envejecimiento UV y solidez del color de los plásticos

El envejecimiento UV altera los polímeros, los recubrimientos y los tintes mediante reacciones fotoquímicas, oxidación y degradación de los componentes estabilizantes. Los ensayos acelerados pueden hacer visibles las diferencias entre materiales, pero solo representan de forma fiable la intemperización real cuando el espectro, la dosis, la temperatura, la humedad y la geometría de la muestra se ajustan a la pregunta planteada. Esta página explica los mecanismos de envejecimiento, las variables de influencia y la planificación de medición de la irradiación a corto plazo.

envejecimiento debido a la radiación UV

La radiación ultravioleta provoca una gran variedad de cambios en materiales de base polimérica y otros materiales fotosensibles como resultado de reacciones fotoquímicas. Los mecanismos de daño típicos incluyen la solarización, la fotodecoloración, la fotodegradación y el envejecimiento del material causado por la formación de ozono:

a) solarización
La solarización es la pérdida de transmisión inducida por UV en sustratos transparentes como el vidrio o los plásticos: los centros de color y los productos de degradación absorben la luz, el material se decolora y aparece nublado.

b) fotodecoloración
La fotodecoloración describe el cambio espectral en plásticos translúcidos como el poliuretano termoplástico (TPU), las siliconas o los policarbonatos. La exposición a la radiación UV provoca un amarilleamiento gradual o un cambio superficial blanquecino y calcáreo (el llamado "chalking"), causado por la reestructuración molecular o la degradación de los aditivos.

c) fotodegradación
La fotodegradación se caracteriza por la ruptura de los enlaces moleculares en la red polimérica. Estos procesos dan lugar a una reducción significativa de la resistencia a la tracción y provocan un cambio en las propiedades mecánicas y térmicas, lo que perjudica gravemente la integridad del material.

d) oxidación inducida por ozono
El ozono, que puede generarse a partir del oxígeno atmosférico mediante reacciones fotolíticas bajo la influencia de la radiación UV, es un agente oxidante fuerte. Acelera los procesos de envejecimiento oxidativo y provoca fragilización y agrietamiento, en particular en elastómeros, juntas y cierres de base polimérica.

La radiación de onda corta constituye un caso aparte: el envejecimiento del material por UVC se produce de forma más rápida y superficial que bajo UVA, ya que los fotones portan más energía y se absorben en los primeros micrómetros, razón por la cual la desinfección UVC puede provocar el "chalking" de una superficie que años de luz solar dejarían intacta.

La radiación UV induce reacciones fotoquímicas en la estructura polimérica de los plásticos. La degradación del material resultante depende de la intensidad y de la composición espectral de la radiación. Los textiles están sujetos a mecanismos de daño similares a los de los plásticos convencionales.

A continuación se consideran estos efectos bajo irradiación UV:

Los polímeros están compuestos predominantemente por unidades estructurales orgánicas unidas covalentemente. Un mecanismo de daño dominante es la escisión fotolítica de la cadena. En este caso, los fotones de alta energía provocan la rotura de la cadena principal del polímero mediante absorción directa. Además, se produce la formación de radicales libres debido a los estados excitados dentro del compuesto polimérico. Los procesos de degradación descritos se limitan principalmente a las capas cercanas a la superficie y, por lo general, no se extienden a más de 0,5 mm en el interior del material. No obstante, las concentraciones de tensión provocadas por una mayor fragilidad pueden iniciar mecanismos de fallo estructural, especialmente en piezas moldeadas técnicas.

La radiación UV-C tiene la mayor energía en comparación con longitudes de onda más largas y, por lo tanto, representa el mayor potencial de daño para los materiales poliméricos. Debido a la absorción por la atmósfera terrestre, la radiación UV-C natural no se produce a nivel del suelo. El uso industrial también se limita a aplicaciones específicas. Como resultado, solo existen datos empíricos limitados sobre el comportamiento de envejecimiento de los materiales bajo exposición aislada a UV-C. Si se utiliza radiación UV-C en dispositivos técnicos, estos pueden someterse a ensayos correspondientes.

Tipos de radiación UV

La radiación UV se diferencia en función de su composición espectral y de las respectivas influencias físicas sobre los materiales. La luz solar natural, conocida como radiación global, contiene principalmente radiación UV-A y UV-B. Mientras que la UV-A (315-400 nm) y la UV-B (280-315 nm) se producen en la atmósfera libre, la UV-B es absorbida casi por completo por el vidrio de ventana normal. Esto significa que en interiores solo es eficaz una proporción reducida de radiación UV-A.

Un ensayo con irradiancia UV-A y UV-B incrementada simula un envejecimiento fotoquímico acelerado bajo condiciones de laboratorio controladas. Sin embargo, este envejecimiento acelerado no puede describirse mediante un factor de conversión universal, ya que depende en gran medida del tipo de material, de la duración de la irradiación, de la longitud de onda, de la temperatura y de la humedad.

La irradiancia global máxima a nivel del suelo en condiciones óptimas (cielo despejado, sol de verano, 45° de elevación solar) es de aproximadamente 1000-1100 W/m². El componente UV es de aproximadamente 5-6 % para UV-A y de aproximadamente 0,5-1 % para UV-B. Esto da como resultado valores típicos de irradiancia UV terrestre de aprox. 62 W/m² (UV-A) y aprox. 5,6 W/m² (UV-B).

