प्लास्टिक का यूवी जीर्णन और रंग स्थायित्व

यूवी जीर्णन प्रकाशरासायनिक अभिक्रियाओं, ऑक्सीकरण और स्थायीकारी घटकों के विघटन के माध्यम से पॉलिमर, कोटिंग और रंजकों को परिवर्तित करता है। त्वरित परीक्षण सामग्री के अंतरों को दृश्यमान बना सकते हैं, परंतु ये वास्तविक अपक्षय को विश्वसनीय रूप से केवल तभी दर्शाते हैं जब वर्णक्रम, विकिरण मात्रा, तापमान, आर्द्रता और नमूना ज्यामिति प्रश्न के अनुकूल हों। यह पृष्ठ जीर्णन क्रियाविधियों, प्रभावकारी चरों और अल्पकालिक विकिरणन की मापन योजना को स्पष्ट करता है।

यूवी विकिरण के कारण जीर्णन

पराबैंगनी विकिरण प्रकाशरासायनिक अभिक्रियाओं के परिणामस्वरूप पॉलिमर-आधारित और अन्य प्रकाश-संवेदी सामग्रियों में विविध परिवर्तन उत्पन्न करता है। सामान्य क्षति क्रियाविधियों में सोलराइज़ेशन, फोटोडिस्कलरेशन, फोटोडिग्रेडेशन और ओज़ोन निर्माण के कारण होने वाला सामग्री जीर्णन शामिल हैं:

क) सोलराइज़ेशन
सोलराइज़ेशन कांच या प्लास्टिक जैसे पारदर्शी पदार्थों में यूवी-प्रेरित पारगमन क्षय है: रंग केंद्र और विघटन उत्पाद प्रकाश को अवशोषित करते हैं, सामग्री विवर्णित हो जाती है और धुंधली दिखाई देती है।

ख) फोटोडिस्कलरेशन
फोटोडिस्कलरेशन थर्मोप्लास्टिक पॉलियुरेथेन (TPU), सिलिकॉन या पॉलीकार्बोनेट जैसे पारभासी प्लास्टिकों में वर्णक्रमीय परिवर्तन का वर्णन करता है। यूवी विकिरण के संपर्क में आने से क्रमिक पीलापन या सफेदी-युक्त चॉकी सतही परिवर्तन (तथाकथित "चॉकिंग") होता है, जो अणु पुनर्संरचना या योजकों के विघटन के कारण होता है।

ग) फोटोडिग्रेडेशन
फोटोडिग्रेडेशन की विशेषता पॉलिमर नेटवर्क में आणविक बंधों का टूटना है। इन प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप तन्य शक्ति में उल्लेखनीय कमी होती है और यांत्रिक तथा तापीय गुणों में परिवर्तन होता है, जिससे सामग्री की अखंडता गंभीर रूप से प्रभावित होती है।

घ) ओज़ोन-प्रेरित ऑक्सीकरण
ओज़ोन, जो यूवी विकिरण के प्रभाव में वायुमंडलीय ऑक्सीजन से फोटोलाइटिक अभिक्रियाओं द्वारा उत्पन्न हो सकता है, एक प्रबल ऑक्सीकारक है। यह ऑक्सीकारी जीर्णन प्रक्रियाओं को तीव्र करता है और विशेष रूप से इलास्टोमर, सीलों तथा पॉलिमर-आधारित बंद तंत्रों में भंगुरता और दरार उत्पन्न करता है।

लघु-तरंग विकिरण एक विशेष प्रकरण है: UVC सामग्री जीर्णन UVA की तुलना में तेज़ी से और अधिक सतही रूप से होता है, क्योंकि फोटॉन अधिक ऊर्जा वहन करते हैं और पहले कुछ माइक्रोमीटर के भीतर ही अवशोषित हो जाते हैं – यही कारण है कि UVC विसंक्रमण एक ऐसी सतह को चॉक कर सकता है जिसे वर्षों की दिवालोक भी अक्षुण्ण छोड़ देती है।

यूवी विकिरण प्लास्टिक की पॉलिमर संरचना में प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियाएँ उत्पन्न करता है। परिणामी सामग्री क्षरण विकिरण की तीव्रता और वर्णक्रमीय संरचना पर निर्भर करता है। वस्त्र भी पारंपरिक प्लास्टिक के समान क्षति तंत्रों के अधीन होते हैं।

