Invecchiamento UV e solidità del colore delle materie plastiche
L'invecchiamento UV modifica i polimeri, i rivestimenti e i coloranti attraverso reazioni fotochimiche, ossidazione e la degradazione dei componenti stabilizzanti. I test accelerati possono rendere visibili le differenze tra i materiali, ma rappresentano in modo affidabile l'invecchiamento reale solo laddove spettro, dose, temperatura, umidità e geometria del campione siano adeguati alla domanda posta. Questa pagina illustra i meccanismi di invecchiamento, le variabili influenti e la pianificazione della misura dell'irraggiamento a breve termine.
Invecchiamento dovuto alla radiazione UV
La radiazione ultravioletta provoca una serie di alterazioni nei materiali a base polimerica e in altri materiali fotosensibili a seguito di reazioni fotochimiche. I tipici meccanismi di danneggiamento comprendono la solarizzazione, la fotodiscolorazione, la fotodegradazione e l'invecchiamento del materiale causato dalla formazione di ozono:
a) Solarizzazione
La solarizzazione è la perdita di trasmissione indotta dai raggi UV nei substrati trasparenti come il vetro o le materie plastiche: i centri di colore e i prodotti di degradazione assorbono la luce, il materiale si scolorisce e appare opacizzato.
b) Fotodiscolorazione
La fotodiscolorazione descrive il cambiamento spettrale nelle materie plastiche traslucide come il poliuretano termoplastico (TPU), i siliconi o i policarbonati. L'esposizione alla radiazione UV provoca un progressivo ingiallimento o un'alterazione superficiale biancastra e gessosa (il cosiddetto "chalking"), causata dal riarrangiamento molecolare o dalla degradazione degli additivi.
c) Fotodegradazione
La fotodegradazione è caratterizzata dalla rottura dei legami molecolari nella rete polimerica. Questi processi determinano una significativa riduzione della resistenza a trazione e portano a un cambiamento delle proprietà meccaniche e termiche, compromettendo gravemente l'integrità del materiale.
d) Ossidazione indotta dall'ozono
L'ozono, che può essere prodotto dall'ossigeno atmosferico tramite reazioni fotolitiche sotto l'influenza della radiazione UV, è un forte agente ossidante. Accelera i processi di invecchiamento ossidativo e causa infragilimento e formazione di crepe, in particolare negli elastomeri, nelle guarnizioni e nelle chiusure a base polimerica.
La radiazione a onde corte rappresenta un caso a sé: l'invecchiamento del materiale sotto UVC procede più rapidamente e in modo più superficiale rispetto agli UVA, poiché i fotoni trasportano più energia e vengono assorbiti nei primi micrometri – motivo per cui la disinfezione UVC può causare il chalking di una superficie che anni di luce diurna lascerebbero intatta.
Le radiazioni UV inducono reazioni fotochimiche nella struttura polimerica delle materie plastiche. La conseguente degradazione del materiale dipende dall'intensità e dalla composizione spettrale della radiazione. I tessuti sono soggetti a meccanismi di danneggiamento simili a quelli delle materie plastiche convenzionali.
Di seguito vengono esaminati questi effetti sotto irraggiamento UV:
I polimeri sono composti prevalentemente da unità strutturali organiche legate covalentemente. Un meccanismo di danneggiamento dominante è la scissione fotolitica delle catene. In questo caso, fotoni ad alta energia provocano la rottura della catena principale del polimero per assorbimento diretto. Inoltre, si verifica la formazione di radicali liberi a causa di stati eccitati all'interno del composito polimerico. I processi di degradazione descritti si limitano principalmente agli strati prossimi alla superficie e tipicamente non si estendono oltre 0,5 mm verso l'interno del materiale. Tuttavia, le concentrazioni di tensione causate da una maggiore fragilità possono innescare meccanismi di cedimento strutturale, soprattutto nei particolari stampati tecnici.
La radiazione UV-C possiede l'energia più elevata rispetto alle lunghezze d'onda maggiori e rappresenta quindi il maggiore potenziale di danneggiamento per i materiali polimerici. A causa dell'assorbimento da parte dell'atmosfera terrestre, la radiazione UV-C naturale non è presente al suolo. Anche l'impiego industriale è limitato ad applicazioni specifiche. Di conseguenza, sono disponibili solo dati empirici limitati sul comportamento all'invecchiamento dei materiali sotto esposizione isolata a UV-C. Se la radiazione UV-C viene utilizzata in dispositivi tecnici, questi possono essere testati di conseguenza.
