Фотодеградация – это изменение материалов под действием света. Обычно этот термин широко используется для обозначения совместного действия солнечного света и воздуха , которое вызывает окисление и гидролиз . Часто фотодеградацию намеренно избегают, поскольку она разрушает картины и другие артефакты. Однако он частично отвечает за реминерализацию биомассы и намеренно используется в некоторых технологиях дезинфекции. Фотодеградация не относится к тому, как материалы могут стареть или разрушаться под действием инфракрасного света или тепла, но включает деградацию во всех диапазонах волн ультрафиолетового света.
Защита продуктов питания от фотодеградации очень важна. Некоторые питательные вещества, например, разрушаются под воздействием солнечного света. В случае пива УФ-излучение вызывает процесс, который влечет за собой разложение горьких соединений хмеля до 3-метил-2-бутен-1-тиола и, следовательно, изменяет вкус. Поскольку стекло янтарного цвета обладает способностью поглощать УФ-излучение, пивные бутылки часто изготавливают из такого стекла, чтобы предотвратить этот процесс.
Органические краски, чернила и красители более подвержены фоторазложению, чем неорганические. Керамику почти всегда окрашивают материалами неорганического происхождения, чтобы материал мог противостоять фоторазложению даже в самых суровых условиях, сохраняя свой цвет.
Фотодеградация пестицидов представляет большой интерес из-за масштабов сельского хозяйства и интенсивного использования химикатов. Однако пестициды отбираются частично так, чтобы они не подвергались быстрому фоторазложению под воздействием солнечного света, чтобы позволить им проявлять свою биоцидную активность. Таким образом, применяются дополнительные методы для усиления их фотодеградации, включая использование фотосенсибилизаторов, фотокатализаторов (например, диоксида титана ) и добавление реагентов, таких как перекись водорода , которые будут генерировать гидроксильные радикалы, которые будут атаковать пестициды. [1]
Фотодеградация фармацевтических препаратов представляет интерес, поскольку они обнаруживаются во многих источниках воды. Они оказывают пагубное воздействие на водные организмы, включая токсичность, эндокринные нарушения и генетические повреждения. [2] Но и в первичном упаковочном материале необходимо предотвратить фотодеградацию фармацевтических препаратов. Для этого обычно используются янтарные стекла, такие как Fiolax amber и Corning 51-L, для защиты фармацевтических препаратов от УФ-излучения. Йод (в форме раствора Люголя ) и коллоидное серебро повсеместно используются в упаковке, которая пропускает очень мало ультрафиолетового света, чтобы избежать разложения.
Обычные синтетические полимеры, которые могут быть атакованы, включают полипропилен и ПЭНП , где третичные углеродные связи в их цепных структурах являются центрами атаки. Ультрафиолетовые лучи взаимодействуют с этими связями, образуя свободные радикалы , которые затем реагируют дальше с кислородом атмосферы, образуя карбонильные группы в основной цепи. Открытые поверхности продуктов могут затем обесцветиться и растрескаться, а в крайних случаях может произойти полное разрушение продукта.
В волокнистых изделиях, таких как веревки, используемые для наружного применения, срок службы будет низким, поскольку в первую очередь подвергаются воздействию внешние волокна, которые легко повреждаются, например, в результате истирания . Также может произойти изменение цвета веревки, что является ранним предупреждением о проблеме.
Полимеры, которые имеют группы, поглощающие УФ-излучение, такие как ароматические кольца, также могут быть чувствительны к разрушению УФ-излучением. Арамидные волокна, такие как кевлар , например, очень чувствительны к ультрафиолету и должны быть защищены от вредного воздействия солнечного света.
Многие органические химические вещества термодинамически нестабильны в присутствии кислорода; однако скорость их самопроизвольного окисления низкая при комнатной температуре. На языке физической химии такие реакции кинетически ограничены. Эта кинетическая стабильность позволяет накапливать в окружающей среде сложные экологические структуры. При поглощении света триплетный кислород превращается в синглетный кислород , высокореактивную форму газа, которая вызывает окисление, разрешенное по спину. В атмосфере органические соединения разлагаются гидроксильными радикалами , которые образуются из воды и озона. [3]
Фотохимические реакции инициируются поглощением фотона, обычно в диапазоне длин волн 290–700 нм (на поверхности Земли). Энергия поглощенного фотона передается электронам в молекуле и на короткое время меняет их конфигурацию (т. е. переводит молекулу из основного состояния в возбужденное ). Возбужденное состояние представляет собой, по сути, новую молекулу. Часто молекулы в возбужденном состоянии не являются кинетически стабильными в присутствии O 2 или H 2 O и могут самопроизвольно разлагаться ( окисляться или гидролизоваться ). Иногда молекулы разлагаются с образованием высокоэнергетических нестабильных фрагментов, которые могут вступать в реакцию с другими молекулами вокруг них. Эти два процесса вместе называются прямым фотолизом или непрямым фотолизом , и оба механизма способствуют удалению загрязняющих веществ.
Федеральный стандарт США по тестированию пластика на фотодеградацию — 40 CFR Ch. I (издание 7–1–03), ЧАСТЬ 238.
Фоторазложение пластмасс и других материалов можно ингибировать с помощью полимерных стабилизаторов , которые широко используются. В состав этих добавок входят антиоксиданты , которые прерывают процессы деградации. Типичными антиоксидантами являются производные анилина . Еще одним типом добавок являются УФ-поглотители. Эти агенты захватывают фотон и преобразуют его в тепло. Типичными поглотителями УФ-излучения являются гидроксизамещенные бензофеноны , родственные химическим веществам, используемым в солнцезащитных кремах . [4] Реставрацию пожелтевшего пластика старых игрушек [5] называют ретроярким .