Utjecaj IPDA-a na stabilnost boje otvrdnutog epoksi smola

Zašto IPDA potiče žućenje: kemijski i okolišni čimbenici

Struktura alifatskog diamina IPDA i putovi nastanka kromofora

Glavni razlog što IPDA (izoforondiamin) uzrokuje žućenje povezan je s njegovom posebnom alifatičnom, razgranatom strukturom, osobito sekundarnim amino skupinama koje se u njoj nalaze. Kada se ova tvar izloži toplini, svjetlosti ili jednostavno kisiku iz zraka, ti amini počinju oksidirati. Dalje slijedi prilično zanimljiv proces – stvaraju se konjugirane dvostruke veze zajedno s karbonilnim skupinama, koje zapravo postaju malene bojne skupine nazvane kromofori. Ove strukture apsorbiraju vidljivo svjetlo u rasponu od 400 do 500 nanometara, zbog čega primećujemo žućkasto do smeđkasto obojenje. Vrijedi napomenuti da kada je sedam ili više ovih dvostrukih veza poredano u nizu, apsorpcija postaje izrazito jaka. Drugi faktor koji djeluje protiv IPDA-e je tzv. sterična zaštenost, što ga čini još osjetljivijim na slobodne radikale u usporedbi s aminima ravne alifatične strukture. To ubrzava stvaranje struktura koje uzrokuju obojenje. Na primjer, ako materijali koji sadrže IPDA stoje na temperaturi od otprilike 80 stupnjeva Celzijevih tijekom 500 sati, testovi pokazuju da promjena boje (mjerena kao Delta E) poraste za 3 do 5 jedinica, uglavnom zbog nagomilavanja karbonilnih skupina tijekom vremena.

Toplinsko starenje nasuprot UV izloženosti: Različiti mehanizmi žućenja uzrovanog IPDA

Epoksi smole otvrdnute s IPDA-om žute na suštinski različite načine ovisno o okolišnom opterećenju:

Kada materijali podliježu toplinskoj degradaciji, to se događa kroz proces koji se naziva oksidativno cijepanje lanca, pri čemu nastaje veliki broj karbonilnih skupina u kromoforima. Vlažnost pogoršava situaciju jer potiče hidrolitičke reakcije. S druge strane, kada su izloženi UV zračenju, primjećujemo nešto drugačije. UV svjetlost pokreće tzv. fotooksidaciju, koja specifično napada sekundarne amine u IPDA molekulama i stvara spojeve kinon imina koji jake apsorbiraju plave valne duljine svjetlosti. Ova vrsta degradacije najčešće je problematična za proizvode koji se koriste na otvorenom. Ispitivanje pomoću QUV komora otkriva i prilično značajne promjene boje. Nakon samo 500 sati izlaganja, vrijednosti Delta E često skoče iznad 10 jedinica, što je vizualno vrlo primjetno. Jedna važna razlika koju treba istaknuti je način na koji se ove dvije vrste degradacije fizički manifestiraju. Toplinsko žućenje se ravnomjerno širi kroz cijeli materijal, dok šteta uzrokovana UV zračenjem ostaje uglavnom na površini i obično dolazi uz jasno smanjenje mjerenja sjaja površine.

Dinamika degradacije pod UV zračenjem u epoksidima otvorenim s IPDA

Fotooksidacija sekundarnih amina i akumulacija chinon imina

Kada su materijali izloženi ultraljubičastom svjetlu, događa se nešto zanimljivo s tim sekundarnim aminima u IPDA molekulama. Oni prolaze kroz procese fotooksidacije koji stvaraju žućkaste spojeve poznate kao kromofori kinon imina, putem onoga što znanstvenici nazivaju Norrish-ovim reakcijama. Problem postaje još gore kada su prisutne karbonilne nečistoće. One često dolaze iz ostataka u procesu proizvodnje ili se razvijaju kako materijali stari. Ono što slijedi prilično je dramično – te nečistoće 'uhvate' atome vodika s okolnih aminske skupine, stvarajući nestabilne radikale koji se brzo pretvaraju u stabilne, dugotrajne kinon imine s proširenom konjugacijom. Pregled stvarnih rezultata testiranja pokazuje također neugodnu činjenicu. Nakon samo 500 sati pod QUV uvjetima testiranja, FTIR analiza otkriva gubitak više od 60% aminske sadržine. I pogodite što? To savršeno korespondira s porastom b* vrijednosti boje i primjetnim žućenjem uzoraka. Najgore je to što visokoenergetske UV-B i UV-C valne duljine znatno ubrzavaju ovaj kemijski raspad.

