Nghiên ứu sự biến đổi độ bền ủa vật liệu làm dây treo ủa dây an toàn hống ngã ao khi hịu tá động ủa điều kiện khí hậu việt nam

Dây treo là một bộ phận quan trọng của dây an toàn, nó chịu lực xung lớn khi hoạt động, dễ bị giảm độ bền trong điều kiện thời tiết, môi trường, nhất là trong điều kiện khí hậu khắc nghi

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

V Ậ T LIỆU POLYME COMPOSIT

TS LƯU VĂN CHÚC

Hà N i, 20 ộ 06

MỤC LỤC

23TMỤC LỤC 23T 2

23TDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 323T 23TMỞ ĐẦU 23T 4

23TChương 1 TỔNG QUAN 623T 23TI-1 Hiểu biết chung về dây an toàn23T 6

23TI.2 Vật liệu làm dây treo của dây an toàn23T 11

23TI.3 Sự lão hoá của vật liệu polyme23T 21

23TI.4 Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu2 3T 32

23TChương 2 PHẦN THỰC NGHIỆM23T 44

23TII.1 VẬT LIỆU 4423T 23TII.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU23T 46

23TChương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4823 T 23TIII.1 Vật liệu lựa chọn làm dây treo23T 48

23TIII.2 Thời tiết, khí hậu Việt Nam23T 50

23TIII.3 Thông tin về treo mẫu thử nghiệm: 5223T 23TIII.4 Ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu đến các loại vật liệu làm dây treo.23T 52

23TIII.5 Ảnh hưởng của một số yếu tố khác đến độ bền kéo của dây treo.23 T 66

23TIII.6 Ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu đến độ bền động của dây an toàn.23T 68

23TIII.7 Bàn luận chung.23T 80

23TIII.8 Chế thử một số dây an toàn23T 89

23TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 9523T 23TTÀI LIỆU THAM KHẢO23T 96

23TPHỤ LỤC 9923T

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN PA: polyamit (nylon)

PET: polyetylenterephtalat (polyeste)

PP: polypropylen

WB: Ngân hàng thế giới (World Bank)

GDP: Tổng thu nhập quốc dân

WTO: Tổ chức thương mại thế giới (World Trade Organization)

UV: Tia cực tím hay tia tử ngoại (Untraviolet)

SEM: Phương pháp xác định cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope)

ANOVA: phân tích sự khác biệt (Analysis of variance)

MỞ ĐẦU

Trong thời gian gần đây, với chủ trương đổi mới và mở cửa, nền kinh tế Việt Nam đã thực sự có những bước phát triển mạnh mẽ Theo báo cáo cập nhật tình hình phát triển kinh tế Việt Nam của WB đánh giá: tăng trưởng GDP của Việt Nam từ 1993 đến năm 1997 vào khoảng 9%; Từ 1997 đến năm 2004 vào khoảng 6,8%; Năm 2005 là 8,4% Theo con số chính thức GDP của năm 2005 của Việt Nam là 43,75 tỷ đô la Mỹ, còn nếu tính theo sức mua tương đương 232,2 tỷ đô la Mỹ (Nguồn: World Bank Vietnam) Cùng với tiến trình gia nhập WTO và nhiều tổ chức kinh tế quốc tế hứa hẹn những khả năng phát triển mới

Song hành với đà tăng trưởng kinh tế, các công trường xây dựng cơ sở hạ tầng, nhà cửa, cầu cống, đường dây đẫn điện, xây dựng nhà máy, khu công nghiệp mới … mọc lên ở khắp nơi trên cả nước Tuy nhiên, phía sau của tấm huy chương cũng đem đến những thách thức không nhỏ Vấn đề an toàn vệ sinh lao động và bảo vệ môi trường chính là một trong những thách thức lớn đặt ra cho việc "làm thế nào để phát triển bền vững" trong điều kiện hiện tại của Việt Nam Theo con số thống kê chưa đầy đủ của Ban bảo hộ lao động, Tổng liên đoàn lao động Việt Nam, trong thời gian từ 01/01/2001 đến 31/12/2004 tổng số tai nạn lao động chết người trên toàn quốc là 1820 vụ và 1973 người chết Trong đó, riêng tai nạn do ngã cao trong ngành xây dựng (có hồ sơ báo cáo tai nạn) là 225

vụ và 228 người chết Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà chuyên môn về an toàn thì con số chính xác ước tính là phải gấp 10 lần con số này

Qua các số liệu trên ta có thể thấy số tai nạn do ngã cao chiếm tỷ lệ rất cao, nếu tính chung nó chiếm đến 11,6 % số người chết, chỉ sau tai nạn giao thông Các tai nạn xảy ra phần lớn do làm việc bất cẩn, không được huấn luyện hoặc không tuân thủ quy trình làm việc an toàn, do không có phương tiện bảo vệ

cá nhân hoặc phương tiện bảo vệ cá nhân không bảo đảm chất lượng (17 người chết)

Để góp phần tăng cường bảo vệ an toàn cho người lao động khi làm việc trên cao, giảm thiểu tai nạn do ngã cao, trong nhiều năm qua Viện nghiên cứu KHKT bảo hộ lao động đã có nhiều công trình nghiên cứu, chế tạo và đưa ra các yêu cầu kỹ thuật cho các phương tiện bảo vệ cá nhân đặc biệt trong lĩnh vực này Loại phương tiện bảo vệ cá nhân quan trọng nhất trong việc chống ngã cao là dây an toàn Dây an toàn gồm có bốn bộ phận chính: dât treo, dây bụng, khoá móc, các bộ phận khác (như khoá bụng, vòng D, đệm lưng )

Khi sử dụng, người dùng thắt dây bụng của dây an toàn vào ngang bụng, sau đó móc đầu có móc của dây treo vào kết cấu hoặc chi tiết như thanh giằng, các thanh này phải đảm bảo độ vững chắc yêu cầu Trong trường hợp xảy ra sơ xuất khiến người lao động bị ngã, rơi thì bộ phận chịu xung lực lớn nhất là dây treo, móc, vòng D

Dây treo là một bộ phận quan trọng của dây an toàn, nó chịu lực xung lớn khi hoạt động, dễ bị giảm độ bền trong điều kiện thời tiết, môi trường, nhất là trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt của Việt Nam, do loại dây này thường được làm bằng dây dệt hoặc tết bằng sợi hoá học (Polyamit hoặc Polyeste, một số dây còn dùng sợi PP ) Vì vậy, việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của thời tiết nhằm xác định thời gian sử dụng an toàn cho dây an toàn, cũng như đưa ra các giải pháp sử dụng vật liệu hợp lý, nâng cao chất lượng, giảm giá thành dây an toàn là điều cần thiết để đảm bảo an toàn cho người sử dụng Đây cũng là vấn đề hiện chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố

Mục tiêu nghiên cứu:

• Xác định được mức độ ảnh hưởng của yếu tố thời tiết, khí hậu đến độ bền cơ lý của vật liệu làm dây treo

• Lựa chọn những loại vật liệu thích hợp để làm dây treo bảo đảm cho dây an toàn có chất lượng đạt tiêu chuẩn và thời gian sử dụng dài trong điều kiện khí hậu Việt Nam

