Aplikácia svetelných stabilizátorov v plastových výrobkoch

Stabilizátory svetla sú kľúčovými prísadami používanými vo vonkajšom a svetelnom prostredí pre plastové výrobky. Absorbovaním, tienením alebo zhášaním ultrafialovej energie inhibujú oxidačnú degradáciu, prerušenie molekulárnych reťazcov a zosieťovacie reakcie plastov spôsobené ultrafialovým žiarením, čím sa predchádza problémom, ako je zmena farby, krehkosť, praskanie a degradácia mechanických vlastností výrobkov. Väzby CC a väzby CH v plastových molekulárnych reťazcoch sa ľahko poškodzujú ultrafialovým svetlom (najmä v blízkosti ultrafialového svetla s vlnovou dĺžkou 290 – 400 nm). Napríklad PE fólie bez pridaných stabilizátorov svetla sa môžu stať krehkými po 6 mesiacoch vonkajšieho používania, zatiaľ čo po pridaní stabilizátorov svetla sa ich životnosť môže predĺžiť na 3 – 5 rokov. Sú kompatibilné s takmer všetkými kategóriami plastov, ako sú PE, PP, PVC, PET, PC atď. Podľa mechanizmu účinku ich možno rozdeliť do štyroch kategórií: UV absorbéry, zhášače, tienené činidlá a lapače voľných radikálov. V súčasnosti sa vyvíjajú smerom k vysokej účinnosti, nízkej migrácii a multifunkčnosti a stávajú sa základnou zárukou dlhodobého vonkajšieho používania plastových výrobkov.

1. Hlavný mechanizmus účinku svetelných stabilizátorov: presné blokovanie reťazca UV starnutia

UV starnutie plastov je synergický proces oxidačnej degradácie "photo. UV žiarenie najprv spúšťa rozpad molekulárnych reťazcov, čím vznikajú voľné radikály, ktoré reagujú s kyslíkom a urýchľujú degradáciu. Svetelné stabilizátory zasahujú v rôznych fázach a vytvárajú kompletný systém ochrany reťazca:

1. UV absorbéry: absorbujú energiu a premieňajú ju

Ultrafialové absorbéry (UVA) dokážu selektívne absorbovať ultrafialové svetlo s vlnovou dĺžkou 290 – 400 nm, čím premieňajú svetelnú energiu na neškodnú tepelnú energiu na uvoľnenie, čím sa zabráni UV excitácii plastových molekulárnych reťazcov.

Reprezentatívne produkty: benzotriazol (UV-327, UV-326), benzofenón (UV-531);

Dráha účinku: Chromogénne skupiny v molekulárnej štruktúre (ako sú triazolové kruhy a karbonyly) zachytávajú ultrafialovú energiu a premieňajú ju na tepelnú energiu prostredníctvom intramolekulárnych vibrácií, čím si udržiavajú stabilnú štruktúru a umožňujú im cyklické fungovanie;

Adaptačný scenár: Priehľadné plastové výrobky (ako napríklad PET fľaše na nápoje, PC tienidlá na lampy), ktoré neovplyvňujú priehľadnosť výrobku.

2. Zhášadlo: Prenos energie excitovaného stavu

Zhášacie činidlá (ako napríklad komplexy niklu) pôsobia hlavne na plastové molekuly (molekuly v excitovanom stave), ktoré boli excitované ultrafialovým svetlom, pričom ich prenosom energie obnovujú do základného stavu a zabraňujú prerušeniu molekulárneho reťazca:

Reprezentatívne produkty: dibutylditiokarbamát niklu, komplex niklu UV-1084;

Akčná dráha: Zrážka s molekulami plastu v excitovanom stave, zachytenie ich energie excitovaného stavu a jej uvoľnenie vo forme vibračnej energie, čím sa vytvorí stabilná komplexná štruktúra;

Adaptačný scenár: Tmavo sfarbené plastové výrobky (ako napríklad čierne nárazníky z polypropylénu) majú silnú odolnosť voči poveternostným vplyvom, ale slabú priehľadnosť a nie sú vhodné na výrobu priehľadných výrobkov.

