UV-ældning og farveægthed af plast

UV-ældning ændrer polymerer, coatings og farvestoffer gennem fotokemiske reaktioner, oxidation og nedbrydning af stabiliserende komponenter. Accelererede tests kan synliggøre materialeforskelle, men de repræsenterer kun reel vejrpåvirkning troværdigt, hvis spektrum, dosis, temperatur, fugtighed og prøvegeometri passer til den stillede problemstilling. Denne side forklarer ældningsmekanismer, indflydelsesfaktorer og målplanlægningen af kortvarig bestråling.

Ældning på grund af UV-stråling

Ultraviolet stråling fører til en række forandringer i polymerbaserede og andre lysfølsomme materialer som følge af fotokemiske reaktioner. Typiske skademekanismer omfatter solarisering, fotomisfarvning, fotodegradering og materialeældning forårsaget af ozondannelse:

a) Solarisering
Solarisering er det UV-inducerede tab af transmission i transparente substrater som glas eller plast: farvecentre og nedbrydningsprodukter absorberer lys, materialet misfarves og bliver uklart.

b) Fotomisfarvning
Fotomisfarvning beskriver den spektrale forandring i transparente plastmaterialer som termoplastisk polyurethan (TPU), silikoner eller polycarbonater. Eksponering for UV-stråling resulterer i en gradvis forgulning eller en hvidlig-kridtagtig overfladeforandring (såkaldt "chalking"), forårsaget af molekylær omstrukturering eller nedbrydning af additiver.

c) Fotodegradering
Fotodegradering er karakteriseret ved nedbrydning af molekylære bindinger i polymernetværket. Disse processer resulterer i en betydelig reduktion af trækstyrken og fører til en ændring af mekaniske og termiske egenskaber, hvilket alvorligt forringer materialets integritet.

d) Ozoninduceret oxidation
Ozon, som kan dannes fra atmosfærisk oxygen gennem fotolytiske reaktioner under indflydelse af UV-stråling, er et stærkt oxidationsmiddel. Det accelererer oxidative ældningsprocesser og forårsager forsprødning og revnedannelse, især i elastomerer, tætninger og polymerbaserede lukninger.

Kortbølget stråling er et særligt tilfælde: UVC-materialeældning forløber hurtigere og mere overfladisk end under UVA, fordi fotonerne bærer mere energi og absorberes inden for de første få mikrometer – hvilket er grunden til, at UVC-desinfektion kan give en overflade "chalking", som års dagslys ellers ikke påvirker.

UV-stråling inducerer fotokemiske reaktioner i plasts polymerstruktur. Den resulterende materialenedbrydning afhænger af strålingens intensitet og spektrale sammensætning. Tekstiler er udsat for lignende skadesmekanismer som konventionelle plastmaterialer.

Disse effekter under UV-bestråling betragtes nedenfor:

Polymerer er hovedsageligt sammensat af organiske, kovalent bundne strukturelementer. En dominerende skadesmekanisme er fotolytisk kædebrud. Her forårsager højenergetiske fotoner, at polymerens hovedkæde brydes gennem direkte absorption. Derudover forekommer dannelsen af frie radikaler på grund af exciterede tilstande inden for polymerkompositten. De beskrevne nedbrydningsprocesser er hovedsageligt begrænset til lagene nær overfladen og strækker sig typisk ikke dybere end 0,5 mm ind i materialets indre. Ikke desto mindre kan spændingskoncentrationer forårsaget af øget skørhed udløse strukturelle svigtmekanismer, især i tekniske formstøbte dele.

UV-C-stråling har den højeste energi i forhold til længere bølgelængder og repræsenterer derfor det største skadepotentiale for polymermaterialer. På grund af absorption i jordens atmosfære forekommer naturlig UV-C-stråling ikke ved jordoverfladen. Industriel anvendelse er også begrænset til specifikke applikationer. Som følge heraf findes der kun begrænsede empiriske data om materialers ældningsforhold ved isoleret UV-C-eksponering. Hvis UV-C-stråling anvendes i tekniske apparater, kan disse testes tilsvarende.

Typer af UV-stråling

UV-stråling differentieres på baggrund af dens spektrale sammensætning og de respektive fysiske påvirkninger på materialer. Naturligt sollys - kendt som globalstråling - indeholder primært UV-A- og UV-B-stråling. Mens UV-A (315-400 nm) og UV-B (280-315 nm) forekommer i den frie atmosfære, absorberes UV-B næsten fuldstændigt af almindeligt vinduesglas. Det betyder, at kun en reduceret andel af UV-A-strålingen er effektiv indendørs.

En test med forhøjet UV-A- og UV-B-irradians simulerer accelereret fotokemisk ældning under kontrollerede laboratorieforhold. Denne accelererede ældning kan dog ikke beskrives med en universel omregningsfaktor, da den i høj grad afhænger af materialetypen, bestrålingstiden, bølgelængden, temperaturen og luftfugtigheden.

Den maksimale globalirradians ved jordoverfladen under optimale forhold (klar himmel, sommersol, 45° solhøjde) er omkring 1000-1100 W/m². UV-komponenten er omkring 5-6 % for UV-A og omkring 0,5-1 % for UV-B. Dette resulterer i typiske værdier for terrestrisk UV-irradians på ca. 62 W/m² (UV-A) og ca. 5,6 W/m² (UV-B).