16TChương 1 TỔNG QUAN

I-1 Hiểu biết chung về dây an toàn

Dây an toàn chống ngã cao là loại phương tiện bảo vệ cá nhân có công dụng đặc biệt được dùng nhiều trong các ngành, công việc: xây dựng nhà cửa, công trình, xây lắp điện nhằm bảo đảm an toàn cho người lao động khi làm việc trên cao

Có nhiều chủng loại dây an toàn chống ngã cao như: Dây an toàn chống ngã cao thông thường, dây an toàn toàn thân, dây an toàn khống chế vị trí làm việc

Hình I.1: Các bộ phận của dây an toàn

I.1.1 Kết cấu các loại dây an toàn

I.1.1.1 Dây an toàn thông thường

Về kết cấu các loại dây an toàn thông thường có những bộ phận chính như sau:

20TDây bụng: 20T có thể được làm bằng sợi tổng hợp dệt cỡ 45x3 hoặc dây da trâu, bò dài khoảng 1,2 m

Dây treo: có thể được làm bằng sợi tổng hợp dệt cỡ 45x3 hoặc bện tròn cỡ ф 12,

14, 16 Cũng có thể có loại làm bằng dây da trâu, bò dài khoảng 1,2 đến 2,5 m Đệm lưng: Tấm đệm mềm gắn vào dây bụng, khi đeo áp sát vào lưng nhằm dàn đều xung lực tác dụng vào lưng

Vòng D, khoá bụng, móc được làm bằng thép chế tạo chất lượng tốt

I.1.1.2 Dây an toàn có cơ cấu khống chế vị trí làm việc

Về cơ bản loại dây an toàn này cũng tương tự như dây an toàn thông thường, chỉ khác một chút là trên dây treo, nó có bộ phận khoá hãm Bộ phận này có khả năng điều chỉnh chiều dài dây treo, vì vậy nó có thể khống chế được chiều cao Chúng ta có thể thấy trong hình minh hoạ sau (hình 2): I

Hình I.2: Dây an toàn có cơ cấu khống chế vị trí làm việc

I.1.1.3 Dây an toàn có dây bổ trợ

Loại dây an toàn này thường có dây treo chính dài, thường được vòng qua các kết cấu, cột khi sử dụng Ngoài ra dây an toàn loại này có thêm dây móc phụ để chống lật

I.1.2 Vật liệu làm dây an toàn

I.1.2.1 Vật liệu làm dây treo, dây bụng và dây bổ trợ

Dây bụng, đệm l ng, dây treo, dây bổ trợ và chỉ may theo hướng dẫn của các ưtiêu chuẩn quốc tế (JIS T 8165:1987 EN 354:1992; EN 364:1992…; ) được làm bằng sợi tổng hợp Tuy nhiên, thực tế ở nước ta các bộ phận này được làm từ nhiều loại vật liệu như da; dây chão, dây dệt bằng sợi PP, PET mà chất lượng

là hầu như "không xác định"

I.1.2.2 Vật liệu làm móc treo, khóa, D

Các loại vòng khuyên D, vòng khuyên chữ nhật, khoá bụng, kẹp điều chỉnh chiều dài dây treo (khoá hãm) Móc treo và vòng nối được làm bằng thép Theo , tiêu chuẩn JIS T 8165:1987 về dây an toàn của Nhật Bản thì các loại vật liệu này phải tương đương tiêu chuẩn Nhật Bản G3101 (thép cán dùng trong chế tạo nói chung), hoặc vật liệu có tính chất cơ học cao hơn mức cao hơn

Hình I.3: Các loại khoá, móc.

I.1.3 Yêu cầu kỹ thuật

Yêu cầu kỹ thuật chung của các loại dây an toàn theo JIS T 8165:1987:

I.1.3.1 Độ bền chi tiết (thử tĩnh):

Bảng I.1: Độ bền chi tiết của dây an toàn:

Dây bụng và đệm l ng ư Không bị đứt trong trường hợp chịu lực kéo của

vật có trọng lượng 1500kg

Dây treo Không bị đứt trong trường hợp chịu sức kéo

căng của vật có trọng lượng 1830 kg vòng khuyên D, vòng

khuyên chữ nhật, móc treo

và vòng nối, khoá hãm

Không bị đứt trong trường hợp chịu sự kéo căng của vật có trọng lượng 1150 kg

Khoá bụng Không bị đứt hoặc bị biến dạng đến mức mất tác

dụng trong trường hợp chịu sự kéo căng của vật

có trọng lượng 800 kg trong trạng thái sử dụng bình thường và các trạng thái tương tự

I.1.3.2 Độ bền động:

Trong trường hợp tiến hành thử nghiệm rơi với vật thử có trọng lượng 75

kg, thả rơi tự do trong một khoảng cách tương đương với độ dài dây treo của dây an toàn), thì dây an toàn không bị đứt và khối lượng xung động tác dụng lên dây treo phải dưới 900 kgf (~8826 N)

Để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người lao động khi làm việc trên cao, tất

cả các dây an toàn đều phải đạt tất cả các yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn I.1.4 Thị trường dây an toàn và tình hình chất lượng

Thị trường các phương tiện bảo vệ cá nhân nói chung và dây an toàn nói riêng tại Việt Nam vẫn còn hoạt động tự phát, chưa có sự kiểm soát về chất lượng Tuy nhiên, hiện nay trong xu thế hội nhập quốc tế thị trường này dang có

nhiều chuyển biến tích cực Hiện tại, riêng trên thị trường phía bắc có khoảng 5 đến 6 loại dây an toàn đang lưu hành Trong số đó nổi bật là 2 nhãn hiệu trong nước: Hòa Bình và Thăng long; nhãn hiệu nước ngoài có: dây an toàn Hiru của Đài Loan; và ít phổ biến hơn là Protecta của Pháp Các loại dây an toàn trong nước thường chỉ được doanh nghiệp kiểm tra độ bền chi tiết, nhưng có đạt tiêu chuẩn hay không thì họ cũng chẳng biết Về nguyên liệu dùng để chế tạo các loại dây an toàn này cũng từ rất nhiều nguồn, nhiều chủng loại, chủ yếu là sử dụng dây PP dệt dạng dẹt cỡ 45x3 hoặc bé hơn Hầu hết các dây an toàn trong nước được kiểm tra tại Viện nghiên cứu KHKT bảo hộ lao động là không đạt tiêu chuẩn

Về thị trường nguyên vật liệu polyme làm dây an toàn: hiện có một số loại:

• Sợi polyamit: các loại sợi trên thị trường làm dây an toàn chủ yếu là nhập

từ Nga, thường là do các tàu biển bán cho người thu mua ở cảng Loại này

có đủ các cấp chất lượng Một nguồn từ Công ty TNHH CN PENRO (VIETNAM) do Malaysia đầu tư vào phía nam sản xuất Còn có một nguồn khác là nhập từ Đài Loan và Trung Quốc nhưng giá khá cao nên không có cơ sở nào dùng làm dây an toàn

• Sợi Polyeste: Có 2 loại chính hay dùng là dây polyeste dạng bóng và không bóng do Công ty TNHH CN PENRO (VIETNAM) và ột số công m

