UV-aldring og fargeekthet i plast

UV-aldring endrer polymerer, belegg og fargestoffer gjennom fotokjemiske reaksjoner, oksidasjon og nedbrytning av stabiliserende komponenter. Akselererte tester kan gjøre materialforskjeller synlige, men de representerer kun ekte forvitring på en pålitelig måte når spekter, dose, temperatur, fuktighet og prøvegeometri passer til spørsmålet som stilles. Denne siden forklarer aldringsmekanismer, påvirkende variabler og måleplanleggingen av korttidsbestråling.

Aldring på grunn av UV-stråling

Ultrafiolett stråling fører til en rekke endringer i polymerbaserte og andre lysømfintlige materialer som følge av fotokjemiske reaksjoner. Typiske skademekanismer omfatter solarisering, fotomisfarging, fotodegradering og materialaldring forårsaket av ozondannelse:

a) Solarisering
Solarisering er det UV-induserte tapet av transmisjon i transparente substrater som glass eller plast: fargesentre og nedbrytningsprodukter absorberer lys, materialet misfarges og virker uklart.

b) Fotomisfarging
Fotomisfarging beskriver den spektrale endringen i transluscent plast som termoplastisk polyuretan (TPU), silikoner eller polykarbonater. Eksponering for UV-stråling resulterer i en gradvis forgulning eller en hvitaktig, kalkete overflateendring (såkalt "chalking"), forårsaket av molekylær restrukturering eller nedbrytning av additiver.

c) Fotodegradering
Fotodegradering karakteriseres av nedbrytning av molekylbindinger i polymernettverket. Disse prosessene resulterer i en betydelig reduksjon av strekkfasthet og fører til en endring i mekaniske og termiske egenskaper, som sterkt forringer materialets integritet.

d) Ozonindusert oksidasjon
Ozon, som kan produseres fra atmosfærisk oksygen gjennom fotolytiske reaksjoner under påvirkning av UV-stråling, er et sterkt oksidasjonsmiddel. Det akselererer oksidative aldringsprosesser og forårsaker forsprøding og sprekkdannelse, særlig i elastomerer, tetninger og polymerbaserte lukkeanordninger.

Kortbølget stråling er et eget tilfelle: UVC-materialaldring forløper raskere og mer overflatisk enn under UVA, fordi fotonene bærer mer energi og absorberes innenfor de første mikrometrene – derfor kan UVC-desinfeksjon gi kalkete overflateendring på en overflate som år med dagslys lar være intakt.

UV-stråling induserer fotokjemiske reaksjoner i polymerstrukturen til plast. Den resulterende materialnedbrytningen avhenger av intensiteten og den spektrale sammensetningen av strålingen. Tekstiler er utsatt for lignende skademekanismer som konvensjonell plast.

Disse effektene under UV-bestråling vurderes nedenfor:

Polymerer er hovedsakelig sammensatt av organiske, kovalent bundne strukturenheter. En dominerende skademekanisme er fotolytisk kjedebrudd. Her forårsaker høyenergetiske fotoner at polymerens hovedkjede brytes gjennom direkte absorpsjon. I tillegg oppstår det frie radikaler på grunn av eksiterte tilstander i polymerkompositten. De beskrevne nedbrytningsprosessene er hovedsakelig begrenset til lagene nær overflaten og strekker seg typisk ikke dypere enn 0,5 mm inn i materialets indre. Likevel kan spenningskonsentrasjoner forårsaket av økt sprøhet utløse strukturelle svikt-mekanismer, spesielt i tekniske formstøpte deler.

UV-C-stråling har høyest energi sammenlignet med lengre bølgelengder og representerer derfor det største skadepotensialet for polymermaterialer. På grunn av absorpsjon i jordens atmosfære forekommer naturlig UV-C-stråling ikke på jordoverflaten. Industriell bruk er også begrenset til spesifikke bruksområder. Som følge av dette finnes det bare begrensede empiriske data om aldringsoppførselen til materialer under isolert UV-C-eksponering. Hvis UV-C-stråling brukes i tekniske enheter, kan disse testes tilsvarende.

Typer UV-stråling

UV-stråling differensieres på grunnlag av sin spektrale sammensetning og de respektive fysiske påvirkningene på materialer. Naturlig sollys - kjent som globalstråling - inneholder primært UV-A- og UV-B-stråling. Mens UV-A (315–400 nm) og UV-B (280–315 nm) forekommer i den frie atmosfæren, absorberes UV-B nesten fullstendig av vanlig vindusglass. Dette betyr at bare en redusert andel av UV-A-strålingen er effektiv innendørs.

En test med økt UV-A- og UV-B-irradians simulerer akselerert fotokjemisk aldring under kontrollerte laboratoriebetingelser. Denne akselererte aldringen kan imidlertid ikke beskrives med en universell omregningsfaktor, ettersom den er svært avhengig av materialtypen, bestrålingstiden, bølgelengden, temperaturen og luftfuktigheten.

Den maksimale globalirradiansen på jordoverflaten under optimale forhold (klar himmel, sommersol, 45° solhøyde) er rundt 1000–1100 W/m². UV-andelen er rundt 5–6 % for UV-A og rundt 0,5–1 % for UV-B. Dette resulterer i typiske verdier for terrestrisk UV-irradians på ca. 62 W/m² (UV-A) og ca. 5,6 W/m² (UV-B).

