CONTACT US



Color change in Accelerated Weathering Testing of PVC Plastics

Color change in Accelerated Weathering Testing of PVC Plastics

การเปลี่ยนแปลงของสีของพลาสติก Polyvinyl chloride (PVC)ในสภาวะเร่งอากาศ

ณ ปัจจุบัน เม็ดสีธรรมชาติ (organic color pigment) (inorganic color pigment) ได้ถูกใช้งานแทนเม็ดสีเทียมมากขึ้นเพราะ ในพลาสติกเช่น PVC เมื่อเม็ดสีธรรมชาติมีความปลอดภัยมากกว่าเม็ดสีเทียม แต่ประสิทธิภาพของเมล็ดสีธรรมชาตินั้นเสื่อมสภาพเร็วกว่า และมีความทนทานต่อสภาวะอากาศน้อยกว่าเม็ดสีเทียม (lightfastness)

ความทนทานต่อสภาวะอากาศของเม็ดสีพลาสติก PVC ในการตรวจกับสภาพอากาศจริงข้างนอก ตัวอย่างเช่น แสงแดดทำให้เม็ดสีพลาสติก PVC จางลงจากความเปลี่ยนแปลงของความเข้มของแสงแดดที่มาจาก UV light and visible light รวมถึง Near IR light

Weathering คือการตรวจสอบสภาพของวัสดุที่ได้สัมผัสสภาวะอากาศที่มาจากแสงแดด ความร้อน และความชื้น (มาจากฝน ละอองน้ำ และ น้ำค้าง) ที่อยู่ในอากาศ

ที่ Q-lab การตรวจสอบสภาพของวัสดุเช่น PVC นั้นควรได้ตรวจโดยสภาวะอากาศที่มาจากแสงแดดภายนอกอาคาร ในแหล่งที่ความเข้มของแสงนั้นมีมาตราฐานของค่าแสงอยู่เช่น Arizona กับ Florida และโดยสภาวะอากาศจำลองที่มาจากองค์ประกอบในเครื่อง Accelerated weathering เช่น Xenon, UV fluorescence, Condensation, Metal halide และ Solar concentrator

ใน Florida เป็นแหล่งที่ถูกเลือกสำหรับ การทดสอบ เพราะความร้อน ความชื้น ความเข้มของแสง UV จากดวงอาทิตย์นั้นมีมากกว่าที่อื่นในโลก

Accelerated Lab testing: UV fluorescence

เครื่อง Accelerated Weathering ที่ใช้แสง UV โดยมี UV lamps ที่ให้แสงในเครื่องและสามารถปรับความเข้มแสงได้ ตัวอย่างหรือวัสดุที่ใช้ตรวจนั้นบรรจุอยู่ข้างของเครื่องแนวตั้ง ตัวอย่างนั้นจะไม่ได้แตะกับประตูเลื่อนแนวข้างเพื่อให้อากาศสามารถเข้ามาในช่องระหว่างตัวอย่างกับประตูทำให้เกิดหยอดน้ำ condensation ที่อยู่บนตัวอย่าง เครื่องนี้นั้นสามารถควบคุมแสงผ่านหลอดไฟ UV fluorescence ควบคุมความร้อนที่อุณหภูมิของตัวเครื่อง และความชื้นผ่านน้ำที่หยอดน้ำ condensation

Accelerated Lab Testing: Xenon Arc (Flat Array)

เครื่อง Accelerated Weathering ตรวจโดยใช้หลอดไฟ Xenon

  • โดยแสงนั้นถูกฉายลงมาบนตัวอย่างผ่านแผ่น optical filters (4.)
  • โดยมีประเภทของ แผ่นกรองแสงอาทิตย์ (Optical Filter) หลากหลายประเภทขึ้นอยู่กับ ลักษณะของตัวอย่าง และพื้นที่ในการใช้งานจริงของตัวอย่าง (Realistic Purpose) เช่น
    1. Daylight Optical Filter (แผ่นกรองแสงอาทิตย์ให้เหมือนการใช้งานภายนอกอาคาร)
    • Daylight Q Filter (Cut on 295 nm)
    • Daylight B/B Filter (Cut on 290 nm)
    • Daylight F Filter (Cut on 295 nm)
    1. Window Daylight Optical Filter (แผ่นกรองแสงอาทิตย์ให้เสมือนการใช้งานภายในอาคาร)