ở Thành phố Hồ Chí Minh sản xuất Các loại sợi này nhìn chung có chất lượng tốt, nhưng không được bán rộng rãi

• Sợi PP: Loại sợi này dược dùng phổ biến nhất để chế tạo dây an toàn trong nước Có nhiều dạng: tròn, dẹt; màu đen, trắnh, xanh, vàng … Đa số đều được sản xuất tại Công ty TNHH CN PENRO (VIETNAM) và một số công ty nhỏ tại Thành phố Hồ Chí Minh Chất lượng các loại dây này có nhiều loại được bán nhiều ở khu vực chợ Đồng Xuân, chợ Hà Đông

I.1.5 Phương pháp và thiết bị đánh giá

Như đã nêu trong mục 1.1.3 dây an toàn đạt yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn phải đáp ứng 2 tiêu chẩn chính là: độ bền chi tiết (còn gọi là độ bền tĩnh)

và độ bền động

• Phương pháp thử: theo tiêu chuẩn JIS T 8165:1987

• Thiết bị đánh giá độ bền chi tiết: Máy kéo đứt loại kéo được trên 50 kN

• Thiết bị đánh giá độ bền động: Hệ thống đánh giá độ bền động xây dựng theo yêu cầu của tiêu chuẩn JIS T 8165:1987 (Hệ thống đã được Viện nghiên cứu KHKT bảo hộ lao động xây dựng)

I.2 Vật liệu làm dây treo của dây an toàn

Các sợi polyme dùng để dệt các loại dây đều là loại polyme dạng tinh thể, chúng được tập hợp theo dạng sợi thẳng Các loại sợi thường có độ bền kéo cao, nhưng độ bền nén kém Chúng có khuynh hướng bền theo chiều dọc sợi, kém khi

bị kéo theo chiều ngang hoặc khi bị nén [2, 26, 27, 28, 30, 31 ]

Hình I.4: Một số loại dây chão dùng làm dây treo của dây an toàn

I.2.1 Dây tròn bện bằng sợi polyami [26, 27, 28, 30, 31 ]t

I.2.1.1 Polyami (Nylon) t

Cái tên Nylon được công ty Du Pont của Hoa Kỳ đặt cho sản phẩm polymer đầu tiên của họ được trùng ngưng từ axit 2 chức và amin 2 chức Các vật liệu này còn gọi là Polyamit

Nylon được điều chế theo phương pháp trùng ngưng (hoặc trùng hợp bước) Các loại Nylon khác nhau được phân biệt bởi hệ thống số dựa trên số nguyên tử các bon trong vật liệu ban đầu Chẳng hạn, nylon 6,6 được điều chế năm 1935 và vẫn là nylon thương mại chính, nó được tạo ra trên cơ sở phản ứng giữa hecxametylenediamine (có 6 nguyên tử C) với axit adipic (có 6 nguyên tử C)

vòng cho polymer Đây cũng là phương pháp điều chế nylon 6 từ caprolactam và nylon 12 từ dodecyl-lactam.

Hay nylon 12:

Nylon 12

CO NH (CH2)11N [-(CH2 )11CONH-] n

Các nylon khác nhau có tính chất tương tự như: độ bền cao, dai, mềm dẻo

và chống thấm tốt nhờ vào cấu trúc mạch thẳng nên sợi của chúng cực kỳ tốt

Đó cũng là nguyên nhân làm nylon 6,6 sớm thành công Sản phẩm sợi nylon 6,6 thương mại ra đời lần đầu tiên năm 1938, và 2 năm sau bít tất nylon trở nên phổ biến ở Hoa Kỳ Với sự nổi tiếng, chúng đã thành công to lớn và trở thành mốt thời thượng suốt chiến tranh thế giới thứ 2

Với Nylon 6,6:

• Khối lượng riêng: 1,13-1,15 g/cmP

3

P

• Modul kéo: 1600 3800 MPa

-• Độ giãn dài khi đứt: 15-300%

Nylon thể hiện khả năng chống dung môi hữu cơ rất tốt, kể cả xăng, dầu Tuy nhiên chúng bị tấn công bởi các axit khoáng nồng độ cao ở nhiệt độ phòng hoặc các chất kiềm ở nhiệt độ cao

Nylon 6,6 và 6 thường được dùng làm sợi dệt

I.2.1.2 Sợi polyami (Nylon)t

Theo định nghĩa của tổng hội thương mại Mỹ: Sợi polyamit (nylon) là loại sợi được sản xuất từ polyamit tổng hợp mạch thẳng có tổi thiểu 85% liên kết amit (-CO NH ) gắn trực tiếp với 2 nhóm béo

Thuật ngữ nylon quy cho họ các polyme là polyamit mạch thẳng Có 2 phương pháp phổ biến để sản xuất sợi nylon là từ nylon 6,6 hay từ nylon 6.Trong cả 2 trường hợp polyamit được ép phun nóng, se và kéo sau làm lạnh đó

để cho các đặc điểm mong muốn dành cho mỗi mục đích sử dụng Sản phẩm sợi nylon công nghiệp được sản xuất với dung dịch monome tan trong nước và quá trình liên tục qua các bước: trùng hợp, se, kéo hoặc kéo sợi dệt

Đặc điểm chính của sợi nylon:

• Chịu dầu và nhiều hoá chất

• Có thể nhuộm nghiều màu

• Có độ co dãn

• Độ thấm nước thấp so với sợi tự nhiên

• Các sợi nhỏ trơn, mềm, bền

• Nhẹ, giữ ấm tốt tốt

• Lĩnh vực ứng dụng chính của sợi nylon:

o Y phục: áo choàng, đồ lót, áo đi mưa, áo gió, hàng dệt kim, quần áo bơi

o Đồ gia dụng: thảm, khăn trải giường, màn gió

o Trong công nghiệp: vải mành lốp xe, băng tải, dây an toàn, dù, dây vợt, dây chão, màn túi ngủ, mái che, lều, chỉ, dây câu, chỉ nha khoa

• Lưu ý khi sử dụng:

o Không dùng sợi nylon ở nhiệt độ quá cao

I.2.1.3 Dây tròn bện bằng sợi polyamit

Nylon: là lựa chọn đầu tiên cho dây an toàn

Sợi tổng hợp này được lựa chọn cho dây an toàn vì các lý do:

• Mạch sợi chạy liên tục suốt chiều dài dây

• Chống mục rữa tốt

• Không hút nước nhiều như sợi tự nhiên

• Chảy hoặc cháy ở nhiệt độ cao

• Độ bền cao

• Có khả năng chống lực giật tốt hơn các loại sợi khác

Ưu điểm:

• Có các tính năng cao cấp và hiệu quả cao

• Mềm dẻo hơn polyeste

Hạn chế:

• Tiếp xúc với các gờ sắc có thể dẫn đến bị cứa rách

• Bị hư hỏng khi tiếp xúc lâu với ánh nắng mặt trời (tia tử ngoại)

• Có thẻ bị hư hại khi tiếp xúc với axit hoặc kiềm

• Bị giảm 15% độ bền khi ướt Tuy nhiên, nó sẽ hồi phục khi khô

Tính chất của Poly(ethylene terephthalate):

