Introducción
Sin duda todos conocemos el efecto principal de la radiación ultravioleta (UV) sobre los seres humanos, ¿a cuántos nos ha ocurrido terminar con la nariz roja después de haber pasado un día al sol? Nuestra piel no es la única estructura orgánica que sufre: hasta los polímeros se ven afectados en alguna medida por la exposición a la luz del sol y la radiación ultravioleta. El problema principal es que hay muchos parámetros que afectan el nivel de exposición y hay varias formas de proporcionar resistencia a estos efectos.
La radiación UV y el espectro electromagnético
La luz UV es parte del espectro electromagnético. Es el extremo superior de la energía en comparación con la luz visible y está seguido por los rayos-X y los rayos Gamma (ver diagrama).
La radiación UV está dividida en tres tipos diferentes de radiación, según se describe en la tabla 1 junto con los efectos característicos de cada una.
DESCRIPCIÓN INTERVALO DE LONGITUD DE ONDA (nm) EFECTO COMÚN
UVA 320 - 400 BRONCEADO DE LA PIEL
UVB 280 - 320 QUEMADURA DE LA PIEL
UVC 100 - 280 GERMICIDA
Uno de los principales problemas al considerar el efecto de los rayos UV sobre los polímeros es la intensidad en relación con: ozono estratosférico, nubes, altitud, posición de la altura del sol (hora del día y época del año) y reflexión. Es posible observar la complejidad de los efectos en un gráfico global de niveles de UV, el verde oscuro representa los más altos:
También es importante recordar que la temperatura ambiente y la humedad reales acelerarán cualquier efecto que pueda tener el nivel de intensidad.
Efectos principales en los polímeros expuestos a UV
Todos los tipos de UV pueden tener un efecto fotoquímico dentro de la estructura de los polímeros, el cual puede ser beneficioso o puede ocasionar algún tipo de degradación en el material. Obsérvese que, en comparación con la piel humana, es más probable que la energía más alta UVC afecte a los plásticos.
Degradación.
Los principales efectos visibles son un aspecto calcáreo y un cambio de color en la superficie del material, así como el hecho de que la superficie del componente se vuelve quebradiza. Puedo dar fe de que estos efectos son reales, los he visto en los trepadores rojos de polipropileno (PP) de mis hijos. Luego de unos años en el jardín, los caños extruidos conservaban su color original, mientras que las partes de las abrazaderas moldeadas por inyección se volvieron blanquecinas y se rajaron. Otros componentes que probablemente se vean afectados por la exposición a la luz solar incluyen los asientos de los estadios, los muebles de jardín, las películas de los invernaderos, los marcos de las ventanas y los repuestos de los automóviles.
Algunos plásticos estuvieron expuestos a niveles de radiación mucho más agresivos que lo que podemos experimentar en la Tierra. Los componentes del telescopio espacial Hubble (HST) y de la Estación Espacial Internacional (ISS) requieren que los plásticos puedan resistir las demandas del espacio exterior. Los fluoropolímeros como el FEP y las poliamidas como el Kapton son plásticos que han sido utilizados con éxito en el HST y la ISS.
Los efectos anteriores ocurren principalmente en la capa superficial del material y es poco probable que se extiendan a profundidades mayores a los 0,5 mm en la estructura. Sin embargo, las concentraciones de tensión ocasionadas por la naturaleza altamente quebradiza de algunos plásticos genéricos puede provocar una falla completa del componente.
Beneficios.
Muchos de nosotros nos beneficiamos con los recubrimientos poliméricos protectores curados con radiación UV, como los acrilatos de poliuretano o los componentes exteriores de los automóviles. Un beneficio más localizado para muchas personas es la radiación UV en los purificadores y enfriadores de agua de mesada que a menudo se ve favorecida por las buenas propiedades de transmisión de los tubos de FEP (etileno propileno fluorinado) y su capacidad antidegradante. El FEP puede procesarse por fundido y también se utiliza como recubrimiento protector en lámparas UV utilizadas en matamoscas electrónicos, en donde el recubrimiento ofrece una transmisión excelente (sólo alreadedor de un 4% de pérdida para una película de 0,25 mm). También hay muchas aplicaciones para la curación UV de tintas sobre sustratos plásticos. La radiación UVC no está completamente asociada a plásticos, pero puede utilizarse para la esterilización de componentes.
Interacción de la radiación UV con los plásticos
La energía UV absorbida por los plásticos puede excitar a los fotones, que entonces crean radicales libres. Mientras que muchos plásticos puros no pueden absorber la radiación UV, la presencia de residuos de un catalizador y otras impurezas a menudo actúan como receptores y causan la degradación. Una pequeña cantidad de impurezas puede ser suficiente para que haya degradación; por ejemplo, la presencia de cantidades del orden de trazas por mil millones de sodio en el policarbonato iniciarán la inestabilidad del color. En presencia de oxígeno, los radicales libres forman hidroperóxidos de oxígeno que pueden romper los enlaces dobles de la cadena central, generando así fragilidad en la estructura. Este proceso a menudo se denomina foto-oxidación. Sin embargo, en ausencia de oxígeno igual habrá degradación a causa del proceso de entrecruzamiento que es el efecto para los plásticos utilizados el el telescopio espacial Hubble y en la Estación Espacial Internacional.
