UV Alterung, Farbechtheit und Photostabilität

Im Kontext von Alterungsprozessen, Farbechtheit und Photostabilität begegnet man häufig den Begriffen Bestrahlen und Bewittern. Die sogenannte Kurzzeitbewitterung beschreibt eine beschleunigte Prüfmethodik, mit der die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegenüber witterungsbedingten Einflüssen simuliert wird. Aus der begrifflichen Unterscheidung lassen sich grundlegende Anforderungen ableiten, die erfüllt sein müssen, um die Beständigkeit einer Oberfläche gegenüber Umwelteinflüssen quantifizierbar zu prüfen.

Die Kurzzeitbewitterung bildet die wesentlichen Einflussgrößen aus der natürlichen Umgebung nach. Dazu zählen insbesondere Temperatur, Luftfeuchte, Luftsauerstoff, intermittierendes Benetzen sowie die optische Strahlung. Die solare Strahlung – in der Meteorologie als Globalstrahlung bezeichnet – stellt dabei den dominanten Wirkfaktor dar. In Kombination mit Sauerstoff, Feuchte- und Temperaturwechseln führt sie zu fotochemischen Reaktionen wie der Photooxidation, die im Rahmen der Alterungsprüfung analysiert werden.

Unter dem Begriff Bewittern wird im Allgemeinen die Exposition von Proben gegenüber einem simulierten oder realen Außenklima verstanden – entweder unter natürlichen Bedingungen im Freien oder unter kontrollierten Bedingungen in Bewitterungsgeräten. 

Das Bewittern simuliert die Umwelteinflüsse im Außenbereich, einschließlich Feuchte- und Temperaturwechsel sowie Benetzung. Im Gegensatz dazu stellt das Bestrahlen allgemein die Beanspruchung in Innenräumen dar.

Im Rahmen der Bestrahlung werden die Proben gezielt optischer Strahlung ausgesetzt – unter kontrollierten Bedingungen und ohne zusätzliche Feuchtigkeitseinwirkung. So bleiben beispielsweise die Prüfkörper in den Bestrahlungskammern von Opsytec durchgehend trocken. Je nach Anforderung sind die Proben bei der Alterung oder den Photostabilitätstest einer erhöhten Temperatur und einer höheren Bestrahlungsstärke ausgesetzt.

Alterung durch UV-Strahlung

Ultraviolette Strahlung führt infolge photochemischer Reaktionen zu vielfältigen Veränderungen in polymerbasierten und anderen lichtempfindlichen Materialien. Zu den typischen Schadensmechanismen zählen Solarisation, Photodiskoloration, Photodegradation sowie die durch Ozonbildung ausgelöste Materialalterung:

a) Solarisation
Als Solarisation wird die Ausbildung mikroskopischer Risse innerhalb ansonsten transparenter Substrate bezeichnet. Diese mikroskopischen Strukturschäden führen zu einer Trübung des Materials, einer Minderung mechanischer Eigenschaften, reduzierter Transmission sowie gegebenenfalls zur Ausbildung streulichtbedingter Blendung.

b) Photodiskoloration
Photodiskoloration beschreibt die spektrale Veränderung lichtdurchlässiger Kunststoffe wie thermoplastisches Polyurethan (TPU), Silikone oder Polycarbonate. Die Einwirkung von UV-Strahlung resultiert in einer allmählichen Gelbfärbung oder einer weißlich-kreidigen Oberflächenveränderung (sogenannte „Kreidung“), verursacht durch molekulare Umstrukturierung oder Abbau von Additiven.

c) Photodegradation
Die Photodegradation ist durch den Abbau molekularer Bindungen im Polymernetzwerk charakterisiert. Diese Prozesse resultieren in einer signifikanten Abnahme der Zugfestigkeit und führen zu einer Veränderung mechanischer sowie thermischer Eigenschaften, wodurch die Integrität des Materials stark beeinträchtigt wird.

d) Ozoninduzierte Oxidation
Ozon, das unter UV-Einfluss durch photolytische Reaktionen aus Luftsauerstoff entstehen kann, stellt ein starkes Oxidationsmittel dar. Es beschleunigt oxidative Alterungsprozesse, verursacht Versprödung und Rissbildung insbesondere in Elastomeren, Dichtungen und polymerbasierten Verschlüssen.

