درک تأثیر نور خورشید بر ساختار مواد سیلیکونی

وقتی از پایداری مولکول‌های سیلیکون صحبت می‌کنیم، دانشمندان عملاً این موضوع را با قرار دادن آنها در معرض نور ماوراء بنفش (UV) برای مدت طولانی در آزمونی به نام تست فتو-اکسیداسیون بررسی می‌کنند. بر اساس برخی مطالعات اخیر در شیمی پلیمر از انتشارات اشپرینگر در سال ۲۰۲۳، پرتوهای ماوراء بنفش تمایل دارند تا پیوندهای عرضی مهم بین اتم‌های سیلیسیم و اکسیژن در ماده را بشکنند. این امر منجر به ایجاد ذرات کوچک ناپایداری به نام رادیکال‌های آزاد می‌شود که در نهایت باعث کاهش استحکام ماده می‌گردند. چیزی که سیلیکون را از لاستیک معمولی متمایز می‌کند، ساختار پایه‌ای آن است. از آنجا که این ماده از مواد غیرآلی به جای مواد آلی تشکیل شده است، در معرض نور خورشید کاملاً از هم گسیخته نمی‌شود. با این حال، در سطح ماده همچنان اتفاقی می‌افتد که در آن زنجیرهای مولکولی از هم جدا می‌شوند. این امر توضیح می‌دهد که چرا تجهیزات ورزشی سیلیکونی که در فضای باز استفاده می‌شوند، حتی پس از چندین ماه در بیرون، شکل کلی خود را نسبتاً خوب حفظ می‌کنند، اما با گذشت زمان شروع به نشان دادن ترک‌های ریزی در سطح می‌کنند.

علائم رایج تخریب: تغییر رنگ، ترک خوردگی و از دست دادن کشسانی

سه نشانه آشکار آسیب ناشی از تابش فرابنفش در محصولات ورزشی سیلیکونی عبارتند از:

• زرد شدن/خاکستری شدن : اکسیداسیون سطحی باعث تغییر در شکست نور می‌شود و در ۷۸٪ موارد پس از بیش از ۵۰۰ ساعت قرار گرفتن در معرض نور خورشید، منجر به تغییر رنگ می‌شود
• ترک خوردگی لبه : نقاط تمرکز تنش زودتر از همه دچار خرابی می‌شوند و کشسانی در مناطق انعطاف‌پذیر بالا (مانند بند ساعت) تا ۸۵٪ کاهش می‌یابد
• سخت‌کاری : کاهش پلاستیسایزر باعث حالت شکننده شدن می‌شود و جذب ضربه در دسته‌های دویدن طول مسیر را تا ۴۰٪ کاهش می‌دهد

مطالعه موردی: عملکرد بند مچی سیلیکونی در مناطق با تابش بالای UV

مطالعه میدانی ۱۲ ماهه روی ۱۲۰۰ عدد بند ورزشی مچی در آریزونا (شاخص UV ≥۱۱ برای ۱۵۰ روز در سال) آستانه‌های مهمی را آشکار کرد:

محصولاتی که بیش از ۶ ماه در فضای باز و بدون افزودنی‌های پایدارکننده UV استفاده شده‌اند، کاهش عملکرد برگشت‌ناپذیری نشان داده‌اند که لزوم فرمولاسیون پیشرفته در سیلیکون‌های مورد استفاده در صنعت ورزشی را تأیید می‌کند.

علم پشت مقاومت سیلیکون در برابر تابش ماوراء بنفش و پیری

چه چیزی باعث مقاومت بالای سیلیکون در برابر آسیب‌های ناشی از تابش ماوراء بنفش و پیری می‌شود؟ به ساختار شیمیایی خاص آن نگاه کنید. نحوه جایگشت متناوب اتم‌های سیلیسیم و اکسیژن، ساختاری بسیار پایدار ایجاد می‌کند که در واقع تابش ماوراء بنفش را منعکس می‌کند، نه اینکه آن را جذب کند. چیز هوشمندانه‌ای است که باید تحسینش کرد. طبق تحقیقات منتشر شده در سال گذشته درباره دوام پلیمرها، سیلیکون با کیفیت حدود ۹۱ درصد از استحکام اولیه خود را حتی پس از ۱۸ ماه قرار گرفتن در معرض نور مستقیم خورشید حفظ می‌کند. این در حالی است که لاستیک طبیعی در شرایط مشابه تقریباً دو برابر بیشتر از سیلیکون ضعیف می‌شود.

