن) بیش از یک رزین شفاف (مانند یک آکریلی) تخریب می شود.
تیتانوم دی اکسید جاذب بسیار قوی پرتو فرابنفش است و حضور آن به مقدار قابل ملاحظه چسباننده را از صدمات نور شیمیایی محافظت می کند. این پدیده را به سادگی می توان در یک چسباننده بی دوام حاوی مقدار متفاوت TiO2 نشان داد. برای مثال، در یک آلکید با افزایش مقدار TiO2 افت وزنی ناشی از قرار گرفتن در معرض عوامل جوی را کاهش می یابد.
اگرچه TiO2 سفیدترین و روشن ترین و با صرفه ترین پیگمنت موجود است، مهم ترین ایراد آن رفتار نورکاتالیزی و فعالیت نوری است هنگامی که اصلاح نشده باشد. یک فرضیه سودمند این است که فرض کنیم پرتو فرابنفش الکترونهای TiO2 را برانگیخته می کند و حفره های با بار مثبت ایجاد می شود که می توان آنها را جداگانه e- و h+ بنامیم. آنها آزادانه حرکت می کنند و یا مجددا ً بهم پیوسته و یا به سطح شبکه بلوری TiO2 مهاجرت می کنند. در اینجا حفره مثبت می تواند با گروههای هیدروکسیل سطح واکنش داده و رادیکالهای آزاد تولید کند، الکترونهای برانگیخته به طور مشابه با اکسیژن جذب شده واکنش می دهند و سپس مولکولهای آب، رادیکالهای هیدروکسیل را ایجاد می کنند:
بنابه ملاحظات نظری جذب باید در سطح رنگدانه اتفاق بیفتد تا انرژی لازم کاهش یافته و در دسترس بودن واکنشگر تضمین شود. واکنشها شامل اکسایش و کاهش چرخه ای یون تیتانیوم هستند و سازوکار مذکور بسیار ساده است. رادیکالهای آزاد وجود دارند با این همه مراحل قابل قبول شامل جذب هیدروژن از زنجیرهای پلیمر و سپس سازوکارهای خوداکسایشی می توانند به عنوان مدلهای عملی مورد استفاده قرار گیرند.
بنابراین در یک چسباننده با دوام مانند رزین آکریلی، افزایش جز TiO2 اکسایش نور کاتالیزی را افزایش می دهد. اندازه گیری عملی کاهش وزن ناشی از تأثیر عوامل جوی برای مقادیر گوناگون TiO2 این ادعا را تأیید کرد. تولیدکنندگان پیگمنت TiO2 به دو روش بر این مشکل غلبه کردند:
الف) بلورهای TiO2 با عنصری مانند روی، کلسیم یا آلومینیم ذوب شوند به طوری که این عناصر مانند یک مرکز برای اتحاد مجددا ً الکترونها و حفرات عمل کنند.
ب) کمترین فعالیت باقیمانده به وسیله کپسول شدن ذرات کاهش یابد، همچنین ارتباط مستقیم بین سطح فعال و مواد آلی تخریب پذیر از بین برود. پوشش باید در برابر اکسایش مقاوم بوده و متخلخل نباشد تا اینکه نفوذ خارجی گونه های اکسنده یا از بین رفته یا ترجیحا ً خنثی شود. از اکسیدهای آبدار آلومینیم و سیلیسیم معمولا ً استفاده می شود و پوشش متراکم و پیوسته بهترین دوام را دارد. پوششها اغلب مکانهای فعال و مناسبی برای ترکیب مجدد رادیکالها فراهم کرده و به عنوان یک گیرنده الکترون عمل می کنند.
بنابراین دو سازوکار تخریب همزمان را می توان مشاهده کرد که به طور متفاوت بر روی پوششهای بی حفاظ عمل می کنند.
الف) فروپاشی نورشیمیایی چسباننده با حفاظت جزئی به وسیله TiO2
ب) فروپاشی تسریع شده ناشی از TiO2
برای چسباننده های با دوام (مانند پلی استر سیلیکون دار شده، اورتانهای دو جزئی آلیفاتیک، یا لعابهای آکریلی گرماسخت) تأثیر نور فرابنفش طبیعی بر رزین کم اهمیت است و می توان فروپاشی نور شیمیایی را در نظر گرفت با وجود این اثر نور کاتالیزی وجود دارد.
به طور وضوح، بیشترین تأثیر تا اندازه ای باید در مجاورت ذرات پیگمنت و یا در نزدیکی سطح خارجی پوشش باشد. چسباننده اطراف پیگمنتاز هم پاشیده شده، چسبندگی کم می شود و ذرات TiO2 به صورت سفیدک زدگی جدا شده و حفره و گودالهای کوچکی ایجاد می شود. هنگام استفاده از مقادیر تجربی TiO2 به دلیل اینکه اجزای چسباننده، حتی در سطح نسبتا ً تحت تأثیر قرار نمیگیرند کاهش وزن نمی تواند زیاد باشد. با وجود این، ناهمواری سطح بیشتر و براقیت کمتر می شود، توجه داشته باشید که، کاهش جرم، سرعت گچی شدن، افت براقیت، کم و بیش و به طور مستقیم به هم ارتباط دارند و هرکدام از آنها را می تواند برای نشان دادن فعالیت نوری و همچنین پایداری عملکرد ذرات پیگمنت به کار برد.