यूवी विकिरणन के तहत इन प्रभावों पर नीचे विचार किया गया है:

पॉलिमर मुख्यतः कार्बनिक, सहसंयोजी आबंध वाली संरचनात्मक इकाइयों से बने होते हैं। एक प्रमुख क्षति तंत्र प्रकाश-अपघटनी श्रृंखला विखंडन है। यहाँ, उच्च-ऊर्जा फोटॉन प्रत्यक्ष अवशोषण के माध्यम से पॉलिमर मुख्य श्रृंखला को तोड़ने का कारण बनते हैं। इसके अतिरिक्त, पॉलिमर संयोजन के भीतर उत्तेजित अवस्थाओं के कारण मुक्त मूलकों (फ्री रैडिकल्स) का निर्माण होता है। वर्णित क्षरण प्रक्रियाएँ मुख्यतः सतह के निकट की परतों तक सीमित होती हैं और सामान्यतः सामग्री के आंतरिक भाग में 0.5 mm से अधिक गहराई तक नहीं पहुँचती हैं। फिर भी, बढ़ी हुई भंगुरता के कारण उत्पन्न प्रतिबल सांद्रण संरचनात्मक विफलता तंत्रों को आरंभ कर सकता है, विशेष रूप से तकनीकी मोल्डेड पुर्जों में।

लंबी तरंगदैर्घ्यों की तुलना में यूवी-सी विकिरण में सर्वाधिक ऊर्जा होती है और इसलिए यह पॉलिमर सामग्रियों को क्षति पहुँचाने की सबसे अधिक क्षमता रखता है। पृथ्वी के वायुमंडल द्वारा अवशोषण के कारण, प्राकृतिक यूवी-सी विकिरण भूमि पर नहीं पाया जाता है। औद्योगिक उपयोग भी विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित है। परिणामस्वरूप, पृथक यूवी-सी उद्भासन के अंतर्गत सामग्रियों के जीर्णन व्यवहार पर केवल सीमित अनुभवजन्य आँकड़े उपलब्ध हैं। यदि तकनीकी उपकरणों में यूवी-सी विकिरण का उपयोग किया जाता है, तो इनका तदनुसार परीक्षण किया जा सकता है।

यूवी विकिरण के प्रकार

यूवी विकिरण को इसकी वर्णक्रमीय संरचना और सामग्रियों पर संबंधित भौतिक प्रभावों के आधार पर विभेदित किया जाता है। प्राकृतिक सूर्य प्रकाश - जिसे ग्लोबल विकिरण के रूप में जाना जाता है - में मुख्यतः यूवी-ए और यूवी-बी विकिरण होता है। जबकि यूवी-ए (315–400 nm) और यूवी-बी (280–315 nm) खुले वायुमंडल में मौजूद होते हैं, यूवी-बी सामान्य खिड़की के काँच द्वारा लगभग पूर्णतः अवशोषित हो जाता है। इसका अर्थ है कि घर के भीतर केवल यूवी-ए विकिरण का घटा हुआ अनुपात ही प्रभावी होता है।

बढ़ी हुई यूवी-ए और यूवी-बी विकिरण तीव्रता के साथ किया गया परीक्षण नियंत्रित प्रयोगशाला परिस्थितियों में त्वरित प्रकाश-रासायनिक जीर्णन का अनुकरण करता है। हालाँकि, इस त्वरित जीर्णन को किसी सार्वभौमिक रूपांतरण कारक द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता है, क्योंकि यह सामग्री के प्रकार, विकिरणन की अवधि, तरंगदैर्घ्य, तापमान और आर्द्रता पर अत्यधिक निर्भर करता है।

इष्टतम परिस्थितियों (स्वच्छ आकाश, ग्रीष्म सूर्य, 45° सूर्य उन्नयन) में भूमि पर अधिकतम ग्लोबल विकिरण तीव्रता लगभग 1000–1100 W/m² होती है। यूवी घटक यूवी-ए के लिए लगभग 5 से 6 % तक और यूवी-बी के लिए लगभग 0.5 से 1 % तक होता है। इससे स्थलीय यूवी विकिरण तीव्रता के लिए विशिष्ट मान लगभग 62 W/m² (यूवी-ए) और लगभग 5.6 W/m² (यूवी-बी) प्राप्त होते हैं।

