Vieillissement UV et solidité des couleurs des plastiques

Le vieillissement UV modifie les polymères, les revêtements et les colorants par le biais de réactions photochimiques, d'oxydation et de dégradation des composants stabilisants. Les essais accélérés peuvent rendre visibles les différences entre matériaux, mais ils ne représentent le vieillissement réel de manière fiable que lorsque le spectre, la dose, la température, l'humidité et la géométrie de l'échantillon correspondent à la question posée. Cette page explique les mécanismes de vieillissement, les variables d'influence et la planification des mesures d'irradiation à court terme.

Vieillissement dû au rayonnement UV

Le rayonnement ultraviolet entraîne une variété de changements dans les matériaux à base de polymères et autres matériaux photosensibles en raison de réactions photochimiques. Les mécanismes de dommages typiques comprennent la solarisation, la photodécoloration, la photodégradation et le vieillissement des matériaux causé par la formation d'ozone :

a) Solarisation
La solarisation est la perte de transmission induite par les UV dans les substrats transparents tels que le verre ou les plastiques : les centres colorés et les produits de dégradation absorbent la lumière, le matériau se décolore et paraît trouble.

b) Photodécoloration
La photodécoloration décrit le changement spectral dans les plastiques translucides tels que le polyuréthane thermoplastique (TPU), les silicones ou les polycarbonates. L'exposition au rayonnement UV entraîne un jaunissement progressif ou un changement de surface blanchâtre-crayeux (appelé « farinage »), causé par une restructuration moléculaire ou une dégradation des additifs.

c) Photodégradation
La photodégradation se caractérise par la rupture des liaisons moléculaires dans le réseau polymère. Ces processus entraînent une réduction significative de la résistance à la traction et conduisent à un changement des propriétés mécaniques et thermiques, ce qui altère gravement l'intégrité du matériau.

d) Oxydation induite par l'ozone
L'ozone, qui peut être produit à partir de l'oxygène atmosphérique par des réactions photolytiques sous l'effet du rayonnement UV, est un agent oxydant puissant. Il accélère les processus de vieillissement oxydatif et provoque la fragilisation et la fissuration, en particulier dans les élastomères, les joints et les fermetures à base de polymères.

Le rayonnement à ondes courtes constitue un cas particulier : le vieillissement des matériaux sous UVC est plus rapide et plus superficiel que sous UVA, car les photons transportent davantage d'énergie et sont absorbés dans les premiers micromètres – c'est pourquoi la désinfection UVC peut farinière une surface que des années de lumière du jour laissent intacte.

Le rayonnement UV induit des réactions photochimiques dans la structure polymère des plastiques. La dégradation du matériau qui en résulte dépend de l'intensité et de la composition spectrale du rayonnement. Les textiles sont soumis à des mécanismes de dommages similaires à ceux des plastiques conventionnels.

Ces effets sous irradiation UV sont examinés ci-dessous :

Les polymères sont majoritairement composés d'unités structurelles organiques liées de manière covalente. Un mécanisme de dommage dominant est la scission photolytique de la chaîne. Ici, des photons à haute énergie provoquent la rupture de la chaîne principale du polymère par absorption directe. En outre, la formation de radicaux libres se produit en raison d'états excités au sein du composite polymère. Les processus de dégradation décrits se limitent principalement aux couches proches de la surface et ne s'étendent généralement pas à plus de 0,5 mm à l'intérieur du matériau. Néanmoins, les concentrations de contraintes causées par une fragilité accrue peuvent initier des mécanismes de défaillance structurelle, en particulier dans les pièces moulées techniques.

Le rayonnement UV-C présente l'énergie la plus élevée par rapport aux longueurs d'onde plus longues et représente donc le plus grand potentiel de dommage pour les matériaux polymères. En raison de l'absorption par l'atmosphère terrestre, le rayonnement UV-C naturel n'atteint pas le sol. L'utilisation industrielle est également limitée à des applications spécifiques. Il en résulte des données empiriques limitées sur le comportement de vieillissement des matériaux sous exposition UV-C isolée. Si le rayonnement UV-C est utilisé dans des appareils techniques, ceux-ci peuvent être testés en conséquence.