• Khối lượng riêng: 1,29-1,40 g/cmP

3

P

• Modul kéo: 2800 4100 MPa

-• Độ giãn dài khi đứt: 30-300%

• Polyeste có độ mềm dẻo cao, bền với độ ẩm, axit và dung môi

• PET không tan trong các chất lỏng hữu cơ thường và chỉ tạo ra dung dịch trong các dung môi như: phenol, diphenyl, naphtalin, nitrobenzen

- PET kỹ thuật có M trung bình 15000 30000, PET có nhiệt độ nóng chảy

PET bền hóa học, bền ôxy hóa Có điểm đáng chú ý là liên kết este của PET thường dễ thủy phân kiềm nhưng kiềm loãng thì không tác dụng, còn kiềm mạnh đặc biệt ở nhiệt độ cao thì chỉ thủy phân trên bề mặt

I.2.2.2 Sợi polyeste

PET gia công thành sợi theo phương pháp giống như đối với Polyhexametylen adipamit tức là kéo từ hỗn hợp nóng chảy, nhưng trước khi làm nóng chảy phải tách hết ẩm ra khỏi PLM để tránh thủy phân và làm giảm trọng lượng phân tử của polyeste

Theo tính co dãn thì sợi PET rất giống len và tơ axetat, do đó dùng sợi PET

để làm vải không nhàu Độ bền cọ xát của sợi polyeste cao hơn nhiều so với sợi viscô và polyacrylonitril cũng như bông và len, nhưng thua sợi PA đến 50% Khi

đun sôi trong nước thì sợi bị co, nhưng nếu đun lại lần thứ 2 thì kích thước sẽ không bị thay đổi nữa

Trong công nghiệp, sợi PET dùng làm vải, đặc biệt là vải dùng trong kỹ thuật Do có độ bền cao ở trạng thái ướt, ít hút nước và bền vi khuẩn nên sợi polyseste dùng làm lưới đánh cá, băng chuyền, quần áo đặc biệt, vải để trang hoàng, để may mặc

I.2.2.3 Dây tròn bện bằng sợi polyeste

Hiện tại các loại dây chão bện bằng sợi polyeste trên thế giới có rất nhiều, các loại này có thể bện theo kiểu 3 sợi, 8 sợi, hoặc 12 sợi Ngoài ra còn có loại dây polyeste tết

Polyeste là một loại sợi được dùng cho dây an toàn:

• Khả năng hấp thụ lực giật bằng một nửa nylon

• Dễ bị hư hại khi tiếp xúc với kiềm

Sợi kết hợp giữa nylon và polyeste:

• Chịu được các hóa chất thông thường

• Dễ buộc, thắt nút

Nhược điểm

• Đắt hơn polyeste nhiều lần

I.2.3 Dây làm bằng sợi polypropylen [26, 27, 28, 30, 31 ].

I.2.3.1 Polypropylen

Các polymer này có cấu trúc [-CHR 2 RCH(CHR3R)-]RnR là một vật liệu sản suất theo phương pháp của Natta, theo phương pháp của Ông về polymer hóa etylene Khi polypropylene được sản xuất lần đầu tiên, nó được thấy tồn tại ở 2 dạng Một tương tự như polyethylene nhưng cứng hơn và chắc hơn Dạng còn lại

là dạng vô định hình và độ bền kém Dạng thứ nhất là một isotactic, có cấu trúc hóa lập thể đều đặn ở mỗi nguyên tử các bon Dạng thứ 2 là atactic, có cấu trúc hóa lập thể thể hiện khác nhau ở mỗi nguyên tử các bon nhóm methyl phân bố một cách ngẫu nhiên Polypropylene thương mại thường chứa 90-95% isotactic rất giống với polyethylene

Đặc tính của PP:

• Tỷ trọng thấp (0,9 g.cmP

-3

P)

• Điểm chảy mềm cao hơn và có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Nó cũng

có thể chịu tác động của nước sôi rất tốt

• Không chịu được sự gãy mạch do môi trường

• Rất dễ bị oxy hóa Đó là do liên kết C-H bậc 3 bị phá vỡ tương đối dễ dàng Polypropylene isotactic rất mềm dẻo, nó có thể lấy lại hình dạng đầu sau khi bị uốn cong mà không bị hư hỏng

Do sự có mặt của cacbon bậc 3 trong mạch đại phân tử nên PP kém bền đối với quá trình oxy hóa của không khí và bức xạ ánh sáng, nhanh lão hóa làm giảm

cơ tính trong quá trình bảo quản, tăng độ giòn, giảm độ dẻo

Dưới tác dụng của ánh sáng khuếch tán PP không có chất ổn định không thay đổi tính chất trong hai năm nhưng dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời trực tiếp chỉ sau vài tháng PP đã trở thành giòn Để kéo dài thời gian làm việc phải cho vào các chất chống oxy hóa, chống lão hóa dưới tác dụng của ánh sáng (muội đèn, than đen) Nếu cho vào PP một lượng nhỏ than đen, nó có thể làm việc dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời trực tiếp mà tính chất cơ lý của nó không thay đổi đáng kể, theo giả thiết có thể làm việc được nhiều năm

I.2.3.2 Sợi polypropylen

Sản xuất sợi olefin (polypropylen và polyetylen) thương mại ở Mỹ sớm nhất là vào năm1958, tơ olefin sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau

Hiện tại ở Hoa Kỳ có các nhà sản xuất lớn như: American Fibers and Yarns Company; American Synthetic Fiber, LLC; Color-Fi; FiberVisions; Foss Manufacturing Co., LLC ; Drake Extrusion; Filament Fiber Technology, Inc.; TenCate Geosynthetics; Universal Fiber Systems LLC

Tổng hội thương mại Mỹ (Federal Trade Commission) định nghĩa sợi Olefin là: Sợi được sản xuất với thành phần chứa tối thiểu 85% theo trọng lượng

là etylene, propylen, hoặc các olefin khác, ngoại trừ các loại polyolefin vô định hình

Nguyên tắc cơ bản của việc sản xuất sợi Olefin:

Sợi olefin (polypropylen và polyetylen) là sản phẩm trùng hợp của propylen hoặc ethylen Để sử dụng được dưới dạng sợi, quá trình trùng hợp phải được thực hiện với các xúc tác đặc biệt trong điều kiện riêng để có thể cho sản phẩm ít mạch nhánh Sợi olefin chịu được hóa chất vá ẩm Sợi propylen thường được dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau do điểm nóng chảy của nó cao hơn Vì vậy nó phát triển nhanh hơn kể từ khi xuất hiện Loại sợi này khó nhuộm, vì vậy việc nhuộn màu được thực hiện bởi việc cho thuốc nhuộm trực tiếp vào polyme ban đầu hoặc trong quá trình đúc kéo sợi Các tính chất của sợi olefin có thể

thay đổi với các phụ gia khác nhau, các điều kiện sản xuất khác nhau với từng loại polyme

Tính chất của sợi Olefin

• Công nghiệp: Thảm, đồ dùng một lần, sợi bền không dệt; dây chằng …

I.2.3.3 Dây tròn bện bằng sợi polypropylen

Dây Polypropylen dùng làm dây treo dây an toàn

Ưu điểm:

• Nổi trong nước, chống lại sự phân hủy gây ra bởi nhiều hóa chất

Nhược điểm:

• Chịu cọ xát kém so với yêu cầu của dây an toàn

I.2.3.4 Dây dẹt dệt bằng sợi polypropylen

Sợi PP còn hay được dệt thành các loại dây dẹt với nhiều kích thước khác nhau Do ưu điểm giá thành rẻ nên các loại dây này được dùng rất rộng rãi để làm dây an toàn Kích thước các dây này chủ yếu là dạng có tiết diện 45x3; Tuy nhiên loại dây này là tồi nhất trong số các loại dây dùng làm dây treo dây an toàn

do độ bền và các tính năng cơ lý đều kém đảm bảo

I.3 Sự lão hoá của vật liệu polyme

I.3.1 Khái niệm chung

Thuật ngữ lão hoá polyme chưa được tác giả nào định nghĩa một cách đầy

đủ, khúc triết Về đại thể thuật ngữ này được nhiều tài liệu định nghĩa: Lão hoá polyme là một quá trình biến đổi hoá lý phức tạp của polyme khi chịu tác động của các yếu tố bên ngoài: ô xy, ánh sáng, nhiệt, ẩm Trong quá trình sử dụng và bảo quản, sản phẩm polyme bị lão hoá do tiếp xúc với thời tiết khí hậu Biểu hiện của quá trình này là nhiều tính chất cơ lý bị suy giảm, các đặc trưng ngoại quan biến đổi theo chiều hướng xấu: Xuất hiện các vết nứt, mất tính mềm dẻo, màu sắc biến đổi [8, 9, 12]

Nguyên nhân của quá trình lão hoá chính là xảy ra sự cắt mạch và nối mạch ngang của polyme

B

Sơ đồ A: Lão hoá do cắt mạch

Sơ đồ B: Lão hoá do nối ngang mạch

Nếu lão hoá do đứt mạch (A) thì sản phẩm bị biến mềm, tính năng cơ lý suy giảm Nếu lão hoá do khâu mạch (B), sản phẩm bị biến cứng, rạn nứt, giòn

và tính năng cơ lý cũng suy giảm

Cả 2 quá trình lão hoá trên đều dẫn tới một kết quả là sản phẩm bị hư hỏng, mất dần khả năng sử dụng

I.3.2 Phân loại lão hoá

Tuỳ thuộc vào tác nhân thúc đẩy quá trình lão hoá, lão hoá được phân thành các loại sau:

a) Lão hoá do các yếu tố vật lý:

• Lão hoá do nhiệt

• Lão hoá do ánh sáng (tia tử ngoại )

• Lão hoá do bức xạ Ion hoá

• Lão hoá do năng lượng cơ học

b) Lão hoá do các yếu tố hoá học

• Lão hoá do ô xy

• Lão hoá do nước

• Lão hoá do a xít, kiềm

c) Lão hoá do vi sinh vật

I.3.3 Cơ chế lão hoá

Qúa trình lão hõa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, vì vậy cơ chế lão hóa rất phức tạp Về bản chất, lão hóa xảy ra do phản ứng thủy phân và phản ứng dây chuyền thông qua sự tạo thành các gốc tự do [8, 9, 12]

I.3.3.1 Phản ứng thủy phân

Là phản ứng làm đứt liên kết hóa học của một polyme do kết hợp với phân

tử nước Xúc tác cho quá trình thủy phân là ion hydro hoặc hydroxit Sự thủy phân một số polyme được tăng nhanh khi có mặt xúc tác thiên nhiên là men, có tác dụng chọn lọc một số liên kết Bản chất của nhóm chức và liên kết có trong polyme quyết định khuynh hướng thủy phân Khi thủy phân, những nhóm chức thành phần hóa học của polyme bị thay đổi Thủy phân các liên kết có trong thành phần mạch cơ sở dẫn tới sự phân hủy và làm giảm trọng lượng phân tử polyme

Các polyme dị mạch dễ bị thủy phân, trong đó polyaxetat, polyeste,

polyamit dễ bị thủy phân hơn cả

• Phản ứng thủy phân những polyme có chứa liên kết amit

Phản ứng này được xúc tiến bởi xúc tác kiềm hoặc axit Khi thủy phân, những nhóm amit tạo thành nhóm amin và cacboxyl:

NH CO H+hay OH-

NH2 + COOH

• Phản ứng thủy phân polyeste

Khi có mặt của axit hoặc kiềm, trong đó kiềm là xúc tác hoạt động hơn, phản ứng thủy phân liên kết este có khả năng xảy ra Polyme bị đứt mạch sinh ra 2 nhóm chức tận cùng là alcol và axit

O(CH2)nO CO(CH2)mCO

O(CH2)nOH + HOOC(CH2)mCO

I.3.3.2 Phản ứng dây chuyền qua sự tạo thành gốc tự do.

• Phản ứng phân hủy ô xy hóa [8 ]

Phân hủy ô xy hóa polyme có liên hệ với quá trình cắt mạch hóa học, nhưng xảy ra ít chọn lọc hơn so với những dạng thủy phân hóa học khác Phân hủy ô xy hóa không chỉ xảy ra đối với những polyme dị mạch mà còn xảy ra đối với cả polyme mạch cac bon Ví dụ: ô xy hóa những hyđrocacbon parafin làm đứt liên kết giữa những nguyên tử các bon và tạo thành hợp chất có chứa ô xy (axit, aldehyt, alcol) có số nguyên tử cac bon nhỏ hơn

Trong phân hủy ô xy hóa, ô xy hóa bằng ô xy không khí trong quá trình sử dụng dưới ảnh hưởng của ánh sáng (UV), nhiệt có vị trí quan trọng nhất đối với quá trình lão hóa polyme

Phân hủy ô xy hóa polyme xảy ra theo cơ chế phản ứng dây chuyền gốc tự

do Nó gồm 4 giai đoạn:

 Khơi mào: Polyme, đặc biệt là các polyme có những nhóm dễ bị ô xy hóa hoặc liên kết yếu (có chứa nguyên tử cac bon bậc 3), chịu tác động của ánh sáng, nhiệt dễ bị đứt gãy tạo ra các gốc tự do hoặc tác

dụng với ô xy tạo ra peroxit, peroxit này bị phân hủy thành các gốc tự

(1-11)

RO* + RO* + O2+

Ô xy hóa polyme trong không khí gây ra sự đứt gãy mạch polyme, tạo nối đôi trong mạch và các nhóm chức chứa ô xy Các yếu tố nhiệt và ánh sáng (đặc biệt là tia cực tím) có tác dụng thúc đẩy quá trình ô xy hóa Quá trình này dẫn đến hậu quả là các sản phẩm polyme bị lão hóa rất nhanh

I.3.3.3 Phản ứng phân hủy dưới tác dụng của các yếu tố vật lý

ánh Phân hủy polyme dưới tác động của các yếu tố vật lý: năng lượngsáng, bức xạ ion hóa, năng lượng cơ học và nhiệt học xảy ra theo cơ chế dây chuyền qua sự tạo thành các gốc tự do