तुलना के लिए: BS-02 यूवी विकिरणन उपकरण, लगे हुए लैंपों के आधार पर, लगभग 80 W/m² तक यूवी-ए विकिरण तीव्रता और लगभग 50 W/m² तक यूवी-बी विकिरण तीव्रता उत्पन्न करता है। यूवी-बी घटक इस प्रकार प्राकृतिक सौर विकिरण की तुलना में नौ गुना तक अधिक होता है। लगभग 1000 घंटे धूप के वार्षिक ग्लोबल विकिरण समय को मानते हुए, BS-02 उपकरण के साथ लगभग 30 दिनों के बाद समतुल्य वार्षिक यूवीए विकिरण मात्रा प्राप्त की जा सकती है।

यूवी-बी रेंज में, यह गहन विकिरणन - पॉलिमर प्रकार और उसके स्थिरीकरण पर निर्भर करते हुए - जीर्णन के त्वरण कारकों को 200 गुना तक संभव बनाता है। हालाँकि, ऐसे प्रयोगशाला जीर्णन अनुकरणों की वास्तविक प्रभावशीलता का मूल्यांकन हमेशा सामग्री और अनुप्रयोग के अनुसार किया जाना चाहिए और इसके लिए तुलनात्मक विकिरणन आवश्यक है।
 

यूवी जीर्णन के उदाहरण

यह चित्र प्रकाश उत्सर्जक डायोड के उदाहरण का उपयोग करते हुए नए और जीर्ण इलेक्ट्रॉनिक घटकों के बीच तुलना को दर्शाता है। नए घटकों को बाईं ओर दिखाया गया है, जबकि 350 घंटे तक कृत्रिम यूवी जीर्णन के बाद के नमूनों को दाईं ओर दिखाया गया है। चित्र उदाहरण के रूप में जीर्णन प्रक्रिया को दर्शाता है। जीर्ण प्रकाश उत्सर्जक डायोड पीलापन और फीकापन दिखाते हैं। इसके अतिरिक्त, फीका पड़ा सुरक्षात्मक लेप आंशिक रूप से दरारयुक्त और भंगुर है।

कृत्रिम जीर्णन के लिए प्रकाश स्रोत में अंतर विशेष रूप से रोचक है। UVB-313 विकिरणन (नीचे) और फ़िल्टर किए गए ज़ीनॉन लैंप के साथ कृत्रिम मौसमीकरण (ऊपर) के बीच तुलना की गई। UVB-313 विकिरणन के लिए विकिरण की कुल मात्रा लगभग 70 MJ/m² थी और फ़िल्टर किए गए ज़ीनॉन लैंप के साथ कृत्रिम मौसमीकरण के लिए लगभग 190 MJ/m² थी।

[Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007] के अनुसार, फ्लोरोसेंट लैंप के साथ काम करने वाली मौसमीकरण विधियाँ यूवी विकिरणन के कारण नमूनों का बढ़ता हुआ पीलापन दर्शाती हैं। इसके विपरीत, ज़ीनॉन आर्क लैंप के साथ विकिरणन से नमूनों का अधिक फीकापन होता है।

दोनों विधियों के बीच एक और अंतर नमूनों के तापमान में है। फ्लोरोसेंट लैंप का उपयोग करते समय, नमूने अधिक ठंडे रहते हैं। इसका कारण यूवी स्पेक्ट्रम तक सीमित होना है, जिसका अर्थ है कि नमूने ज़ीनॉन लैंप उपकरण में उत्पन्न विकिरण तीव्रता के लगभग केवल 6% के संपर्क में आते हैं।

निम्नलिखित चित्र दो एनोडाइज़्ड एल्युमिनियम सतहों को सीधी तुलना में दिखाता है: बाईं ओर एक नया घटक, दाईं ओर उसी प्रकार का जीर्ण संस्करण।

UVB और UVA के साथ जीर्णन के बाद, जीर्ण घटक में स्पष्ट फोटोविवर्णन (विवर्णन) दिखाई देता है। यह दृश्य परिवर्तन यूवी-प्रेरित जीर्णन प्रक्रियाओं की विशेषता है जिसमें एनोडाइज़्ड परत की रंग स्थिरता प्रभावित होती है। कारण कार्बनिक रंग वर्णकों का प्रकाश-रासायनिक अपघटन के साथ-साथ यूवी विकिरण के दीर्घकालिक संपर्क के कारण ऑक्साइड परत में संरचनात्मक परिवर्तन हो सकते हैं।

