UV-Blindage PE & PP: Modification pour une transparence et une durabilité élevées
Dans le domaine des sciences des matériaux, les matériaux polymères qui combinent une haute transmission de la lumière visible avec des capacités de protection contre les ultraviolets (UV) sont largement utilisés dans divers domaines tels que la conservation de l'énergie des bâtiments, les couvertures agricoles et la protection des emballages, car ils peuvent simultanément répondre aux besoins de transmission de la lumière et de prévention des dommages UV.
Parmi ces polymères, le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP), en tant que plastiques d'usage général avec de grands volumes de production, des coûts faibles et une excellente aptitude au traitement, sont devenus des variétés clés pour les applications industrielles grâce à leur avantage de rentabilité après avoir atteint la "transmission de la lumière visible et le blocage des UV" grâce à une modification avancée.
Leurs caractéristiques principales proviennent de la modification synergique de la conception de structures micro-nano et des additifs fonctionnels, permettant d'obtenir des effets optiques sélectifs en contrôlant précisément le comportement d'absorption et de transmission des différentes longueurs d'onde de la lumière. Ce qui suit se concentre sur une explication détaillée des principes de modification, des avantages de performance et des scénarios d'application du PE et du PP.
Le polyéthylène modifié (PE) est l'une des variétés les plus largement utilisées parmi ces plastiques d'usage général. Le PE pur lui-même a une bonne transmission de la lumière visible (le PE basse densité peut atteindre une transmission de plus de 85 %), mais les liaisons C-C dans la chaîne moléculaire sont facilement endommagées par les radiations UV, entraînant le vieillissement et la fragilité du matériau, et sa capacité naturelle de blocage des UV est relativement faible. Pour atteindre une protection contre les UV, l'industrie a développé deux approches technologiques principales : la "modification par mélange d'additifs" et la "modification de structure micro/nano".
La modification par mélange d'additifs consiste principalement à mélanger des absorbeurs UV avec le PE (polyéthylène) lors de la fusion. Les absorbeurs couramment utilisés incluent les benzotriazoles et les salicylates. Ces absorbeurs absorbent sélectivement les radiations UV dans la plage de longueurs d'onde de 290-400 nm et les convertissent en chaleur inoffensive, sans affecter la transmission de la lumière visible.
Par exemple, les films LDPE contenant 0,3 % à 0,8 % d'absorbeurs de benzotriazole peuvent bloquer plus de 95 % des radiations UV en dessous de 380 nm tout en maintenant une transmission de la lumière visible supérieure à 80 %, ce qui les rend largement utilisés dans les couvertures de serres agricoles et les films d'emballage extérieur.
La modification de structure micro/nano est une solution haut de gamme pour améliorer la résistance aux UV et l'intégration multifonctionnelle du PE. En utilisant des procédés tels que le moulage assisté par papier de verre, le dépôt en phase vapeur et les méthodes de gabarit pour construire des textures micro/nano sur la surface du film PE, ou en incorporant des agents de protection à l'échelle nanométrique (tels que la silice pyrogénée et l'oxyde de zinc nano), l'effet de protection peut être renforcé de manière synergique grâce à l'effet de diffusion de la lumière des structures micro/nano et à l'effet d'absorption UV des nanoparticules.
Par exemple, le film composite PE revêtu de silice pyrogénée développé par l'équipe de recherche atteint non seulement une transmission de la lumière visible de plus de 70 % et un taux de blocage des UV de 90 %, mais il possède également une émissivité élevée de 84,6 % grâce à sa structure micro-nano. Cette émissivité réduit les températures intérieures ou des zones couvertes grâce au refroidissement radiatif, entraînant des économies d'énergie annuelles pouvant atteindre 261 MJ/m² lorsqu'il est appliqué aux films translucides pour bâtiments. De plus, ce type de PE modifié peut être encore amélioré avec des antioxydants et des agents anti-vieillissement pour améliorer sa durabilité extérieure à long terme et résoudre le problème du vieillissement du PE pur.
Le polypropylène modifié (PP), avec sa rigidité supérieure et sa résistance à la chaleur, est devenu un matériau complémentaire important au PE. Bien que le PP pur ait une transmission de la lumière visible légèrement inférieure à celle du PE (environ 80 %-83 %), la présence de groupes méthyle dans sa chaîne moléculaire le rend moins résistant au vieillissement UV et plus sujet à la rupture de chaîne et au jaunissement en cas d'exposition prolongée aux UV.
Le cœur de la modification résistante aux UV pour le polypropylène (PP) réside dans la "modification du substrat + la fonctionnalisation de surface". La modification du substrat utilise principalement une combinaison de copolymérisation et de mélange d'additifs : la copolymérisation du propylène avec une petite quantité d'éthylène améliore la résistance et l'uniformité de la transmission de la lumière du PP.
Ensuite, un système complexe de stabilisateurs de lumière amine entravée (HALS) et d'absorbeurs de benzotriazole est ajouté. Les stabilisateurs de lumière amine entravée capturent les radicaux libres générés lors du photovieillissement, inhibant les réactions en chaîne et atteignant de manière synergique un blocage UV à large bande (290-410 nm) avec les absorbeurs.
La fonctionnalisation de surface améliore encore l'efficacité du blocage UV et les propriétés de surface du PP. Les procédés courants incluent le traitement au plasma suivi d'un revêtement résistant aux UV et l'évaporation sous vide de films nano-oxydes.
Par exemple, après activation plasma de la surface du PP, le revêtement avec un revêtement acrylique contenant du nano-ATO (oxyde d'étain dopé à l'antimoine) peut augmenter le taux de blocage UV du film PP à plus de 92 % tout en maintenant une transmission de la lumière visible au-dessus de 75 %, tout en conférant des propriétés anti-salissures et résistantes à l'usure.
Le polypropylène modifié (PP), grâce à sa haute rigidité et sa haute résistance à la chaleur (la température de déformation thermique peut atteindre environ 100 °C), est largement utilisé dans les pare-soleil extérieurs, les pièces intérieures transparentes pour automobiles et les conteneurs d'emballage alimentaire extérieurs. Comparé au PE, le PP modifié est plus adapté aux applications de milieu à haut de gamme nécessitant une résistance structurelle, formant une fonction complémentaire.
La fonction de protection UV des PE et PP modifiés repose essentiellement sur le principe de la "photolyse sélective", c'est-à-dire, grâce à l'absorption d'additifs ou à la diffusion de structure micro/nano, en ciblant précisément la bande UV de 290-400 nm tout en assurant une haute transmission dans la bande de lumière visible de 400-800 nm.
Dans les applications industrielles, les technologies de modification pour les deux mettent l'accent sur la conception synergique de "protection UV + anti-vieillissement + intégration multifonctionnelle", telles que la "résistance aux UV + refroidissement radiatif" du PE et la "résistance aux UV + résistance aux taches et à l'usure" du PP, élargissant les scénarios d'application grâce à l'intégration de multiples propriétés.
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