Tipi di radiazione UV
La radiazione UV si differenzia in base alla sua composizione spettrale e ai rispettivi effetti fisici sui materiali. La luce solare naturale - nota come radiazione globale - contiene principalmente radiazione UV-A e UV-B. Mentre gli UV-A (315–400 nm) e gli UV-B (280–315 nm) sono presenti nell'atmosfera libera, gli UV-B vengono assorbiti quasi completamente dal normale vetro per finestre. Ciò significa che negli ambienti interni è efficace solo una quota ridotta di radiazione UV-A.
Una prova con irradianza UV-A e UV-B aumentata simula un invecchiamento fotochimico accelerato in condizioni di laboratorio controllate. Tuttavia, questo invecchiamento accelerato non può essere descritto da un fattore di conversione universale, poiché dipende fortemente dal tipo di materiale, dalla durata dell'irraggiamento, dalla lunghezza d'onda, dalla temperatura e dall'umidità.
L'irradianza globale massima al suolo in condizioni ottimali (cielo sereno, sole estivo, elevazione solare di 45°) è di circa 1000–1100 W/m². La componente UV è di circa il 5–6 % per gli UV-A e di circa lo 0,5–1 % per gli UV-B. Ne risultano valori tipici di irradianza UV terrestre di circa 62 W/m² (UV-A) e circa 5,6 W/m² (UV-B).
Per confronto: il dispositivo di irraggiamento UV BS-02 genera irradianze UV-A fino a circa 80 W/m² e irradianze UV-B fino a circa 50 W/m², a seconda delle lampade installate. La componente UV-B è quindi fino a nove volte superiore rispetto alla radiazione solare naturale. Ipotizzando un tempo di radiazione globale annuo di circa 1000 ore di sole, con il dispositivo BS-02 è possibile raggiungere una dose UVA annua equivalente dopo circa 30 giorni.
Nel campo UV-B, questo irraggiamento intensivo - a seconda del tipo di polimero e della sua stabilizzazione - consente fattori di accelerazione dell'invecchiamento fino a 200. Tuttavia, l'efficacia effettiva di tali simulazioni di invecchiamento in laboratorio deve sempre essere valutata in funzione del materiale e dell'applicazione e richiede irraggiamenti comparativi.
Esempi di invecchiamento UV
L'immagine illustra il confronto tra componenti elettronici nuovi e invecchiati, prendendo come esempio i diodi emettitori di luce. A sinistra sono mostrati i componenti nuovi, mentre a destra sono riportati i campioni dopo un invecchiamento UV artificiale di 350 ore. L'immagine illustra a titolo esemplificativo il processo di invecchiamento. I diodi emettitori di luce invecchiati presentano ingiallimento e scolorimento. Inoltre, il rivestimento protettivo sbiadito risulta in parte screpolato e fragile.
La differenza nella fonte luminosa per l'invecchiamento artificiale è particolarmente interessante. È stato effettuato un confronto tra l'irraggiamento UVB-313 (in basso) e l'invecchiamento artificiale con lampade allo xeno filtrate (in alto). La dose totale di irraggiamento era di circa 70 MJ/m² per l'irraggiamento UVB-313 e di circa 190 MJ/m² per l'invecchiamento artificiale con lampade allo xeno filtrate.
Secondo [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007], i metodi di invecchiamento che utilizzano lampade fluorescenti mostrano un ingiallimento crescente dei campioni a causa dell'irraggiamento UV. Al contrario, l'irraggiamento con lampade ad arco allo xeno porta a uno sbiadimento più marcato dei campioni.
Un'altra differenza tra i due metodi risiede nella temperatura dei campioni. Quando si utilizzano lampade fluorescenti, i campioni rimangono più freddi. Ciò è dovuto alla limitazione allo spettro UV, il che significa che i campioni sono esposti solo a circa il 6% dell'irradianza generata in un dispositivo con lampada allo xeno.