3. Ochranný prostriedok: fyzicky blokuje ultrafialové lúče

Tienidlá zabraňujú prenikaniu ultrafialových lúčov do vnútra plastov ich odrážaním alebo rozptyľovaním, čím vytvárajú fyzickú ochrannú bariéru:

Reprezentatívne produkty: Sadza, oxid titaničitý, nanočastice oxidu zinočnatého;

Dráha účinku: Uhlíková čerň dosahuje tienenie absorpciou ultrafialového svetla, zatiaľ čo oxid titaničitý a oxid zinočnatý uplatňujú svoje účinky rozptylom ultrafialového svetla. Nanočastice môžu znížiť vplyv na mechanické vlastnosti produktu;

Adaptačný scenár: Nepriehľadné plastové výrobky (ako napríklad PE vodovodné rúry, PVC rúry), nízke náklady, ale môžu zmeniť farbu výrobku.

4. Lapač voľných radikálov: ukončuje degradačnú reťazovú reakciu

Lapače voľných radikálov (ako napríklad bránené amínové svetelné stabilizátory HALS) sa zameriavajú na reťazovú reakciu voľných radikálov indukovanú ultrafialovým žiarením, zachytávajú a ukončujú voľné radikály a blokujú degradačný cyklus:

Reprezentatívne produkty: HALS 770, HALS 944;

Dráha účinku: Spája sa s voľnými radikálmi vznikajúcimi pri degradácii plastov a vytvára stabilné voľné dusíkové kyslíkové radikály, pričom sa regeneruje, aby sa neustále zachytávali a mali antioxidačnú funkciu;

Adaptačné scenáre: Rôzne plastové výrobky, najmä tie, ktoré sú vhodné na dlhodobé vonkajšie použitie (ako sú poľnohospodárske fólie, vonkajšie stavebné materiály), s vysokou ochrannou účinnosťou.

2. Bežné typy stabilizátorov svetla a kompatibilné plasty: presné zladenie charakteristík a scenárov

Rôzne stabilizátory svetla sa výrazne líšia v priehľadnosti, tepelnej odolnosti, kompatibilite a toxicite. Výber by mal byť založený na type plastu a scenári použitia (ako sú požiadavky na priehľadnosť, kontakt s potravinami, vonkajšie použitie). Nasledujú štyri hlavné kategórie:

1. UV absorbéry (UVA): preferované pre transparentné produkty, nízka toxicita a univerzálne použitie

UV absorbéry sú najpoužívanejším typom svetelného stabilizátora s nízkou toxicitou (väčšinou spĺňajú normy pre kontakt s potravinami), dobrou kompatibilitou a žiadnym vplyvom na priehľadnosť produktu. Pridávané množstvo je zvyčajne 0,1 % – 0,5 %:

Trieda benzotriazolu: vynikajúca tepelná odolnosť (teplota spracovania ≤ 280 ℃), vysoká účinnosť absorpcie UV žiarenia, vhodné pre PE, PP, PET, PC;

Typické použitie: PET fľaše na nápoje, kryty notebookov, priehľadné PP škatule na jedlo, môže zabrániť žltnutiu a zmene farby výrobkov.

Benzofenóny: Nízka cena, mierna odolnosť voči poveternostným vplyvom, vhodné pre PVC, PE, ABS;

Typické použitie: PVC fólia, ABS kryt domácich spotrebičov, nevýhodou je, že je náchylný na odparovanie pri vysokých teplotách a je potrebné kontrolovať teplotu spracovania.

2. Stabilizátor svetla na báze bránených amínov (HALS): dlhotrvajúca ochrana, multifunkčná integrácia

HALS je v súčasnosti najúčinnejším stabilizátorom svetla na ochranu, ktorý zabezpečuje svetelnú stabilitu aj antioxidačné funkcie. Má silný dlhodobý výkon (doba ochrany vo vonkajšom prostredí môže dosiahnuť 5 – 10 rokov) a pridávané množstvo je zvyčajne 0,2 % – 1,0 %:

HALS s nízkou molekulovou hmotnosťou (ako napríklad 770): dobrá kompatibilita, rýchly nástup účinku, vhodné pre PE a PP;

Typické použitie: PE poľnohospodárska fólia, PP tkané vrecia, nevýhodou je vysoká miera migrácie a ochranný účinok sa po dlhodobom používaní zhoršuje.

