UV có thể làm hỏng đồ dùng bằng nhựa

Vì bức xạ tia cực tím (UV) bao gồm các photon có năng lượng cao so với ánh sáng nhìn thấy, nên nó có thể gây ra sự suy giảm dưới dạng các thay đổi vật lý và hóa học trong các vật liệu nhạy cảm. Các tác động suy giảm của tia UV là mối quan tâm của các nhà thiết kế và người sử dụng nhiều loại vật liệu được sử dụng và bảo quản ngoài trời và do đó tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Theo đó, dữ liệu được công bố về sự suy thoái vật chất do tia UV hầu như chỉ liên quan đến sự hiện diện của ánh sáng mặt trời trên bề mặt trái đất, vì điều này thể hiện tác động kinh tế lớn.

Tuy nhiên, UV-C, phân lớp của bức xạ UV có bước sóng từ 200 đến 280 nm, không có trong ánh sáng mặt trời khi chiếu tới Trái đất vì các bước sóng thấp hơn ~ 300 nm sẽ bị hấp thụ bởi tầng ôzôn ở tầng trên của bầu khí quyển. Do đó, dữ liệu được công bố về sự phân hủy của vật liệu bởi UV-C là rất ít. Vậy, việc sử dụng đèn UVC trong phòng để khử trùng có ảnh hưởng tiêu cực đến đồ dùng hay không?

Kiến thức về ảnh hưởng của việc tiếp xúc với tia UV-C trên các vật liệu khác nhau rất hữu ích cho các nhà sản xuất và người sử dụng thiết bị khử trùng và quang hóa UV-C. Mục đích của bài viết này là cung cấp một cái nhìn tổng quan về các loại vật liệu và giải thích về tính nhạy cảm của chúng đối với sự tác động của tia cực tím.

Ảnh hưởng của UVC đối với đồ kim loại

Các kim loại được đặc trưng bởi liên kết kim loại, được xác định bởi các nguyên tử được đóng gói chặt chẽ sắp xếp trong một cấu trúc mạng tuần hoàn, tất cả đều có chung các electron phân chia. Do có các electron di động cao, kim loại là chất dẫn điện và nhiệt tốt, đồng thời dễ gây nhiễu bức xạ điện từ như ánh sáng và sóng vô tuyến. Điều này giải thích tại sao kim loại không bao giờ trong suốt và hầu như luôn phản xạ ánh sáng ở một mức độ nào đó. Các kim loại hầu như hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi UV vì có sẵn các điện tử tự do để hấp thụ năng lượng photon mà không trải qua quá trình chuyển đổi năng lượng hoặc phân ly liên kết. Có một số bằng chứng được cho thấy sự tăng tốc độ ăn mòn của kim loại ngâm trong nước khi  tiếp xúc với tia cực tím, nhưng kết quả không thực sự chính xác. Những hiệu ứng này được giả thuyết là có liên quan đến hiệu ứng quang điện giữa lớp oxit bề mặt và lớp kim loại bên dưới.

Ảnh hưởng của UVC với đồ dùng làm bằng sứ

Gốm sứ được đặc trưng chủ yếu bởi liên kết ion, lực hút của các ion tích điện dương và âm được sắp xếp theo cấu trúc mạng tuần hoàn. Hầu hết đồ gốm là oxit kim loại, mặc dù một số đồ gốm là nitrit, borid và cacbit thể hiện liên kết cộng hóa trị mạnh. Ngược lại với kim loại, các ion gốm có các electron liên kết chặt chẽ, do đó chúng có độ bền liên kết cao, chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, thường cực kỳ trơ về mặt hóa học và là chất cách điện mạnh. Đó là độ bền liên kết cao và tính trơ hóa học làm cho gốm sứ hoàn toàn không bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với tia cực tím.