La figura seguente mostra due superfici di alluminio anodizzato a confronto diretto: a sinistra un componente nuovo, a destra una variante invecchiata dello stesso tipo.
Dopo l'invecchiamento con UVB e UVA, il componente invecchiato mostra una chiara fotodecolorazione (discoloration). Questo cambiamento visivo è caratteristico dei processi di invecchiamento indotti dai UV, in cui la stabilità cromatica dello strato anodizzato viene compromessa. Le cause possono essere la decomposizione fotochimica dei pigmenti organici colorati, così come cambiamenti strutturali nello strato di ossido dovuti all'esposizione prolungata alla radiazione UV.
Campo di applicazione e attrezzatura di prova idonea
Il test di fotostabilità dei medicinali segue una questione regolatoria a sé stante ed è trattato nella pagina specialistica su ICH Q1B. Questa pagina si concentra su materiali, rivestimenti e solidità del colore.
Tali test vengono eseguiti in camere schermate con uniformità definita e irraggiamento controllato in tempo o dose; le configurazioni e la loro assegnazione ai compiti di prova sono descritte in camere di irraggiamento UV. Il modo in cui la dose impostata viene verificata nella posizione del campione è trattato in radiometri e misuratori UV.
Domande frequenti sull'invecchiamento UV in laboratorio
Quanto tempo occorre per simulare l'irraggiamento solare in laboratorio?
Questo deriva unicamente dal rapporto tra le irradianze. A livello del suolo il sole fornisce circa 62 W/m² di UVA e 5,6 W/m² di UVB; con circa 1.000 ore di sole all'anno ne risulta una dose annua di UVA di 223 MJ/m² e una dose annua di UVB di 20 MJ/m². Una camera di laboratorio con 80 W/m² di UVA e 50 W/m² di UVB fornisce la dose annua di UVA in circa 775 ore di funzionamento, cioè circa 32 giorni, e la dose annua di UVB in circa 112 ore, poco meno di cinque giorni. Un singolo giorno di sole corrisponde quindi a circa due ore di UVA o 18 minuti di UVB. Il calcolo è un bilancio di dose; se si verifichi lo stesso danno lo decide solo un confronto di esposizione rispetto a un riferimento noto.
Quanto è rapido l'invecchiamento accelerato con UVB?
Una camera di laboratorio con 50 W/m² di UVB raggiunge circa nove volte l'irradianza UVB naturale e la fornisce senza notte e senza condizioni meteorologiche. Rispetto all'esposizione all'aperto con circa 1.000 ore di sole all'anno, ne risulta un fattore di accelerazione di circa 80; a seconda del materiale si osservano fattori fino a 200. Il fattore non è una proprietà del materiale: la scissione delle catene, l'ingiallimento e l'infragilimento reagiscono in modo diverso a un'irradianza aumentata, e oltre un limite dipendente dal materiale compaiono forme di danno che non si verificano all'aperto. La compressione temporale diventa quindi affidabile solo nel confronto rispetto a un riferimento noto.
Quanto è alta l'irradianza di una camera di prova UV rispetto al sole?
Nell'UVA una tipica camera di prova con 80 W/m² è a circa 1,3 volte il sole, che raggiunge circa 62 W/m² a livello del suolo. Nell'UVB, 50 W/m² rispetto ai 5,6 W/m² naturali sono già nove volte tanto. Per l'UVC non esiste un confronto, perché la radiazione sotto i 280 nm non raggiunge la superficie terrestre – una prova UVC non è quindi una simulazione solare ma la verifica di un caso di carico tecnico. Ogni fattore di accelerazione indicato deve quindi essere considerato insieme all'intervallo spettrale a cui si riferisce.
Autore: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia è l'amministratore delegato di Opsytec Dr. Gröbel GmbH a Ettlingen e dirige il laboratorio di taratura accreditato. Dopo le sue ricerche sulle scariche a eccimeri di xeno pulsate presso l'Istituto di Tecnica dell'Illuminazione del KIT, il suo attuale ambito di specializzazione è la tecnica di misura della radiazione ottica. È vicepresidente del comitato di normazione DIN FNL 7 "Radiazione ottica" e membro del gruppo di progetto DVGW sulla disinfezione UV.