پایداری مولکولی پلیمرهای سیلیکونی تحت تابش طولانی‌مدت ماوراء بنفش

پلیمرهای سیلیکونی دارای پیوندهای خاص سیلیسیم-اکسیژن (Si-O) هستند که نسبت به پیوندهای کربن-کربن معمولی موجود در مواد لاستیکی معمولی، حدود ۲۵ درصد انرژی بیشتری برای شکستن نیاز دارند. و این تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند، چرا که از شکست زنجیرهای مولکولی جلوگیری می‌کند که معمولاً هنگام تخریب مواد تحت تابش نور ماوراء بنفش رخ می‌دهد. علاوه بر این، وقتی سیلیکون‌ها به صورت شبکه‌ای پیوند عرضی تشکیل می‌دهند، مقاومت بسیار بالایی در برابر تشکیل رادیکال‌های آزاد از خود نشان می‌دهند. این موضوع در عمل به چه معناست؟ این مواد حتی در شرایط تغییرات دمایی شدید — از دمای بسیار پایین ۴۰- درجه فارنهایت (معادل تقریباً ۴۰- درجه سانتی‌گراد) تا دمای بسیار بالای ۴۰۰ درجه فارنهایت (معادل تقریباً ۲۰۴ درجه سانتی‌گراد) — همچنان انعطاف‌پذیر باقی می‌مانند. چنین مقاومت حرارتی بالایی است که توضیح می‌دهد چرا سیلیکون‌ها در شرایط سخت و حداکثری عملکرد بسیار بهتری نسبت به سایر موادی دارند که در چنین شرایطی به طور کامل از کار می‌افتند.

نقش افزودنی‌ها و پرکننده‌ها در بهبود مقاومت در برابر نور ماوراء بنفش و پیری

وقتی تولیدکنندگان نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) و اکسید سریم (CeO₂) را در مواد مرکب سیلیکونی مخلوط می‌کنند، خواص بازتابش ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. آزمایش‌های انجام شده در شرایط کنترل شده نشان می‌دهند که هنگامی که غلظت به حدود ۲ درصد برسد، نفوذ پرتوهای UVB به شدت کاهش می‌یابد و تنها ۱۳ درصد از آن از ماده عبور می‌کند. نکته جالب این است که این محافظت افزایش یافته، توانایی ماده در کشیده شدن و بازگشت به شکل اولیه را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. برای دوام بیشتر، برخی شرکت‌ها این ترکیبات را با مواد پایدارکننده نوری از نوع آمین مهارشده (HALS) مخلوط می‌کنند. این افزودنی‌ها در سطح ماده عمل کرده و اکسیدکننده‌های مضر را بی‌فعال می‌کنند. محصولاتی که به این شکل پردازش شده‌اند، معمولاً در محیط‌های سخت مانند مناطق کوهستانی یا بیابانی، جایی که قرار گرفتن در معرض شرایط شدید عمر مفید را کوتاه می‌کند، بسیار طولانی‌تر دوام می‌آورند. داده‌های میدانی نشان می‌دهند که این پوشش‌ها می‌توانند عمر محصول را در این شرایط چالش‌برانگیز به میزان سه تا پنج سال دیگر افزایش دهند.

پیشرفت‌ها در فرمول‌بندی ضد پیری برای محصولات ورزشی سیلیکونی

تولیدکنندگان پیشرو اکنون از سیلیکون‌های خودترمیم‌شونده با عوامل ترمیم‌کننده ریزکپسوله‌شده استفاده می‌کنند که تحت تنش UV فعال می‌شوند. آزمایش میدانی سال ۲۰۲۴ نشان داد که این فرمول‌بندی‌ها گسترش ترک در بند ساعت‌های قرارگرفته در معرض نور خورشید استوایی را تا ۷۲٪ کاهش می‌دهند. همچنین سیلیکون‌های ترکیبی با تقویت‌کننده گرافن در حال ظهور هستند که بدون به خطر انداختن چسبندگی یا حس لامسه، ۹۹٫۷٪ از تابش UV را مسدود می‌کنند.

دوام و مقاومت در برابر شرایط جوی سیلیکون در استفاده واقعی ورزشی

نتایج آزمایش میدانی: عملکرد بلندمدت در محیط‌های ورزشی بیرون از ساختمان

آزمایش‌های میدانی که بر روی تجهیزات ورزشی سیلیکونی در شرایط آب‌وهوایی مختلف انجام شده‌اند، نشان‌دهنده دوام بسیار خوبی هستند. به عنوان مثال، کفش‌های دویدنی که بیش از دو هزار ساعت در معرض نور شدید خورشید قرار گرفته‌اند، همچنان حدود سه‌چهارم انعطاف‌پذیری اولیه خود را حفظ کرده‌اند، در حالی که سایر مواد بسیار زودتر دچار ترک‌خوردگی شده‌اند. علت چیست؟ سیلیکون ساختار پلیمری بسیار پایداری دارد که در برابر پرتوهای فرابنفش تجزیه نمی‌شود، حتی زمانی که دما در مناطقی مانند بیابان‌ها یا مناطق گرمسیری بالا می‌رود و اکثر تجهیزات به سرعت تخریب می‌شوند.