HALS s vysokou molekulovou hmotnosťou (ako napríklad 944): nízka mobilita, vynikajúci dlhodobý výkon, vhodný pre PET, PC, PA;

Typické aplikácie: PET rúry, vonkajšie tienidlá z PC, automobilové diely z PA, môžu spĺňať dlhodobé potreby ochrany špičkových produktov.

3. Kaliace činidlo: špecializované na tmavé výrobky so silnou odolnosťou voči poveternostným vplyvom

Kaliace činidlá sa používajú hlavne pre tmavé plastové výrobky s vysokou ochrannou účinnosťou, ale slabou priehľadnosťou. Pridávané množstvo je zvyčajne 0,1 % až 0,3 %:

Reprezentatívne produkty: Niklové komplexy, vhodné pre PP, PE, PVC;

Typické použitie: Čierny PP nárazník auta, tmavé PE vodovodné potrubie. Nevýhodou je, že niektoré niklové komplexy sú toxické a ich použitie v oblasti kontaktu s potravinami je obmedzené.

4. Ochranný prostriedok: nízkonákladová ochrana, vhodná pre nepriehľadné výrobky

Ochranné činidlá majú nízku cenu a priamy ochranný účinok, s typickým pridaným množstvom 1 % – 5 %. Môžu však zmeniť farbu produktu a ovplyvniť jeho mechanické vlastnosti.

Uhlíková čerň: má silnú schopnosť absorpcie UV žiarenia a má tiež antioxidačnú funkciu, vhodná pre PE a PP;

Typické použitie: Čierne PE poľnohospodárske kvapkové zavlažovacie potrubie, PP vonkajší odpadkový kôš, bez zjavného starnutia po viac ako 3 rokoch vonkajšieho používania.

Nanooxidy (TiO₂, ZnO): rozptyľujú ultrafialové svetlo, možno ich použiť na svetlé výrobky, vhodné pre PVC a ABS;

Typické aplikácie: Svetlé PVC dverové a okenné profily, ABS vonkajšie fitness vybavenie, potreba kontroly rozptylu častíc, aby sa predišlo ovplyvneniu pevnosti výrobku.

3. Prax aplikácie svetelných stabilizátorov v kľúčových plastových výrobkoch: Návrh receptúry založený na scenároch

Požiadavky na prostredie použitia a výkon rôznych plastových výrobkov sa značne líšia. Zloženie svetelných stabilizátorov je potrebné prispôsobiť na základe typu plastu - intenzity svetla - životnosti - požiadaviek na vzhľad. Nasledujú typické prípady:

1. Polyolefínové výrobky (PE, PP): Ochrana jadra pre vonkajšie výrobky

PE a PP sú hlavné materiály pre vonkajšie plastové výrobky, ktoré sú náchylné na starnutie v dôsledku UV žiarenia. Bežne používaný systém zmesi "UVA+HALS" zvyšuje ochranný účinok.

PE poľnohospodárska fólia:

Vzorec: UV-327 (0,2 %) + HALS 770 (0,3 %) + antioxidant 1010 (0,15 %);

Účinok: Po 12 mesiacoch vonkajšieho používania je miera zadržania priepustnosti svetla vyššia ako 85 % a miera zadržania pevnosti v ťahu je vyššia ako 70 %, čím sa zabráni predčasnému praskaniu a zabezpečia sa rastové potreby plodín.

PP nárazník do auta:

Vzorec: HALS 944 (0,5 %) + UV-531 (0,2 %) + antioxidant 168 (0,2 %);

Účinok: Vonkajšie použitie po dobu 3 rokov bez zmeny farby alebo praskania, s mierou zachovania rázovej húževnatosti vyššou ako 80 %, spĺňa požiadavky na odolnosť automobilových komponentov voči poveternostným vplyvom.

