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前言

今年LED行業(yè)最熱門的詞估計(jì)是UV紫外線殺菌了，但也有聲音表示，UV紫外是很好，但它對(duì)多種材料有一定損害，怎么應(yīng)對(duì)“紫外線加速材料老化”也是值得思考的課題。

在本篇里，晶科電子陳海英博士帶領(lǐng)研發(fā)產(chǎn)品小分隊(duì)經(jīng)過(guò)一系列研究及查閱了多方面的資料，將從材料的原理及降解機(jī)理等方面來(lái)講解如何預(yù)防或減輕紫外線對(duì)材料的降解問(wèn)題，提供給大家參考。

紫外線的背景知識(shí)

談到紫外，需要先說(shuō)下紫外線的背景知識(shí)。

紫外線(UV)相對(duì)于可見(jiàn)光，光子能量更高，高能量光子可能對(duì)部分材料引起降解，產(chǎn)生物理或化學(xué)的變化(這個(gè)就是物品長(zhǎng)期放在太陽(yáng)底下曬很快就會(huì)老化，分解的道理)。

其中波長(zhǎng)為200至280 nm的紫外線輻射的子類UVC并不存在于地面的陽(yáng)光中，因?yàn)榈陀?#12316;300 nm的波長(zhǎng)光會(huì)被大氣中的臭氧層所吸收，所以一直以來(lái)有關(guān)UV-C降解材料的公開研究數(shù)據(jù)很少。

隨著UVC的殺菌消毒效果被廣泛認(rèn)知，越來(lái)越多的產(chǎn)品會(huì)設(shè)計(jì)使用UVC作為消毒方案，這時(shí)候就需要我們了解包括高能紫外線UV-C光子在內(nèi)的材料降解原理，并在做產(chǎn)品材質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)將紫外降解的影響考慮在內(nèi)以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

紫外線對(duì)三大類材料降解的原理

1.  金屬

金屬的特征在于金屬鍵合，金屬鍵合由排列成周期性晶格結(jié)構(gòu)的緊密堆積的原子構(gòu)成，所有原子共享一個(gè)離域電子“云”。由于金屬具有高度可移動(dòng)的電子，金屬是電和熱的良導(dǎo)體，并且容易干擾電磁輻射，例如光和無(wú)線電波。這解釋了為什么金屬不透明而反射一定程度的光，這是因?yàn)榭梢岳米杂呻娮游展庾幽芰?，而不?huì)經(jīng)歷能量躍遷或鍵解離，所以金屬幾乎完全不受紫外線的影響。

2.  陶瓷

陶瓷材料通過(guò)離子鍵合形成，周期性結(jié)構(gòu)排列的晶格包含帶正電和帶負(fù)電的離子。大多數(shù)陶瓷是金屬氧化物，少部分陶瓷是具有強(qiáng)共價(jià)鍵的氮化物，硼化物和碳化物。與金屬相反，陶瓷離子具有緊密結(jié)合的電子，因此它們具有高鍵合強(qiáng)度，可以承受極端溫度，通常具有極高的化學(xué)惰性并且是良好的電絕緣體。這種高的鍵合強(qiáng)度和化學(xué)惰性使陶瓷完全不受紫外線照射的影響。

3.  石英

材料中非晶態(tài)二氧化硅(SiO2)是一種表現(xiàn)出離子鍵合和共價(jià)鍵結(jié)合的材料，能夠透過(guò)UVC，對(duì)紫外線行業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要。石英中紫外線吸收的主要機(jī)理與其中的雜質(zhì)和缺陷有關(guān)。雜質(zhì)比如鐵等金屬，這些金屬原子的電子可以被提升到更高的能級(jí)或從原子中釋放出來(lái)，因此可用于干擾電磁輻射，形成所謂的“色心”，并隨著時(shí)間的流逝降低玻璃的紫外線透明度。石英中也存在固有的原子缺陷，例如未鍵合的硅和氧原子，它們會(huì)吸收一定的真空紫外線(VUV)和UV-C。

4.  聚合物

聚合物包含多種材料，其特征在于長(zhǎng)分子鏈，分子鏈纏結(jié)和相互連接，它們本身表現(xiàn)出共價(jià)鍵，通常含碳成分。共價(jià)鍵是兩個(gè)或多個(gè)原子之間的電子共享，以滿足組成原子填充其最外層電子軌道。與金屬鍵相比，電子的共價(jià)共享是局部的(即，電子遷移僅限于最近的鍵合原子)，因此聚合物幾乎總是電絕緣體和不良的熱導(dǎo)體。與金屬和離子鍵相比，有機(jī)成分之間的共價(jià)鍵也相對(duì)較弱。因此，大多數(shù)聚合物很容易因暴露于UV-C而降解。高能光子具有足夠的能量，可以將電子提升到更高的能級(jí)，從而打斷共價(jià)鍵，降解材料。通常具有碳-碳雙鍵的聚合物更容易受到紫外線降解而發(fā)生化學(xué)變化。

綜上所述，受紫外線影響最大的是聚合物材料，下面來(lái)談?wù)勛贤饩€破壞聚合物的表現(xiàn)及機(jī)理。

紫外線破壞聚合物的表現(xiàn)及機(jī)理

1.  紫外線是如何破壞聚合物材料的?

