UV-åldring och färgäkthet hos plast

UV-åldring förändrar polymerer, beläggningar och färgämnen genom fotokemiska reaktioner, oxidation och nedbrytning av stabiliserande komponenter. Accelererade tester kan synliggöra materialskillnader, men de återger verklig väderpåverkan tillförlitligt endast när spektrum, dos, temperatur, luftfuktighet och provgeometri passar den fråga som ska besvaras. Den här sidan förklarar åldringsmekanismer, påverkande variabler och mätplaneringen för kortvarig bestrålning.

Åldring på grund av UV-strålning

Ultraviolett strålning leder till en mängd förändringar i polymerbaserade och andra ljuskänsliga material till följd av fotokemiska reaktioner. Typiska skademekanismer omfattar solarisering, fotomissfärgning, fotodegradering och materialåldring orsakad av ozonbildning:

a) Solarisering
Solarisering är den UV-inducerade förlusten av transmission i transparenta substrat som glas eller plast: färgcentra och nedbrytningsprodukter absorberar ljus, materialet missfärgas och blir grumligt.

b) Fotomissfärgning
Fotomissfärgning beskriver den spektrala förändringen hos genomskinliga plaster som termoplastisk polyuretan (TPU), silikoner eller polykarbonater. Exponering för UV-strålning resulterar i en gradvis gulning eller en vitaktig, kritig ytförändring (så kallad "chalking"), orsakad av molekylär omstrukturering eller nedbrytning av tillsatser.

c) Fotodegradering
Fotodegradering karaktäriseras av nedbrytningen av molekylära bindningar i polymernätverket. Dessa processer leder till en betydande minskning av draghållfastheten och medför en förändring av mekaniska och termiska egenskaper, vilket allvarligt försämrar materialets integritet.

d) Ozoninducerad oxidation
Ozon, som kan bildas från atmosfäriskt syre genom fotolytiska reaktioner under inverkan av UV-strålning, är ett starkt oxidationsmedel. Det accelererar oxidativa åldringsprocesser och orsakar försprödning och sprickbildning, särskilt i elastomerer, tätningar och polymerbaserade förslutningar.

Kortvågig strålning är ett specialfall: UVC-materialåldring sker snabbare och mer ytligt än under UVA, eftersom fotonerna bär mer energi och absorberas inom de första mikrometrarna – vilket är anledningen till att UVC-desinfektion kan göra en yta kritig som år av dagsljus lämnar intakt.

UV-strålning inducerar fotokemiska reaktioner i plastens polymerstruktur. Den resulterande materialnedbrytningen beror på strålningens intensitet och spektrala sammansättning. Textilier utsätts för liknande skademekanismer som konventionell plast.

Dessa effekter under UV-bestrålning behandlas nedan:

Polymerer är huvudsakligen sammansatta av organiska, kovalent bundna strukturenheter. En dominerande skademekanism är fotolytisk kedjeklyvning. Här orsakar högenergetiska fotoner att polymerens huvudkedja bryts genom direkt absorption. Dessutom sker bildning av fria radikaler på grund av exciterade tillstånd inom polymerkompositen. De beskrivna nedbrytningsprocesserna är huvudsakligen begränsade till ytnära lager och sträcker sig vanligtvis inte djupare än 0,5 mm in i materialets inre. Ändå kan spänningskoncentrationer orsakade av ökad sprödhet initiera strukturella felmekanismer, särskilt i tekniska formgjutna delar.

UV-C-strålning har den högsta energin jämfört med längre våglängder och representerar därför den största skadepotentialen för polymermaterial. På grund av absorption av jordens atmosfär förekommer naturlig UV-C-strålning inte på marken. Industriell användning är också begränsad till specifika tillämpningar. Som ett resultat finns det endast begränsade empiriska data om materialens åldringsbeteende under isolerad UV-C-exponering. Om UV-C-strålning används i tekniska enheter kan dessa testas i enlighet därmed.

Typer av UV-strålning

UV-strålning differentieras utifrån dess spektrala sammansättning och de respektive fysikaliska påverkningarna på material. Naturligt solljus - känt som globalstrålning - innehåller huvudsakligen UV-A- och UV-B-strålning. Medan UV-A (315–400 nm) och UV-B (280–315 nm) förekommer i den fria atmosfären, absorberas UV-B nästan fullständigt av vanligt fönsterglas. Det innebär att endast en reducerad andel av UV-A-strålningen är verksam inomhus.

Ett test med ökad UV-A- och UV-B-irradians simulerar accelererad fotokemisk åldring under kontrollerade laboratorieförhållanden. Denna accelererade åldring kan dock inte beskrivas med en universell omvandlingsfaktor, eftersom den är starkt beroende av materialtyp, bestrålningstid, våglängd, temperatur och luftfuktighet.

Den maximala globala irradiansen på marken under optimala förhållanden (klar himmel, sommarsol, 45° solhöjd) är cirka 1000–1100 W/m². UV-andelen är cirka 5–6 % för UV-A och cirka 0,5–1 % för UV-B. Detta resulterar i typiska värden för terrester UV-irradians på cirka 62 W/m² (UV-A) och cirka 5,6 W/m² (UV-B).