Polyme bao gồm nhiều loại vật liệu được đặc trưng bởi sự liên kết với nhau của các phân tử dài (hay còn gọi là “chuỗi” polyme), bản thân chúng thể hiện liên kết cộng hóa trị, thường là giữa các thành phần hữu cơ (tức là chứa cacbon). Liên kết cộng hóa trị là sự chia sẻ electron giữa hai hoặc nhiều nguyên tử nhằm thỏa mãn xu hướng lấp đầy các obitan electron lớp ngoài cùng của chúng (nghĩa là một lớp vỏ hóa trị thỏa mãn). Sự chia sẻ cộng hóa trị của các điện tử có tính chất cục bộ (tức là tính linh động của điện tử bị giới hạn ở các nguyên tử liên kết gần nhất), ngược lại với liên kết kim loại, vì vậy polyme hầu như luôn luôn là chất cách điện và dẫn nhiệt kém. Liên kết cộng hóa trị giữa các thành phần hữu cơ cũng tương đối yếu so với liên kết kim loại và liên kết ion. Vì vậy, hầu hết các polyme dễ bị phân huỷ khi tiếp xúc với tia UV-C. Các photon năng lượng cao có đủ năng lượng để thúc đẩy các điện tử lên mức năng lượng cao hơn và do đó, phân ly hoặc cho phép oxy hóa các liên kết cộng hóa trị. Nói chung, các polyme có liên kết đôi cacbon-cacbon dễ bị thay đổi hóa học do tia cực tím gây ra.

Ánh sáng cực tím gây ảnh hưởng tiêu cực đến đồ nhựa

Thực tế là không có vật liệu nào thể hiện bất kỳ loại liên kết đơn lẻ, thuần túy nào – tất cả chúng đều có chung một số đặc điểm của các loại liên kết khác. Một vật liệu thể hiện sự kết hợp của liên kết ion và cộng hóa trị có tầm quan trọng lớn đối với ngành công nghiệp UV là silica vô định hình (SiO2), được biết đến với nhiều tên gọi như thủy tinh thạch anh, thạch anh nung chảy, silica nung chảy. Silica nung chảy thể hiện sự sắp xếp ngẫu nhiên của các nguyên tử silicon và oxy thiếu tính tuần hoàn trong phạm vi dài, do đó thuật ngữ “vô định hình” được sử dụng để mô tả cấu trúc vi mô của nó.

Hiểu những điều cơ bản về liên kết hóa học, cấu trúc vi mô và tương tác giữa điện tử với bức xạ quang học, có thể hiểu tại sao một số vật liệu dễ bị suy giảm bởi tia cực tím và những vật liệu khác thì không. Do đó, cuộc thảo luận này sẽ được giới hạn trong các vật liệu thủy tinh và polyme.

Giải thích về cơ chế gây hại của tia cực tím

Cơ chế chính của sự phân hủy tia cực tím trong silica nung chảy liên quan đến các tạp chất chắc chắn có trong thủy tinh, ví dụ, kim loại như sắt. Các nguyên tử kim loại này có các điện tử có thể được thăng cấp lên mức năng lượng cao hơn hoặc giải phóng khỏi nguyên tử để chúng có thể can thiệp với bức xạ điện từ, tạo thành cái gọi là “trung tâm màu” và gây ra sự giảm độ trong suốt của tia cực tím trong kính theo thời gian , được gọi là quá trình phân cực. Ngoài ra còn có các khuyết tật nguyên tử nội tại trong silica, không liên quan đến các tạp chất, chẳng hạn như các nguyên tử silicon và oxy không liên kết có một số hấp thụ trong phần chân không-UV (VUV) và UV-C của quang phổ. Những điều này có xu hướng quan trọng hơn trong silica tổng hợp siêu tinh khiết so với thủy tinh thạch anh có nguồn gốc tự nhiên.

