UV-veroudering en kleurechtheid van kunststoffen

UV-veroudering verandert polymeren, coatings en kleurstoffen door fotochemische reacties, oxidatie en de afbraak van stabiliserende componenten. Versnelde tests kunnen materiaalverschillen zichtbaar maken, maar geven reële verwering alleen betrouwbaar weer wanneer spectrum, dosis, temperatuur, vochtigheid en monstergeometrie aansluiten bij de gestelde vraag. Deze pagina legt de verouderingsmechanismen, de beïnvloedende variabelen en de meetplanning van kortdurende bestraling uit.

Veroudering door UV-straling

Ultraviolette straling leidt door fotochemische reacties tot uiteenlopende veranderingen in polymere en andere lichtgevoelige materialen. Typische schademechanismen zijn solarisatie, fotoverkleuring, fotodegradatie en materiaalveroudering door ozonvorming:

a) Solarisatie
Solarisatie is het door UV veroorzaakte verlies van transmissie in transparante substraten zoals glas of kunststoffen: kleurcentra en afbraakproducten absorberen licht, waardoor het materiaal verkleurt en troebel wordt.

b) Fotoverkleuring
Fotoverkleuring beschrijft de spectrale verandering in lichtdoorlatende kunststoffen zoals thermoplastisch polyurethaan (TPU), siliconen of polycarbonaten. Blootstelling aan UV-straling resulteert in een geleidelijke vergeling of een witachtig-kalkachtige oppervlakteverandering (het zogenaamde "chalking"), veroorzaakt door moleculaire herstructurering of afbraak van additieven.

c) Fotodegradatie
Fotodegradatie wordt gekenmerkt door het verbreken van moleculaire bindingen in het polymeernetwerk. Deze processen leiden tot een aanzienlijke afname van de treksterkte en tot een verandering van de mechanische en thermische eigenschappen, wat de integriteit van het materiaal ernstig aantast.

d) Door ozon veroorzaakte oxidatie
Ozon, dat onder invloed van UV-straling door fotolytische reacties uit atmosferische zuurstof kan worden gevormd, is een sterk oxidatiemiddel. Het versnelt oxidatieve verouderingsprocessen en veroorzaakt verbrossing en scheurvorming, met name in elastomeren, afdichtingen en polymere sluitingen.

Kortgolvige straling vormt een geval apart: UVC-materiaalveroudering verloopt sneller en oppervlakkiger dan bij UVA, omdat de fotonen meer energie dragen en al binnen de eerste micrometers worden geabsorbeerd – daarom kan UVC-desinfectie een oppervlak doen "chalken" dat jarenlang daglicht ongemoeid laat.

UV-straling induceert fotochemische reacties in de polymeerstructuur van kunststoffen. De resulterende materiaaldegradatie hangt af van de intensiteit en spectrale samenstelling van de straling. Textiel is onderhevig aan vergelijkbare schademechanismen als conventionele kunststoffen.

Deze effecten onder UV-bestraling worden hieronder beschouwd:

Polymeren bestaan overwegend uit organische, covalent gebonden structuureenheden. Een dominant schademechanisme is fotolytische ketenbreuk. Hierbij zorgen fotonen met hoge energie ervoor dat de hoofdketen van het polymeer breekt door directe absorptie. Daarnaast ontstaat er vorming van vrije radicalen door aangeslagen toestanden binnen het polymeercomposiet. De beschreven degradatieprocessen beperken zich voornamelijk tot de lagen nabij het oppervlak en reiken doorgaans niet dieper dan 0,5 mm in het materiaal. Toch kunnen spanningsconcentraties die worden veroorzaakt door verhoogde brosheid, structurele faalmechanismen initiëren, met name bij technische gietstukken.

