Application des stabilisants de lumière dans les produits en plastique

Les stabilisants à la lumière sont des additifs essentiels utilisés dans les environnements extérieurs et lumineux des produits plastiques. En absorbant, en isolant ou en neutralisant l'énergie ultraviolette, ils inhibent la dégradation oxydative, la rupture des chaînes moléculaires et les réactions de réticulation des plastiques causées par les rayons ultraviolets, évitant ainsi des problèmes tels que la décoloration, la fragilité, la fissuration et la dégradation des performances mécaniques des produits. Les liaisons CC et CH des chaînes moléculaires des plastiques sont facilement endommagées par les rayons ultraviolets (en particulier le proche ultraviolet à 290-400 nm). Par exemple, les films PE sans stabilisants à la lumière peuvent devenir cassants après 6 mois d'utilisation en extérieur, tandis que leur durée de vie peut être prolongée de 3 à 5 ans après l'ajout de stabilisants à la lumière. Compatible avec la quasi-totalité des plastiques tels que le PE, le PP, le PVC, le PET, le PC, etc. Selon son mécanisme d'action, il se divise en quatre catégories : les absorbeurs d'UV, les extincteurs, les agents de protection et les capteurs de radicaux libres. Actuellement, il évolue vers une efficacité élevée, une faible migration et une multifonctionnalité, devenant la garantie principale pour les produits en plastique pour une utilisation extérieure à long terme.

1. Le mécanisme d'action principal des stabilisateurs de lumière : le blocage précis de la chaîne de vieillissement UV

Le vieillissement UV des plastiques est un processus synergique de dégradation photo-oxydative. Le rayonnement UV déclenche d'abord la rupture des chaînes moléculaires pour produire des radicaux libres, qui réagissent avec l'oxygène pour accélérer la dégradation. Les stabilisateurs de lumière interviennent à différentes étapes pour constituer un système de protection complet de la chaîne :

1. Absorbeurs UV : absorbent l'énergie et la convertissent

Les absorbeurs ultraviolets (UVA) peuvent absorber sélectivement la lumière ultraviolette à 290-400 nm, convertissant l'énergie lumineuse en énergie thermique inoffensive pour la libération, évitant ainsi l'excitation UV des chaînes moléculaires plastiques

Produits représentatifs : Benzotriazole (UV-327, UV-326), Benzophénone (UV-531) ;

Voie d'action : Les groupes chromogènes dans la structure moléculaire (tels que les cycles triazole et les carbonyles) capturent l'énergie ultraviolette et la convertissent en énergie thermique par vibration intramoléculaire, maintenant ainsi leur structure stable et leur permettant de fonctionner de manière cyclique ;

Scénario d'adaptation : Produits en plastique transparent (tels que les bouteilles de boissons en PET, les abat-jour en PC) qui n'affectent pas la transparence du produit.

2. Agent d'extinction : Transfert d'énergie de l'état excité

Les agents de trempe (tels que les complexes de nickel) agissent principalement sur les molécules plastiques (molécules à l'état excité) qui ont été excitées par la lumière ultraviolette, les ramenant à leur état fondamental par transfert d'énergie et évitant la rupture de la chaîne moléculaire :

Produits représentatifs : dibutyldithiocarbamate de nickel, complexe de nickel UV-1084 ;

Voie d'action : Entre en collision avec des molécules à l'état excité plastique, capture leur énergie à l'état excité et la libère sous forme d'énergie vibrationnelle, formant ainsi une structure complexe stable à elle seule ;

Scénario d'adaptation : les produits en plastique de couleur foncée (tels que les pare-chocs de voiture en PP noir) ont une forte résistance aux intempéries mais une faible transparence et ne conviennent pas aux produits transparents.

3. Agent de protection : bloque physiquement les rayons ultraviolets

Les agents de protection empêchent les rayons ultraviolets de pénétrer à l’intérieur des plastiques en les réfléchissant ou en les dispersant, formant ainsi une barrière protectrice physique :

Produits représentatifs : Noir de carbone, dioxyde de titane, nanoparticules d’oxyde de zinc ;

Voie d'action : Le noir de carbone assure la protection en absorbant les ultraviolets, tandis que le dioxyde de titane et l'oxyde de zinc exercent leurs effets en les diffusant. Les particules nanométriques peuvent réduire l'impact sur les propriétés mécaniques du produit.

Scénario d'adaptation : Produits en plastique opaque (tels que les tuyaux d'alimentation en eau en PE, les tuyaux en PVC), à faible coût mais pouvant changer la couleur du produit.

