En la química, la fotooxidación (a veces: la fotodegradación oxidativa ) es la degradación de una superficie de polímero debido a la acción combinada de la luz y el oxígeno . Oplasters .
Se han desarrollado tecnologías para acelerar e inhibir este proceso .
Polímeros susceptibles
La susceptibilidad a la fotooxidación varía según la estructura química del polímero. El cloruro ( PVC ) y las poliolefinas como el polipropileno ( PP ) y el polietileno ( PE ) son altamente susceptibles .
La fotooxidación es una forma de fotodegradación y comienza con la formación de radicales libres en la cadena de polímeros, que luego reacciona con el oxígeno en las reacciones de la cadena . ) del polímero y, como consecuencia, el material se vuelve más frágil .
Iniciación El proceso de generar el radical libre inicial.
Propagación la conversión de una especie activa en otra.
Los pasos de ramificación de la cadena que terminan con más de una especie activa que se produce .
Pasos de terminación en los que se eliminan las especies activas, por ejemplo, por desproporción radical
La fotooxidación puede ocurrir simultáneamente con otros procesos como la degradación térmica , y cada uno de estos puede acelerar el otro.
Poliolefinas
Las poliolefinas como el polietileno y el polipropileno son susceptibles a la fotooxidación y alrededor del 70% de los estabilizadores de luz producidos en todo el mundo se utilizan en su protección, a pesar de que solo representan alrededor del 50% de la producción de plástico global de [1], sin embargo, los hidrocarburos alifáticos de la tierra y los rayos de mínimo de la tierra , con los rayos de mínimo de la tierra, con los rayos
de mínimo de la tierra, con los rayos de mínimo de la tierra . Ser 280–290 nm.
Todas estas especies actúan como fotoiniciadores . La
iation genera carbones radicales en la cadena de polímeros , a veces llamados macroradicales ( P • ) .
Iniciación de la cadena
Propagación en cadena
Ramificación de cadena
Terminación
Clásicamente, los macrorradicales centrados en el carbono (P•) reaccionan rápidamente con el oxígeno para formar radicales hidroperoxilo (POO•), que a su vez abstraen un átomo de H de la cadena polimérica para dar un hidroperóxido (POOH) y un macrorradical nuevo. Los hidroperóxidos experimentan fácilmente fotólisis para dar un radical macroradical alcoxilo (PO•) y un radical hidroxilo (HO•), los cuales pueden continuar para formar nuevos radicales poliméricos a través de la abstracción de hidrógeno. Se han propuesto alternativas no clásicas a estos pasos. [11] El radical alcoxilo también puede sufrir una escisión beta , [12] generando una acilcetona y un macrorradical. Esta se considera la principal causa de la rotura de la cadena en el polipropileno. [13]
Los hidroperóxidos secundarios también pueden sufrir una reacción intramolecular para dar un grupo cetona, aunque esto se limita al polietileno. [1] [14] [15] [16]
Las cetonas generadas por estos procesos son fotografiadas , aunque mucho más débiles .
Poliestireno
Para el poliestireno, el mecanismo completo de la fotooxidación sigue siendo una cuestión de debate, ya que diferentes vías pueden operar simultáneamente
[ 20] y variar de acuerdo con la longitud de onda de la luz incidente .
El poliestireno puro no debe ser capaz de absorber la luz con una longitud de onda por debajo de ~ 280 nm y se explica el inicio a través de las impurezas fotográficas (hidroperóxidos) y los complejos de transferencia de carga, [ 23], todos los cuales son capaces de absorber la luz solar normal en los complejos de transmisión de oxígeno y poliestireno , los grupos de fenilo de poliestreno de la luz . ER (cf acetofenona ) también absorbe la luz en el rango ultravioleta cercano ( 300 a 400 nm), formando cetonas excitadas capaces de abstraer átomos de hidrógeno directamente del polímero.
Estos pasos de iniciación generan macroradical en los sitios terciarios, ya que están más estabilizados. enone ) y un alqueno terminal sin la formación de radicales adicionales.
Se observa que el poliestireno se vuelve amarillo durante la fotooxidación, lo que se atribuye a la formación de polienos a partir de estos alquenos terminales. [25]
Cloruro de polivinilo (PVC)
Los organocloridos puros como el cloruro de polivinilo (PVC) no absorben ninguna luz por encima de 220 nm. La concentración de carbonilo aumenta , [ 30 ] como tales carbonilos pueden convertirse en el iniciador
principal con el tiempo.