在聚合物中最基本，最普遍的紫外線損傷機(jī)理稱為光解斷鏈，即通過(guò)高能光子的直接作用將長(zhǎng)鏈斷裂成較短的鏈，從而破壞分子的“骨架”。這種降解幾乎會(huì)導(dǎo)致聚合物強(qiáng)度、延展性的物理性質(zhì)的劣化，以及諸如顏色的變化， 質(zhì)地外觀的劣化。聚合物的降解還可能將副產(chǎn)物如氣體釋放到周圍環(huán)境中造成污染。

2.  紫外線破壞聚合物的機(jī)制是什么?

聚合物被紫外線破壞的機(jī)制，包括自由基降解和表面水氧降解?；瘜W(xué)鍵斷裂時(shí)形成的自由基，這些自由基將與附近的其他可用鍵發(fā)生反應(yīng)，并導(dǎo)致聚合物分子斷裂或降解。紫外線解離的鍵也易與氧氣或水發(fā)生反應(yīng)，通常在表面引起氧化和水解的降解反應(yīng)。這兩種機(jī)制會(huì)結(jié)合并協(xié)同作用，最終引起材料的化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)變化。

3. 聚合物受紫外線降解的常見(jiàn)表現(xiàn)：

1. 戶外安裝的PVC管的泛黃和“粉化”；2. 暴露在陽(yáng)光下的廣告牌和海報(bào)顏色的褪色；3. 暴露于陽(yáng)光下的電線絕緣層的粉化和脆化；4. 皮膚曬傷也是聚合物降解的一種，皮膚由聚合物組成，特別是膠原蛋白的蛋白質(zhì)；5.紫外線也會(huì)引起DNA/RNA的長(zhǎng)聚合物分子損傷，這些紫外線引起的DNA/RNA損傷是紫外線消毒的基礎(chǔ)。

如何預(yù)防或減輕紫外線的降解？

1. 屏蔽和涂層

屏蔽紫外線是很好的保護(hù)方法，比如用薄薄的鋁箔或其他不透紫外線的材料進(jìn)行遮擋，如果不可能進(jìn)行簡(jiǎn)單的屏蔽，則可以選擇使用吸收或反射紫外線的涂層，這種吸收或反射作用的添加劑普遍使用于涂料當(dāng)中。比如一些包含金屬顆粒的涂料是非常有效的紫外線屏障，戶外使用的高性能涂料通常包含聚偏二氟乙烯(PVDF)，對(duì)保光性和保色性有很好的作用。通過(guò)在聚合物表面上涂覆紫外線穩(wěn)定涂層，可以很好的起到防止紫外線對(duì)材料的損壞作用。

2. 選擇抗紫外線的聚合物材料

某些特定的聚合物材料具有更強(qiáng)的抵抗紫外線的功能。由于C = C雙鍵特別容易受到紫外線光解的影響，那我們可以選擇更少含量C = C雙鍵的聚合物材料，比如聚烯烴(聚乙烯)、含氟聚合物比如是聚四氟乙烯(PTFE)，氟化乙烯-丙烯(FEP)和聚偏二氟乙烯(PVDF)都是很好的選擇。這些含有碳氟鍵的聚合物擁有出色的性能，例如高溫穩(wěn)定性，高介電強(qiáng)度和極高的化學(xué)惰性以及非常好的抗紫外線降解性。因此，PTFE或FEP可以用于紫外燈或紫外設(shè)備中的電線絕緣。

3. 利用一些能吸收紫外線的添加劑

第一種是無(wú)機(jī)化合物，它幾乎不受紫外線照射的影響，通過(guò)在聚合物材料中添加無(wú)機(jī)填料來(lái)吸收紫外線光子，提高紫外線穩(wěn)定性，從而減少對(duì)聚合物鍵的損害。用于紫外線穩(wěn)定的最常見(jiàn)的無(wú)機(jī)材料是炭黑和氧化物陶瓷，包括氧化鋁或二氧化鈦，這種填料還具有耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是相當(dāng)明顯，就是他們會(huì)改變聚合物的物理性質(zhì)及其顏色，所以需要權(quán)衡地使用。

第二種是有機(jī)添加劑，包括抗氧化劑，紫外線吸收劑，淬滅劑和自由基清除劑。這些紫外線添加劑的作用機(jī)理如下：

a.   紫外線吸收劑——這些分子吸收紫外線，將其轉(zhuǎn)化為熱量或以更長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)射(熒光)來(lái)耗散光子能量。b.   自由基清除劑——這些分子將優(yōu)先與由光化學(xué)或氧化變化產(chǎn)生的自由基反應(yīng)來(lái)降低自由基破壞聚合物鏈的幾率。c.   有機(jī)添加劑和無(wú)機(jī)添加劑——在實(shí)現(xiàn)同樣的紫外線穩(wěn)定性上有機(jī)添加劑需要的濃度比無(wú)機(jī)填料低得多。實(shí)際上，這樣的添加劑同時(shí)還有助于高溫加工性和抗氧化能力，因此無(wú)論預(yù)期的紫外線照射量如何，通常都會(huì)添加它們。但是，有的添加劑價(jià)格昂貴并且會(huì)改變某些聚合物的性能和可加工性，也存在污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，如何預(yù)防或減輕紫外線對(duì)材料的降解？

一是對(duì)產(chǎn)品有良好的設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的屏蔽原理將敏感和關(guān)鍵組件的紫外線暴露降至最低；二是選擇良好的材料，最好是固有的抗紫外線材料或是添加合適的抗紫外線添加劑來(lái)減緩材料降解的速度。