Vì hầu hết các polyme bao gồm các thành phần hữu cơ liên kết cộng hóa trị, nên hầu hết các polyme đều dễ bị tia UV làm hư hại. Cơ chế phá hủy tia UV cơ bản và phổ biến nhất trong polyme được gọi là sự cắt đứt chuỗi bằng cách quang phân – sự phá vỡ các chuỗi dài thành các chuỗi ngắn hơn do tác động trực tiếp của các photon năng lượng cao phá vỡ “xương sống” của phân tử. Sự giảm trọng lượng phân tử của polyme này hầu như luôn dẫn đến sự suy giảm các tính chất vật lý như độ bền và độ dẻo và sự suy giảm các đặc tính thẩm mỹ như màu sắc và kết cấu. Sự phân hủy của polyme cũng có thể giải phóng các sản phẩm phụ vào môi trường xung quanh (ví dụ: thoát khí), điều này có thể là vấn đề vì nhiều lý do.

Hầu hết các polymer đều bị ảnh hưởng bởi UV

Các cơ chế gây hại khác do tia cực tím gây ra trong polyme bao gồm sự hình thành các gốc – nguyên tử hoặc phân tử có các điện tử chưa ghép đôi có khả năng phản ứng cao – khi các liên kết hóa học bị phá vỡ. Các gốc này sẽ phản ứng với các liên kết có sẵn khác gần đó và gây ra hiện tượng cắt hoặc phân hủy các phân tử polyme. Các liên kết bị phân ly bởi tia cực tím cũng dễ phản ứng với oxy hoặc nước có sẵn, thường là ở bề mặt của polyme, gây ra các cơ chế phân hủy của quá trình oxy hóa và thủy phân. Một số cơ chế suy thoái đã được giải thích riêng biệt, nhưng trên thực tế, chúng xảy ra kết hợp và thường hiệp đồng với nhau. Tiền đề cơ bản luôn là sự hấp thụ các photon UV năng lượng cao có thể thúc đẩy các electron lên mức năng lượng cao hơn và phân ly các liên kết hóa học, gây ra những thay đổi về mặt hóa học và vi cấu trúc trong vật liệu.

Một số ví dụ quen thuộc về sự suy giảm polyme do tia cực tím gây ra là ố vàng và “phấn hóa” của các ống PVC được lắp đặt ngoài trời, sự phai màu của các biển báo và áp phích tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, phấn hóa và hiện tượng lún trong lớp cách điện của dây dẫn tiếp xúc với ánh sáng mặt trời hoặc trong hệ thống UV-C, và tất nhiên, cháy nắng. Da bao gồm các polyme, cụ thể là một loại protein được gọi là collagen. Có thể thấy rằng nhân của tất cả các tế bào đều chứa các phân tử polyme dài được gọi là DNA. Sự phá hủy DNA do tia cực tím gây ra là cơ sở để khử trùng bằng tia cực tím.

Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu sự tác động của tia cực tím

Hiểu được các cơ chế của sự suy giảm tia cực tím giúp người dùng có cái nhìn sâu sắc hơn về cách ngăn ngừa hoặc giảm bớt ảnh hưởng của nó. Các phương pháp ngăn ngừa / làm chậm sự suy giảm UV (hay còn gọi là ổn định tia UV) có thể được chia thành một số loại:

Một số polyme chịu được tiếp xúc với tia cực tím tốt hơn những loại khác, chúng có liên quan đến các loại liên kết hữu cơ có mặt. Vì các liên kết đôi C = C đặc biệt dễ bị quang phân UV, nên chọn các polyme có ít liên kết này hơn, do đó polyolefin như polyetylen có thể là một lựa chọn tốt.

Có một loại polyme kỹ thuật hiệu suất cao được gọi là fluoropolyme có khả năng chống tia cực tím tuyệt vời. Các ví dụ phổ biến về fluoropolyme là polytetrafluoroethylene (PTFE), flo hóa ethylene-propylene (FEP) và polyvinylidene fluoride (PVDF). Các polyme này có được hiệu suất đặc biệt từ các đặc tính và độ bền độc nhất của liên kết cacbon-flo. Ngoài việc có hiệu suất và các đặc tính vượt trội như độ ổn định nhiệt độ cao, độ bền điện môi cao và tính trơ hóa học cực cao, fluoropolyme còn có khả năng chống suy giảm tia cực tím một cách đặc biệt. Theo đó, PTFE hoặc FEP hầu như luôn được sử dụng để cách điện dây trên đèn UV hoặc trong thiết bị UV.