Los pasos de propagación implican el radical hidroperoxilo, que puede abstraer hidrógeno a partir de hidrocarburos (-Ch 2- ) y organocloruro (-Ch 2 Cl-) en los sitios de polímero a velocidades comparables a las tasas comparables. de polienos en reacciones similares a la cremallera .
Cuando los polienos contienen al menos ocho enlaces dobles conjugados, se vuelven coloreados, lo que lleva a un color amarillento y al marrón eventual del material . YL Radical .
Poli(tereftalato de etileno) - (PET)
A diferencia de la mayoría de los productos de polietileno de los productos básicos ( PET ) es capaz de absorber los rayos ultravioleta cercanos a la luz solar. La química de la ión es complicada debido a la fotodisociación simultánea ( es decir , no involucrar oxígeno) y las reacciones de la fotoxidación de las partes aromáticas y alifáticas de la molécula de la molécula son el proceso dominante, con la ramificación de la cadena y la formación de la impureza de color más común.
Los poliésteres como el polibutileno tereftalato y el naftalato de polietileno proceden de manera similar .
La fotodisociación implica la formación de una unidad de ácido tereftálico excitada que experimenta reacciones de Norrish . La reacción de tipo I es la dominante, que provoca la escisión de la cadena en la unidad carbonílica para dar lugar a una gama de productos. [1] [38]
Las reacciones de Norrish de tipo II son menos comunes, pero dan lugar al acetaldehído a través de ésteres de alcohol vinílico. [36] Este tiene un umbral de olor y sabor extremadamente bajo y puede causar un sabor desagradable en el agua embotellada. [39]
Los radicales formados por la fotólisis pueden iniciar la fotooxidación en PET .
Factores secundarios
Ambiente
Quizás sorprendentemente , el efecto de la temperatura es a menudo mayor que el efecto de la exposición a los rayos UV. No se degradaré por fotooxidación en absoluto, aunque pueden decaer gradualmente por otros procesos .
El estrés mecánico puede afectar la velocidad de la fotooxidación [ 42 ] y también puede acelerar la ruptura física de los objetos plásticos .
El uso de tales aditivos ha sido controvertido debido a las preocupaciones de que los plásticos tratados no se biodegradan por completo y, en su lugar, dan como resultado la formación acelerada de los microplásticos . Se prohibieron los aditivos de odegradación en la UE en 2019 [ 50 ]
Prevención
El ataque UV por la luz solar se puede mejorar o prevenir agregando estabilizadores de polímeros anti-UV , generalmente antes de dar forma al producto mediante el moldeo de inyección . Se utilizan diferentes estabilizadores UV dependiendo del sustrato, la vida funcional prevista y la sensibilidad a la degradación de los rayos UV , como los benzofenones , el trabajo absorbe la radiación UV y evita la formación de los radicales libres .
Con frecuencia, el vidrio puede ser una mejor alternativa a los polímeros cuando se trata de la degradación de los rayos UV.
El poli (etileno-naftalato) (PEN) puede protegerse aplicando un recubrimiento de óxido de zinc, que actúa como una película protectora que reduce la difusión de oxígeno .
Análisis
Pruebas climáticas de polímeros
La fotooxidación de polímeros se puede investigar mediante pruebas climáticas naturales o aceleradas. [53] Estas pruebas son importantes para determinar la vida útil esperada de los artículos plásticos, así como el destino de los desechos plásticos .
En las pruebas de clima natural, las muestras de polímeros están directamente expuestas al clima abierto durante un período de tiempo continuo, [54], mientras que las pruebas meteorológicas aceleradas usan una cámara de prueba especializada que simula la meteorización mediante el envío de una cantidad controlada de luz UV y agua en una muestra de una muestra puede ser ventajosa en que las condiciones de la riencia exacta. es menos lento.
A través de las pruebas meteorológicas, se puede determinar el impacto de los procesos fotooxidativos en las propiedades mecánicas y la vida útil de las muestras de polímeros. Las fracturas , y a partir de esta curva de tensión -deformación, se pueden determinar las propiedades mecánicas como el módulo de jóvenes .
Además de medir el impacto de la degradación en las propiedades mecánicas, la tasa de degradación de las muestras de plástico también se puede cuantificar midiendo el cambio en la masa de una muestra a lo largo del tiempo, ya que los fragmentos microplásticos pueden romperse del material bulto a medida que avanza la degradación y el material se vuelve más frágil a través de la escisión de la cadena .
