Các yếu tố khí hậu thời tiết ảnh hưởng đến độ bền vật liệu

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, ba tác nhân chủ yếu gây lão hóa vật liệu là bức xạ mặt trời, nhiệt độ và độ ẩm. Thông thường, vật liệu chịu ảnh hưởng đồng thời bởi ba yếu tố trên. Việc chỉ ra ảnh hưởng riêng rẽ của từng yếu tố tới sự lão hóa cho vật liệu là không dễ dàng. Nguyên nhân là do dưới tác động của các vùng bức xạ mặt trời khác nhau, các giai đoạn độ ẩm khác nhau và chu kỳ nhiệt độ khác nhau sẽ có sự ảnh hưởng khác nhau đến vật liệu. Ngoài ra, các tác nhân này còn kết hợp với các tác nhân thứ cấp như: các chất ô nhiễm trong không khí (Cl^–, CO₂, SO₂), vi sinh vật, mưa axit, bụi bẩn… khiến cho quá trình lão hóa vật liệu diễn ra nhanh hơn nhiều lần. Bài viết này cố gắng phân tích bản chất của ba yếu tố chính và tác động của chúng đến quá trình lão hóa vật liệu.

1. Bức xạ mặt trời

Năng lượng bức xạ phát ra từ mặt trời được tạo thành từ các photon, các photon này truyền qua không gian dưới dạng sóng. Năng lượng của photon (E) tỷ lệ thuận với tần số của chúng (n) theo phương trình sau:

E = h.ν = h.c/λ

Trong đó: h là hằng số Planck,

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

l là bước sóng.

Như vậy, năng lượng photon tỷ lệ nghịch với bước sóng.

Hình 1. Sự phụ thuộc của năng lượng photon vào bước sóng.

Bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt Trái đất, bao gồm các bước sóng trong khoảng từ 295 đến 3000 nm. Một nm (nanomet) là một phần tỷ (10^-9) của một mét. Ánh sáng mặt trời trên mặt đất thường được phân chia thành ba vùng bước sóng chính: vùng tia cực tím (UV), vùng nhìn thấy (VIS) và vùng hồng ngoại (IR). Bước sóng trong khoảng từ 295 đến 400nm được coi là vùng cực tím (UV) của quang phổ mặt trời, chiếm khoảng 4% – 7% tổng lượng bức xạ. Khí ozon trong tầng bình lưu hấp thụ và về cơ bản loại bỏ tất cả năng lượng bức xạ có bước sóng dưới 295 nm. Dụng cụ quang phổ có độ nhạy rất cao mới có thể phát hiện bức xạ dưới 295 nm, nhưng năng lượng bức xạ trong vùng này được các chuyên gia coi là không đáng kể.

Tia cực tím (UV), theo tiêu chuẩn ASTM G 113 – 94  “Thuật ngữ liên quan đến thử nghiệm lão hóa tự nhiên và nhân tạo của vật liệu phi kim loại” là bức xạ mà bước sóng của các thành phần ngắn hơn so với bức xạ nhìn thấy được.

Phạm vi phổ cho UV và các thành phần phụ của nó không được xác định rõ. Tuy nhiên, ủy ban E-2.1.2 của CIE (Commisision Internaltionale de I’Eclairage) đưa ra các phân vùng trong vùng UV như sau:

UVA – từ 315 đến 400 nm

UVB – từ 280 đến 315 nm

UVC – dưới 280 nm

Ánh sáng nhìn thấy (bức xạ mà mắt người có thể phát hiện) nằm trong vùng bước sóng từ 400 đến 800 nm, có mức năng lượng chiếm hơn một nửa tổng năng lượng bức xạ mặt trời. Khoảng 40 % năng lượng bức xạ mặt trời nằm trong vùng hồng ngoại (dải bước sóng lớn hơn 800 nm).

Hình 2. Phân vùng bức xạ mặt trời

Có nhiều quan điểm đưa ra về bước sóng “ranh giới” giữa vùng tia cực tím và vùng nhìn thấy. Một số cho rằng ranh giới là ở bước sóng 400 nm, số khác cho rằng ở 385 nm hoặc 380 nm. Việc xác định ranh giới giữa vùng cực tím và vùng nhìn thấy là rất quan trọng khi tính toán lượng bức xạ trong cả thử nghiệm tự nhiên và thử nghiệm gia tốc. Sự khác biệt về mặt năng lượng giữa ranh giới tại bước sóng 385 nm và ranh giới tại 400 nm có thể hơn 25 %. Phần năng lượng này có thể gây ra sai số lớn khi thử nghiệm dự báo tuổi thọ của vật liệu.

