Применение светостабилизаторов в пластиковых изделиях

Светостабилизаторы являются ключевыми добавками, используемыми в наружных и световых средах для пластиковых изделий. Поглощая, экранируя или гася энергию ультрафиолета, они ингибируют окислительную деградацию, разрыв молекулярных цепей и реакции сшивания пластиков, вызванные ультрафиолетовым излучением, избегая таких проблем, как изменение цвета, хрупкость, растрескивание и ухудшение механических характеристик изделий. Связи СС и Ч в молекулярных цепях пластика легко повреждаются ультрафиолетовым светом (особенно ближним ультрафиолетовым светом с длиной волны 290-400 нм). Например, полиэтиленовые пленки без добавления светостабилизаторов могут стать хрупкими через 6 месяцев использования на открытом воздухе, в то время как срок службы может быть увеличен до 3-5 лет после добавления светостабилизаторов. Он совместим практически со всеми категориями пластиков, такими как ПЭ, ПП, ПВХ, ПЭТ, ПК и т. д. По механизму действия его можно разделить на четыре категории: поглотители УФ-излучения, гасители, экранирующие агенты и поглотители свободных радикалов. В настоящее время он развивается в направлении высокой эффективности, низкой миграции и многофункциональности, становясь основной гарантией того, что пластиковые изделия смогут долгосрочно использоваться на открытом воздухе.

1. Основной механизм действия светостабилизаторов: точная блокировка цепи УФ-старения.

Старение пластика под воздействием ультрафиолета — это синергетический процесс фотоокислительной деградации. УФ-излучение сначала запускает разрыв молекулярной цепи с образованием свободных радикалов, которые реагируют с кислородом, ускоряя деградацию. Светостабилизаторы вмешиваются на разных этапах, создавая полноценную систему защиты цепи:

1. Поглотители УФ-излучения: поглощают энергию и преобразуют ее

Поглотители ультрафиолетового излучения (УФА) могут избирательно поглощать ультрафиолетовый свет в диапазоне 290–400 нм, преобразуя энергию света в безвредную тепловую энергию для высвобождения, предотвращая УФ-возбуждение молекулярных цепей пластика.

Представительные продукты: Бензотриазол (УФ-327, УФ-326), Бензофенон (УФ-531);

Путь действия: Хромогенные группы в молекулярной структуре (такие как триазольные кольца и карбонилы) улавливают ультрафиолетовую энергию и преобразуют ее в тепловую энергию посредством внутримолекулярных колебаний, поддерживая свою стабильную структуру и позволяя им функционировать циклически;

Сценарий адаптации: Прозрачные пластиковые изделия (например, ПЭТ-бутылки для напитков, абажуры из ПК), не влияющие на прозрачность продукта.

2. Тушащий агент: перенос энергии возбужденного состояния

Гасящие агенты (такие как комплексы никеля) в основном действуют на пластиковые молекулы (молекулы в возбужденном состоянии), которые были возбуждены ультрафиолетовым светом, возвращая их в основное состояние посредством передачи энергии и предотвращая разрыв молекулярной цепи:

Представительная продукция: Дибутилдитиокарбамат никеля, комплекс никеля УФ-1084;

Путь действия: сталкивается с пластиковыми молекулами в возбужденном состоянии, захватывает их энергию возбужденного состояния и высвобождает ее в виде колебательной энергии, образуя при этом устойчивую сложную структуру;

Сценарий адаптации: Изделия из темного пластика (например, черные автомобильные бамперы из полипропилена) обладают высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям, но плохой прозрачностью и не подходят для прозрачных продуктов.

3. Защитный агент: физически блокирует ультрафиолетовые лучи.

Защитные агенты предотвращают проникновение ультрафиолетовых лучей внутрь пластика, отражая или рассеивая их, образуя физический защитный барьер:

Типичные продукты: технический углерод, диоксид титана, наночастицы оксида цинка;

Механизм действия: Технический углерод обеспечивает экранирование, поглощая ультрафиолетовое излучение, в то время как диоксид титана и оксид цинка оказывают своё действие, рассеивая ультрафиолетовое излучение. Наночастицы могут снизить воздействие на механические свойства продукта;

Сценарий адаптации: Непрозрачные пластиковые изделия (например, полиэтиленовые водопроводные трубы, трубы из ПВХ), низкая стоимость, но может изменить цвет продукта.

4. Акцептор свободных радикалов: останавливает цепную реакцию распада.