औषधीय उत्पादों के प्रकाश स्थायित्व परीक्षण का संबंध अपने ही एक विनियामक प्रश्न से है और इसे ICH Q1B संबंधी विशेषज्ञ पृष्ठ पर शामिल किया गया है। यह पृष्ठ सामग्री, लेपों और रंग स्थिरता पर केंद्रित है।

ऐसे परीक्षण परिरक्षित कक्षों में परिभाषित एकरूपता और समय- या विकिरण मात्रा-नियंत्रित विकिरणन के साथ किए जाते हैं; डिज़ाइन और परीक्षण कार्यों के साथ उनके संबंधन को यूवी विकिरणन कक्ष के अंतर्गत वर्णित किया गया है। नमूना स्थिति पर निर्धारित विकिरण मात्रा को कैसे सत्यापित किया जाता है, यह यूवी मीटर और विकिरणमापी के अंतर्गत शामिल है।

प्रयोगशाला में सौर विकिरण का अनुकरण करने में कितना समय लगता है?
यह केवल विकिरण तीव्रताओं के अनुपात से ही स्पष्ट हो जाता है। जमीनी स्तर पर सूर्य लगभग 62 W/m² UVA और 5.6 W/m² UVB प्रदान करता है; प्रति वर्ष लगभग 1,000 घंटे धूप के साथ इससे वार्षिक UVA विकिरण मात्रा 223 MJ/m² और वार्षिक UVB विकिरण मात्रा 20 MJ/m² प्राप्त होती है। 80 W/m² UVA और 50 W/m² UVB वाला एक प्रयोगशाला कक्ष लगभग 775 प्रचालन घंटों में वार्षिक UVA विकिरण मात्रा प्रदान करता है, जो लगभग 32 दिनों के बराबर है, और वार्षिक UVB विकिरण मात्रा लगभग 112 घंटों में, यानी पाँच दिनों से कुछ कम समय में। इस प्रकार धूप का एक दिन लगभग दो घंटे UVA या 18 मिनट UVB के बराबर होता है। यह गणना एक विकिरण मात्रा संतुलन है; क्या वही क्षति होती है, यह केवल किसी ज्ञात संदर्भ के विरुद्ध तुलनात्मक एक्सपोज़र से ही तय होता है।

UVB के साथ त्वरित जीर्णन कितनी तेज़ी से होता है?
50 W/m² UVB वाला एक प्रयोगशाला कक्ष प्राकृतिक UVB विकिरण तीव्रता से लगभग नौ गुना अधिक तक पहुँचता है और इसे बिना रात और बिना मौसम के प्रदान करता है। प्रति वर्ष लगभग 1,000 घंटे धूप वाले बाह्य अपक्षय की तुलना में इससे लगभग 80 का त्वरण कारक प्राप्त होता है; सामग्री के आधार पर, 200 तक के कारक देखे जाते हैं। यह कारक सामग्री का कोई गुण नहीं है: श्रृंखला विखंडन, पीलापन और भंगुरता बढ़ी हुई विकिरण तीव्रता पर अलग-अलग प्रतिक्रिया करते हैं, और सामग्री-निर्भर सीमा से ऊपर ऐसे क्षति प्रतिरूप दिखाई देते हैं जो बाहर नहीं होते। इसलिए समय संकुचन केवल किसी ज्ञात संदर्भ के विरुद्ध तुलना में ही विश्वसनीय बनता है।

सूर्य की तुलना में यूवी परीक्षण कक्ष की विकिरण तीव्रता कितनी अधिक होती है?
UVA में 80 W/m² वाला एक सामान्य परीक्षण कक्ष सूर्य की तुलना में लगभग 1.3 गुना है, जो जमीनी स्तर पर लगभग 62 W/m² तक पहुँचता है। UVB में, प्राकृतिक 5.6 W/m² के मुकाबले 50 W/m² पहले से ही नौ गुना अधिक है। UVC के लिए कोई तुलना नहीं है, क्योंकि 280 nm से नीचे का विकिरण पृथ्वी की सतह तक नहीं पहुँचता – इसलिए UVC परीक्षण कोई सौर अनुकरण नहीं बल्कि एक तकनीकी भार स्थिति का परीक्षण है। इस प्रकार बताया गया प्रत्येक त्वरण कारक उस वर्णक्रमीय परास के साथ ही सार्थक होता है जिसके लिए वह दिया गया है।