Hình 3. Cường độ bức xạ mặt trời toàn cầu tại mực nước biển theo Công bố số 85 của CIE, bảng 4

Khi thảo luận về bức xạ mặt trời, chúng ta cần làm rõ một số thuật ngữ. Cường độ bức xạ (irradiance) được định nghĩa là lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích bề mặt, được biểu thị bằng đơn vị W/m². Khi nói về cường độ bức xạ, chúng ta cần nói rõ tại vùng bước sóng nào, ví dụ: cường độ bức xạ 1120 W/m² cần chỉ rõ ở vùng bước sóng 295-3000 nm (tổng năng lượng mặt trời) hoặc 65 W/m² cần chỉ rõ ở vùng bước sóng 295-400 nm (tổng năng lượng UV). Tại một bước sóng cụ thể, cường độ bức xạ được đo bằng W/m²/nm. Đối với các thử nghiệm gia tốc thời tiết, khái niệm năng lượng bức xạ là tích phân của cường độ bức xạ theo thời gian, đơn vị là J/m² hoặc có thể là kJ/m².

Nhìn vào đồ thị của ánh sáng mặt trời tự nhiên tại hình 4, chúng ta thấy rằng về cơ bản, không tồn tại vùng bước sóng dưới 295 nm. Điều này có ý nghĩa quan trọng khi chúng ta so sánh các nguồn ánh sáng nhân tạo khác nhau gây lão hóa vật liệu so với ánh sáng mặt trời tự nhiên.

Hình 4. Phân bố năng lượng bức xạ trung bình tại Miami, góc tia sáng 26o nam (trích tài liệu của hãng Atlas)

1.1. Các thành phần của bức xạ mặt trời tác động đến vật liệu

Bức xạ trực tiếp là bức xạ chiếu tới bề mặt Trái đất trực tiếp từ mặt trời, không bao gồm bức xạ tán xạ của khí quyển. Đối với các phép đo bức xạ, điều này được định nghĩa là năng lượng bức xạ trong trường nhìn góc 6^o của đĩa mặt trời. Bức xạ khuếch tán là một thành phần của bức xạ đã bị phân tán bởi khí quyển, và do đó, chạm tới các bề mặt vật liệu ở mọi góc độ (không được xác định là trực tiếp) trong phạm vi nhìn 180^o. Do đó, đối với một bề mặt ngang được phơi sáng, thì được nhận cả bức xạ mặt trời trực tiếp và bức xạ khuếch tán. Chúng ta tưởng tượng ra một tòa nhà cao tầng, bức xạ trực tiếp tạo ra bóng của tòa nhà. Bức xạ khuếch tán tạo ra ánh sáng xung quanh tòa nhà cho phép chúng ta nhìn  thấy tòa nhà khi chúng ta đang đứng trong bóng của tòa nhà đó.

Hình 5. Các thành phần bức xạ mặt trời tác động lên bề mặt vật liệu (nguồn: Atlas)

Phần trăm của bức xạ trực tiếp từ mặt trời, khuếch tán và phản xạ tới bề mặt vật liệu phụ thuộc vào góc phơi sáng và điều kiện khí quyển. Do vậy, khi phơi mẫu thử nghiệm trong điều kiện tự nhiên, có một số góc nghiêng sẽ làm tăng bức xạ mặt trời đến bề mặt mẫu. Trong trường hợp này, bề mặt của mẫu vẫn nhận được bức xạ trực tiếp và khuếch tán như đã thảo luận trước đây. Ngoài ra, bề mặt  mẫu còn chịu tác động bởi bức xạ phản xạ từ bề mặt Trái đất (đôi khi được gọi là bức xạ albedo). Lượng bức xạ phản xạ từ bề mặt Trái đất phụ thuộc vào bản chất mặt đất. Đá, cát hoặc sỏi sẽ phản chiếu năng lượng bức xạ mạnh hơn nhiều so với mặt cỏ. Nước hoặc tuyết sẽ phản chiếu một lượng năng lượng bức xạ lớn hơn nữa.

