Stabilizzanti UV: Come lavorano?

L’esposizione alla radiazione solare o alla luce artificiale può avere effetti nocivi sull’integrità  e la durata dei manufatti plastici. La radiazione UV è in grado di rompere i legami chimici presenti in un polimero. Questo processo, che è chiamato fotodegradazione, può causare fessurazioni, sfarinamento, modifica del colore, perdita di proprietà  fisiche come la resistenza all’impatto, la resistenza allo sforzo, l’allungamento, ecc.

Una soluzione efficace per prevenire la fotodegradazione dei polimeri l’utilizzo degli stabilizzanti UV. Perché sono chiamati stabilizzanti UV? Perché solo la radiazione UV dello spettro solare ha energia sufficiente da poter degradare un polimero. Secondo la prima legge della fotochimica, affinché una reazione fotochimica possa avvenire la luce deve essere assorbita dalla sostanza che la subirà.

Sulla Terra la radiazione UV varia in funzione della latitudine, altitudine e del periodo dell’anno, come mostrato dalla figura seguente:

Un manufatto plastico esposto all’esterno è soggetto, oltre alla radiazione UV, anche ad altri fattori ambientali come la temperatura, le precipitazioni, gli agenti inquinanti e contaminanti ecc.:

Le poliolefine assorbono la radiazione UV solamente a causa delle impurità  presenti nel polimero, prodotti di ossidazione formatisi durante il processo di produzione o additivi e pigmenti usati nella formulazione per la produzione del manufatto, per esempio.

Altri polimeri, come gli Engineering Plastics e le gomme, assorbono le radiazioni UV a causa della loro stessa struttura chimica (presenza di cromofori, gruppi funzionali sensibili, legami multipli, ecc.)

Per contrastare gli effetti dannosi sulle performance delle materie plastiche, è stato sviluppato un largo spettro di additivi che, nonostante i molteplici tipi di stabilizzanti, possono essere classificati in due categorie principali:

1. UVA (Ultraviolet Light Absorbers – Assorbitori di luce ultravioletta)
2. HALS (Hindered Amine Light Stabilizers – Ammine stericamente impedite)

Gli UVA rallentano il processo di degradazione preferenzialmente attraverso l’assorbimento delle radiazioni ultraviolette dissipandole poi in forma di energia termica.

Poiché l’assorbimento della luce è governato dalla legge di Lambert-Beer:

A=ε·c·l

Dove: A = assorbanza; ε = coefficiente di assorbimento molare; l = cammino geometrico

Per ottenere un assorbimento ottimale e quindi per ritardare efficacemente la fotodegradazione, è necessario avere una buona quantità  di assorbitore ed uno spessore di polimero adeguato. Da ciò si deduce che gli UV Adsorbers sono efficaci:

• nel proteggere i polimeri come tali;
• nel proteggere il contenuto quando usato in film per imballaggi o bottiglie;
• nel proteggere altri additivi più sensibili alle radiazioni UV (es. pigmenti o ritardanti di fiamma);
• in substrati intrinsecamente portati ad assorbire gli UV come il polistirene, alcuni poliesteri, ecc.

Tuttavia essi sono meno indicati nella protezione di superfici (crazing) e manufatti molto sottili (film, fibre).

Le HALS sono degli stabilizzanti molto efficaci per i polimeri, in particolare per le poliolefine. Non assorbono la radiazione UV ma agiscono per inibire la degradazione del polimero. Si ottengono buone prestazioni anche con concentrazioni relativamente basse di additivo. La loro longevità  e l’alta efficienza sono dovute al fatto che esse sono anche ciclicamente riciclate invece che solo consumate durante il processo di stabilizzazione come di seguito schematizzato:

Le HALS risultano pertanto:

• efficaci in applicazioni di grande superficie come film e fibre;
• i più efficaci ed efficienti additivi anti UV per poliolefine;
• sempre nelle poliolefine agiscono anche come stabilizzanti termici allungandone la “service life”.

In alcune applicazioni la combinazione di UVA e HALS crea una sinergia che può migliorare la prestazione anti UV di un manufatto plastico. Anche altri additivi hanno la loro importanza nella performance della combinazione UVA-HALS, in particolare il pacchetto di stabilizzazione del processo.

Sono stati sviluppati svariati UVA e HALS per far fronte alle necessità  di stabilizzazione sia per i polimeri sia per particolari applicazioni. Sono stati sviluppati anti UV ad alto peso molecolare per ridurre i rischi di volatilità  e migrazione degli additivi.

La scelta ottimale dell’additivo dipende quindi dal tipo di polimero da stabilizzare, dallo spessore del manufatto, dall’uso di mezzi coloranti o altri additivi ed anche dalla durata prevista per il manufatto nell’ambiente specifico d’utilizzo.

Fonte:

Light Stabilizers and UV adsorbers to prevent polymer degradation