2. Výrobky z technických plastov (PET, PC): Vyváženie transparentnosti a dlhodobej efektívnosti

Technické plasty ako PET a PC sa bežne používajú v priehľadných výrobkoch, ktoré vyžadujú vysokú priehľadnosť a tepelnú odolnosť svetelných stabilizátorov.

PET fľaša na nápoje:

Vzorec: UV-326 (0,15 %) + antioxidant 1010 (0,2 %);

Účinok: Zabraňuje kazeniu nápoja v dôsledku ultrafialového žiarenia a zároveň zabraňuje žltnutiu tela fľaše. Po 6 mesiacoch skladovania by mala byť priepustnosť svetla vyššia ako 90 %.

Vonkajšie tienidlo z PC:

Vzorec: UV-327 (0,3 %) + HALS 944 (0,4 %);

Účinok: Odolné voči vonkajšiemu ultrafialovému žiareniu po dobu 5 rokov, s mierou priepustnosti viac ako 80 %, bez praskania alebo zmeny farby, čo zaisťuje účinnosť osvetlenia.

3. Plasty prichádzajúce do kontaktu s potravinami: nízka migrácia a nízka toxicita ako jadro

Plasty prichádzajúce do kontaktu s potravinami (ako napríklad obedárové boxy z PP a potravinová fólia z PE) majú prísne požiadavky na toxicitu a migráciu svetelných stabilizátorov a mali by sa vyberať výrobky, ktoré spĺňajú normy GB 4806.6 a EÚ č. 10/2011.

PP mikrovlnná nádoba na jedlo:

Vzorec: UV-327 (0,1 %) + antioxidant 1010 (0,1 %);

Účinok: Odolné voči ultrafialovému žiareniu s migračnou rýchlosťou menšou ako 0,01 mg/kg, spĺňa normy bezpečnosti potravín a počas ohrevu v mikrovlnnej rúre sa neuvoľňujú žiadne škodlivé látky.

PE fólia na konzervovanie potravín:

Vzorec: UV-531 (0,08 %) + antioxidant 1076 (0,08 %);

Účinok: Skladujte pri izbovej teplote 3 mesiace bez starnutia alebo krehkosti, bez rizika migrácie pri kontakte s potravinami, čím sa zabezpečí čerstvosť potravín.

4. Stavebné materiály a plastové výrobky: Dlhotrvajúce a odolné, vhodné do extrémnych podmienok

Stavebné materiály z plastov (ako sú PVC dvere a okná, PE vodovodné potrubia) musia dlhodobo odolávať extrémnym vonkajším teplotám, vlhkosti a ultrafialovému žiareniu. Receptúra ​​svetelných stabilizátorov sa zameriava na dlhodobú trvanlivosť a odolnosť voči poveternostným vplyvom:

PVC profily dverí a okien:

Vzorec: Sadza (2 %) + UV-531 (0,3 %) + tepelný stabilizátor z kompozitného vápnika a zinku (2 %);

Účinok: Po 10 rokoch vonkajšieho používania nedochádza k výraznému starnutiu a miera zachovania pevnosti v ťahu je vyššia ako 65 %, čo spĺňa niektoré požiadavky na 50-ročnú životnosť stavebných materiálov.

PE vodovodné potrubie (zakopané + vonkajšia časť):

Vzorec: HALS 944 (0,6 %) + sadza (3 %) + antioxidant 1010 (0,2 %);

Účinok: Vonkajšia časť je odolná voči ultrafialovému žiareniu, zakopaná časť je odolná voči mikrobiálnej korózii a celková životnosť je až 50 rokov.