Til sammenligning: UV-bestrålingsenheden BS-02 genererer UV-A-irradianser på op til ca. 80 W/m² og UV-B-irradianser på op til ca. 50 W/m², afhængigt af de monterede lamper. UV-B-komponenten er derfor op til ni gange højere end under naturlig solstråling. Ved en antaget årlig globalstrålingstid på omkring 1000 solskinstimer kan en tilsvarende årlig UVA-dosis opnås med BS-02-enheden efter ca. 30 dage.

I UV-B-området giver denne intensive bestråling - afhængigt af polymertypen og dens stabilisering - accelerationsfaktorer for ældning på op til 200. Den faktiske effektivitet af sådanne laboratorieældningssimuleringer skal dog altid evalueres afhængigt af materiale og anvendelse og kræver sammenlignende bestråling.
 

Eksempler på UV-ældning

Billedet illustrerer sammenligningen mellem nye og ældede elektroniske komponenter med lysdioder som eksempel. Nye komponenter vises til venstre, mens prøverne efter kunstig UV-ældning i 350 timer vises til højre. Billedet illustrerer ældningsprocessen som eksempel. De ældede lysdioder viser gulfarvning og affarvning. Derudover er den affarvede beskyttelsesbelægning delvist revnet og skør.

Forskellen i lyskilden ved kunstig ældning er særligt interessant. Der blev udført en sammenligning mellem UVB-313-bestråling (nederst) og kunstig vejrbestandighedstest med filtrerede xenonlamper (øverst). Den samlede bestrålingsdosis var omkring 70 MJ/m² for UVB-313-bestråling og omkring 190 MJ/m² for kunstig vejrbestandighedstest med filtrerede xenonlamper.

Ifølge [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007] viser vejrbestandighedsmetoder, der arbejder med fluorescerende lamper, en tiltagende gulfarvning af prøverne på grund af UV-bestråling. Til sammenligning fører bestråling med xenonbuelamper til stærkere affarvning af prøverne.

En anden forskel mellem de to metoder ligger i prøvernes temperatur. Ved brug af fluorescerende lamper forbliver prøverne koldere. Dette skyldes begrænsningen til UV-spektret, hvilket betyder, at prøverne kun udsættes for omkring 6 % af den irradians, der genereres i et xenonlampeapparat.

Følgende figur viser to anodiserede aluminiumoverflader i direkte sammenligning: til venstre en ny komponent, til højre en ældet variant af samme type.

Efter ældning med UVB og UVA viser den ældede komponent en klar fotomisfarvning (misfarvning). Denne visuelle forandring er karakteristisk for UV-inducerede ældningsprocesser, hvor farvestabiliteten af det anodiserede lag forringes. Årsagerne kan være fotokemisk nedbrydning af organiske farvepigmenter samt strukturelle ændringer i oxidlaget på grund af langvarig eksponering for UV-stråling.

Fotostabilitetstestning af lægemidler følger sit eget regulatoriske spørgsmål og er behandlet på fagsiden om ICH Q1B. Denne side fokuserer på materialer, belægninger og farveægthed.

Sådanne tests udføres i afskærmede kamre med defineret uniformitet og tids- eller dosisstyret bestråling; udformningerne og deres tilknytning til testopgaver er beskrevet under UV-bestrålingskamre. Hvordan den indstillede dosis verificeres ved prøvepositionen, er beskrevet under UV-målere og radiometre.

Hvor lang tid tager det at simulere solindstråling i laboratoriet?
Dette følger alene af forholdet mellem irradianserne. Ved jordoverfladen leverer solen ca. 62 W/m² UVA og 5,6 W/m² UVB; ved ca. 1.000 solskinstimer om året giver dette en årlig UVA-dosis på 223 MJ/m² og en årlig UVB-dosis på 20 MJ/m². Et laboratoriekammer med 80 W/m² UVA og 50 W/m² UVB leverer den årlige UVA-dosis på ca. 775 driftstimer, det vil sige omkring 32 dage, og den årlige UVB-dosis på ca. 112 timer, lige under fem dage. En enkelt solskinsdag svarer derfor til ca. to timers UVA eller 18 minutters UVB. Beregningen er en dosisbalance; om den samme skade opstår, afgøres kun ved en sammenlignende eksponering mod en kendt reference.

Hvor hurtig er accelereret ældning med UVB?
Et laboratoriekammer med 50 W/m² UVB opnår ca. ni gange den naturlige UVB-irradians og leverer den uden nat og uden vejr. Sammenlignet med udendørs vejrpåvirkning ved ca. 1.000 solskinstimer om året giver dette en accelerationsfaktor på ca. 80; afhængigt af materialet observeres faktorer på op til 200. Faktoren er ikke en materialeegenskab: kædespaltning, forgulning og forsprødning reagerer forskelligt på en øget irradians, og over en materialeafhængig grænse opstår skadesmønstre, som ikke forekommer udendørs. Tidskomprimering bliver derfor kun pålidelig i sammenligning med en kendt reference.

Hvor høj er irradiansen i et UV-testkammer sammenlignet med solen?
I UVA-området ligger et typisk testkammer med 80 W/m² på ca. 1,3 gange solen, som når op på ca. 62 W/m² ved jordoverfladen. I UVB-området er 50 W/m² mod de naturlige 5,6 W/m² allerede ni gange så meget. For UVC findes der ingen sammenligning, fordi stråling under 280 nm ikke når jordens overflade – en UVC-test er derfor ikke en solsimulering, men afprøvningen af et teknisk belastningstilfælde. Enhver angivet accelerationsfaktor hører derfor sammen med det spektrale område, den refererer til.