Povezanost gubitka sjaja, ΔE i gustoće kromofora u ubrzanim QUV testovima

ASTM G154 QUV testovi starenja otkrivaju jake odnose između metrika optičkog degradiranja u sustavima otvrdnutim IPDA-om:

• Sjaj (60°) pada za oko 40% unutar 300 sati — uzrok je mikropukotina nastale zbog fotooksidacijskog naprezanja na površini
• δE premašuje 15 jedinica nakon 1.000 sati, pri čemu više od 90% promjene potječe od povećane žutilosti (koordinata b*)
• Gustoća kromofora — kvantificirana pomoću UV-Vis spektroskopije — pokazuje linearnu korelaciju (R² = 0,92) s ΔE, čime se potvrđuje da kinon imini predstavljaju glavne spojeve odgovorne za žutilost
  Važno je da uzorci koji zadrže >85% početnog sjaja dosljedno imaju ΔE < 8, čime se integritet površine utvrđuje kao praktični indikator stabilnosti boje u realnom vremenu.

Smanjenje IPDA-povezane žutilosti: Učinkovitost modificiranih alternativa aminskim omekšivačima

Omekšivači modificirani LyCA-om smanjuju ΔE za 40–60% nakon 1.000 sati QUV testa (ASTM D4329)

IPDA otvrdnjivači imaju sklonost da poprilično brzo žute na sunčevoj svjetlosti zbog visoke reaktivnosti njihovih alifatičnih diamina. Upravo tu dolaze u pitanje svjetlosno stabilizirani cikloalifatični amini. Ovi LyCA spojevi imaju krute prstenaste strukture koje zapravo pomažu u sprečavanju oksidacijskog raspada. Također sadrže posebne sastojke koji apsorbiraju UV zrake i neutraliziraju slobodne radikale, čime se spriječavaju promjene boje već na samom početku. Prema rezultatima ASTM D4329 testiranja, materijali tretirani s LyCA održavaju približno 40 do 60 posto bolju stabilnost boje u usporedbi s običnim IPDA nakon 1.000 sati u QUV uređaju za starenje. Na praktičnoj razini to znači da boje dugo izgledaju svježe, pri čemu sjaj ostaje iznad 80%, dok netretirani uzorci brzo propadaju. Ključ ovog rješenja nije potpuno uklanjanje IPDA, već podešavanje njegove reaktivnosti. Proizvođači koriste tehnike sterne zabrane kako bi usporili procese oksidacije. Dodaju i funkcionalne aditive koji hvataju dosadne radikale prije nego što stvore iritantne kinonimine. Za zahtjevne primjene poput premaza za prozore, izrade providnih kompozitnih dijelova ili završnih obrada proizvoda koji moraju dugo izgledati estetski privlačno, ove modifikacije s LyCA-om zaista donose veliku razliku u dugotrajnom očuvanju izgleda, sukladno stvarnim industrijskim standardima.

FAQ odjeljak

Što uzrokuje žućenje IPDA-om učvršćenih epoksi smola?

Žućenje je uglavnom uzrokovano oksidacijom sekundarnih amina u IPDA, što dovodi do stvaranja kromofora koji apsorbiraju vidljivu svjetlost, rezultirajući promjenom boje.

Kako UV izloženost utječe na materijale zasnovane na IPDA?

UV izloženost pokreće foto-oksidaciju, stvarajući kinon imine koji apsorbiraju valne duljine plave svjetlosti, što uzrokuje žućenje, posebno na površini materijala.

Može li se proces žućenja usporiti ili spriječiti?

Da, korištenje LyCA-modificiranih otvrdnjivača može znatno smanjiti proces žućenja poboljšanjem UV stabilnosti i ugradnjom aditiva koji sprječavaju oksidaciju.