4. Trend vývoja svetelných stabilizátorov: vysoká účinnosť, ochrana životného prostredia a multifunkčnosť

S rozvojom plastových aplikácií smerom k high-end (ako sú vozidlá s novou energiou, high-end stavebné materiály) a ochrane životného prostredia (biodegradovateľné plasty) musia svetelné stabilizátory prekonať tradičné obmedzenia a v budúcnosti predstaviť tri hlavné trendy:

1. Efektívny typ s nízkou migráciou: vhodný pre náročné scenáre

Tradičné svetelné stabilizátory sú náchylné na migráciu pri vysokých teplotách alebo dlhodobom používaní, čo vedie k zníženiu ochrannej účinnosti. V budúcnosti sa zameriame na vývoj vysokomolekulárnych a reaktívnych svetelných stabilizátorov:

Vysokomolekulárna HALS (molekulová hmotnosť 2000) znižuje migráciu prostredníctvom previazania molekulárnych reťazcov a množstvo migrácie v automobilových dieloch z PP je o 80 % nižšie ako u bežných HALS;

Reaktívne stabilizátory svetla (ako napríklad UVA obsahujúce akrylátové skupiny) môžu podliehať chemickým reakciám s molekulárnymi reťazcami plastov, čím zásadne riešia migračné problémy a prispôsobujú sa scenárom balenia potravín a farmaceutických výrobkov.

2. Biostabilizátory svetla: v súlade so zelenými politikami

Biologický stabilizátor svetla vyrobený z rastlinných extraktov, ako je extrakt z rozmarínu a deriváty čajových polyfenolov, s extrémne nízkou toxicitou a biologickou odbúrateľnosťou, v súlade s politikou "dual carbonddhhh:

Stabilizátor svetla z extraktu z rozmarínu sa používa na výrobu PE poľnohospodárskej fólie s ochranným účinkom ekvivalentným UV-327 a po likvidácii sa môže biologicky rozložiť bez zanechania zvyškov v životnom prostredí;

Stabilizátory svetla na báze derivátov čajových polyfenolov sú vhodné na balenie potravín z polypropylénu a zároveň majú antibakteriálne funkcie, čím sa rozširuje ich aplikačná hodnota.

3. Multifunkčná integrácia: zjednodušenie receptúr a zníženie nákladov

Tradičný ochranný systém vyžaduje kombináciu svetelného stabilizátora + antioxidantu + tepelného stabilizátora a v budúcnosti budú vyvinuté multifunkčné integrované prísady:

HALS obsahujúce antioxidačné skupiny môžu súčasne dosiahnuť fotostabilitu aj antioxidačné funkcie. V PE vonkajších produktoch sa celkové množstvo pridaných prísad znižuje z 1,0 % na 0,6 %;

Pre vonkajšie fitness vybavenie z ABS sa používa svetlom stabilizovaná antibakteriálna kompozitná prísada, ktorá nielen odoláva starnutiu v dôsledku UV žiarenia, ale tiež inhibuje rast baktérií, čím zvyšuje pridanú hodnotu produktu.

5. Súhrn: Stabilizátory svetla - kód dlhovekosti "h pre vonkajšie plastové aplikácie

Od denných PE potravinových fólií a PP krabíc na jedlo, cez priemyselné PET rúry a elektronické súčiastky z PC, až po vonkajšie PVC dvere a okná, PE poľnohospodárske fólie, svetelné stabilizátory presne blokujú reťazec UV starnutia a zabezpečujú stabilný výkon a životnosť plastových výrobkov v svetelnom prostredí. Nie je to len prísada proti starnutiu, ale má aj priamy vplyv na ekonomiku (predlžuje životnosť a znižuje náklady na výmenu), ochranu životného prostredia (znižuje plastový odpad) a bezpečnosť (zabráni škodlivým látkam z degradácie starnutím) plastových výrobkov. V budúcnosti, s prelommi vo výskume a vývoji vysokoúčinných, nízko migračných, bio a multifunkčných svetelných stabilizátorov, ďalej podporí rozvoj plastikárskeho priemyslu smerom k dlhodobému a ekologickému, prispôsobí sa náročnejším aplikačným scenárom a poskytne solídnu podporu pre vonkajšie rozširovanie plastových výrobkov.