4. Piégeur de radicaux libres : met fin à la réaction de dégradation en chaîne

Les capteurs de radicaux libres (tels que les stabilisateurs de lumière à base d'amine encombrée HALS) ciblent la réaction en chaîne des radicaux libres induite par le rayonnement ultraviolet, capturant et éliminant les radicaux libres et bloquant le cycle de dégradation :

Produits représentatifs : HALS 770, HALS 944 ;

Voie d'action : Il se combine aux radicaux libres générés par la dégradation du plastique pour former des radicaux libres d'azote et d'oxygène stables, tout en se régénérant pour capturer en continu et avoir une fonction antioxydante ;

Scénarios d'adaptation : Divers produits en plastique, notamment ceux adaptés à une utilisation extérieure à long terme (tels que les films agricoles, les matériaux de construction extérieurs), avec une efficacité de protection élevée.

2. Types de stabilisateurs de lumière courants et plastiques compatibles : correspondance précise des caractéristiques et des scénarios

Les différents stabilisants lumière présentent des différences significatives en termes de transparence, de résistance à la chaleur, de compatibilité et de toxicité. Le choix doit être basé sur le type de plastique et le contexte d'application (exigences de transparence, contact alimentaire, utilisation en extérieur, etc.). Les quatre principales catégories sont les suivantes :

1. Absorbeurs UV (UVA) : préférés pour les produits transparents, faible toxicité et utilisation universelle

Les absorbeurs UV sont les stabilisants de lumière les plus utilisés. Ils présentent une faible toxicité (conformes généralement aux normes de contact alimentaire), une bonne compatibilité et n'ont aucun impact sur la transparence du produit. Leur quantité d'ajout est généralement comprise entre 0,1 % et 0,5 %.

Classe benzotriazole : excellente résistance à la chaleur (température de traitement ≤ 280 ℃), efficacité d'absorption UV élevée, convient pour PE, PP, PET, PC ;

Applications typiques : bouteilles de boissons en PET, coques d'ordinateurs portables, boîtes de repas en PP transparentes, peuvent empêcher les produits de jaunir et de se décolorer.

Benzophénones : Faible coût, résistance modérée aux intempéries, convient au PVC, PE, ABS ;

Applications typiques : film PVC, coque d'appareil électroménager ABS, l'inconvénient est qu'il est sujet à la volatilisation à haute température et la température de traitement doit être contrôlée.

2. Stabilisateur de lumière à base d'amine encombrée (HALS) : protection longue durée, intégration multifonctionnelle

HALS est actuellement le stabilisant à la lumière le plus efficace pour la protection, combinant stabilité à la lumière et propriétés antioxydantes. Il offre une excellente performance à long terme (la durée de protection en extérieur peut atteindre 5 à 10 ans), et sa quantité ajoutée est généralement comprise entre 0,2 % et 1,0 %.

HALS de faible poids moléculaire (tel que 770) : bonne compatibilité, action rapide, adapté au PE et au PP ;

Applications typiques : film agricole PE, sacs tissés PP, l'inconvénient est que le taux de migration est élevé et l'effet protecteur se détériore après une utilisation à long terme.

HALS de haut poids moléculaire (tel que 944) : faible mobilité, performances exceptionnelles à long terme, adapté au PET, PC, PA ;

Applications typiques : tuyaux en PET, abat-jours extérieurs en PC, pièces automobiles en PA, peuvent répondre aux besoins de protection à long terme des produits haut de gamme.

3. Agent de trempe : spécialisé pour les produits de couleur foncée, avec une forte résistance aux intempéries

Les agents de trempe sont principalement utilisés pour les produits en plastique foncé, offrant une protection élevée mais une faible transparence. Leur quantité ajoutée est généralement comprise entre 0,1 % et 0,3 %.

Produits représentatifs : Complexes de nickel, adaptés au PP, PE, PVC ;

Applications courantes : pare-chocs de voiture en PP noir, conduites d'alimentation en eau en PE foncé. L'inconvénient est que certains complexes de nickel sont toxiques et leur utilisation est limitée au contact alimentaire.

4. Agent de protection : protection à faible coût, adaptée aux produits opaques

Les agents de protection sont peu coûteux et offrent un effet protecteur direct, avec une quantité d'ajout typique de 1 à 5 %. Cependant, ils peuvent modifier la couleur du produit et altérer ses propriétés mécaniques.

Noir de carbone : possède une forte capacité d'absorption des UV et possède également une fonction antioxydante, adapté au PE et au PP ;

Applications typiques : tuyau d'irrigation goutte à goutte agricole en PE noir, poubelle extérieure en PP, sans vieillissement évident après plus de 3 ans d'utilisation en extérieur.