Som jämförelse: UV-bestrålningsenheten BS-02 genererar UV-A-irradianser på upp till cirka 80 W/m² och UV-B-irradianser på upp till cirka 50 W/m², beroende på vilka lampor som är monterade. UV-B-andelen är därmed upp till nio gånger högre än vid naturlig solstrålning. Utifrån antagandet om en årlig globalstrålningstid på cirka 1000 soltimmar kan en motsvarande årlig UVA-dos uppnås med BS-02-enheten efter cirka 30 dagar.

I UV-B-området möjliggör denna intensiva bestrålning - beroende på polymertyp och dess stabilisering - accelerationsfaktorer för åldring på upp till 200. Den faktiska effektiviteten hos sådana laboratorieåldringssimuleringar måste dock alltid utvärderas beroende på material och tillämpning och kräver jämförande bestrålning.
 

Exempel på UV-åldring

Bilden illustrerar jämförelsen mellan nya och åldrade elektroniska komponenter med hjälp av exemplet lysdioder. Nya komponenter visas till vänster, medan proverna efter artificiell UV-åldring under 350 timmar visas till höger. Bilden illustrerar åldringsprocessen som exempel. De åldrade lysdioderna uppvisar gulning och missfärgning. Dessutom är det bleknade skyddsskiktet delvis sprucket och sprött.

Skillnaden i ljuskälla för artificiell åldring är särskilt intressant. En jämförelse gjordes mellan UVB-313-bestrålning (nederst) och artificiell väderexponering med filtrerade xenonlampor (överst). Den totala bestrålningsdosen var cirka 70 MJ/m² för UVB-313-bestrålning och cirka 190 MJ/m² för artificiell väderexponering med filtrerade xenonlampor.

Enligt [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007] visar väderexponeringsmetoder som arbetar med fluorescerande lampor en ökande gulfärgning av proverna på grund av UV-bestrålning. Bestrålning med xenonbågsljuslampor leder däremot till starkare blekning av proverna.

En annan skillnad mellan de två metoderna ligger i provernas temperatur. Vid användning av fluorescerande lampor förblir proverna kallare. Detta beror på begränsningen till UV-spektrumet, vilket innebär att proverna endast exponeras för cirka 6 % av den irradians som genereras i en xenonlampanordning.

Följande bild visar två anodiserade aluminiumytor i direkt jämförelse: till vänster en ny komponent, till höger en åldrad variant av samma typ.

Efter åldring med UVB och UVA uppvisar den åldrade komponenten tydlig fotomissfärgning (missfärgning). Denna visuella förändring är karakteristisk för UV-inducerade åldringsprocesser där färgstabiliteten hos det anodiserade skiktet försämras. Orsakerna kan vara fotokemisk nedbrytning av organiska färgpigment samt strukturella förändringar i oxidskiktet på grund av långvarig exponering för UV-strålning.

Fotostabilitetstestning av läkemedel följer en egen regulatorisk frågeställning och behandlas på specialsidan om ICH Q1B. Den här sidan fokuserar på material, ytbeläggningar och färgäkthet.

Sådana tester utförs i avskärmade kammare med definierad likformighet och tids- eller doskontrollerad bestrålning; utformningarna och deras tilldelning till testuppgifter beskrivs under UV-bestrålningskammare. Hur den inställda dosen verifieras vid provpositionen behandlas under UV-mätare och radiometrar.

Hur lång tid tar det att simulera solbestrålning i laboratoriet?
Detta följer enbart av förhållandet mellan irradianserna. Vid marknivå levererar solen omkring 62 W/m² UVA och 5,6 W/m² UVB; vid ungefär 1000 soltimmar per år ger detta en årlig UVA-dos på 223 MJ/m² och en årlig UVB-dos på 20 MJ/m². En laboratoriekammare med 80 W/m² UVA och 50 W/m² UVB levererar den årliga UVA-dosen på cirka 775 drifttimmar, det vill säga omkring 32 dagar, och den årliga UVB-dosen på cirka 112 timmar, strax under fem dagar. En enda soldag motsvarar därför cirka två timmar UVA eller 18 minuter UVB. Beräkningen är en dosbalans; huruvida samma skada uppstår avgörs endast genom en jämförande exponering mot en känd referens.

Hur snabb är accelererad åldring med UVB?
En laboratoriekammare med 50 W/m² UVB når omkring nio gånger den naturliga UVB-irradiansen och levererar den utan natt och utan väder. Jämfört med utomhusexponering vid ungefär 1000 soltimmar per år ger detta en accelerationsfaktor på cirka 80; beroende på material observeras faktorer på upp till 200. Faktorn är ingen materialegenskap: kedjeklyvning, gulning och försprödning reagerar olika på en ökad irradians, och över en materialberoende gräns uppstår skademönster som inte förekommer utomhus. Tidskompression blir därför tillförlitlig först vid jämförelse mot en känd referens.

Hur hög är irradiansen i en UV-testkammare jämfört med solen?
I UVA ligger en typisk testkammare med 80 W/m² på cirka 1,3 gånger solen, som når omkring 62 W/m² vid marknivå. I UVB är 50 W/m² mot den naturliga nivån på 5,6 W/m² redan nio gånger så mycket. För UVC finns ingen jämförelse, eftersom strålning under 280 nm inte når jordens yta – ett UVC-test är därför ingen solsimulering utan testet av ett tekniskt belastningsfall. Varje angiven accelerationsfaktor hör därför alltid ihop med det spektralområde den avser.