تحلیل مقایسه‌ای: سیلیکون در مقابل سایر الاستومرها در شرایط تخریب‌شده توسط پرتوهای فرابنفش

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که سیلیکون در برابر نور ماوراء بنفش عملکرد بهتری نسبت به مواد لاستیکی معمولی دارد و مطالعات حاکی از بهبود حدود ۴۰ درصدی در مقاومت در برابر پیر شدن تحت شرایط سخت است. سیلیکون شکل و استحکام خود را تقریباً سه برابر طولانی‌تر از الاستومرهای ترموپلاستیک حفظ می‌کند. با بررسی داده‌های واقعی از یک گزارش اخیر درباره پایداری مواد، محققان چیز جالبی در مورد مچ‌بند‌های ساخته‌شده از سیلیکون در مقایسه با آن‌هایی که از لاستیک استاندارد ساخته شده بودند، متوجه شدند. پس از اینکه تقریباً یک سال و نیم در فضای باز قرار گرفتند، مچ‌بندهای سیلیکونی هنوز تقریباً ۹۰ درصد از استحکام اولیه خود را حفظ کرده بودند، در حالی که مچ‌بندهای لاستیکی تقریباً ۶۰ درصد از استحکام خود را از دست داده بودند. این تفاوت در مناطقی با سطح بالای ازن بسیار برجسته‌تر می‌شود. مواد الاستیک معمولی در اثر قرار گرفتن در این شرایط تمایل به ایجاد ترک‌های ریز در طول زمان دارند، اما به نظر می‌رسد سیلیکون به دلیل مقاومت طبیعی خود در برابر اکسیداسیون از این مشکل رنج نمی‌برد.

رفع سوءتفاهم‌ها: ادعاهای با عمر واقعی محصولات ورزشی سیلیکونی

تولیدکنندگان دوست دارند درباره دوام این محصولات برای دهه‌ها صحبت کنند، اما وقتی ورزشکاران شروع به استفاده عملی از آنها می‌کنند، وضعیت به سرعت پیچیده می‌شود. سایش و فرسودگی همواره رخ می‌دهد، علاوه بر این تغییرات مداوم دما نیز تأثیر قابل توجهی دارند. بررسی آنچه در ورزش دانشگاهی اتفاق می‌افتد نیز چیز جالبی را نشان می‌دهد. هرچند محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش خوب باقی می‌ماند، اما بیشتر کمربندهای هیدراتاسیون سیلیکونی پس از تنها ۳ تا ۵ فصل نیاز به تعویض دارند، نه به خاطر شرایط آب‌وهوایی، بلکه به دلیل تنش‌های فیزیکی زیادی که تحمل می‌کنند. تمیز کردن آنها یک بار در هفته و دور نگه داشتن‌شان از موادی مانند سوخت یا روغن تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. برخی آزمایش‌های انجام شده با تجهیزات ورزشی دریایی نشان می‌دهند که مراقبت مناسب می‌تواند عمر آنها را حدود یک‌چهارم بیشتر از حالت عادی افزایش دهد.

انتخاب محصولات ورزشی سیلیکونی با کیفیت بالا و مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش: راهنمای عملی

معیارهای کلیدی برای ارزیابی مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش در مواد سیلیکونی

برای هر کسی که به دنبال تجهیزات ورزشی از جنس سیلیکون برای ماجراجویی‌های بیرون از منزل است، بررسی نوع محافظت در برابر پرتوهای ماوراء بنفش که مواد به کار رفته دارند، واقعاً اهمیت دارد. محصولات خوب حاوی افزودنی‌هایی مانند بنزوتری آزول‌ها یا دوده کربنی هستند که می‌توانند تقریباً تمام پرتوهای مضر UV-B را متوقف کنند. برخی تحقیقات انجام‌شده توسط UL Solutions در سال 2023 نشان داد که این افزودنی‌ها حدود 98 درصد از این پرتوها را مسدود می‌کنند. به محصولاتی توجه کنید که دارای گواهی‌نامه آزمون پیر شدن شتاب‌داده شده با توجه به استاندارد ASTM G154 باشند. معیار مناسبی این است که محصول حداقل 500 ساعت در معرض نور ماوراءبنفش مقاومت کرده باشد که این مقدار تقریباً معادل قرار گرفتن تجهیزات در معرض نور مستقیم خورشید به مدت دو سال کامل در مناطقی مانند جنوب اروپا است. و اگر ممکن باشد، تولیدکنندگان باید فایل‌های اطلاعات مواد خود را نیز در اختیار قرار دهند. این اسناد باید به‌وضوح نشان دهند که استحکام کششی حتی پس از چندین دوره آزمون پیر شدن ناشی از تابش ماوراءبنفش، بالاتر از 85 درصد باقی می‌ماند.