Phụ gia vô cơ là các hợp chất vô cơ hiếm khi bị ảnh hưởng bởi tiếp xúc với tia cực tím. Do đó, việc thêm chất độn vô cơ vào polyme sẽ giúp cải thiện độ ổn định của tia cực tím bằng cách hấp thụ các photon UV và do đó làm giảm sự phá hủy các liên kết polyme. Các vật liệu vô cơ phổ biến nhất được sử dụng để ổn định tia cực tím là muội than và gốm ôxít, chẳng hạn như ôxít nhôm hoặc điôxít titan. Sự cân bằng với việc sử dụng các chất độn như vậy được bao gồm theo tỷ lệ phần trăm thể tích tương đối cao và sẽ làm thay đổi các tính chất vật lý của polyme cũng như màu sắc của nó, mặc dù chúng cũng có thể mang lại các đặc tính hữu ích khác, chẳng hạn như khả năng chống mài mòn. Ví dụ, các polyme chứa đầy carbon đen nhất thiết sẽ có màu đen.

Phụ gia hữu cơ – Có rất nhiều loại, bao gồm chất chống oxy hóa, chất hấp thụ tia cực tím, chất làm nguội và chất khử gốc. Việc xác định và giải thích tất cả các hóa chất khác nhau này nằm ngoài phạm vi của bài viết này, nhưng chúng thường dựa trên các nguyên tắc sau để có tác dụng ổn định tia cực tím:

• Hấp thụ tia cực tím – Các phân tử này hấp thụ mạnh trong quang phổ UV và tiêu tán năng lượng photon bằng cách biến nó thành nhiệt hoặc phát ra ở bước sóng dài hơn (huỳnh quang).
• Gom gốc – Các phân tử này sẽ phản ứng ưu tiên với các gốc được tạo ra bởi các thay đổi quang hóa hoặc oxy hóa, do đó vô hiệu hóa chúng trước khi chúng có thể gây hại thêm cho các chuỗi polyme.
• Phụ gia hữu cơ có thể được thêm vào polyme ở nồng độ thấp hơn nhiều so với chất độn vô cơ để đạt được sự ổn định UV mong muốn. Trên thực tế, nhiều chất phụ gia như vậy cũng hỗ trợ ngăn ngừa quá trình oxy hóa trong quá trình xử lý ở nhiệt độ cao và sử dụng bình thường của polyme, vì vậy chúng thường được thêm vào bất kể tiếp xúc với tia cực tím. Tuy nhiên, các chất phụ gia như vậy rất đắt, có thể làm thay đổi tính chất và khả năng xử lý của một số polyme, và một số có khả năng gây hại cho sức khỏe con người.

Một phương pháp đơn giản để ngăn chặn sự suy giảm tia cực tím của một vật thể là bảo vệ vật thể đó bằng một rào cản không thể xuyên qua đối với các photon UV. Điều này có thể đơn giản như che nắng bằng một lớp lá nhôm mỏng hoặc một vật liệu khác không thấm tia UV.

Khi không thể che chắn hoặc che nắng đơn giản, một giải pháp thay thế là áp dụng một lớp phủ hấp thụ hoặc phản xạ tia cực tím. Nhiều loại sơn có chứa các chất phụ gia chống tia cực tím như những loại đã được mô tả ở trên.

Hơn nữa, sơn có chứa các hạt kim loại có thể là một rào cản tia cực tím rất hiệu quả, mặc dù các chất kết dính polyme trong sơn nói trên có thể bị phân hủy bởi tia cực tím. Các loại sơn hiệu suất cao được sử dụng ngoài trời thường chứa PVDF và được biết đến với khả năng giữ bóng và giữ màu tuyệt vời. Người ta có thể tránh được những hạn chế của các chất phụ gia polyme khối lượng lớn bằng cách thay vào đó sử dụng một lớp phủ ổn định tia cực tím trên bề mặt polyme.