UV-Strahlung induziert photochemische Reaktionen in der Polymerstruktur von Kunststoffen. Die daraus resultierende Materialdegradation ist abhängig von Intensität und spektraler Zusammensetzung der einwirkenden Strahlung. Textilien unterliegen vergleichbaren Schädigungsmechanismen wie konventionelle Kunststoffe. 

Diese Effekte unter UV-Bestrahlung werden im Folgenden betrachtet:

Polymere setzen sich überwiegend aus organischen, kovalent gebundenen Struktureinheiten zusammen. Ein dominanter Schädigungsmechanismus ist die photolytische Kettenspaltung. Hierbei bewirken energiereiche Photonen den Bruch der Polymerhauptkette durch direkte Absorption. Ergänzend tritt die Bildung freier Radikale durch angeregte Zustände innerhalb des Polymerverbunds auf. Die beschriebenen Degradationsprozesse sind überwiegend auf die oberflächennahen Schichten beschränkt und reichen typischerweise nicht tiefer als 0,5 mm in das Materialinnere. Dennoch können durch erhöhte Sprödigkeit hervorgerufene Spannungskonzentrationen strukturelle Versagensmechanismen initiieren, insbesondere bei technischen Formteilen.

UV-C-Strahlung besitzt im Vergleich zu längeren Wellenlängen die höchste Energie und stellt somit das größte Schädigungspotenzial für polymere Werkstoffe dar. Aufgrund der Absorption durch die Erdatmosphäre tritt natürliche UV-C-Strahlung am Erdboden nicht auf. Auch der industrielle Einsatz ist auf spezifische Anwendungen beschränkt. Infolge dessen existieren bislang nur begrenzte empirische Daten zum Alterungsverhalten von Materialien unter isolierter UV-C-Exposition. Bei einer Anwendung von UV-C-Strahlung in technischen Geräten können diese entsprechend geprüft werden.

Arten von UV-Strahlung

Die Differenzierung der UV-Strahlung erfolgt basierend auf ihrer spektralen Zusammensetzung und den jeweiligen physikalischen Einflüssen auf Materialien. Im natürlichen Sonnenlicht – der sogenannten Globalstrahlung – sind primär UV-A- und UV-B-Strahlung enthalten. Während UV-A (315–400 nm) und UV-B (280–315 nm) in der freien Atmosphäre auftreten, wird UV-B durch gewöhnliches Fensterglas nahezu vollständig absorbiert. In Innenräumen ist demnach lediglich ein reduzierter Anteil der UV-A-Strahlung wirksam.

Eine Prüfung mit erhöhten UV-A- und UV-B-Bestrahlungsstärken simuliert eine beschleunigte photochemische Alterung unter kontrollierten Laborbedingungen. Diese beschleunigte Alterung kann jedoch nicht durch einen universellen Umrechnungsfaktor beschrieben werden, da sie stark vom Materialtyp, der Bestrahlungsdauer, der Wellenlänge sowie von Temperatur und Luftfeuchte abhängt.

Die maximale globale Bestrahlungsstärke am Erdboden beträgt unter optimalen Bedingungen (klarer Himmel, Sommersonne, 45° Sonnenhöhe) etwa 1000–1100 W/m². Der UV-Anteil liegt dabei bei ungefähr 5–6 % für UV-A und etwa 0,5–1 % für UV-B. Daraus ergeben sich typische Werte für die terrestrische UV-Bestrahlungsstärke von ca. 62 W/m² (UV-A) und ca. 5,6 W/m² (UV-B).

Zum Vergleich: Das UV-Bestrahlungsgerät BS-02 erzeugt kombinierte UV-A/UV-B-Bestrahlungsstärken im Bereich von etwa 50–80 W/m². Der UV-B-Anteil ist damit bis zu neunfach höher als unter natürlicher Sonneneinstrahlung. Geht man von einer jährlichen Globalstrahlungszeit von etwa 1000 Sonnenstunden aus, kann mit dem Gerät BS-02 eine äquivalente UVA-Jahresdosis bereits nach ca. 29 Betriebsstunden erreicht werden.