در رزینهایی که دوام کمتری دارند، دیگر انواع فروپاشی فرایندهای مهم تری هستند و عملکرد فعالیت نوری پیگمنت TiO2، زیاد بحرانی نیست. مهم ترین خاصیت TiO2، توانایی پوشانندگی و سایه دار کردن آن است و این خاصیت به چگونگی پاشیده شدن آن در رنگ و در نتیجه فیلم خشک شده بستگی دارد. مثلا ً پگمنت ای که لخت شود، و یا اینکه به صورت توده های بزرگی از ذرات در آید، در فیلم پنجره بجا می گذارد. این پنجره ها باعث می شوند که چسباننده بیشتر در معرض عوامل خوبی قرار گرفته و نور فرابنفش به عمق بیشتری نفوذ کند. ما پی خواهیم برد که رزینهای بی دوام که پیگمنت در آنها به خوبی پاشیده شده باشد، در مقایسه با رزینهای ذاتا ً با دوام (فعالیت نوری کم) که در آنها پاشش کم و به دشواری صورت گرفته باشد کاهش وزن و سفیدک زدگی کمتری اتفاق می افتد. در واقع، پوشش متراکم و هموار که دوام را افزایش می دهد تا حدی فشردگی پیگمنت خشک را در زمان انبارداری افزایش داده و ممکن است پاشش پیگمنت را از انواع ناصاف تر خود مشکل کند.
برای حفاظت ساده بستر، سرعت کاهش وزن بر حسب فرسایش کامل یک مسئله بحرانی است. سفیدک زدگی مشکلات ناشی از رنگ و عملیات نگهداری (از هر نوع) را نشان می دهد. با وجود آنکه حفظ براقیت، از نظر زیبایی اهمیت دارد، معرف دوام پوشش نبوده و عامل بحرانی به حساب نمی آید. دربسیاری از موارد ارزیابی واقعی اثر هوازدگی با تعیین کمی افت وزنی و ارزیابی موضوعی نمای کلی قطعه شسته شده بر اساس رنگ، براقیت و طرح سطح همراه است. به دلیل نیاز به تسریع آزمونهای تماس (به منظور پیشگویی عملکرد طولانی مدت احتمالی می تواند سریع تر از نتایج طبیعی به دست آید). تفاسیر مناسبی بر مبنای روشهای گوناگون وجود دارد.
الف) سالها طول می کشد تا برای هر پیشرفت در فناوری، صرف نظر از آنکه پیشرفت کلی یا جزئی باشد، فواید قابل توجیه به دست بیاید. در بسیاری از موارد، به دلیل آنکه طی این سالها، پیشرفتهای جدیدتری حاصل شده است، موافقت با پیشرفت اول نامربوط به نظر می آید. شاید، پیش بینی در دسترس نبودن مواد اولیه که ممکن است به دلایل مختلف اتفاق بیفتد نیز اهمیت مشابهی داشته باشد. همه این عوامل به استفاده عادی و کسترده روشهای تسریع شده هوازدگی با استفاده از منابع فرابنفش و شرایط سخت منجر گردید
ب) فعالیت نوری TiO2 به طول موج پرتو فرابنفش بستگی ندارد، بنابراین تخریب نور کاتالیزی تحت تأثیر منبع پرتو قرار نمی گیرد. منابع با طول موجهای کوتاه تر، فروپاشی نور شیمیایی بیشتری پلیمر ایجاد می کنند. بنابراین سهم TiO2 در تخریب کل تا حدودی کاهش یافته و معمولا ً دستگاه اندازه گیری هوازدگی بین آنچه هوازدگی طبیعی انجام می دهد و آنچه انواع مختلف TiO2 انجام می دهند، تمایز کمتری قائل می شود.
ج) تماس با کل انرژی تابشی لازم برای شکست، نشان دهنده آن است که مواد در برابر بعضی از طول موجهای تابش حساس ترند.
د) واکنشهای شیمیایی نسبت به دما حساس هستند، در شرایط طبیعی تماس، دما با تغییر روز و فصل تغییر می کند، حداکثرهای مشاهده شده از ویژگی های موقعیت جغرافیایی آزمون اند. برای مقایسه سیستمهای مشابه می توان از مکانهای با شرایط معتدل استفاده کرد، اما در مورد ترکیبات بسیار متفاوت باید خیلی مراقب بود.
ه) فیلمهای رنگ تازه، معمولا ً یک لایه غیر معمول سطحی دارند. این لایه معمولا ً دارای رزین فراوان است، احتمالا ً به اجزای ناسازگار آلوده است و شاید در کوره های پخت آلوده شده باشند. بنابراین می توان از نتایج اولیه صرف نظر کرد.
ز) احتمال فراوانی وجود دارد که موادی که طی آزمونهای تسریع شده و یا تحت شرایط ساختگی بوده اند در عمل رضایت بخش باشند. مشکل آن است که محصولات مردود ممکن است در شرایط معمولی به اندازه بقیه خوب بوده و شاید خواص مطلوب بیشتری ارائه نمایند (از نظر قیمت، دسترس پذیری، خواص فرایندی، هماهنگی در کیفیت، بهینه شدن، خواص و غیره).
ممکن است بررسی آنکه واکنش تخریب غیر عادی در اثر حادثه به وجود آمده یا نه، مفید باشد. همچنین برای اندازه گیری آزمایشگاهی مستقیم فعالیت کاتالیزی پیگمنت ها، روشهایی در دسترس اند.
ح) نتایج حاصل از آزمونهای تسریع شده قرار گرفتن در شرایط طبیعی 5 درجه سانتی گراد، در مناطقی که زمان تابش خورشید طولانی است، معتبر به نظر می رسند.