Nanooxydes (TiO₂, ZnO) : diffusent la lumière ultraviolette, peuvent être utilisés pour les produits de couleur claire, adaptés au PVC et à l'ABS ;

Applications typiques : Profilés de portes et fenêtres en PVC de couleur claire, équipements de fitness d'extérieur en ABS, nécessité de contrôler la dispersion des particules pour éviter d'affecter la résistance du produit.

3. Pratique d'application des stabilisants à la lumière dans les principaux produits plastiques : conception de formules basées sur des scénarios

L'environnement d'utilisation et les exigences de performance des différents produits plastiques varient considérablement. La formulation des stabilisants à la lumière doit être personnalisée en fonction du type de plastique, de l'intensité lumineuse, de la durée de vie et des exigences d'aspect. Voici quelques exemples :

1. Produits en polyoléfine (PE, PP) : protection du noyau pour les produits d'extérieur

Le PE et le PP sont les matériaux les plus courants pour les produits plastiques d'extérieur, sensibles au vieillissement dû aux UV. Le système de composés "UVA+HALS", couramment utilisé, renforce l'effet protecteur.

Film agricole PE :

Formule : UV-327 (0,2 %) + HALS 770 (0,3 %) + antioxydant 1010 (0,15 %) ;

Effet : Après 12 mois d'utilisation en extérieur, le taux de rétention de la transmission de la lumière est supérieur à 85 % et le taux de rétention de la résistance à la traction est supérieur à 70 %, évitant les fissures prématurées et garantissant les besoins de croissance des cultures.

Pare-chocs de voiture en PP :

Formule : HALS 944 (0,5 %) + UV-531 (0,2 %) + antioxydant 168 (0,2 %) ;

Effet : Utilisation extérieure pendant 3 ans sans décoloration ni fissuration, avec un taux de rétention de résistance aux chocs supérieur à 80 %, répondant aux exigences de résistance aux intempéries des composants automobiles.

2. Produits en plastique technique (PET, PC) : équilibre entre transparence et efficacité à long terme

Les plastiques techniques tels que le PET et le PC sont couramment utilisés dans les produits transparents, qui nécessitent une transparence élevée et une résistance à la chaleur des stabilisants à la lumière.

Bouteille de boisson en PET :

Formule : UV-326 (0,15 %) + antioxydant 1010 (0,2 %) ;

Effet : Il prévient la détérioration de la boisson due aux rayons ultraviolets et le jaunissement de la bouteille. Après six mois de stockage, la transmission lumineuse devrait être supérieure à 90 %.

Abat-jour extérieur PC :

Formule : UV-327 (0,3 %) + HALS 944 (0,4 %) ;

Effet : Résistant aux rayons ultraviolets extérieurs pendant 5 ans, avec un taux de rétention de transmission de plus de 80 %, sans fissures ni décoloration, garantissant l'efficacité de l'éclairage.

3. Plastiques en contact avec les aliments : faible migration et faible toxicité comme principes fondamentaux

Les plastiques en contact avec les aliments (tels que les boîtes à lunch en PP et les films plastiques en PE) ont des exigences strictes en matière de toxicité et de migration des stabilisants à la lumière, et les produits conformes aux normes GB 4806.6 et UE n° 10/2011 doivent être sélectionnés.

Boîte repas micro-ondes PP :

Formule : UV-327 (0,1 %) + antioxydant 1010 (0,1 %) ;

Effet : Résistant aux rayons ultraviolets avec un taux de migration inférieur à 0,01 mg/kg, répondant aux normes de sécurité alimentaire et aucune substance nocive libérée lors du chauffage au micro-ondes.

Film de conservation des aliments en PE :

Formule : UV-531 (0,08 %) + antioxydant 1076 (0,08 %) ;

Effet : Se conserve 3 mois à température ambiante sans vieillissement ni fragilité, sans risque de migration au contact des aliments, garantissant la fraîcheur des aliments.

4. Matériaux de construction et produits en plastique : durables et résistants, adaptés aux environnements extrêmes

Les matériaux de construction en plastique (comme les portes et fenêtres en PVC et les conduites d'eau en PE) doivent résister longtemps aux températures extérieures extrêmes, à l'humidité et aux rayons ultraviolets. La formule des stabilisants à la lumière privilégie la durabilité et la résistance aux intempéries.