• Khơi mào: Dưới tác động của một dạng năng lượng nào đó, các liên kết trong polyme bị đứt (C-C; C H; C O …) tạo thành các gốc tự do Các gốc - -

tự do này khơi mào cho phản ứng chuyển mạch, cắt mạch, khâu mạch và ngắt mạch

Ví dụ:

o Polyme bị đứt mạch tạo thành gốc tự do:

CH2 CH CH2 CH

R R

R

CH3CH

CH CH2CH

R

CH2

CH R

R

CH2

R

CH CH2CH

Cơ chế phân hủy trên chỉ xảy ra trong điều kiện không có ô xy Tuy nhiên, trên thực tế khi gia công chất dẻo hoặc cao su, dưới tác động của năng lượng nhiệt, với sự có mặt của ô xy không khí, sự phân hủy xảy ra nhanh hơn, phức tạp hơn theo cả 2 cơ chế phân hủy ô xy hóa

I.3.4 Cơ chế lão hoá polypropylen, polyeste, polyamit

I.3.4.1 Cơ chế lão hoá polypropylen

Trong điều kiện sử dụng thực tế, sự lão hóa polypropylen (PP) chủ yếu do

ô xy hóa Cơ chế lão hóa tuân theo cơ chế chung của phân hủy ô xy hóa polyme

đã trình bày ở phần I.3.3 Tuy nhiên ở đây cũng cần nhấn mạnh một số điểm :

• Dưới tác động của một dạng năng lượng nào đó: cơ, nhiệt hoặc tia tử ngoại , các liên kết C-H hoặc C-C bị đứt gãy tạo thành các gốc tự do đại phân tử Ngoài ra, khi có mặt ô xy các nguyên tử hydro bậc 2 và bậc 3 trong cấu trúc của PP dễ bị ô xy tấn công và hình thành các gốc tự do

Các gốc tự do này tác dụng với ô xy tạo peroxit, sau đó hình thành hydroperoxit Việc hình thành đoạn mạch hydroperoxit là một điểm đặc trưng của quá trình ô xy hóa polypropylen Đây là hệ quả của việc tách nguyên tử hydro nội phân tử diễn ra qua một trạng thái chuyển tiếp vòng

6 thuận lợi về không gian Sự tồn tại của đoạn mạch hydroperoxit sẽ làm cho quá trình tách lưỡng phân tử hydroperoxit xảy ra dễ dàng hơn tách đơn phân tử

• Gốc RO* là sản phẩm trung gian quan trọng của quá trình ô xy hóa polypropylen, nó xuất hiện nhờ phân tách hydroperoxit và các phản ứng không hoàn tất của 2 gốc peroxit bậc 3

CH2 CH2

CH3

Các gốc tự do lớn (macroalkoxyradical) này bị phân hủy đơn phân tử tạo

ra nhóm metylxeton ở cuối mạch và một gốc alkyl tự do bậc 1

I.3.4.2 Cơ chế lão hoá polyamit mạch thẳng

• Ô xy hóa nhiệt: Ô xy hóa nhiệt có ý nghĩa lớn đối với sự lão hóa của polyamit, vì thế cơ chế của quá trình này đã được nhiều tác giả nghiên cứu

Cơ chế ô xy hóa nhiệt tuân theo cơ chế nêu trong I.3.3.2 Quá trình ô xy hóa này có một số đặc trưng:

o Dưới tác động của nhiệt và sự hiện diện của ô xy không khí, các gốc tự do xuất hiện Chúng tấn cộng vào nguyên tử hydro của nhóm metyl ở vị trí α đối với nguyên t nitơ gây ra sự chuyển ửmạch và đứt mạch

CH2C

O

(CH2)n NH

O

(CH2)n NH

O

O

CH C

o Giai đoạn tiếp theo ở nhiệt độ 140P

• Ngoài ô xy hóa nhiệt, polyamit cũng bị thủy phân ở nhóm amit, dẫn đến

sự gẫy mạch và tạo thành các amino bậc 1 và cacboxyl ở cuối mạch Tuy nhiên, trong điều kiện sử dụng, nhiệt độ không cao và polyamit ở thể rắn nên phản ứng thủy phân rất khó xảy ra

I.3.4.2 Cơ chế lão hoá polyetylenterephtalat (PET)

Polyetylenterephtalat là polyalkylenterephtalat quan trọng trong kỹ thật và thương mại Polyme này rất bền với ô xy hóa ở nhiệt độ trung bình Ở nhiệt độ gia công 270-300P

o

PC phản ứng phân hủy ô xy hóa nhiệt không xảy ra Tuy nhiên nếu có một chút nước, phản ứng thủy phân có thể xảy ra gây đứt mạch polyme

• Phân hủy thủy phân (xem sơ đồ)

Phản ứng thủy phân của PET có thể xảy ra ở nhiệt độ dưới 100P

o

PC Một sự thay đổi nhỏ về lượng nước cũng làm thay đổi đáng kể trọng lượng phân

tử polyme Hàm lượng nước tăng từ 0,01% lên 0,05% làm trọng lượng phân tử giảm từ 18.000 xuống 12.900 Phản ứng thủy phân PET diễn ra một cách ngẫu nhiên Nó được xúc tác tự động bởi có chứa các nhóm cacboxyl Hàm lượng nhóm cacboxyl có vai trò quan trọng đối với độ bền thủy phân của PET

CH2

CH2C

• Phân hủy ô xy hóa nhiệt

Phân hủy ô xy hóa nhiệt của PET nhìn chung xảy ra theo cơ chế đã được

mô tả trong mục I.3.3 Chỉ có một vài điểm nhấn mạnh là:

o Nhóm metyl nằm ở vị trí α đối với nguyên tử ô xy của đoạn dietylenglycol sẽ nhạy với ô xy hóa hơn là nhóm metyl khác Tuy nhiên, kết quả đều gây ra quá trình chuyển mạch, cắt mạch làm PET bị phân hủy (xem sơ đồ)

C

O C O O

Polyme bị tạo mạng ở nhiệt độ cao là kết quả của quá trình aryl hóa axit terephtalic bằng gốc phenyl tự do và sự gắn gốc tự do vào nhóm vinyl và polyme của nó

Phân hủy nhiệt của PET gây đứt mạch, làm giảm trọng lượng phân tử dẫn tới làm giảm tính năng cơ lý của polyme Đồng thời nó cũng gây ra biến đổi hóa học bằng việc tạo ra nhiều nhóm chức chứa ô xy trong mạch

I.4 Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu

I.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu đến vật liệu polyme

Trong môi trường làm việc, các loại sợi tổng hợp chịu tác động của các yếu tố như: các tác nhân oxy hoá; Ozon; nhiệt độ; độ ẩm; các loại dung môi hữu

cơ trong môi trường; tia tử ngoại Các tác nhân này có thể phá huỷ dần polyme

ở ứng suất thấp

Các dung môi hữu cơ có năng lượng bề mặt thấp là một tác nhân làm gãy, rạn tạo tiền đề hình thành các vết nứt Các dung môi hữu cơ xâm nhập làm trương polyme và hạ thấp nhiệt độ thuỷ tinh hoá làm biến dạng và rạn nứt tại những nơi có ứng suất thấp hoặc bị kéo căng