Los modelos matemáticos también se pueden crear para predecir el cambio en la masa de una muestra de polímero sobre el proceso de meteorización .
Aquí, la densidad y K D se conocen como la tasa de degradación de la superficie específica (SSDR), que cambia dependiendo de la composición química de la muestra de polímero y el entorno de meteorización, para una muestra microplástica, SA a menudo se acerca a la superficie de un cilindro o una esfera.
Detección
La degradación se puede detectar antes de que se observen grietas graves en un producto mediante el uso de espectroscopia infrarroja [58] , que es capaz de detectar especies químicas formadas por fotooxidación. En particular, las especies peroxi y los grupos carbonilo tienen bandas de absorción distintas.
En el ejemplo que se muestra a la izquierda, los grupos de carbonilo se detectaron fácilmente por la espectroscopía IR de una película delgada .
Los efectos de la degradación también se pueden caracterizar a través de la microscopía electrónica de barrido (SEM ) . Sin embargo, contra la fotooxidación en comparación con otros materiales como LDPE y PP.
^ Irradiancia espectral solar (1ª ed.). Viena: Commission internationale de l'éclairage. 1989.ISBN9783900734220.
^ Amin, MU; Scott, G.; Tillekeratne, LMK (enero de 1975). "Mecanismo del proceso de fotoiniciación en polietileno". European Polymer Journal . 11 (1): 85–89. Bibcode :1975EurPJ..11...85A. doi :10.1016/0014-3057(75)90179-2.
^ Ab Grause , Guido ;
^ Allen , Norman S .;
^ Osawa, Zenjiro (enero de 1988). "El papel de los metales y los desactivadores de metales en la degradación de polímeros". Degradación y estabilidad de polímeros . 20 (3–4): 203–236. doi :10.1016/0141-3910(88)90070-5.
^ Chien, JCW (diciembre de 1965). "Sobre la posible iniciación de la fotooxidación por excitación por transferencia de carga". The Journal of Physical Chemistry . 69 (12): 4317–4325. doi :10.1021/j100782a040.
^ Smith , Leesa M .; ID 30016062. S2CID 51679950 .
^ Gray , Peter ;
^ Carlsson, DJ; Wiles, DM (noviembre de 1969). "La fotodegradación de películas de polipropileno. III. Fotólisis de hidroperóxidos de polipropileno". Macromolecules . 2 (6): 597–606. Bibcode :1969MaMol...2..597C. doi :10.1021/ma60012a007.
^ Costa, L.; Luda, MP; Trossarelli, L. (enero de 1997). "Polietileno de peso molecular ultraalto—II. Fotooxidación y oxidación térmica" (PDF) . Degradación y estabilidad de polímeros . 58 (1–2): 41–54. doi :10.1016/S0141-3910(97)00010-4.[ enlace muerto ]
^ Gugumus, F. (enero de 1990). "Contribución a la fotólisis de hidroperóxidos en polietileno". Degradación y estabilidad de polímeros . 27 (1): 19–34. doi :10.1016/0141-3910(90)90094-N.
^ Gugumus, F. (marzo de 1988). "Contribución a la fotooxidación del polietileno". Angewandte Makromolekulare Chemie . 158 (1): 151-176. doi :10.1002/apmc.1988.051580108.
^ Hartley , GH ;
^ Rabek, JF; ??anby, B. (enero de 1975). "El papel del oxígeno singlete en la degradación fotooxidativa y la fotoestabilización de polímeros". Ingeniería y ciencia de polímeros . 15 (1): 40–43. doi :10.1002/pen.760150107.
^ ab Yousif, Emad; Haddad, Raghad (diciembre de 2013). "Fotodegradación y fotoestabilización de polímeros, especialmente poliestireno: revisión". SpringerPlus . 2 (1): 398. doi : 10.1186/2193-1801-2-398 . PMC 4320144 . PMID 25674392.
^ Kuzina, SI; Mikhailov, AI (diciembre de 1993). "La fotooxidación de polímeros: 1. Iniciación de la fotooxidación del poliestireno". European Polymer Journal . 29 (12): 1589–1594. Bibcode :1993EurPJ..29.1589K. doi :10.1016/0014-3057(93)90250-J.