Поглотители свободных радикалов (такие как светостабилизаторы на основе затрудненных аминов ХАЛС) воздействуют на цепную реакцию свободных радикалов, вызванную ультрафиолетовым излучением, захватывая и уничтожая свободные радикалы и блокируя цикл деградации:

Представительные продукты: ХАЛС 770, ХАЛС 944;

Путь действия: Он соединяется со свободными радикалами, образующимися при деградации пластика, образуя стабильные свободные радикалы азота и кислорода, при этом самовосстанавливаясь для непрерывного захвата и выполнения антиоксидантной функции;

Сценарии адаптации: Различные пластиковые изделия, особенно те, которые подходят для длительного использования на открытом воздухе (например, сельскохозяйственные пленки, наружные строительные материалы), с высокой эффективностью защиты.

2. Основные типы стабилизаторов света и совместимые пластики: точное соответствие характеристик и сценариев

Различные светостабилизаторы существенно различаются по прозрачности, термостойкости, совместимости и токсичности. Выбор должен основываться на типе пластика и условиях применения (например, требования к прозрачности, контакт с пищевыми продуктами, использование на открытом воздухе). Ниже приведены четыре основные категории:

1. УФ-поглотители (УФА): предпочтительны для прозрачных продуктов, низкая токсичность и универсальность применения.

УФ-абсорберы — наиболее распространённый тип светостабилизаторов, обладающий низкой токсичностью (в основном соответствует стандартам для контакта с пищевыми продуктами), хорошей совместимостью и не влияющий на прозрачность продукта. Количество добавляемого компонента обычно составляет 0,1–0,5%.

Класс бензотриазолов: отличная термостойкость (температура обработки ≤ 280 ℃), высокая эффективность поглощения УФ-излучения, подходит для ПЭ, ПП, ПЭТ, ПК;

Типичные области применения: ПЭТ-бутылки для напитков, корпуса ПК и ноутбуков, прозрачные полипропиленовые коробки для еды, может предотвратить пожелтение и изменение цвета продуктов.

Бензофеноны: низкая стоимость, умеренная устойчивость к атмосферным воздействиям, подходят для ПВХ, ПЭ, АБС;

Типичные области применения: пленка ПВХ, корпуса бытовой техники из АБС-пластика, недостаток — склонность к испарению при высоких температурах, поэтому необходимо контролировать температуру обработки.

2. Стабилизатор света на основе затрудненных аминов (ХАЛС): длительная защита, многофункциональная интеграция

В настоящее время ХАЛС является наиболее эффективным светостабилизатором для защиты, обладающим как светостойкостью, так и антиоксидантными свойствами. Он обладает высокой долговременной эффективностью (срок действия защиты на открытом воздухе может достигать 5–10 лет), а его количество обычно составляет 0,2–1,0%.

Низкомолекулярные ХАЛС (например, 770): хорошая совместимость, быстрое начало действия, подходят для ПЭ и ПП;

Типичные области применения: сельскохозяйственная пленка из ПЭ, плетеные мешки из ПП. Недостатком является высокая скорость миграции и ухудшение защитного эффекта после длительного использования.

Высокомолекулярные ХАЛС (например, 944): низкая подвижность, исключительная долговременная эффективность, подходят для ПЭТ, ПК, ПА;

Типичные области применения: трубы из ПЭТ, абажуры из ПК для уличного освещения, автомобильные детали из ПА, могут удовлетворить потребности в долгосрочной защите высококачественной продукции.

3. Охлаждающий агент: специализированный для изделий темного цвета, с высокой атмосферостойкостью.

Гасящие добавки используются в основном для изделий из тёмного пластика, обладающих высокой защитной эффективностью, но низкой прозрачностью. Количество добавляемых добавок обычно составляет 0,1–0,3%.

Типичные продукты: Никелевые комплексы, подходящие для ПП, ПЭ, ПВХ;

Типичные области применения: бампер автомобиля из чёрного полипропилена, водопроводные трубы из тёмного полиэтилена. Недостатком является токсичность некоторых никелевых комплексов и ограниченное применение в контакте с пищевыми продуктами.

4. Защитный агент: недорогая защита, подходит для непрозрачных продуктов.

Защитные агенты имеют низкую стоимость и обеспечивают прямой защитный эффект (обычно добавляют 1–5%). Однако они могут изменить цвет изделия и повлиять на его механические свойства.

Технический углерод: обладает сильной способностью поглощать УФ-излучение, а также выполняет антиоксидантную функцию, подходит для ПЭ и ПП;

Типичные области применения: черная полиэтиленовая труба для капельного орошения в сельском хозяйстве, полипропиленовый уличный мусорный бак, не имеющий видимых следов старения после более чем 3 лет использования на открытом воздухе.