Khi chịu tác động của môi trường trong thời gian, người ta thấy rằng các sợi polyme trở nên cứng, kém linh động, sau đó chuyển sang dạng giòn và bị phá huỷ nhanh chóng Đây thực chất là quá trình oxy hoá mạch đại phân tử xảy ra

như một phản ứng dây chuyền ra mọi hướng Cũng như mọi phản ứng oxy hoá - khử, sản phẩm đầu tiên được hình thành là các phần tử có mức độ hoạt động hoá học rất mạnh Các phần tử này là các trung tâm sản sinh ra các ion, gốc là các chất khởi đầu cho quá trình oxy hoá

Các loại sợi Polyeste và Nylon có khả năng chịu thời tiết tương đối tốt Tuy nhiên ở điều kiện khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm gió mùa như Việt Nam, tất cả các tác nhân gây tác động xấu tới độ bền của sợi Polyme là rất dồi dào Vì vậy, chưa thể biết được khả năng của chúng đến đâu nếu không được kiểm chứng cụ thể

I.4.1.1 Tác động của ánh sáng lên các vật liệu polyme hữu cơ

Có một vài lưu ý đối với sự chiếu sáng và sự bức xạ Bức xạ là dạng năng lượng điện từ, không giống với âm thanh và sự nóng, có thể truyền qua không gian cũng như xuyên qua một vài vật liệu Sự chiếu sáng xảy ra khi vật liệu bị bức xạ tác động; Nó được đo bằng tổng năng lượng tới lên bề mặt trong một khoảng thời gian [13 5 9 , 1 , 1 ]

Bức xạ điện từ ở dạng sóng và có thể mô tả bởi bước sóng hoặc tần số Tần số là cơ bản hơn bước sóng ở chỗ dễ xác định và được dùng phổ biến hơn Khi bước sóng giảm thì tần số tăng

Toàn bộ phạm vi của bức xạ điện từ được phân chia theo các vùng theo đặc tính và bước sóng, như ở bảng 1 Các bước sóng ngắn hơn được đo bằng các đơn vị nhỏ, Ăngstrong (1Å = 10P

-10

P) ; Khi bước sóng tăng lên, đơn vị cũng vậy Như phần lớn các sự phân loại, ranh giới giữa các vùng là không rõ ràng và một kiểu pha trộn chung chung tiếp theo Sự thật là, thậm chí với ánh sáng nhìn thấy, nơi các giới hạn thực sự biến thiên theo thời kỳ và riêng rẽ, mặc dù dải xuất phát

là 400 đến 700 nm Một vài người có thể nhìn thấy ở 320 nm, nhưng độ nhạy là rất thấp (tại 350 chỉ có 1% so với ở 400) Hơn nữa, bức xạ dưới 400 đến 10 nm (100Å) được gọi là tử ngoại (UV)

Bảng I.2 Phân loại quang phổ điện từ

Hồng ngoại trung bình (Middle IR ) 2.5 30 µm

Canadian Building Department)

Hình 5.I Phân bố năng lượng mặt trời (dải 1 nm)

Bức xạ mặt trời thay đổi đáng kể bởi khí quyển kể cả tại đỉnh cao Đỉnh năng lượng đã được thay đổi từ xanh nước biển sang màu hoàng yến trong vùng nhìn thấy, và bức xạ hồng ngoại (IR) bị giảm do sự hấp thụ của hơi nước và ô xy Cuối cùng, và quan trọng nhất, chỉ vùng tử ngoại gần (near UV) là nhận được - ở trên mặt đất mặc dù mặt trời phát ra tới dưới 200 nm Đó là vì có sự hấp thụ tia

tử ngoại gây ra bởi ô zôn trong vùng khí quyển cao Sự biến đổi năng lượng tiếp tục lớn hơn khi mặt trời không ở đỉnh, tuỳ theo thời gian của ngày trong năm hoặc vĩ độ Ở góc thấp hơn, bức xạ cần phải di chuyển xa hơn qua không khí và

do đó nhiều năng lượng bị hấp thụ Thêm vào đó, ở góc mặt trời thấp bước sóng ngắn hơn thưa thớt hơn, vì vậy chỉ khoảng một số nửa tia tử ngoại đến được từ mặt trời

Điều quan trọng của sự hấp thụ tử ngoại trung bình liên quan tới một đặc trưng của bức xạ: Sóng càng ngắn, man năng lượng càng cao g Polyme được dùng trong các loại sợi chứa mạch các bon dài, các phân tử liên kết với nhau

bằng lực thứ hai và gây cản trở, tuỳ thuộc vào loại polyme, cũng như các liên kết hoá học Do các liên kết chủ yếu là hoá học và lực liên kết phụ thuộc vào các nguyên tố liên quan, chúng có thể bị phá vỡ bởi nguồn năng lượng lớn hơn lực hút giữa các nguyên tử, vì thế nó phá vỡ các phân tử Trong sự bức xạ, mức năng lượng này đối với liên kết C-C xấp xỉ 350 nm, cũng nằm trong dải bức xạ mặt trời nhận được tại mực nước biển

May mắn là, tỷ lệ bức xạ sóng ngắn nhỏ Vào buổi trưa hè lượng bức xạ tử ngoại chỉ chiếm 5 đến 7 % trên tổng năng lượng, bức xạ tử ngoại có kích ứng sinh học (dưới 320 nm) vào khoảng 1% Tỷ lệ này giảm xuống trước và sau buổi trưa cũng như vào mùa đông do nguyên nhân do ảnh hưởng hình học như đã nêu

ở trên Ví dụ: ở 40° của vĩ độ bắc, bốn tháng mùa đông tháng 11 đến tháng 2 cung cấp chỉ khoảng 1/9 lượng bức xạ tử ngoại có kích ứng sinh học cung cấp từ tháng 5 đến tháng 8 Thêm vào đó, mây và khói làm giảm tổng lượng bức xạ và cường độ bức xạ tử ngoại Nếu không tính đến các yếu tố khác, không một polyme hữu cơ nào (bao gồm cả con người) có thể nằm ngoài quy luật

• Ảnh hưởng của bức xạ

Khi một phân tử hấp thụ bức xạ, nó chuyển sang trạng thái kích thích, thường tại một nguyên tử đặc biệt Nó có thể trở lại trạng thái ban đầu hoặc không bị kích thích do tiêu tốn năng lượng khi phát ra bức xạ huỳnh quang, lân tinh hoặc nhiệt Trong trường hợp như ậ v y phân tử không bị tác động Đó là những gì xảy ra với bức xạ sóng dài thường là năng lượng được chuyển thành nhiệt Tuy nhiên, nếu bức xạ mang đến năng lượng thích hợp Nó có thể gây ra phản ứng hóa học tại nguyên tử bị kích thích và điều này thường dẫn đến sự hư hỏng của vật liệu