Tỷ lệ giữa bức xạ trực tiếp và khuếch tán phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí quyển. Hơi nước (độ ẩm) và  các tác nhân ô nhiễm trong không khí sẽ làm tăng thành phần khuếch tán. Khí hậu sa mạc có tỷ lệ bức xạ trực tiếp cao hơn nhiều so với khí hậu cận nhiệt đới do hơi nước trên sa mạc ít hơn nhiều so với lượng hơi nước trong không khí ở vùng khí hậu cận nhiệt đới. Do lượng hơi nước cao trong khí hậu cận nhiệt đới như vùng nam Florida, khoảng 50 % bức xạ UV bị khuếch tán ngay cả vào những ngày trời quang. Khi trời nhiều mây, tỷ lệ bức xạ UV bị khuếch tán còn lớn hơn. Ngoài ra, các tác nhân ô nhiễm trong không khí cũng làm tăng tỷ lệ bức xạ bị khuếch tán.

Thông thường, mẫu thử nghiệm ở vùng khí hậu cận nhiệt đới như nam Florida phải được phơi ở góc nghiêng gần ngang, chẳng hạn như 5º để lượng bức xạ chiếu đến bề mặt mẫu là lớn nhất. Ngược lại, ở vùng khí hậu sa mạc như Arizona, tỷ lệ bức xạ UV bị khuếch tán thấp hơn, do đó trong thành phần trực tiếp, tỷ lệ UV có thể lên đến 75%. Thực tế cho thấy, góc 34º là góc tối ưu để phơi mẫu thử nghiệm tại vùng trung tâm Arizona.

        1.2. Ảnh hưởng của năng lượng bức xạ đối với vật liệu

Mặc dù phơi nhiễm bức xạ là một yếu tố quan trọng giúp chúng ta hiểu về sự lão hóa của vật liệu hoặc khi tính toán thời gian thử nghiệm thời tiết, nhưng nó thực sự chỉ cho chúng ta biết một nửa câu chuyện. Phơi nhiễm bức xạ chỉ cho biết lượng bức xạ đã được truyền tới bề mặt vật liệu. Chúng ta chưa biết về lượng bức xạ đã được hấp thụ bởi các vật liệu là bao nhiêu.

Theo định luật Grotthus-Draper, điều kiện cần cho sự xuất hiện phản ứng quang hóa là một thành phần bất kỳ nào đó của vật liệu phải hấp thụ bức xạ chiếu đến. Điều kiện đủ là lượng năng lượng được hấp thụ bởi một phân tử phải vượt quá năng lượng liên kết để gây ra sự lão hóa. Nói một cách đơn giản, nếu bức xạ bị hấp thụ có mức năng lượng cao hơn năng lượng giữ cấu trúc phân tử lại với nhau, liên kết phân tử sẽ bị phá hủy và sự lão hóa bắt đầu xảy ra.

Như đã nói ở trên, bức xạ có bước sóng ngắn hơn chứa năng lượng cao hơn. Do đó, khi nói về độ bền của vật liệu, nhất thiết phải nói đến bức xạ UV – vùng bức xạ có bước sóng ngắn nhất.

Hình 6. Cường độ bức xạ quang hóa hiệu dụng (nguồn: Atlas)

Thực tế thử nghiệm cho thấy, có loại nhựa hấp thụ năng lượng bức xạ và bị lão hóa ở dải bước sóng dưới 310 nm. Trong khi đó, từ biểu đồ phân bố cường độ bức xạ (hình 4), chúng ta biết rằng ánh sáng mặt trời tự nhiên chứa các bước sóng bức xạ từ 295 nm. Như vậy, trên hình 6, vùng nằm dưới cả 2 đường cong (vùng màu vàng) là vùng bức xạ hiệu dụng cho loại nhựa cụ thể nói trên. Đường cong này được gọi là phổ hoạt hóa cho vật liệu nhựa trên.

Tóm lại, sự lão hóa của vật liệu do bức xạ sẽ phụ thuộc vào:

• Vùng bức xạ và cường độ bức xạ chiếu tới vật liệu.
• Các bước sóng bức xạ được hấp thụ bởi vật liệu.
• Năng lượng bức xạ được hấp thụ có đủ lớn hay không để gây ra phản ứng quang hóa dẫn đến sự lão hóa vật liệu.