^ Gardette, Jean-Luc; Mailhot, Bénédicte; Lemaire, Jacques (enero de 1995). "Mecanismos de fotooxidación de polímeros estirénicos". Degradación y estabilidad del polímero . 48 (3): 457–470. doi :10.1016/0141-3910(95)00113-Z.
^ Ab Rabek , Jan F .; 170120203 .
^ Ab Ranby , B .;
^ ab Geuskens, G.; Baeyens-Volant, D.; Delaunois, G.; Lu-Vinh, Q.; Piret, W.; David, C. (1 de enero de 1978). "Fotooxidación de polímeros—I: Un estudio cuantitativo de las reacciones químicas resultantes de la irradiación de poliestireno a 253,7 nm en presencia de oxígeno". Revista Europea de Polímeros . 14 (4): 291–297. Código Bibliográfico :1978EurPJ..14..291G. doi :10.1016/0014-3057(78)90051-4.
^ Starnes , William H. ( 3 de mayo de 2005 ) .
^ Adeniyi, Jacob B.; Scott, Gerald (1 de enero de 1987). "Los efectos de los defectos estructurales en la estabilidad del poli(cloruro de vinilo): una revisión crítica". Degradación y estabilidad de polímeros . 17 (2): 117–129. doi :10.1016/0141-3910(87)90099-1.
^ Starnes, WH (8 de abril de 1981). "Fotodegradación del cloruro de polivinilo: un estudio de estudios recientes". Fotodegradación y fotoestabilización de recubrimientos . 151 : 197–215. doi :10.1021/bk-1981-0151.ch014.
^ ABC Boyd Cooray , B .;
^ Jian, Li; Dafei, Zhou; Deren, Zhao (enero de 1991). "La fotodegradación del PVC: Parte II: cambios estructurales en las cadenas de PVC". Degradación y estabilidad de polímeros . 31 (1): 1–7. doi :10.1016/0141-3910(91)90091-5.
^ AB Decker, C. ( enero de 1984 ) .
^ Decker, Christian; Balandier, Michel (julio de 1981). "Fotooxidación de poli(cloruro de vinilo)". Fotoquímica de polímeros . 1 (3): 221–232. doi :10.1016/0144-2880(81)90021-X.
^ Rabek, enero F.; Ranby, Bengt; Östensson, Bengt; Flodin, Per (15 de diciembre de 1979). "Oxidación de estructuras de polieno en poli (cloruro de vinilo) por oxígeno molecular y oxígeno singlete". Revista de ciencia aplicada de los polímeros . 24 (12): 2407–2413. doi : 10.1002/app.1979.070241209.
^ Jian , Li ;
^ ab Day, M.; Wiles, DM (enero de 1972). "Degradación fotoquímica del poli(tereftalato de etileno). II. Efecto de la longitud de onda y el entorno en el proceso de descomposición". Journal of Applied Polymer Science . 16 (1): 191–202. doi :10.1002/app.1972.070160117.
^ abc Day, M.; Wiles, DM (enero de 1972). "Degradación fotoquímica del poli(tereftalato de etileno). III. Determinación de los productos de descomposición y el mecanismo de reacción". Journal of Applied Polymer Science . 16 (1): 203–215. doi :10.1002/app.1972.070160118.
^ Osborn , KR ( agosto de 1959 ) .
^ Sang, Tian; Wallis, Christopher J.; Hill, Gavin; Britovsek, George JP (agosto de 2020). "Degradación del tereftalato de polietileno en condiciones naturales y aceleradas de intemperismo". European Polymer Journal . 136 : 109873. Bibcode :2020EurPJ.13609873S. doi :10.1016/j.eurpolymj.2020.109873. hdl : 10044/1/82034 . S2CID 225595988.
^ Nawrocki, J; Dąbrowska, A; Borcz, A (noviembre de 2002). "Investigación de compuestos carbonílicos en aguas embotelladas de Polonia". Water Research . 36 (19): 4893–4901. Bibcode :2002WatRe..36.4893N. doi :10.1016/S0043-1354(02)00201-4. PMID 12448533.
^ Pegram, Jan E.; Andrady, Anthony L. (enero de 1989). "Meteorización al aire libre de materiales poliméricos seleccionados en condiciones de exposición marina". Degradación y estabilidad de polímeros . 26 (4): 333–345. doi :10.1016/0141-3910(89)90112-2.