UV-C-straling heeft de hoogste energie in vergelijking met langere golflengten en vertegenwoordigt daarom het grootste schadepotentieel voor polymeermaterialen. Door absorptie door de aardatmosfeer komt natuurlijke UV-C-straling niet op de grond voor. Industrieel gebruik blijft eveneens beperkt tot specifieke toepassingen. Hierdoor is er slechts beperkte empirische data beschikbaar over het verouderingsgedrag van materialen onder geïsoleerde UV-C-blootstelling. Als UV-C-straling wordt gebruikt in technische apparaten, kunnen deze dienovereenkomstig worden getest.

Soorten UV-straling

UV-straling wordt onderscheiden op basis van de spectrale samenstelling en de respectievelijke fysische invloeden op materialen. Natuurlijk zonlicht - bekend als globale straling - bevat voornamelijk UV-A- en UV-B-straling. Terwijl UV-A (315–400 nm) en UV-B (280–315 nm) in de vrije atmosfeer voorkomen, wordt UV-B bijna volledig geabsorbeerd door normaal vensterglas. Dit betekent dat binnenshuis slechts een verminderd aandeel UV-A-straling effectief is.

Een test met verhoogde UV-A- en UV-B-bestralingssterkte simuleert versnelde fotochemische veroudering onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden. Deze versnelde veroudering kan echter niet worden beschreven met een universele omrekeningsfactor, aangezien deze sterk afhankelijk is van het materiaaltype, de bestralingsduur, de golflengte, temperatuur en luchtvochtigheid.

De maximale globale bestralingssterkte op de grond onder optimale omstandigheden (heldere hemel, zomerzon, zonshoogte van 45°) bedraagt ongeveer 1000–1100 W/m². Het UV-aandeel bedraagt ongeveer 5–6 % voor UV-A en ongeveer 0,5–1 % voor UV-B. Dit resulteert in typische waarden voor terrestrische UV-bestralingssterkte van ca. 62 W/m² (UV-A) en ca. 5,6 W/m² (UV-B).

Ter vergelijking: het BS-02-UV-bestralingsapparaat genereert UV-A-bestralingssterktes tot ca. 80 W/m² en UV-B-bestralingssterktes tot ca. 50 W/m², afhankelijk van de gemonteerde lampen. Het UV-B-aandeel is daarmee tot negen keer hoger dan bij natuurlijke zonnestraling. Uitgaande van een jaarlijkse globale bestralingstijd van ongeveer 1000 zonuren, kan met het BS-02-apparaat na ca. 30 dagen een equivalente jaarlijkse UVA-dosis worden bereikt.

In het UV-B-bereik maakt deze intensieve bestraling - afhankelijk van het polymeertype en de stabilisatie ervan - versnellingsfactoren van veroudering tot 200 mogelijk. De werkelijke effectiviteit van dergelijke laboratoriumverouderingssimulaties moet echter altijd worden beoordeeld afhankelijk van het materiaal en de toepassing en vereist vergelijkende bestraling.
 

Voorbeelden van UV-veroudering

De afbeelding illustreert de vergelijking tussen nieuwe en verouderde elektronische componenten aan de hand van het voorbeeld van lichtgevende diodes. Nieuwe componenten worden links weergegeven, terwijl de monsters na kunstmatige UV-veroudering gedurende 350 h rechts worden weergegeven. De afbeelding illustreert het verouderingsproces als voorbeeld. De verouderde lichtgevende diodes vertonen vergeling en verbleking. Daarnaast is de verbleekte beschermlaag gedeeltelijk gebarsten en bros.

Het verschil in de lichtbron voor kunstmatige veroudering is bijzonder interessant. Er werd een vergelijking gemaakt tussen UVB-313-bestraling (onder) en kunstmatige verwering met gefilterde xenonlampen (boven). De totale bestralingsdosis bedroeg ongeveer 70 MJ/m² voor UVB-313-bestraling en ongeveer 190 MJ/m² voor kunstmatige verwering met gefilterde xenonlampen.

Volgens [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007] vertonen verweringsmethoden die met fluorescentielampen werken een toenemende vergeling van de monsters door UV-bestraling. Bestraling met xenonbooglampen leidt daarentegen tot sterkere verbleking van de monsters.