Types de rayonnement UV

Le rayonnement UV est différencié en fonction de sa composition spectrale et des influences physiques respectives sur les matériaux. La lumière naturelle du soleil - connue sous le nom de rayonnement global - contient principalement des rayonnements UV-A et UV-B. Alors que l'UV-A (315–400 nm) et l'UV-B (280–315 nm) sont présents dans l'atmosphère libre, l'UV-B est presque entièrement absorbé par le verre de fenêtre ordinaire. Cela signifie que seule une proportion réduite du rayonnement UV-A est effective à l'intérieur.

Un essai avec un éclairement énergétique UV-A et UV-B accru simule un vieillissement photochimique accéléré dans des conditions de laboratoire contrôlées. Cependant, ce vieillissement accéléré ne peut pas être décrit par un facteur de conversion universel, car il dépend fortement du type de matériau, de la durée d'irradiation, de la longueur d'onde, de la température et de l'humidité.

L'éclairement énergétique global maximal au sol dans des conditions optimales (ciel dégagé, soleil d'été, élévation solaire de 45°) est d'environ 1000–1100 W/m². La composante UV représente environ 5–6 % pour l'UV-A et environ 0,5–1 % pour l'UV-B. Il en résulte des valeurs typiques d'éclairement énergétique UV terrestre d'environ 62 W/m² (UV-A) et d'environ 5,6 W/m² (UV-B).

À titre de comparaison : l'appareil d'irradiation UV BS-02 génère des éclairements énergétiques UV-A allant jusqu'à environ 80 W/m² et des éclairements énergétiques UV-B allant jusqu'à environ 50 W/m², selon les lampes installées. La composante UV-B est donc jusqu'à neuf fois plus élevée que sous le rayonnement solaire naturel. En supposant une durée annuelle de rayonnement global d'environ 1000 heures d'ensoleillement, une dose UVA annuelle équivalente peut être atteinte avec l'appareil BS-02 après environ 30 jours.

Dans le domaine UV-B, cette irradiation intensive permet - selon le type de polymère et sa stabilisation - des facteurs d'accélération du vieillissement pouvant atteindre 200. Cependant, l'efficacité réelle de telles simulations de vieillissement en laboratoire doit toujours être évaluée en fonction du matériau et de l'application, et nécessite une irradiation comparative.
 

Exemples de vieillissement UV

L'image illustre la comparaison entre des composants électroniques neufs et vieillis à l'exemple de diodes électroluminescentes. Les composants neufs sont présentés à gauche, tandis que les échantillons après un vieillissement UV artificiel de 350 h sont présentés à droite. L'image illustre le processus de vieillissement à titre d'exemple. Les diodes électroluminescentes vieillies présentent un jaunissement et une décoloration. En outre, le revêtement protecteur décoloré est partiellement fissuré et fragile.

La différence dans la source lumineuse pour le vieillissement artificiel est particulièrement intéressante. Une comparaison a été effectuée entre l'irradiation UVB-313 (en bas) et le vieillissement artificiel avec des lampes au xénon filtrées (en haut). La dose totale d'irradiation était d'environ 70 MJ/m² pour l'irradiation UVB-313 et d'environ 190 MJ/m² pour le vieillissement artificiel avec des lampes au xénon filtrées.

Selon [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007], les méthodes de vieillissement utilisant des lampes fluorescentes montrent un jaunissement croissant des échantillons dû à l'irradiation UV. En revanche, l'irradiation avec des lampes à arc au xénon entraîne une décoloration plus marquée des échantillons.

