Par Normand Brais P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Introduction
Une grande partie de l’effet de la lumière solaire sur les matériaux a été attribuée au composant UV (IESNA 2000), qui peut décolorer certaines peintures murales, papiers peints et tentures (GE 1950). Certains matériaux peuvent avoir une réflectivité UV élevée, comme l’aluminium, ou une transmissivité élevée, comme le quartz qui absorbe très peu d’UV. L’absorption des UV en soi ne signifie pas nécessairement que les rayons UV peuvent être endommagés, car c’est la photochimie qui détermine les effets de la matière. L’absorption totale est donc un indicateur du potentiel de photodégradation des matériaux, tandis que la réflectivité peut indiquer des effets protecteurs.
Lorsque les polymères sont exposés à la lumière ultraviolette, c’est-à-dire une longueur d’onde de 100 à 400 nm, l’énergie des photons dépasse l’énergie de liaison des liaisons carbone dans le polymère ou bien l’énergie d’activation de la réaction chimique (Moreau et Viswanathan, 1976). La profondeur à laquelle la lumière ultraviolette pénètre dans le polymère crée une région d’absorption, où une réaction photochimique peut avoir lieu et où une photodégradation peut se produire. Étant donné que la transmissivité des rayons UV a tendance à être très faible pour la plupart des matériaux, même à des épaisseurs millimétriques, la plus grande partie de la photodégradation se produira à la surface immédiate d’un matériau, à une profondeur généralement inférieure à 0,01 à 0,1 millimètre. Pour les polymères les plus courants, la profondeur de pénétration des UV est typiquement d’environ 0,025 mm à 0,050 mm, c’est-à-dire 25 à 50 microns.
Dans la photodétérioration des peintures, des vernis et des textiles, le rendement quantique est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à l’unité (Feller, 1994). Pour le blanchiment de certains colorants, le rendement quantique aurait été d’environ 0,002, ce qui signifie qu’un millier de photons doivent être absorbés avant que deux molécules ne soient blanchies. Des rendements quantiques aussi faibles que 0,0001 (10 000 photons par molécule) ont été rapportés pour la plupart des plastiques. Les plastiques purs de haute qualité sont relativement résistants aux UV, mais les impuretés et les solvants résiduels dans les plastiques de qualité inférieure sont principalement responsables de leur photodégradation rapide.
Le jaunissement des polymères résultant d’une exposition aux ultraviolets a tendance à se concentrer sur la surface immédiate. Le jaunissement de la surface a tendance à bloquer les UV et à protéger le plastique intérieur. La décoloration des pigments et des colorants peut être évaluée en termes de perte de concentration dans le temps (Feller, 1994). La profondeur de la décoloration est réduite par la présence de pigments de couleur. À mesure que la concentration de pigments augmente, la décoloration ou la décoloration diminue également.
Propriétés des plastiques et protection contre la dégradation
Treize propriétés différentes des plastiques peuvent être utilisées comme indicateurs de la photodégradation, notamment la coloration, la résistance à la traction, l’allongement, la dureté, le degré de polymérisation, l’absorbance infrarouge, etc. Les données expérimentales montrent comment la plupart de ces propriétés réagissent à une exposition prolongée aux ultraviolets. Ces données peuvent être efficacement modélisées à l’aide de courbes de décroissance exponentielle d’un ou de plusieurs ordres.
Les matériaux qui noircissent aux UV après exposition créent un mince film résistant aux UV sur les surfaces de polymères comme le PVC. Cela leur permettrait de développer une résistance à une exposition ultérieure aux UV (Owen 1976).
La dégradation photochimique des matériaux est une fonction dépendante de la dose qui ne dépend que du rendement quantique et du coefficient d’absorption molaire à la longueur d’onde d’irradiation (Bolton et Stefan, 2002). Elle décrit la susceptibilité d’un matériau à se dégrader sous l’exposition aux UV. Associé à cela, il y aurait une certaine distance limite, une épaisseur de film ou une profondeur de pénétration, à laquelle les UV pénétreraient
Sur la base de plusieurs décennies d’utilisation, l’expérience a montré que, à quelques exceptions près, les dommages causés par les UV ont tendance à rester superficiels et n’affectent généralement pas l’intégrité structurelle ou mécanique des composants en plastique épais. Pour les composants critiques tels que le revêtement isolant de fils électriques exposés, il est recommandé de recouvrir les fils de ruban d’aluminium ou de passer les fils à l’intérieur de gaines de protection rigides ou flexibles métalliques, conformément aux règles de l’art et aux normes électriques. Les caoutchoucs en général, tels que les courroies de moteur et les conduits utilisés dans le domaine du CVAC, ont prouvé leur capacité à très bien résister aux UV germicides au cours des 20 dernières années d’expérience cumulée sur le terrain.
La dégradation des rayons UV peut affecter les écrans de nombreux appareils électroniques en raison de la qualité du plastique utilisé et du film généralement très fin. Pour de tels dispositifs, la protection est facilement obtenue en installant une simple fenêtre en verre de 3 mm d’épaisseur sur l’écran. La transmitivité du verre amorphe standard approche de zéro pour une longueur d’onde inférieure à 370 nm.
Références
IESNA. 2000. Lighting Handbook: Reference & Application IESNA HB-9-2000. New York: Illumination Engineering Society of North America.
GE. 1950. Germicidal Lamps and Applications. USA: General Electric. Report nr SMA TAB: VIII-B.
Moreau W, Viswanathan N. 1976. Applications of Radiation Sensitive Polymer Systems. In: Labana SS, editor. Ultraviolet Light Induced Reactions in Polymers. Washington, DC: Ameri- can Chemical Society, pp. 107–134.
Feller RL. 1994. Accelerated Aging: Photochemical and Thermal Aspects. Institute TGC, editor.
Ann Arbor, MI: Edwards Bros.
Bolton J, Stefan M. 2002. Fundamental photochemical approach to the concepts of fluence (UV Dose) and electrical energy efficiency in photochemical degradation reactions. Res Chem Intermed 28(7–8):857–870.
Owen ED. 1976. Photodegradation of Polyvinyl chloride. In: Labana SS, editor. Ultraviolet Light Induced Reactions in Polymers. Washington, DC: American Chemical Society, pp. 208–219.