Een ander verschil tussen de twee methoden ligt in de temperatuur van de monsters. Bij gebruik van fluorescentielampen blijven de monsters kouder. Dit is te wijten aan de beperking tot het UV-spectrum, waardoor de monsters slechts aan ongeveer 6% van de bestralingssterkte worden blootgesteld die in een xenonlampapparaat wordt opgewekt.

De volgende afbeelding toont twee geanodiseerde aluminiumoppervlakken in directe vergelijking: links een nieuw onderdeel, rechts een verouderde variant van hetzelfde type.

Na veroudering met UVB en UVA vertoont het verouderde onderdeel duidelijke fotoverkleuring (verkleuring). Deze visuele verandering is kenmerkend voor door UV geïnduceerde verouderingsprocessen waarbij de kleurstabiliteit van de geanodiseerde laag wordt aangetast. De oorzaken kunnen fotochemische afbraak van organische kleurpigmenten zijn, evenals structurele veranderingen in de oxidelaag door langdurige blootstelling aan UV-straling.

Fotostabiliteitstests van geneesmiddelen volgen een eigen regelgevende vraagstelling en worden behandeld op de vakpagina over ICH Q1B. Deze pagina richt zich op materialen, coatings en kleurvastheid.

Dergelijke tests worden uitgevoerd in afgeschermde kamers met gedefinieerde uniformiteit en tijd- of dosisgestuurde bestraling; de uitvoeringen en hun toewijzing aan testtaken staan beschreven onder UV-bestralingskamers. Hoe de ingestelde dosis op de monsterpositie wordt gecontroleerd, staat beschreven onder UV-meters en radiometers.

Hoe lang duurt het om zonnestraling in het laboratorium te simuleren?
Dit volgt alleen al uit de verhouding van de bestralingssterktes. Op de grond levert de zon ongeveer 62 W/m² UVA en 5,6 W/m² UVB; bij circa 1.000 uur zonneschijn per jaar geeft dit een jaarlijkse UVA-dosis van 223 MJ/m² en een jaarlijkse UVB-dosis van 20 MJ/m². Een laboratoriumkamer met 80 W/m² UVA en 50 W/m² UVB levert de jaarlijkse UVA-dosis in ongeveer 775 bedrijfsuren, dat is zo'n 32 dagen, en de jaarlijkse UVB-dosis in ongeveer 112 uur, net onder de vijf dagen. Een enkele dag zonneschijn komt daarmee overeen met ongeveer twee uur UVA of 18 minuten UVB. De berekening is een dosisbalans; of dezelfde schade optreedt, wordt alleen bepaald door een vergelijkende bestraling tegen een bekende referentie.

Hoe snel gaat versnelde veroudering met UVB?
Een laboratoriumkamer met 50 W/m² UVB bereikt ongeveer negen keer de natuurlijke UVB-bestralingssterkte en levert deze zonder nacht en zonder weer. Vergeleken met buitenverwering bij circa 1.000 uur zonneschijn per jaar geeft dit een versnellingsfactor van ongeveer 80; afhankelijk van het materiaal worden factoren tot 200 waargenomen. De factor is geen materiaaleigenschap: ketenbreuk, vergeling en verbrossing reageren verschillend op een verhoogde bestralingssterkte, en boven een materiaalafhankelijke grens treden schadepatronen op die buiten niet voorkomen. Tijdcompressie wordt daarom alleen betrouwbaar in vergelijking met een bekende referentie.

Hoe hoog is de bestralingssterkte van een UV-testkamer vergeleken met de zon?
In de UVA ligt een typische testkamer met 80 W/m² op ongeveer 1,3 keer de zon, die op de grond circa 62 W/m² bereikt. In de UVB is 50 W/m² tegenover de natuurlijke 5,6 W/m² al negen keer zoveel. Voor de UVC is er geen vergelijking, omdat straling onder 280 nm het aardoppervlak niet bereikt – een UVC-test is daarom geen zonnesimulatie maar de test van een technisch belastingsgeval. Elke aangegeven versnellingsfactor hoort dus samen met het spectrale bereik waarop deze betrekking heeft.