^ Chamas, Ali; Luna, Hyunjin; Zheng, Jiajia; Qiu, Yang; Tabassum, Tarnuma; Jang, Jun Hee; Abu-Omar, Mahdi; Scott, Susana L.; Suh, Sangwon (9 de marzo de 2020). "Tasas de degradación de los plásticos en el medio ambiente". ACS Química e Ingeniería Sostenible . 8 (9): 3494–3511. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b06635 .
^ Tyler, David R. (30 de diciembre de 2004). "Aspectos mecanicistas de los efectos del estrés en las tasas de reacciones de degradación fotoquímica en polímeros". Journal of Macromolecular Science, Parte C: Polymer Reviews . 44 (4): 351–388. doi :10.1081/MC-200033682. S2CID 97316912.
^ "La fotooxidación de los polímeros: una comparación con los compuestos de bajo peso molecular " ( PDF ) .
^ Allen, NS; Vasiliou, C.; Marshall, GP; Chen, W. (enero de 1989). "Interacciones entre fotoestabilizadores, antioxidantes y pigmentos en la oxidación térmica y fotoquímica de películas de polietileno". Degradación y estabilidad de polímeros . 24 (1): 17–31. doi :10.1016/0141-3910(89)90130-4.
^ Pfaendner, Rudolf (diciembre de 2013). "Degradación (foto)oxidativa y estabilización de polímeros retardantes de llama". Degradación y estabilidad de polímeros . 98 (12): 2430–2435. doi :10.1016/j.polymdegradstab.2013.07.005.
^ Ammala , Anne ; –1049 .
^ "sobre el impacto del uso de plástico oxodegradable, incluido el plástico oxodegradable" (PDF) . EUROPEO . Consultado el 11 de noviembre de 2020 .
^ Babetto, Alex S.; Antunes, Marcela C.; Bettini, Sílvia HP; Bonse, Baltus C. (febrero de 2020). "Una evaluación centrada en el reciclaje de la degradación termomecánica oxidativa de la masa fundida de HDPE que contiene prooxidante". Revista de polímeros y medio ambiente . 28 (2): 699–712. doi :10.1007/s10924-019-01641-6. S2CID 209432804.
^ Aldas, Miguel; Paladines, Andrea; Valle, Vladimir; Pazmiño, Miguel; Quiroz, Francisco (2018). "Efecto de los aditivos plásticos prodegradantes incorporados en el reciclado de polietileno". Revista Internacional de Ciencia de Polímeros . 2018 : 1–10. doi : 10.1155/2018/2474176 .
^ La Directiva de la UE 2019/904 (artículo 5), Directiva de la UE 5 de junio de 2019
^ L. Guedri-Knani, JL Gardette, M. Jacquet, A. Rivaton, Fotoprotección de poli(etilen-naftalato) mediante recubrimiento de óxido de zinc, Surface and Coatings Technology, volúmenes 180-181, 1 de marzo de 2004, páginas 71-75
^ A. Moustaghfir, E. Tomasella, A. Rivaton, B. Mailhot, M. Jacquet, JL Gardette, J. Cellier, Recubrimientos de óxido de zinc pulverizado: estudio estructural y aplicación a la fotoprotección del policarbonato, Surface and Coatings Technology, volúmenes 180-181, 1 de marzo de 2004, páginas 642-645.
^ Koriem, A.; Ollick, AM; Elhadary, M. (1 de agosto de 2021). "El efecto de la meteorización y el endurecimiento artificiales en las propiedades mecánicas del HDPE con y sin estabilizadores UV". Alexandria Engineering Journal . 60 (4): 4167–4175. doi : 10.1016/j.aej.2021.03.024 . ISSN 1110-0168. S2CID 233537494.
^ AB Lessa Belone , Maria Clara ; 9669 .
^ Chamas, Ali; Luna, Hyunjin; Zheng, Jiajia; Qiu, Yang; Tabassum, Tarnuma; Jang, Jun Hee; Abu-Omar, Mahdi; Scott, Susana L.; Suh, Sangwon (9 de marzo de 2020). "Tasas de degradación de los plásticos en el medio ambiente". ACS Química e Ingeniería Sostenible . 8 (9): 3494–3511. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b06635 . ISSN 2168-0485. S2CID 212404939.
^ Celina, Mathew C.; Linde, Erik; Martinez, Estevan (marzo de 2021). "Incertidumbres en la identificación y cuantificación de carbonilo para la degradación oxidativa de polímeros". Degradación y estabilidad de polímeros . 188 : 109550. doi : 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109550 . OSTI 1772948. S2CID 233639741.