Нанооксиды (TiO ₂, ZnO): рассеивают ультрафиолетовый свет, могут использоваться для светлых изделий, подходят для ПВХ и АБС;

Типичные области применения: дверные и оконные профили из ПВХ светлых тонов, уличное фитнес-оборудование из АБС-пластика, необходимо контролировать дисперсию частиц, чтобы не допустить влияния на прочность изделия.

3. Практика применения светостабилизаторов в ключевых пластиковых изделиях: разработка формулы на основе сценария

Требования к условиям эксплуатации и эксплуатационным характеристикам различных пластиковых изделий значительно различаются. Состав светостабилизаторов необходимо подбирать индивидуально в зависимости от типа пластика, интенсивности освещения, срока службы и требований к внешнему виду. Ниже приведены типичные случаи:

1. Полиолефиновые изделия (ПЭ, ПП): основная защита для изделий, предназначенных для использования на открытом воздухе

ПЭ и ПП — основные материалы для наружных пластиковых изделий, подверженных старению под воздействием ультрафиолета. Широко используемая система соединений "UVA+HALSDDDHHH усиливает защитный эффект.

Сельскохозяйственная полиэтиленовая пленка:

Формула: УФ-327 (0,2%)+ХАЛС 770 (0,3%)+антиоксидант 1010 (0,15%);

Эффект: После 12 месяцев использования на открытом воздухе коэффициент сохранения светопропускания составляет более 85%, а коэффициент сохранения прочности на разрыв — более 70%, что позволяет избежать преждевременного растрескивания и обеспечивает потребности роста сельскохозяйственных культур.

Автомобильный бампер из полипропилена:

Формула: ХАЛС 944 (0,5%)+УФ-531 (0,2%)+антиоксидант 168 (0,2%);

Эффект: возможность использования на открытом воздухе в течение 3 лет без изменения цвета и растрескивания, сохранение степени ударной вязкости более 80%, что соответствует требованиям по стойкости к атмосферным воздействиям, предъявляемым к автомобильным компонентам.

2. Изделия из инженерных пластиков (ПЭТ, ПК): баланс между прозрачностью и долгосрочной эффективностью

Инженерные пластики, такие как ПЭТ и ПК, обычно используются в прозрачных изделиях, для которых требуется высокая прозрачность и термостойкость светостабилизаторов.

ПЭТ-бутылка для напитков:

Формула: УФ-326 (0,15%)+антиоксидант 1010 (0,2%);

Эффект: Предотвращает порчу напитка под воздействием ультрафиолета, а также пожелтение корпуса бутылки. Через 6 месяцев хранения светопропускание должно превышать 90%.

Уличный абажур из ПК:

Формула: УФ-327 (0,3%)+ХАЛС 944 (0,4%);

Эффект: Устойчив к воздействию ультрафиолетового излучения на открытом воздухе в течение 5 лет, сохраняет коэффициент пропускания более 80%, не трескается и не обесцвечивается, обеспечивая эффективность освещения.

3. Пластики, контактирующие с пищевыми продуктами: низкая миграция и низкая токсичность как основа

Пластиковые изделия, контактирующие с пищевыми продуктами (например, ланч-боксы из полипропилена и полиэтиленовая пленка), имеют строгие требования к токсичности и миграции светостабилизаторов, поэтому следует выбирать продукцию, соответствующую стандартам ГБ 4806.6 и Евросоюз Нет. 10/2011.

Контейнер для еды из полипропилена для микроволновой печи:

Формула: УФ-327 (0,1%)+антиоксидант 1010 (0,1%);

Эффект: Устойчив к ультрафиолетовому излучению со скоростью миграции менее 0,01 мг/кг, соответствует стандартам безопасности пищевых продуктов, не выделяет вредных веществ при нагревании в микроволновой печи.

ПЭ-пленка для консервирования пищевых продуктов:

Формула: УФ-531 (0,08%)+антиоксидант 1076 (0,08%);

Эффект: Хранить при комнатной температуре в течение 3 месяцев без старения или ломкости, без риска миграции при контакте с пищевыми продуктами, обеспечивая свежесть продуктов.

4. Строительные материалы и изделия из пластика: долговечны и прочны, подходят для экстремальных условий.