روند صنعت: تقاضای رو به رشد برای تجهیزات سیلیکونی با دوام و پایدار در برابر نور خورشید

بازار مواد ورزشی مقاوم در برابر آسیب‌های ناشی از اشعه ماوراء بنفش رشد چشمگیری داشته است و طبق گزارش اخیر Grand View Research، از سال ۲۰۲۱ حدود ۴۰ درصد افزایش یافته است. این رشد در پی افزایش زمان فعالیت ورزشکاران در فضای باز و مواجهه با شرایط آب‌وهوایی سخت‌تر در طول سال رخ داده است. بسیاری از ورزشکاران حرفه‌ای اکنون به محصولات مبتنی بر سیلیکون روی می‌آورند که حتی پس از قرار گرفتن در معرض نور شدید خورشید، شکل و انعطاف‌پذیری خود را حفظ می‌کنند. این مواد بیش از ۹۰ درصد از کشسانی اولیه خود را پس از دریافت ۱۰۰۰ مگاژول بر متر مربع تابش ماوراء بنفش حفظ می‌کنند که اکنون بخشی از الزامات رسمی تعیین‌شده توسط NCAA برای تجهیزات ورزشی محسوب می‌شود. برای پاسخگویی به این نیازها، تولیدکنندگان بزرگ شروع به افزودن ذرات ریز سیلیسی به فرمول‌های خود کرده‌اند. این نوآوری باعث می‌شود محصولات آن‌ها سه برابر کندتر از نسخه‌های قدیمی‌تر رنگ‌بزنند، همان‌طور که در مجله مهندسی ورزشی سال گذشته اشاره شده است.

بهترین روش‌ها برای تولیدکنندگان و خریداران در بازارهای ورزشی آزاد

1. برای تولیدکنندگان : انجام ممیزی فصلی مواد با استفاده از محفظه‌های آزمون قوس زنون که سطوح فرابنفش استوایی را شبیه‌سازی می‌کنند
2. برای خریداران : مقایسه گارانتی محصولات که شامل تخریب ناشی از تابش فرابنفش می‌شود — گزینه‌های درجه یک، ثبات رنگ پنج ساله را تضمین می‌کنند
3. پروتکل مشترک : پذیرش ISO 4892-2 استاندارد پیر شدن هوا برای ادعاهای سازگار در مقاومت در برابر تابش فرابنفش

یک نظرسنجی 2023 انجمن کیفیت آمریکا (ASQ) نشان داد که 70 درصد از خریداران، پیش‌بینی هزینه طول عمر محصول را نسبت به قیمت اولیه در اولویت قرار می‌دهند، هنگام انتخاب تجهیزات مقاوم به تابش فرابنفش. با شیمی‌دانان پلیمر همکاری کنید تا فرمول‌های منطقه‌محور توسعه دهید — سیلیکون‌های تست‌شده در آریزونا به پایدارکننده‌های متفاوتی نسبت به محصولات درجه اسکاندیناوی نیاز دارند. نکته حرفه‌ای: موقعیت نگهداری تجهیزات را هر سه ماه یکبار تغییر دهید تا توزیع تابش فرابنفش به‌صورت یکنواخت انجام شود.

‫سوالات متداول‬

علائم آسیب ناشی از تابش فرابنفش در محصولات ورزشی سیلیکونی چیست؟

آسیب ناشی از تابش ماورای بنفش در محصولات ورزشی سیلیکونی اغلب به صورت زرد شدن یا خاکستری شدن، ترک خوردن لبه‌ها و سفت شدن ظاهر می‌شود.

چگونه می‌توان عمر محصولات ورزشی سیلیکونی را در شرایط با تابش بالای ماورای بنفش بهبود بخشید؟

استفاده از افزودنی‌های پایدارکننده در برابر تابش ماورای بنفش مانند نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم و اکسید سریم می‌تواند مقاومت در برابر ماورای بنفش را افزایش داده و عمر محصول را در شرایط با تابش بالای ماورای بنفش افزایش دهد.

تولیدکنندگان چه اقداماتی می‌توانند برای اطمینان از مقاومت در برابر تابش ماورای بنفش در محصولات سیلیکونی خود انجام دهند؟

تولیدکنندگان می‌توانند با افزودن موادی مانند بنزوتری آزول‌ها یا دوده کربن، انجام ممیزی مواد و رعایت استاندارد ISO 4892-2 برای پیری مواد، مقاومت در برابر تابش ماورای بنفش را بهبود بخشند.