Επίδραση υπεριώδους ακτινοβολίας UV σε πολυμερή υλικά οικοδομικών εφαρμογών

Abstract

Η ακτινοβολία UV αποτελεί τον σημαντικότερο περιοριστικό παράγοντα του χρόνου ζωής ενός πολυμερούς, ιδιαίτερα όταν αυτό εφαρμόζεται σε εκτεθειμένες στον ήλιο επιφάνειες (όπως συμβαίνει πχ. σε διαφανή πάνελ που χρησιμοποιούνται στην οικοδομική). Με την επίδραση της UV ακτινοβολίας, λαμβάνουν χώρα φυσικές και χημικές μεταβολές στην δομή του πολυμερούς, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των ιδιοτήτων του, όπως μηχανικών κλπ. Τα εμπορικά πλαστικά υλικά, πέραν των άλλων προσθέτων, συχνά περιέχουν και σταθεροποιητές έναντι της UV ακτινοβολίας. Ο προσδιορισμός του χρόνου ζωής ενός πλαστικού υλικού που εκτίθεται σε πραγματικές συνθήκες έχει ιδιαίτερη σημασία, ώστε να ικανοποιούνται τα απαιτούμενα λειτουργικά χαρακτηριστικά του στην πράξη. Από την άλλη μεριά, κυρίως για υλικά που η προοπτική εφαρμογής τους γίνεται με ορίζοντα δεκαετίας, προκειμένου να έχει κανείς έγκαιρα αντίστοιχες πληροφορίες, απαιτούνται κατάλληλοι έλεγχοι επιταχυνόμενης «γήρανσης», προσομοιάζοντας την μακρόχρονη επίδραση του περιβάλλοντος και ειδικότερα της ηλιακής ακτινοβολίας. Προκειμένου να εκτιμηθεί η επίδραση της ακτινοβολίας σε τέτοιες περιπτώσεις, έχουν προταθεί διάφορες προτυποποιημένες μέθοδοι, κατά τις οποίες μικρά δοκίμια από το υλικό δέχονται μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας για μικρά χρονικά διαστήματα. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στα διαφανή πολυμερή υλικά που εφαρμόζονται σαν δομικά στοιχεία πλήρωσης εξωτερικών χώρων. Ως τέτοια υλικά επιλέγοντας εμπορικά πλαστικά και συγκεκριμένα το πλέξιγκλας, το πολυκαρβονικό, ο πολυεστέρας και το corian. Δεδομένου ότι η ακριβής σύνθεση των εμπορικών πλαστικών προϊόντων σχετικά με τα πρόσθετα που περιέχουν (όπως UV σταθεροποιητή κλπ.) δεν είναι γνωστή, θα εξεταστεί και αντίστοιχο πολυμερές εργαστηριακής σύνθεσης στο οποίο θα προστεθεί UV σταθεροποιητή σε συγκεκριμένη συγκέντρωση. Για τον λόγο αυτό, θα πραγματοποιηθεί πολυμερισμός του μεθακρυλικού μεθυλίου με ταυτόχρονη χύτευση και ενσωμάτωση UV σταθεροποιητών γνωστής συστάσεως, σε μία συγκέντρωση. Για την προσομοίωση της έκθεσης των υλικών σε UV ακτινοβολία, τα εμπορικά καθώς και τα μορφοποιημένα εργαστηριακά δοκίμια, ακτινοβολήθηκαν σε ειδικό πρότυπο θάλαμο, ιδιοκατασκευή του Εργαστηρίου Επιστήμης Και Τεχνικής Των Υλικών. Τα υλικά ακτινοβολήθηκαν στην παραπάνω διάταξη με επαναλαμβανόμενη διαδικασία, όπου κάθε φορά ο χρόνος έκθεσης κυμαίνονταν από 2 έως τέσσερις ώρες και υπολογίστηκε αθροιστικά. Χαρακτηριστικοί σταθμοί μετρήσεων ήταν οι 18, οι 36 και οι 48 ώρες. Στις παραπάνω ώρες ακτινοβόλησης UV προσδιορίστηκαν για τα δοκίμια, οι χαρακτηρισμοί FTIR και χρωματόμετρου καθώς και οι μηχανικές ιδιότητές αντοχής σε κάμψη, διάτμηση και εφελκυσμό. Με βάση τους χαρακτηρισμούς FTIR διαμορφώθηκαν δείκτες I_(C-H)/I_(C=O) και η μεταβολή τους ερμηνεύτηκε με βάση τις αντιδράσεις αποικοδόμησης λόγω της ακτινοβόλησης UV του υλικού. Από τους χαρακτηρισμούς του χρωματόμετρου παρατηρείται γενικά σε όλα τα υλικά αύξηση της φωτεινότητας μετά από τις 48h ακτινοβόλησης UV καθώς και μεταβολή στο χρώμα των υλικών προς το κίτρινο. Οι μηχανικές ιδιότητες των δοκιμίων επηρεάζονται σημαντικά μετά από 48h UV ακτινοβόληση

Polymeric materials offer a lot of advantages in the construction field than conventional materials, as brightness, resistance in the erosion and facility of treatment. They can be strengthened with fibers and form complex materials that have improved properties and can be used as structural part but also as independent construction units. Approximately the 30% of total of polymeric materials that are produced each year are used in the building industry. These materials are usually transparent for utilitarian reasons eg. shelters, greenhouses etc. and even if they are considered to be stable, yet they suffer alterations when exposed to environment. The present work is focused in the transparent polymeric materials that are applied as structural elements of fulfillment of exterior spaces. In such applications these materials are influenced by meteorological and particularly by the UV radiation. As it is also described in the theoretical part, the UV radiation spectrum of the sun is the main environmental factor that affects the structure of polymeric materials and its thoroughly examined. The materials that will be studied in the present work are commercial plastic materials that are applied in construction as exterior elements of fulfillment with the form of panels. Plexiglas, polycarbonate, polyester with glass fibers as well as a complex acrylic material named Corian. Despite the fact that Corian is not transparent, it is examined for reasons of comparison. Since the precise composition of commercial plastic products with regard to the additives that they contain (as UV of stabilizer etc) is not known, a similar polymeric material synthesized in the laboratory with added UV stabilizer in known concentration. This material is produced by polymerization of methyl-methacrylate with simultaneous addition of UV stabilizer. The exposure of the commercial and the fabricated polymeric materials to solar UV radiation was simulated in a device, designed and assembled in the Materials Science and Engineering Laboratory of the National Technical University of Athens. The various materials were exposed to UV radiation and their properties were examined after 18, 36 and 48 hours of exposure. The analytical methods used were FTIR, colorimetry and measurement of mechanical properties such as resistance in bending, stretching and shearing. According to the FTIR spectrums the indicator I_(C-H)/I_(C=O) was calculated as a function of the exposure time to UV radiation. The indicator’s variations are considered to be a result of the degradation reactions. An increase of brightness after the 48h exposure is observed by colorimetry analysis as well as a change in the colour of materials towards yellow. The mechanical properties of the materials are noticeably influenced after 48h of exposure to UV radiation.