    2.1 Window Q Filter (Cut on 310 nm)

    2.2 Window B/SL Filter (Cut on 300 nm)

    2.3 Window IR Filter (Cut on 320 nm)

    2.4 Window SF 5 Filter (Cut on 325 nm)

    และ 3. Extended UV Daylight Optical Filter (แผ่นกรองแสงอาทิตย์ให้เสมือนแสงแดดภายนอกอาคารแต่เพิ่ม Portion ของแสงในช่วง UV มากขึ้น

    3.1 Extended UV Q/B Filter (Out on 275 nm)

    3.2 Extended UV Quartz Filter (Cut on 250 nm)

    • ตัวอย่างนั้นได้วางอยู่บนชั้นวางที่เอียง 10 องศาเพื่อให้น้ำนั้นไหลลงมาจากตัวอย่างเมื่อถูกสเปรย์ด้วย water spray (5.) ที่พ้นน้ำเหมือนฝนที่ตกจริง
    • อุณหภูมิของตัวอย่างนั้นควบคุมโดยใช้ Black Panel Temp sensor (7.)

Light Spectrum Comparison (UV and Visible Region)

Solar Spectrum (เส้นดำ) ปริมาณความเข้มแสงของแสงแดดจริง (Outdoor Sunlight)

Daylight Filters and Extended UV (เส้นเขียวและฟ้า) ปริมาณความเข้มแสงที่มาจาก Xenon lamps ที่มี wavelength อยู่ในช่วงเดียวกันกับแสงแดด

  • Daylight Filters แสงเท่ากับ Solar spectrum
  • Extended UV เพิ่มความเข้มของ UV light ตั้งแต่ 280 nm
  • UVB-313 มีความเข้มแสงที่ 313 nm ซึ่งมากกว่าแสงแดดจริง เพราะฉะนั้นตัว UV-B มีความสามารถที่เอามาตรวจ quality control ของวัสดุได้ภายในเวลาสั้น (accelerated) แต่ควรระวังในเมื่อความเข้มของแสงนั้นไม่เสมือนแสงแดดจริง อาจจะทำให้ตัวอย่างเกิดการเสื่อมสภาพเร็วจนเกินไป
  • UVA-340 มีความเข้มแสงที่ 340 nm คล้ายแสงแดดมากกว่า UVB-313 ligh

PVC Weathering Test Program โปรเกรมที่เปรียบเทียบสภาวะ ของแสงแดดจริง (Outdoor) กับเครื่อง Fluorescent UV และ Xenon arc

  • Outdoor สภาวะของการตรวจวัสดุใช้แสงแดดจริงนั้นอยู่ที่ 57 วัน
  • สภาวะของการตรวจวัสดุใช้ Fluorescent UV ที่ใช้ความเข้มแสง UVA-340 กับ UVB-313 อยู่ที่ 200 ชม.
  • สภาวะของการตรวจวัสดุใช้ Xenon arc ที่ใช้ความเข้มแสง Daylight-Q and Extended UV-Q/B filters อยู่ที่ 200 ชม.

ผลลัพธ์ Results

  • Outdoor ที่ Cleveland กับ Florida, ไม่มีความแตกต่างมากเพราะว่าสภาวะอากาศของ Florida มีความคงที่ในสภาพอากาศและไม่ได้มีความร้อนจัดจึงสามารถเปรียบเทียบตัวอย่างที่อยู่ใน Cleveland กับ Florida
  • E = total color change การเปลี่ยนแปลงสี

ทำไมตัวอย่างที่เป็นสีชมพูมีสีที่เปลี่ยนไปมาก (variety in color change modes)

เพราะความเสื่อมสภาพของตัวอย่างนั้นเป็นที่การเปลี่ยนแปลงที่ไม่เหมือนกัน เกิดขึ้นที่