Пластиковые строительные материалы (например, двери и окна из ПВХ, полиэтиленовые водопроводные трубы) должны выдерживать экстремальные температуры, влажность и ультрафиолетовое излучение в течение длительного времени. Формула светостабилизаторов ориентирована на обеспечение долговечности и устойчивости к атмосферным воздействиям:

Дверные и оконные профили из ПВХ:

Формула: Технический углерод (2%) + УФ-531 (0,3%) + Термостабилизатор на основе кальциево-цинкового композита (2%);

Эффект: Не наблюдается существенного старения после 10 лет использования на открытом воздухе, а сохранение прочности на растяжение составляет более 65%, что соответствует некоторым требованиям к 50-летнему сроку службы строительных материалов.

Труба водопровода ПЭ (подземная + наружная часть):

Формула: ХАЛС 944 (0,6%)+технический углерод (3%)+антиоксидант 1010 (0,2%);

Эффект: Наружная часть устойчива к ультрафиолетовому излучению, подземная часть устойчива к микробной коррозии, а общий срок службы составляет до 50 лет.

4. Тенденции развития светостабилизаторов: высокая эффективность, экологичность и многофункциональность.

С развитием высокотехнологичных применений пластика (например, транспортных средств на новых источниках энергии, высокотехнологичных строительных материалов) и в целях защиты окружающей среды (биоразлагаемые пластики) светостабилизаторы должны преодолеть традиционные ограничения и представить три основные тенденции в будущем:

1. Эффективный и маломиграционный тип: подходит для сложных сценариев

Традиционные светостабилизаторы склонны к миграции при высоких температурах или длительном использовании, что приводит к снижению защитной эффективности. В будущем мы сосредоточимся на разработке высокомолекулярных и реактивных светостабилизаторов:

Высокомолекулярный ХАЛС (молекулярный вес 2000) снижает миграцию за счет запутывания молекулярных цепей, а объем миграции в автомобильных деталях из ПП на 80% ниже, чем у обычного ХАЛС;

Реактивные светостабилизаторы (например, содержащие УФА-группы акрилатные группы) могут вступать в химические реакции с молекулярными цепями пластика, кардинально решая проблемы миграции и адаптируясь к сценариям упаковки пищевых продуктов и фармацевтических препаратов.

2. Биостабилизаторы света: соответствуют принципам «зеленой» политики

Биостабилизатор света, изготовленный из растительных экстрактов, таких как экстракт розмарина и производные полифенолов чая, с чрезвычайно низкой токсичностью и биоразлагаемостью, соответствующий политике ддддхдвойственный углеродддддххх:

светостабилизатор на основе экстракта розмарина, используемый для полиэтиленовой сельскохозяйственной пленки, обладает защитным эффектом, эквивалентным УФ-327, и может биоразлагаться после утилизации без образования остатков в окружающей среде;

Светостабилизаторы на основе производных полифенолов чая подходят для упаковки пищевых продуктов из полипропилена, а также обладают антибактериальными функциями, что расширяет область их применения.

3. Многофункциональная интеграция: упрощение формул и снижение затрат

Традиционная защитная система требует комбинации светостабилизатора + антиоксиданта + термостабилизатора, а в будущем будут разработаны многофункциональные комплексные добавки:

ХАЛС, содержащие антиоксидантные группы, могут одновременно обеспечивать как фотостабильность, так и антиоксидантные функции. В полиэтиленовых изделиях для наружного применения общее количество добавляемых добавок снижается с 1,0% до 0,6%;

Для уличного фитнес-оборудования из АБС-пластика используется светостабилизированная антибактериальная композитная добавка, которая не только противостоит старению под воздействием ультрафиолета, но и подавляет рост бактерий, повышая добавленную стоимость продукта.

5. Резюме: Светостабилизаторы — код долговечности дддххх для наружного применения пластика

От полиэтиленовой пищевой пленки и полипропиленовых коробок для еды до промышленных труб из ПЭТ и электронных компонентов из ПК, дверей и окон из ПВХ для наружного применения, сельскохозяйственных пленок из ПЭ – светостабилизаторы точно блокируют цепь старения под воздействием УФ-излучения, обеспечивая стабильную работу и срок службы пластиковых изделий в условиях освещенности. Это не только антистареющая добавка, но и прямое влияние на экономичность (продление срока службы и снижение затрат на замену), защиту окружающей среды (сокращение пластиковых отходов) и безопасность (предотвращение образования вредных веществ в результате старения) пластиковых изделий. В будущем, благодаря прорывам в исследованиях и разработках высокоэффективных, низкомиграционных, биооснованных и многофункциональных светостабилизаторов, они будут и дальше способствовать развитию пластиковой промышленности в направлении долгосрочных и экологичных технологий, адаптации к более высокотехнологичным сценариям применения и обеспечат надежную поддержку для расширения использования пластиковых изделий на открытом воздухе.