UV-Alterung und Farbechtheit von Kunststoffen

UV-Alterung verändert Polymere, Beschichtungen und Farbstoffe durch photochemische Reaktionen, Oxidation und den Abbau stabilisierender Bestandteile. Beschleunigte Prüfungen können Materialunterschiede sichtbar machen, bilden eine reale Bewitterung jedoch nur dann belastbar ab, wenn Spektrum, Dosis, Temperatur, Feuchte und Probengeometrie zur Fragestellung passen. Diese Seite erläutert Alterungsmechanismen, Einflussgrößen und die messtechnische Planung von Kurzzeitbestrahlungen.

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 der durch UV-Strahlung ausgelöste Transmissionsverlust transparenter Substrate wie Glas oder Kunststoffe bezeichnet: Farbzentren und Abbauprodukte absorbieren Licht, das Material verfärbt sich und wirkt getrübt.

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.

Was dabei ermittelt wird, ist die Alterungsbeständigkeit des Werkstoffs – eine Eigenschaft, die sich nur im Vergleich zweier Proben mit bekannter Dosis beziffern lässt.

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 UV-A-Bestrahlungsstärken bis etwa 80 W/m² und UV-B-Bestrahlungsstärken bis etwa 50 W/m², je nach Lampenbestückung. 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. 30 Tagen 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.

Photostabilitätsprüfungen von Arzneimitteln folgen einer eigenen regulatorischen Fragestellung und werden auf der Fachseite zu ICH Q1B behandelt. Die vorliegende Seite konzentriert sich auf Werkstoffe, Beschichtungen und Farbechtheit.

Für die Durchführung solcher Prüfungen werden abgeschirmte Kammern mit definierter Homogenität und zeit- oder dosisgesteuerter Bestrahlung eingesetzt; die Bauarten und ihre Zuordnung zu Prüfaufgaben führt UV-Bestrahlungskammern auf. Wie die eingestellte Dosis am Probenort nachgewiesen wird, behandelt UV-Messgeräte und Radiometer.

Wie lange dauert die Simulation einer Sonnenbestrahlung im Labor?
Das folgt allein aus dem Verhältnis der Bestrahlungsstärken. Die Sonne liefert am Erdboden rund 62 W/m² UVA und 5,6 W/m² UVB; bei etwa 1.000 Sonnenstunden im Jahr ergibt das eine UVA-Jahresdosis von 223 MJ/m² und eine UVB-Jahresdosis von 20 MJ/m². Eine Laborkammer mit 80 W/m² UVA und 50 W/m² UVB bringt die UVA-Jahresdosis in rund 775 Betriebsstunden, also etwa 32 Tagen, und die UVB-Jahresdosis in rund 112 Stunden, also knapp fünf Tagen. Ein einzelner Sonnentag entspricht damit ungefähr zwei Stunden UVA oder 18 Minuten UVB. Die Rechnung ist eine Dosisbilanz; ob dieselbe Schädigung entsteht, entscheidet erst die vergleichende Bestrahlung gegen eine bekannte Referenz.

Wie schnell ist eine beschleunigte Alterung mit UVB?
Eine Laborkammer mit 50 W/m² UVB erreicht rund das Neunfache der natürlichen UVB-Bestrahlungsstärke und liefert sie ohne Nacht und ohne Wetter. Gegenüber einer Freibewitterung mit etwa 1.000 Sonnenstunden im Jahr ergibt das einen Beschleunigungsfaktor von rund 80, materialabhängig werden bis zu 200 beobachtet. Der Faktor ist kein Materialkennwert: Kettenspaltung, Vergilbung und Versprödung reagieren unterschiedlich auf eine erhöhte Bestrahlungsstärke, und oberhalb einer materialabhängigen Grenze entstehen Schadensbilder, die im Freien nicht auftreten. Belastbar wird eine Zeitraffung deshalb erst im Vergleich gegen eine bekannte Referenz.

Wie hoch ist die Bestrahlungsstärke einer UV-Prüfkammer im Vergleich zur Sonne?
Im UVA liegt eine typische Prüfkammer mit 80 W/m² etwa beim 1,3-Fachen der Sonne, die am Erdboden rund 62 W/m² erreicht. Im UVB sind 50 W/m² gegenüber natürlichen 5,6 W/m² bereits das Neunfache. Im UVC gibt es keinen Vergleich, weil Strahlung unter 280 nm die Erdoberfläche nicht erreicht – eine UVC-Prüfung ist deshalb keine Sonnensimulation, sondern die Prüfung eines technischen Lastfalls. Zu jeder Angabe eines Beschleunigungsfaktors gehört daher der Spektralbereich, auf den er sich bezieht.