Theoretische Grundlagen der Bewitterung

Durch die Sonnenstrahlung initiierte Alterungsprozesse können photooxidativ (mit O2), photolytisch (ohne O2) oder photokatalytisch wirken. Alle organischen Stoffe werden photooxidativ angegriffen. Die Sonnenstrahlen verursachen immer eine Aufheizung von bestrahlten Oberflächen.


UV-Stabilität

Diese wird in Abhängigkeit des Einflusses von der Bewitterung (mit/ohne) unterschieden:

  • Lichtechtheit/Photostabilität: gegen ungefiltertes, gefiltertes Fensterglas oder künstliches Licht
  • Wetterfest/Bewitterung: mit Einfluss von Feuchtigkeit und sekundären Faktoren

Abbau von Polymeren

Dieser wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

Primäre Wetterfaktoren

  • Strahlung: Energie, Intensität, Spektrum (Wellenlänge)
  • Temperatur (Wärme): Min./Max., Haltezeit, Zyklen
  • Wasser/Feuchte: Menge, Dauer, Phasen, Zyklen

Der Effekt der kombinierten Faktoren ist grösser als die Summe der einzelnen Faktoren.

Sekundäre Wetterfaktoren

  • Gase: Abgase, ölige Bestandteile (Frachthafen)
  • Schadstoffe: Saurer Regen, nicht mehr so intensiv wie früher
  • Biologische Effekte: Mikroben, Pilze, Algen
  • Naturereignis: Vulkanausbrüche beispielsweise können die UV-B Strahlen über mehrere Jahre stark reduzieren

Effekte von Umwelteinflüssen auf Materialien

Änderung von Farbe und Erscheinungen

  • Vergilbung, speziell bei PVC
  • Verkreidung
  • Glanzverlust
  • Verfärbung wie Blueing oder Pinking
  • Ausbleichen
  • Schmutzaufnahme
  • Eintrübung
  • Geschmacks- / Geruchsänderung

Mechanische Schädigung

  • Abnahme der Zugfestigkeit
  • Verformung
  • Rissbildung
  • Versprödung
  • Delaminierung, besonders bei Farblacksystemen

Weitere Effekte

  • Abbau und Verlust aktiver Zusätze; beispielsweise Brandschutzmittel, die ihre Funktion verlieren
  • Veränderung der Haptik
  • Schimmel- und Algenwachstum

Spektrum

Auf der Erde kommen Wellenlägen von 240nm bis 2500nm an. Je länger die Wellen, desto wärmer sind die Strahlen (ab 800nm /1000nm beginnt Infrarot). Bei kurzen Wellen setzt der photooxidative Abbau (ab UV-A Licht ca. 300nm) ein.

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Die gelben Strahlen (siehe nachfolgendes Diagramm) werden von der Erdatmosphäre gefiltert (AM0 = 1367W/m2); ein wichtiger Aspekt für Produkte, die im Weltall zum Einsatz kommen. Unter 280nm sind UV-C Strahlen, UV-B bis 315nm. Die rote Kurve stellt die Referenzsonne dar, die am Meer auf Äquatorhöhe liegt (AM1 = 1160 W/m2). Die Bestrahlungsstärke ist im sichtbaren Licht am höchsten.
Ab den Infrarotstrahlen 800nm entsteht Wärme. Das Gesamtlicht (AM1) setzt sich wie folgt zusammen: 6.8 % UV, 55.4% sichtbares Licht, 37.8% IR. In Mitteleuropa liegt der Air Mass bei AM1.5 zur Referenzsonne AM1; das bedeutet, dass diese schwächer ist.

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Rote und orange Produkte verändern ihre Farbe am schnellsten, da die IR-Strahlen (rot) diese Farbflächen stärker absorbieren, was den Abbauprozess beschleunigt. Im Vergleich dazu sind blaue und grüne Farben stabiler.