Til sammenligning: UV-bestrålingsenheten BS-02 genererer UV-A-irradianser på opptil ca. 80 W/m² og UV-B-irradianser på opptil ca. 50 W/m², avhengig av lampene som er montert. UV-B-andelen er dermed opptil ni ganger høyere enn under naturlig solstråling. Med en antatt årlig globalstrålingstid på rundt 1000 solskinnstimer kan en tilsvarende årlig UVA-dose oppnås med BS-02-enheten etter ca. 30 dager.

I UV-B-området gjør denne intensive bestrålingen det mulig - avhengig av polymertypen og dens stabilisering - å oppnå akselerasjonsfaktorer for aldring på opptil 200. Den faktiske effektiviteten av slike laboratoriealdringssimuleringer må imidlertid alltid vurderes avhengig av materiale og bruksområde, og krever sammenlignende bestråling.
 

Eksempler på UV-aldring

Bildet illustrerer sammenligningen mellom nye og aldrede elektroniske komponenter med lysdioder som eksempel. Nye komponenter vises til venstre, mens prøvene etter kunstig UV-aldring i 350 timer vises til høyre. Bildet illustrerer aldringsprosessen som et eksempel. De aldrede lysdiodene viser gulfarging og falming. I tillegg er det falmede beskyttelsesbelegget delvis sprukket og sprøtt.

Forskjellen i lyskilden for kunstig aldring er spesielt interessant. Det ble gjort en sammenligning mellom UVB-313-bestråling (nederst) og kunstig værsimulering med filtrerte xenonlamper (øverst). Den totale bestrålingsdosen var rundt 70 MJ/m² for UVB-313-bestråling og rundt 190 MJ/m² for kunstig værsimulering med filtrerte xenonlamper.

I følge [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007] viser værsimuleringsmetoder som bruker fluorescerende lamper en økende gulning av prøvene på grunn av UV-bestråling. Bestråling med xenonlysbuelamper fører derimot til sterkere falming av prøvene.

En annen forskjell mellom de to metodene ligger i temperaturen til prøvene. Ved bruk av fluorescerende lamper forblir prøvene kaldere. Dette skyldes begrensningen til UV-spekteret, som betyr at prøvene bare utsettes for omtrent 6 % av irradiansen som genereres i et xenonlampeapparat.

Følgende figur viser to anodiserte aluminiumoverflater i direkte sammenligning: til venstre en ny komponent, til høyre en aldret variant av samme type.

Etter aldring med UVB og UVA viser den aldrede komponenten tydelig fotoavfarging (avfarging). Denne visuelle endringen er karakteristisk for UV-induserte aldringsprosesser der fargestabiliteten til det anodiserte laget forringes. Årsakene kan være fotokjemisk nedbrytning av organiske fargepigmenter samt strukturelle endringer i oksidlaget på grunn av langvarig eksponering for UV-stråling.

Fotostabilitetstesting av legemidler følger et eget regulatorisk spørsmål og er dekket på fagsiden om ICH Q1B. Denne siden konsentrerer seg om materialer, belegg og fargeekthet.

Slike tester utføres i skjermede kamre med definert uniformitet og tids- eller dosekontrollert bestråling; utformingene og deres tilordning til testoppgaver er beskrevet under UV-bestrålingskamre. Hvordan den innstilte dosen verifiseres ved prøveposisjonen, er dekket under UV-målere og radiometre.

Hvor lenge tar det å simulere solbestråling i laboratoriet?
Dette følger alene av forholdet mellom irradiansene. Ved bakkenivå leverer solen omtrent 62 W/m² UVA og 5,6 W/m² UVB; ved rundt 1 000 solskinnstimer per år gir dette en årlig UVA-dose på 223 MJ/m² og en årlig UVB-dose på 20 MJ/m². Et laboratoriekammer med 80 W/m² UVA og 50 W/m² UVB leverer den årlige UVA-dosen på omtrent 775 driftstimer, det vil si rundt 32 dager, og den årlige UVB-dosen på omtrent 112 timer, like under fem dager. En enkelt dag med solskinn tilsvarer derfor omtrent to timer UVA eller 18 minutter UVB. Beregningen er en dosebalanse; om samme skade oppstår, avgjøres kun ved en sammenlignende eksponering mot en kjent referanse.

Hvor raskt går akselerert aldring med UVB?
Et laboratoriekammer med 50 W/m² UVB når omtrent ni ganger den naturlige UVB-irradiansen og leverer den uten natt og uten vær. Sammenlignet med utendørs værpåkjenning ved rundt 1 000 solskinnstimer per år gir dette en akselerasjonsfaktor på omtrent 80; avhengig av materialet observeres faktorer på opptil 200. Faktoren er ikke en materialegenskap: kjedebrudd, gulning og forsprøding reagerer forskjellig på en forhøyet irradians, og over en materialavhengig grense oppstår skadebilder som ikke forekommer utendørs. Tidskomprimering blir derfor kun pålitelig i sammenligning mot en kjent referanse.

Hvor høy er irradiansen til et UV-testkammer sammenlignet med solen?
I UVA ligger et typisk testkammer med 80 W/m² på omtrent 1,3 ganger solen, som når rundt 62 W/m² ved bakkenivå. I UVB er 50 W/m² mot den naturlige 5,6 W/m² allerede ni ganger så mye. For UVC finnes det ingen sammenligning, fordi stråling under 280 nm ikke når jordens overflate – en UVC-test er derfor ikke en solsimulering, men testen av et teknisk belastningstilfelle. Hver angitte akselerasjonsfaktor må derfor alltid ses i sammenheng med det spektrale området den refererer til.