Im UV-B-Bereich ermöglicht diese intensive Bestrahlung – abhängig vom Polymertyp und seiner Stabilisierung – Beschleunigungsfaktoren der Alterung von bis zu 200. Die tatsächliche Wirksamkeit solcher Laboralterungssimulationen ist jedoch stets material- und anwendungsabhängig zu bewerten und erfordert vergleichende Bestrahlungen.
 

Beispiele für UV-Alterungen

Das Bild veranschaulicht den Vergleich zwischen neuen und gealterten elektronischen Bauteilen am Beispiel von Leuchtdioden. Links sind neue Bauteile zu sehen, während rechts die Proben nach einer künstlichen UV-Alterung von 350 Stunden dargestellt sind. Das Bild illustriert den Alterungsprozess beispielhaft. Die gealterten Leuchtdioden zeigen Vergilbung und Ausbleichen. Zudem ist der ausgebleichte Schutzlack teilweise rissig und spröde.

Besonders interessant ist der Unterschied in der Lichtquelle für die künstliche Alterung. Verglichen wurden eine UVB-313-Bestrahlung (unten) und eine künstliche Bewitterung mit gefilterten Xenonlampen (oben). Die Gesamtdosis der Bestrahlung betrug etwa 70 MJ/m² bei der UVB-313-Bestrahlung und etwa 190 MJ/m² bei der künstlichen Bewitterung mit gefilterten Xenonlampen.

Laut [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007] zeigen Bewitterungsverfahren, die mit Fluoreszenzlampen arbeiten, eine zunehmende Vergilbung der Proben durch die UV-Bestrahlung. Im Gegensatz dazu führt die Bestrahlung mit Xenonbogenlampen zu einem stärkeren Ausbleichen der Proben.

Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Methoden liegt in der Temperatur der Proben. Bei der Nutzung von Fluoreszenzlampen bleiben die Proben kälter. Dies ist auf die Beschränkung auf das UV-Spektrum zurückzuführen, wodurch die Proben nur etwa 6% der Bestrahlungsstärke ausgesetzt sind, die in einem Xenonlampengerät erzeugt wird.

Die folgende Abbildung zeigt zwei eloxierter Aluminiumoberfläche im Direktvergleich: links ein neuwertiges Bauteil, rechts eine gealterte Variante desselben Typs. 

Im Nach einer Alterung mit UVB und UVA zeigt das gealterte Bautei eine deutliche Photodiskoloration (Verfärbung). Diese visuelle Veränderung ist charakteristisch für UV-induzierte Alterungsprozesse, bei denen die Farbstabilität der Eloxalschicht beeinträchtigt wird. Ursachen können sowohl photochemische Zersetzung organischer Farbpigmente als auch strukturelle Veränderungen der Oxidschicht durch Langzeitexposition gegenüber UV-Strahlung sein.

Die UV-Bestrahlungskammer BS-02 von Opsytec Dr. Gröbel GmbH ist für vielfältige Anwendungen in der UV-Alterung, Farbechtheit und Photostabilität konzipiert und insbesondere für die Simulation von Alterungsprozessen im Innenraum geeignet. Die hohe Homogenität der Bestrahlung erlaubt eine gleichmäßige Exposition der Proben. Mit ihrer Fähigkeit zur zeit- oder dosisgesteuerten Bestrahlung in den Spektralbereichen UVA, UVB und UVC eignet sie sich besonders für ICH Q1B-konforme Studien, Inhouse-Alterung und Alterung im Innenraum.

Für Photostabilitätstests gemäß ICH Q1B bietet die BS-02+ die notwendige Ausstattung. Mit der Kombination aus UVA-Leuchtstofflampen und LED-Lichtquellen im sichtbaren Bereich (400–700 nm) können die Anforderungen der Option 2 der Richtlinie erfüllt werden. Die Dosissteuerung erfolgt über den UV-MAT Touch, der eine gleichbleibende Bestrahlung unabhängig von Lampenalterung oder Umgebungseinflüssen sicherstellt.