In der Nacht fehlt die solare Strahlung, weswegen nur ein kleiner Teil der IR-Strahlen die Erdoberfläche erreicht. Dadurch sinkt die Oberflächentemperatur des Bauteils, respektive der Probenkörper im Verhältnis zur Lufttemperatur. Bei einer erneuten solaren Einstrahlung kommt es zur Taubildung auf der Oberfläche, was nichts anderes als die Kondensation der Luftfeuchtigkeit ist. Im Schnitt tritt dies in Mitteleuropa an 250-300 Tagen pro Jahr während der Nacht ein. Addiert man dazu die Regentage und Schnee (100 Tage im Jahr > 1mm), so sind horizontale Kunststoffoberflächen de facto über 50% der Zeit feucht.

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Die Strahlung wird in Total- und Globalstrahlung unterschieden. Die Globalstrahlung, auch als Einstrahlung oder Solarstrahlung bezeichnet, entspricht der gesamten direkten und diffusen Strahlung auf eine horizontale Fläche. Diese Globalstrahlung wirkt auch im Schatten, da durch die diffusen Partikel (z.B. Wassermoleküle oder Staub) in der Luft die UV-Strahlen in alle Richtungen reflektieren. Dies erklärt ebenfalls, wieso die menschliche Haut im Schatten bräunt. In der Wüste sind die Schatten dunkler, da die Luft trockner ist und die Staubpartikel selbst die Strahlen absorbieren. Bei klarem Himmel in Mitteleuropa liegt die Globalstrahlung bei ca. 900W/m2; bei bedecktem Himmel kann sich dieser Wert durch die Streuung auf bis zu 1400 W/m2 erhöhen. Im Unterschied zur Globalstrahlung umfasst die Totalstrahlung alle Strahlenarten, von UV, über das sichtbare Licht bis hin zu den Infrarotstrahlen.

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Je nach Bodenbeschaffung können Sonnenstrahlen stärker oder weniger stark reflektiert werden. Bei der Bodenreflektion spricht man von Albedostrahlen. Hierzu beispielhafte Werte: Frischer Schnee 0.8-0.9; Asphalt ca. 0.15; trockenes Gras 0.28-0.32.


Referenzspektren von Sonnenstrahlen

Basis der Berechnung ist der 21. Juni mit klaren Bedingungen bei Sonnenhöchststand.

Globalstrahlung AM 1.0:295-3000 nm1000 W/m2
UV+VIS-Strahlung:295-800 nm550 W/m2
UV-Strahlung:295-400 nm60 W/m2
Schmalband-Strahlung:340 nm0.51 W/m2

In gängigen Bewitterungsnormen werden 60W/m2 verwendet; dies entspricht Arizona USA. Florida und Südeuropa liegen bei 61/62 W/m2. In Mitteleuropa (Frankfurt) beträgt der Wert gerade mal 48W/m2. Die Erwärmung durch die Strahlen ist ein zusätzlicher Faktor im Alterungsprozess und ist von verschiedenen Punkten abhängig:

Beispiel PVC-Platten Freibewitterung in ArizonaBild vergroessern
Beispiel PVC-Platten Freibewitterung in Arizona

Darstellung der Erwärmung von unterschiedlichen Farben aus Xenontest nach Standardbedingungen; ISO 4892-2 (60W/m2; BST 65°C, Probenraumtemperatur 38°C).

Schwarz:62-72°C
Orange:48-58°C
Grün:55-65°CGelb:45-55°C
Blau:50-60°CWeiss:43-53°C
Rot:
50-60°C
transparent:40-50°C

Die Oberflächenfarbe nimmt wesentlich Einfluss auf die Oberflächenerwärmung. Neben der Farbe spielt auch der Untergrund eine wichtige Rolle. Liegt das Bauteil auf einem dunklen oder schwarzen Untergrund, werden mehr IR-Strahlen absorbiert, was zu einer Erwärmung insgesamt führt. Auch im Bauteil selbst können unterschiedliche Temperaturverhältnisse auftreten. Liegt beispielsweise ein Teil einer Tafel direkt auf einem Metallstück auf, kann dort die Wärme besser abgeführt und die durch Strahlen verursachte Wärme besser abtransportiert werden. Daraus ergeben sich potenzielle Faktoren zur Abhängigkeit der Oberflächentemperatur:

  • Absorption vs. Reflektion (Farbe des Bauteils)
  • Wärmekapazität, Leitfähigkeit
  • Dicke
  • Lichtquelle (Spektralverteilung und Intensität)
  • Luft (Strömungsgeschwindigkeit, Feuchtigkeit)
  • Materialhinterlegung, «Durchzug»

Beispiel Autoinnenraum: Da eine mangelnde Luftzirkulation herrscht (ähnlich wie in einem Treibhaus),  können sehr hohe Oberflächentemperaturen von bis zu 130°C entstehen.


Alterung

Als Alterung werden alle während des Lebenszyklus irreversiblen Vorgänge im Material bezeichnet. Dabei laufen chemische und physikalische Änderung im Material ab. Chemisch bezieht sich auf die Änderung der chemischen Zusammensetzung, der Molekülgrösse oder dessen Struktur. Als physikalisch wird die Änderung des Gefüges, der äusseren Form oder Struktur bezeichnet.

Kunststoffe bestehen aus einer Vielzahl von kleinen Mengen an Zusatzstoffen. Es kann vorkommen, dass die Polymerkette an sich zwar stabil ist, dass aber durch Additive oder Rückstände aus der Polymerisation eine Abbaureaktion eintritt. Es findet eine direkte Absorption der Strahlen statt, was eine Reaktion auslöst. Es bilden sich Radikale, die einen indirekten Abbau und Folgeprozess verursachen. Mögliche Beispiele:

  • Metallkatalysatoren
  • Restmonomere
  • Lösungsmittelrückstände
  • Prozess-Additive
  • Weichmacher
  • Füllstoffe
  • Oxidation aus dem Verarbeitungsprozess

Der Alterungsprozess ist temperaturabhängig. Die Abbaurate nimmt bei ansteigender Temperatur zu. Als Faustregel gilt der Areniussatz: eine Erhöhung um 10°C führt zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Bei Temperaturen von über 60°C wird auch der Begriff der «Thermooxidativen Alterung» verwendet. Dieser besagt, dass durch Anwesenheit von Sauerstoff und Wärmeenergie eine Veränderung verursacht wird.

Neben der Bewitterung in der UV-Kammer wird idealerweise eine Wärmelagerung im Ofen durchgeführt. So kann eine bessere Abschätzung des Photooxidationsabbaus erfolgen. Die Photooxidation beginnt immer mit der Absorption von Strahlung durch eine chromophore Gruppe. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Einerseits mittels Polymere, die selber keine Sonnenstrahlung absorbieren, wird die Photooxidation durch externe Chromophore (Peroxide, Carboxylgruppe, Katalysatorenreste) induziert. Andererseits mittels Polymere, welche die Sonnenstrahlung selbst absorbieren. Folgende Prozesse lassen sich auslösen:

  • Photochemische Oxidation (= Kettenspaltung und Quervernetzung): Mechanisches Versagen / Glanzverlust / Kreidung.
  • Photolyse (= Vergilbung, Fluoreszenz): Verfärbung / Ausbleichen.
  • Transformation von Additiven (= Eigenschaftsveränderung): Beschleunigtes mechanisches Versagen, Ausbleichen von Farbstoffen.

Die Autooxidation ist eine Abbaureaktion über eine Radikalkettenreaktion, initiiert über solare UV-Strahlung und der Beteiligung von Sauerstoff. Metalle beschleunigen diesen Vorgang.
Die Rekombination von Radikalen setzt sich auch ohne Licht weiter; dies wird als Secondary Reaction bezeichnet, die eine stabile Endgruppe bildet.

 

Quelle: Grafiken & Tabellen von Atlas Testing GmbH, Germany.