2. Nhiệt độ

Nhiệt độ của vật liệu tiếp xúc với bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến quá trình lão hóa. Phản ứng quang hóa thường diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, nhiệt độ xác định tốc độ của các phản ứng ở các bước tiếp theo. Những phản ứng thứ cấp này có thể đủ điều kiện áp dụng phương trình Arrhenius.

Thông thường chúng ta chấp nhận một quy tắc chung là khi nhiệt độ vật liệu tăng 10 °C, tốc độ phản ứng tăng lên 2 lần. Tuy nhiên điều này có thể không đúng khi đánh giá sự thay đổi trong tính chất vật lý hoặc ngoại quan của vật liệu. Ngoài ra, các phản ứng nhiệt hóa học có thể xảy ra ở nhiệt độ cao có thể không xảy ra ở tất cả các mức nhiệt độ, hoặc có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhưng với tốc độ chậm hơn.

Nhiệt độ của vật liệu tiếp xúc với ánh sáng mặt trời tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nhiệt độ bề mặt vật liệu là một hàm số của nhiệt độ môi trường, khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời của vật liệu, cường độ bức xạ mặt trời và độ dẫn nhiệt của bề mặt. Do đó, khi có ánh sáng mặt trời, nhiệt độ bề mặt của vật liệu thường cao hơn đáng kể so với nhiệt độ của không khí.

Sự hấp thụ năng lượng mặt trời ở cả vùng nhìn thấy và hồng ngoại có liên quan mật thiết đến màu sắc, biến đổi từ khoảng 20 % đối với màu trắng đến hơn 90 % đối với màu đen. Do đó, vật liệu có màu khác nhau sẽ đạt đến nhiệt độ khác nhau khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời (hình 7). Sự phụ thuộc nhiệt độ bề mặt vào màu sắc cũng có thể có tác động thứ cấp (không hóa nhiệt) trên vật liệu. Ví dụ, do nhiệt độ bề mặt khác nhau, nấm mốc và sự phát triển của cá tác nhân sinh học khác sẽ hình thành và tích lũy ở các tỷ lệ khác nhau trên các vật liệu có màu khác nhau. Đối với các vật liệu màu trắng hoặc màu nhạt, nấm mốc có xu hướng phát triển nhiều hơn so với các vật liệu có màu đậm hơn.

Bề mặt kim loại được sơn hoặc phủ có nhiệt độ cao hơn nhiều so với phần lớn vật liệu nhựa vì độ dẫn nhiệt của kim loại cao hơn nhiều so với nhựa. Nhiệt độ không khí xung quanh, tốc độ bay hơi và làm mát, đối lưu không khí cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ của vật liệu, và do đó, cũng ảnh hưởng đến tốc độ lão hóa.

Hình 7. Khả năng hấp thụ bức xạ của các vật liệu khác màu sắc (nguồn: Atlas)

3. Nước (độ ẩm)

Nước có mặt ở khắp mọi nơi, dưới dạng độ ẩm, mưa, sương, tuyết hoặc mưa đá. Các vật liệu sử dụng ngoài trời chịu tác động trực tiếp của một hoặc một số yếu tố kể trên. Khi lớp bề mặt vật liệu hấp thụ hơi ẩm, sự giãn nở thể tích diễn ra, gây ứng suất lực lên các lớp khô ở phía dưới. Sau các chu kỳ khô và hấp thụ nước, các lớp bề mặt sẽ bị co giãn liên tục. Các lớp bên trong ngậm nước chống lại sự co giãn này, dẫn đến nứt bề mặt. Sự thay đổi bất thường giữa trạng thái ngậm nước và mất nước có thể dẫn đến gãy nứt vật liệu do ứng suất lực (hình 8).

Hình 9. Cơ chế tác động của nước đến vật liệu (nguồn: Atlas)

Chu trình đóng băng là một hiệu ứng vật lý khác. Do nước nở ra khi đóng băng, nên độ ẩm trong vật liệu gây ra sự giãn nở dẫn đến bong tróc, nứt và phồng rộp của lớp phủ. Mưa, theo định kỳ rửa bụi bẩn và các chất ô nhiễm khỏi bề mặt vật liệu. Tốc độ lão hóa vật liệu trong dài hạn phụ thuộc vào tần số mưa nhiều hơn là vào lượng mưa. Khi mưa tác động lên một bề mặt vật liệu được phơi, quá trình bay hơi làm lạnh bề mặt nhanh chóng, điều này có thể gây ra sự lão hóa vật lý cho vật liệu. Mưa mưa đá cũng có thể gây ra sự lão hóa vật lý cho vật liệu vì chúng có động năng lớn.