Trước khi một trong hai chu trình có thể thực hiện, điều cần thiết là bức

xạ được hấp thụ Chỉ vì vật liệu bị nắng chiếu không có nghĩa nhất thiết xảy ra sự hấp thụ Sự sắp xếp của phân tử cụ thể hấp thụ một dải bức xạ cụ thể Đó là lý do

vì sao có vật liệu có màu đỏ, còn cái khác màu xanh Nếu không có nhóm hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, vật liệu trở thành không màu (hoặc màu trắng do ánh sáng bị phản xạ lại) Sự trong suốt hoặc không hấp thụ cũng xảy ra với bước sóng không nằm trong vùng nhìn thấy Hơn nữa, một vài vật liệu có thể trong suốt với UV nhưng lại hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại và ngược lại Lý

do tại sao hông thể nhận được bức xạ hồng ngoại trên 2.4µm do mặt trời chiếu klên mặt đất là vì vùng này bị nước hấp thụ rất mạnh, mặc dù nó không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại gần Tương tự, kính cửa sổ thông thường chắn một phần bức xạ tử ngoại, nguyên nhân gây ra cháy nắng

Khi một vật liệu là trong suốt với một bước sóng nào đó, có nghĩa là bức

xạ đó đi qua nó dễ dàng, không có hiệu ứng gì Kết quả là, nếu vật liệu truyền tất

cả các bức xạ tử ngoại dưới 300 nm, nó sẽ không bị phá hủy bởi ánh nắng mặt trời Acrylic cũng như polymetylmetacrylat (PMMA) không hấp thụ đến tận bức

xạ tử ngoại trung bình, và vì vậy nó chịu thời tiết cực kỳ tốt Tuy nhiên, Polystyren được điều chế từ các nhóm thơm có thể hấp thụ được các bức xạ có bước sóng thấp hơn sát dưới vùng tử ngoại gần Kết quả là bề mặt tiếp xúc bên ngoài của polystyren bị ảnh hưởng, thường thì nó chuyển sang màu vàng và bị giảm tính năng cơ lý

Không đủ để polyme cơ bản trở nên trong suốt Các chất khơi mào phản ứng cần phải được tẩy sạch sau quá trình trùng hợp hoặc không hấp thụ bức xạ tử ngoại Sự không tinh khiết có thể gây ra sự hấp thụ cần phải bị loại trừ, nhưng rất khó để hoàn thành điều này trên quy mô lớn tại nhiệt độ cao Một lượng nhỏ chất hấp thụ có thể tác động làm mất cân đối trong tổng lượng của chúng vì sự hấp thụ thường xuyên tạo ra thêm các nhóm hấp thụ UV Sự phản ứng trở nên ngày càng nhanh

Trong một vài trường hợp khi vật liệu được dùng riêng rẽ, nó trong suốt với bức xạ tử ngoại, nhưng khi dùng với chất nền phủ màu sáng bị tác động bởi bức xạ có thể gặp khó khăn

• Tác động lên cấu trúc hóa học

Bởi vì bức xạ tử ngoại là phần chứa năng lượng nhiều nhất, nó gây ra những hư hại lớn nhất với vật liệu polyme Sự phân hủy hóa học có thể quy vào

2 hướng Đối với một số vật liệu, năng lượng khởi đầu quá trình ngược với phản ứng trùng hợp Polyme có thể bị phá hủy tại những vị trí riêng biệt – gọi là sự cắt mạch – hoặc là nó có thể trở lại hoàn toàn thành các phân tử nhỏ Trường hợp sau được gọi là sự “phân rã” của polyme, rất may là nó xảy ra rất chậm khi bức

xạ là yếu tố duy nhất Trong quá trình thứ 2, các phân tử nhỏ được tạo ra do việc cắt mạch hoặc các vị trí trên các phân tử lớn phản ứng với các mạch khác Kết quả là tạo ra nhiều mạch liên kết ngang so với ban đầu, do đó vật liệu trở nên cứng và đục màu hơn

Sự biến đổi hóa học phá hủy ở mức độ thấp hơn vẫn xảy ra nếu bức xạ tử ngoại làm biến đổi cấu trúc bên trong của nhựa làm nó trở nên hấp thụ ánh sáng nhìn thấy màu xanh dương Ánh sáng phản xạ sau đó có màu vàng, và nhìn chung đó là điều không mong muốn Một khiếm khuyết nhìn thấy khác có thể gây ra bởi UV, thậm chí bản thân chính polyme có thể chịu đựng, nhưng nếu vật liệu có màu và thuốc nhuộm này chủ yếu là hữu cơ thì không thể iều nàĐ y thường không được chấp nhận trong thương mại khi nó xảy ra

Chỉ bức xạ tử ngoại có năng lượng đủ để phá vỡ các liên kết ban đầu, hóa chất bị tác động bởi ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại làm tăng tốc tỷ lệ phản ứng có thể xảy ra do những nguyên nhân khác Lượng nhiệt trong bức xạ mặt trời là không đủ để tăng nhiệt độ tại nơi liên kết hóa học có thể bị bẻ gãy do nhiệt

• Tác động lên tính chất cơ lý

Bức xạ làm thay đổi cấu trúc vật lý của vật liệu hữu cơ do hậu quả của phản ứng hóa học đã xảy ra Vì đại phân tử được đòi hỏi đem lại cho vật liệu các tính chất cơ lý mong muốn, vật liệu sớm bị mất các tính chất này nếu sự cắt mạch làm giảm trọng lượng phân tử quá nhiều Khi bức xạ gây ra dấu hiệu hư hỏng nhìn thấy, thì sự hư hỏng đã xảy ra nghiêm trọng Chẳng hạn như: polymetylstyren có độ không trong suốt nhỏ hơn polystyren, không thể trở thành sản phẩm thương mại quan trọng vì nó trở về trạng thái monome rất chậm khi chiếu bức xạ tử ngoại 280 nm tại nhiệt độ phòng, nhưng tại 115°C tác động của

UV mạnh hơn 70 lần so với ở 25°C Không có UV thì hoàn toàn không có sự phân hủy tại nhiệt độ cao hơn

Bức xạ là phần liên quan đến vấn đề thời gian bền; Nó ảnh hưởng rất lớn đến vật liệu hữu cơ Ánh sáng tử ngoại trong khoảng 350 và 300 nm được chỉ ra

là bức xạ có khả năng phá hủy mạnh nhất Nó tác động làm biến đổi cấu trúc các polyme, làm giảm các tính năng cơ lý

Điều may mắn là, cường độ ánh sáng tử ngoại gây phá hủy chỉ là một phần nhỏ tên tổng lượng bức xạ của mặt trời và nó bị giảm khi góc chiếu của mặt trời giảm và do mây, khói Nhưng điều không may là, khi nhận đủ bức xạ tử ngoại sẽ dẫn đến sự phá hủy vật liệu, đặc biệt khi nó tác động cùng với ô xy, nước, nhiệt hoặc tất cả

I.4.1.2 Bức xạ kết hợp với các yếu tố thời tiết khác

• Bức xạ và nước

Thật may mắn, hai hiện tượng thời tiết, bức xạ và nước có khuynh hướng tác dụng vào thời gian khác nhau Vật liệu có thể được chiếu, tuy nhiên sau khi bị ướt bởi mưa hoặc khi có độ ẩm cao do trải qua đêm ẩm ướt Thời gian và độ ẩm

là những thông số quan trọng trong điều kiện thời tiết liên quan tới sự thoái hóa

bề ngoài Sự tác động của các yếu tố trên có thể xảy ra theo nhiều cách, bức xạ