Profilés de portes et fenêtres en PVC :

Formule : Noir de carbone (2 %) + UV-531 (0,3 %) + stabilisant thermique composite calcium-zinc (2 %) ;

Effet : Il n'y a pas de vieillissement significatif après 10 ans d'utilisation en extérieur et le taux de rétention de la résistance à la traction est supérieur à 65 %, répondant à certaines exigences pour une durée de vie de 50 ans des matériaux de construction.

Conduite d'alimentation en eau PE (section enterrée + extérieure) :

Formule : HALS 944 (0,6 %) + noir de carbone (3 %) + antioxydant 1010 (0,2 %) ;

Effet : La section extérieure est résistante aux rayons ultraviolets, la section enterrée est résistante à la corrosion microbienne et la durée de vie globale est jusqu'à 50 ans.

4. Tendances de développement des stabilisateurs de lumière : haute efficacité, protection de l'environnement et multifonctionnalité

Avec le développement des applications plastiques vers le haut de gamme (comme les véhicules à énergie nouvelle, les matériaux de construction haut de gamme) et la protection de l'environnement (plastiques biodégradables), les stabilisants à la lumière doivent dépasser les limites traditionnelles et présenter trois tendances fondamentales pour l'avenir :

1. Type de migration efficace et faible : adapté aux scénarios haut de gamme

Les stabilisants à la lumière traditionnels ont tendance à migrer à des températures élevées ou lors d'une utilisation prolongée, ce qui diminue leur efficacité protectrice. À l'avenir, nous nous concentrerons sur le développement de stabilisants à la lumière réactifs et de haut poids moléculaire :

Les HALS de poids moléculaire élevé (poids moléculaire 2000) réduisent la migration par enchevêtrement de la chaîne moléculaire, et la quantité de migration dans les pièces automobiles en PP est 80 % inférieure à celle des HALS ordinaires ;

Les stabilisants de lumière réactifs (tels que les UVA contenant des groupes acrylates) peuvent subir des réactions chimiques avec les chaînes moléculaires plastiques, résolvant fondamentalement les problèmes de migration et s'adaptant aux scénarios d'emballage alimentaire et pharmaceutique.

2. Stabilisants de lumière biosourcés : en phase avec les politiques vertes

Un stabilisateur de lumière biosourcé fabriqué à partir d'extraits de plantes tels que l'extrait de romarin et les dérivés de polyphénols de thé, avec une toxicité et une biodégradabilité extrêmement faibles, conformément à la politique "dual carbon" :

Le stabilisateur de lumière à base d'extrait de romarin est utilisé pour les films agricoles PE, avec un effet protecteur équivalent à l'UV-327, et peut être biodégradé après élimination sans résidu environnemental ;

Les stabilisants à la lumière dérivés du polyphénol du thé conviennent aux emballages alimentaires en PP, tout en possédant également des fonctions antibactériennes, élargissant ainsi leur valeur d'application.

3. Intégration multifonctionnelle : simplification des formules et réduction des coûts

Le système de protection traditionnel nécessite une combinaison de stabilisateur de lumière + antioxydant + stabilisateur de chaleur, et à l'avenir, des additifs intégrés multifonctionnels seront développés :

Les HALS contenant des groupes antioxydants peuvent assurer simultanément la photostabilité et les fonctions antioxydantes. Dans les produits d'extérieur en PE, la quantité totale d'additifs ajoutés est réduite de 1,0 % à 0,6 % ;

L'additif composite antibactérien stabilisé à la lumière est utilisé pour les équipements de fitness extérieurs ABS, qui non seulement résistent au vieillissement UV mais inhibent également la croissance bactérienne, améliorant ainsi la valeur ajoutée du produit.

5. Résumé : Stabilisateurs de lumière - le code de longévité " pour les applications extérieures en plastique

Des films plastiques PE et boîtes repas PP aux tubes PET industriels, en passant par les composants électroniques PC, les portes et fenêtres extérieures en PVC et les films agricoles PE, les stabilisants lumière bloquent précisément la chaîne de vieillissement UV, garantissant ainsi la stabilité des performances et la durée de vie des produits plastiques dans des environnements lumineux. Ce ne sont pas seulement des additifs anti-vieillissement, mais ils ont également un impact direct sur l'économie (allongement de la durée de vie et réduction des coûts de remplacement), la protection de l'environnement (réduction des déchets plastiques) et la sécurité (évitement des substances nocives liées au vieillissement et à la dégradation) des produits plastiques. À l'avenir, les avancées dans la recherche et le développement de stabilisants lumière biosourcés, multifonctionnels et à haute efficacité et à faible migration favoriseront le développement durable et écologique de l'industrie du plastique, s'adapteront à des applications plus haut de gamme et constitueront un soutien solide à l'expansion des produits plastiques en extérieur.