Une autre différence entre les deux méthodes réside dans la température des échantillons. Lors de l'utilisation de lampes fluorescentes, les échantillons restent plus froids. Cela s'explique par la limitation au spectre UV, ce qui signifie que les échantillons ne sont exposés qu'à environ 6 % de l'éclairement énergétique généré dans un dispositif à lampe au xénon.

La figure suivante montre deux surfaces d'aluminium anodisé en comparaison directe : à gauche un composant neuf, à droite une variante vieillie du même type.

Après le vieillissement avec UVB et UVA, le composant vieilli présente une décoloration photochimique nette (décoloration). Ce changement visuel est caractéristique des processus de vieillissement induits par les UV, dans lesquels la stabilité colorimétrique de la couche anodisée est altérée. Les causes peuvent être la décomposition photochimique des pigments colorants organiques ainsi que des modifications structurelles de la couche d'oxyde dues à une exposition prolongée au rayonnement UV.

Les essais de photostabilité des médicaments relèvent d'une problématique réglementaire propre et sont traités sur la page spécialisée ICH Q1B. Cette page se concentre sur les matériaux, revêtements et la solidité des couleurs.

Ces essais sont réalisés dans des chambres blindées avec une uniformité définie et une irradiation contrôlée en temps ou en dose ; les configurations et leur affectation aux tâches d'essai sont présentées sous chambres d'irradiation UV. La façon dont la dose définie est vérifiée à la position de l'échantillon est traitée sous appareils de mesure UV et radiomètres.

Combien de temps faut-il pour simuler l'irradiation solaire en laboratoire ?
Cela résulte uniquement du rapport des éclairements énergétiques. Au niveau du sol, le soleil délivre environ 62 W/m² d'UVA et 5,6 W/m² d'UVB ; avec environ 1 000 heures d'ensoleillement par an, cela donne une dose UVA annuelle de 223 MJ/m² et une dose UVB annuelle de 20 MJ/m². Une chambre de laboratoire avec 80 W/m² d'UVA et 50 W/m² d'UVB délivre la dose UVA annuelle en environ 775 heures de fonctionnement, soit environ 32 jours, et la dose UVB annuelle en environ 112 heures, soit un peu moins de cinq jours. Une seule journée d'ensoleillement correspond donc à environ deux heures d'UVA ou 18 minutes d'UVB. Le calcul est un bilan de dose ; savoir si le même dommage se produit n'est déterminé que par une exposition comparative par rapport à une référence connue.

À quelle vitesse se déroule le vieillissement accéléré aux UVB ?
Une chambre de laboratoire avec 50 W/m² d'UVB atteint environ neuf fois l'éclairement énergétique UVB naturel et le délivre sans nuit et sans intempéries. Comparé à un vieillissement extérieur d'environ 1 000 heures d'ensoleillement par an, cela donne un facteur d'accélération d'environ 80 ; selon le matériau, des facteurs allant jusqu'à 200 sont observés. Le facteur n'est pas une propriété du matériau : la scission des chaînes, le jaunissement et la fragilisation réagissent différemment à un éclairement énergétique accru, et au-delà d'une limite dépendant du matériau apparaissent des modes de dégradation qui ne se produisent pas à l'extérieur. La compression temporelle ne devient donc fiable qu'en comparaison avec une référence connue.

Quel est l'éclairement énergétique d'une chambre d'essai UV par rapport au soleil ?
Dans l'UVA, une chambre d'essai typique avec 80 W/m² se situe à environ 1,3 fois le soleil, qui atteint environ 62 W/m² au niveau du sol. Dans l'UVB, 50 W/m² contre les 5,6 W/m² naturels représente déjà neuf fois plus. Pour l'UVC, il n'existe aucune comparaison, car le rayonnement inférieur à 280 nm n'atteint pas la surface de la terre – un essai UVC n'est donc pas une simulation solaire mais le test d'un cas de charge technique. Chaque facteur d'accélération indiqué doit ainsi toujours être associé à la plage spectrale à laquelle il se réfère.