Nước cũng có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng lão hóa theo nghĩa hóa học. Sự phấn hóa của titan dioxit (TiO₂) trong lớp phủ và polyme chứa chất tạo màu là một ví dụ điển hình. Khi cấu trúc vật liệu polyme bị thay đổi do tác động của bức xạ mặt trời, sự thoát hơi nước trên bề mặt vật liệu sẽ dễ dàng xảy ra do động tuần hoàn của việc hấp thụ hơi ẩm. Tốc độ oxy hóa vật liệu kim loại tang lên đáng kể khi tiếp xúc với nước ở bất kỳ dạng nào. Độ ẩm cũng có thể hoạt động như một tác nhân điều chỉnh độ chỉnh pH, đặc biệt trong trường hợp của mưa axit – tác nhân có thể gây ra sự ăn mòn của nhiều loại sơn và lớp phủ.

4. Hiệu ứng thứ cấp

Chúng ta không thể đánh giá thấp các hiệu ứng thứ cấp của thời tiết hoặc khí quyển đối với quá trình lão hóa vật liệu. Không khí và chất ô nhiễm trong khí quyển, đặc biệt là dưới dạng mưa axit, có thể gây ra các phản ứng hoàn toàn mới. Ở các vùng có mức độ công nghiệp hóa cao, mưa axit là yếu tố chính thúc đẩy quá trình lão hóa trên nhiều loại vật liệu.

Bụi bẩn do cháy hoặc cát bụi tác động đến quá trình lão hóa mà không tạo phản ứng với cấu trúc phân tử của vật liệu. Chẳng hạn, bụi bẩn hấp thụ phần bức xạ tử ngoại giúp làm giảm tác động của tác nhân này đến vật liệu. Nấm, mốc và các tác nhân vi sinh vật khác có thể đóng một vai trò quan trọng gây lão hóa vật liệu, đặc biệt là ở vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, mặc dù chúng có thể không được coi là các tác nhân thời tiết. Những tác nhân tự nhiên có thể không trực tiếp gây ra các quá trình lão hóa điển hình, nhưng các hiện tượng như El Niño, La Niña và phun trào núi lửa có thể gây biến đổi khí hậu, qua đó gián tiếp ảnh hưởng đến tốc độ lão hóa vật liệu.

5. Sự kết hợp các nhân tố ảnh hưởng tới độ bền vật liệu

Khi xem xét vai trò của bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm và tác động thứ cấp đối với các vật liệu, chúng ta phải thừa nhận một thực tế rằng các yếu tố này cùng nhau tác động gây lão hóa vật liệu. Ví dụ, nếu vật liệu được phơi thử nghiệm dưới tác động của chỉ một trong số các tác nhân kể trên, chắc chắn rằng quá trình lão hóa sẽ không giống với quá trình lão hóa trên vật liệu được phơi thử nghiệm dưới tác động đồng thời của tất cả các yếu tố.

Tác động tổng hợp của các yếu tố thời tiết chính là khác nhau, tùy thuộc vào cả vật liệu được phơi thử nghiệm. Ngay cả những thay đổi nhỏ trong cấu trúc của vật liệu, như bổ sung chất ổn định, chất chống cháy, chất độn.. sẽ thay đổi các đặc tính lão hóa của vật liệu đó. Việc sử dụng vật liệu tái chế, tạp chất trong cấu trúc polyme, đặc điểm của quá trình xử lý sản phẩm sau chế tạo cũng là các biến bổ sung ảnh hưởng đến quá trình lão hóa.

Các nhà nghiên cứu đã có hàng ngàn công bố thử nghiệm đánh giá độ bền của vật liệu polyme tinh sạch, chất ổn định và các sản phẩm khi đưa ra thị trường. Tuy nhiên, nghiên cứu về độ bền thời tiết của vật liệu không phải là một khoa học chính xác và hiểu biết đầy đủ về tác động của các yếu tố thời tiết đối với mọi vật liệu cần nhiều hơn nữa các nghiên cứu trong tương lai.