  • ความเสื่อมที่ตัวพอลิเมอร์ของพลาสติก PVC (PVC polymer degradation) ทำให้เกิด yellowing หรือสีคราบเหลืองของตัวอย่าง เพราะแสงที่ทำให้เกิดผลลัพธ์นี้เป็น UVB ที่มีพลังงานมากและมีความยาวคลื่นแสงที่สั้น
  • ความเสื่อมที่เม็ดสี (pigment degradation) ทำให้เกิด color fade หรือความจางของสีของตัวอย่าง เพราะแสงที่ทำให้เกิดผลลัพธ์นี้อยู่ในช่วง visible light หรือแสงแดด ของ Xenon
  • ความเสื่อมที่พอลิเมอร์และเม็ดสี (PVC polymer degradation and pigment degradation) นั้นคือผลลัพธ์ที่มาจากทั้งแสง UV light และ แสงแดด visible light

ตัวอย่างสีแดง

  • ตัวอย่างไม่เปลี่ยนสีเป็น yellowing มากเมื่อกระทบด้วย UVB light
  • ตัวอย่างเปลี่ยนสีจางลงมากเมื่อกระทบกับ Visible light มากกว่าตัวอย่างสีอื่น
  • สรุปได้ว่าตัวอย่างสีแดงนั้นถูกกระทบด้วยความยาวคลื่นแสงที่ยาวที่อยู่ใน Visible light มากกว่าความยาวคลื่นแสงที่สั้นใน UVB light
  • การสังเกตด้วยตานั้นสามารถเห็นถึงความแตกต่างที่ระบบ E total color change difference ได้

บทสรุป

เปรียบที่ผลลัพธ์ Florida Outdoor กับที่เครื่อง Accelerated

Florida Outdoor นั้นเปรียบเทียบด้วย Spearman’s Ranking Correlation

ผลลัพธ์ Florida Outdoor นั้นมี correlation กับผลลัพธ์จากแสงจำลองDaylight, Extended UV, และ UVA-340 (ผลใกล้เคียงกับ 1.0) แต่ไม่ใช่กับ UVB

การใช้ Spearman’s Ranking correlation ทำให้เห็นความต่างของตัวอย่างสีที่มีผลกระทบกับความคลื่นแสงยาวมากน้อยระดับไหน โดยไม่ดู UVB

สรุป

  • Accelerated weathering testing กับตัวอย่าง PVC plastics ต้องใช้ ค่าของ E (Total color change) ที่วัดตัวอย่างอยู่
    • 2 เดือนที่ Florida outdoors
    • 200 ชม. ที่ Accelerated lab ใช้ UV fluorescent chamber กับ Xenon arc lamp chamber
  • ความแตกต่างของตัวอย่างแต่ละสี (9 สี) ที่ไม่เหมือนกัน
  • Correlation การเปรียบเทียบของ accelerated กับ outdoor tests ทำให้เห็นว่า มีความใกล้เคียงในผลลัพธ์ระหว่าง outdoor tests กับ xenon (Daylight or Extended UV filter) และ UV fluorescent (UVA-340 lamps) แต่มีผลลัพธ์ที่ต่างจาก UV fluorescent (UVB-313 lamps)
  • ความเสื่อมสภาพของตัวอย่าง PVC เป็นที่เม็ดสีและตัวพลาสติก
    • สีคราบเหลือง yellowing เกิดจากคลื่นแสงที่สั้น shortwave
    • สีจางลงเกิดจากความเสื่อมในเม็ดสีที่โดนกระทบด้วยคลื่นแสงที่ยาว visible light
    • ตัวอย่างสีที่เปลี่ยนสภาพมากที่สุดคือสีแดงกับสีชมพู
    • ความแตกต่างนั้นของตัวอย่างนั้นต้องใช้การสังเกตการณ์ด้วยไม่ใช่แค่ E (Total Color Difference)
  • Correlation ที่ดีไม่ได้หมายความว่าคุณสมบัติทางกายภาพของตัวอย่างไม่เปลี่ยนไปเลย physical properties may change even with good correlation between accelerated and outdoor tests เพราะความเปลี่ยนของสีไม่เกี่ยวกับสถานะอื่น ๆของตัวอย่าง
  • ผิดจากความเข้าใจของคนธรรมดา ความเข้มแสงที่มาจาก UVA นั้นมีผลกระทบกับความเสื่อมสภาพของตัวอย่างมากกว่าแสงที่มาจาก visible light