A modo de comparación: el dispositivo de irradiación UV BS-02 genera irradiancias UV-A de hasta aprox. 80 W/m² e irradiancias UV-B de hasta aprox. 50 W/m², según las lámparas instaladas. Por lo tanto, el componente UV-B es hasta nueve veces superior al de la radiación solar natural. Suponiendo un tiempo de radiación global anual de aproximadamente 1000 horas de sol, se puede alcanzar una dosis UVA anual equivalente con el dispositivo BS-02 después de aprox. 30 días.

En el rango UV-B, esta irradiación intensiva permite, dependiendo del tipo de polímero y de su estabilización, factores de aceleración del envejecimiento de hasta 200. No obstante, la eficacia real de estas simulaciones de envejecimiento en laboratorio siempre debe evaluarse en función del material y de la aplicación, y requiere una irradiación comparativa.
 

Ejemplos de envejecimiento UV

La imagen ilustra la comparación entre componentes electrónicos nuevos y envejecidos utilizando como ejemplo diodos emisores de luz. Los componentes nuevos se muestran a la izquierda, mientras que las muestras tras un envejecimiento UV artificial durante 350 horas se muestran a la derecha. La imagen ilustra el proceso de envejecimiento a modo de ejemplo. Los diodos emisores de luz envejecidos muestran amarilleamiento y decoloración. Además, el recubrimiento protector decolorado presenta grietas y fragilidad parciales.

La diferencia en la fuente de luz para el envejecimiento artificial es especialmente interesante. Se realizó una comparación entre la irradiación UVB-313 (abajo) y el envejecimiento artificial con lámparas de xenón filtradas (arriba). La dosis total de irradiación fue de aproximadamente 70 MJ/m² para la irradiación UVB-313 y de aproximadamente 190 MJ/m² para el envejecimiento artificial con lámparas de xenón filtradas.

Según [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007], los métodos de envejecimiento que funcionan con lámparas fluorescentes muestran un amarilleamiento creciente de las muestras debido a la irradiación UV. En cambio, la irradiación con lámparas de arco de xenón provoca una decoloración más intensa de las muestras.

Otra diferencia entre los dos métodos radica en la temperatura de las muestras. Al utilizar lámparas fluorescentes, las muestras permanecen más frías. Esto se debe a la limitación al espectro UV, lo que significa que las muestras solo están expuestas a aproximadamente el 6 % de la irradiancia generada en un equipo de lámparas de xenón.

La siguiente figura muestra dos superficies de aluminio anodizado en comparación directa: a la izquierda un componente nuevo, a la derecha una variante envejecida del mismo tipo.

Tras el envejecimiento con UVB y UVA, el componente envejecido muestra una clara fotodecoloración (decoloración). Este cambio visual es característico de los procesos de envejecimiento inducidos por UV, en los que se ve afectada la estabilidad cromática de la capa anodizada. Las causas pueden ser tanto la descomposición fotoquímica de los pigmentos orgánicos de color como los cambios estructurales en la capa de óxido debidos a la exposición prolongada a la radiación UV.

El ensayo de fotoestabilidad de productos medicinales sigue una cuestión regulatoria propia y se trata en la página especializada sobre ICH Q1B. Esta página se centra en materiales, recubrimientos y solidez del color.

Este tipo de ensayos se realiza en cámaras apantalladas con uniformidad definida e irradiación controlada por tiempo o por dosis; los diseños y su asignación a las tareas de ensayo se exponen en cámaras de irradiación UV. Cómo se verifica la dosis establecida en la posición de la muestra se trata en medidores UV y radiómetros.

¿Cuánto tiempo se tarda en simular la irradiación solar en el laboratorio?
Esto se deduce únicamente de la relación entre las irradiancias. A nivel del suelo, el sol aporta unos 62 W/m² de UVA y 5,6 W/m² de UVB; con aproximadamente 1000 horas de sol al año, esto da una dosis anual de UVA de 223 MJ/m² y una dosis anual de UVB de 20 MJ/m². Una cámara de laboratorio con 80 W/m² de UVA y 50 W/m² de UVB alcanza la dosis anual de UVA en unas 775 horas de funcionamiento, es decir, unos 32 días, y la dosis anual de UVB en unas 112 horas, poco menos de cinco días. Un solo día de sol equivale, por tanto, a unas dos horas de UVA o 18 minutos de UVB. El cálculo es un balance de dosis; si se produce el mismo daño solo lo determina una exposición comparativa frente a una referencia conocida.

¿Qué tan rápido es el envejecimiento acelerado con UVB?
Una cámara de laboratorio con 50 W/m² de UVB alcanza aproximadamente nueve veces la irradiancia UVB natural y la aporta sin noche y sin clima. En comparación con la intemperie exterior, con aproximadamente 1000 horas de sol al año, esto da un factor de aceleración de unas 80 veces; según el material, se observan factores de hasta 200. El factor no es una propiedad del material: la escisión de cadenas, el amarilleamiento y la fragilización responden de forma distinta a una irradiancia incrementada, y por encima de un límite dependiente del material aparecen patrones de daño que no se producen en el exterior. Por tanto, la compresión temporal solo resulta fiable en comparación con una referencia conocida.

¿Qué tan alta es la irradiancia de una cámara de ensayo UV en comparación con el sol?
En el UVA, una cámara de ensayo típica con 80 W/m² está en torno a 1,3 veces la del sol, que alcanza unos 62 W/m² a nivel del suelo. En el UVB, 50 W/m² frente a los 5,6 W/m² naturales ya son nueve veces más. Para el UVC no existe comparación, porque la radiación por debajo de 280 nm no llega a la superficie de la Tierra; un ensayo UVC no es, por tanto, una simulación solar, sino el ensayo de un caso de carga técnico. Todo factor de aceleración indicado pertenece, así, junto con el rango espectral al que se refiere.