Los tipos de plásticos no modificados cuya resistencia a la radiación UV se considera inaceptable son POM (acetal), PC, ABS y PA6/6. Otros plásticos como PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT y PPO se consideran aceptables. Obsérvese que hay una aleación de PC/ABS que también se considera aceptable. Es posible lograr una buena resistencia a los rayos ultravioletas a partir de polímeros extruidos por Zeus, como PTFE, PVDF, FEP, y PEEKTM. Los únicos plásticos que tienen una excelente resistencia son las imidas, la poliamida (PI) se utiliza en el telescopio espacial Hubble, y la polieterimida (PEI).
El PTFE tiene una resistencia particularmente buena a la radiación UV causada por los enlaces fuertes entre el carbono y el flúor (C-F) [casi el 30% más fuerte que el enlace carbono-hidrógeno (C-H)], que es el enlace lateral común que rodea a la cadena central de carbono (C-C) en una hélice y la protege. Además, la mayoría de los fluoropolímeros no tienen las impurezas cromóforas que absorben la luz en su estructura y que pueden actuar como iniciadores de la foto-oxidación.
Una interacción útil entre la radiación UV y los plásticos es con agentes fluorescentes blanqueadores (FWA). Expuestos a la luz natural, muchos polímeros pueden tener un aspecto amarillento. Pero al agregar un FWA, la luz UV absorbida luego se emite en la región azul del espectro visible (longitud de onda entre 400 y 500 nm),
en vez de hacerlo en la región de los amarillos. En comparación con otros agregados, los FWA sólo hace falta en pequeñas cantidades, normalmente entre 0,01 y 0,05 % del peso.
Cómo evitar la degradación por UV
Hay varias formas de evitar la degradación por UV en los plásticos: utilizando estabilizadores, absorbentes y bloqueadores. Para muchas aplicaciones al aire libre, el simple agregado de negro de humo en un nivel de aproximadamente el 2% proporcionará la protección de la estructura por el proceso de bloqueo. Otros pigmentos como el dióxido de titanio también pueden resultar efectivos. Los compuestos orgánicos como las benzofenonas y los benzotriazoles son absorbentes típicos que absorben la radiación UV de manera selectiva y la reemiten con una longitud de onda menos dañina, principalmente como calor. El tipo de los benzotriazoles es bueno, ya que tiene poco color y se puede utilizar en dosis bajas en proporciones por debajo del 0,5%.
El otro mecanismo de protección principal es añadir un estabilizador, el más común es el HALS (fotoestabilizadores a base de derivados de aminas), que absorben los grupos excitados y evitan la reacción química de los radicales.
En la práctica, los diferentes tipos de aditivos utilizados se encuentran en combinaciones o son compuestos incluidos en el polímero original para producir un grado especial de protección UV. El agregado de antioxidantes a algunos plásticos para evitar la foto-oxidación puede resultar atractivo, pero se debe tener cuidado de que el antioxidante elegido no actúe como absorbedor de radiación UV, lo que en realidad aumentaría el proceso de degradación.
Prueba de los componentes
El desgaste de los componentes a menudo está relacionado con los productos que se utilizan al aire libre, pero también puede haber radiación UV en los interiores proveniente de iluminación fluorescente, donde las cubiertas deben ser resistentes a la degradación y a la coloración adversa. El envejecimiento acelerado es una técnica común para evaluar el daño a largo plazo con el producto expuesto a la luz artificial de diferentes fuentes. La exposición a menudo tiene lugar a temperaturas elevadas y puede ocurrir en ciclos con períodos de alta humedad.
Hay varias normativas que regulan el tipo de iluminación y sus niveles, por ejemplo, ASTM D 2565 (práctica estándar para exposición a arco de xenón de plásticos que se utilizarán al aire libre). Otras normativas, con una descripción breve, son: ASTM D 4329 (lámpara fluorescente), ASTM D 4459 (como la 2565 pero para aplicaciones de uso en interiores), SAE J1960 (partes exteriores de automóviles con arco de xenón), ISO 4892-2 (arco de xenón) e ISO 4892-3 (fluorescente). Sin embargo, ninguna de estas normativas menciona el estándar requerido para las propiedades del producto al finalizar el período de exposición.
Varios usuarios importantes utilizan su propio criterio. Un ejemplo de ello es el informe de Plastic Pipe Institute (Instituto del entubado plástico) sobre el desgaste de las tuberías plásticas (informe TR18/99), que advierte acerca de las grandes diferencias de
entorno para las diferentes localidades de los EE.UU. Otro ejemplo es el de las tablas plásticas, donde la dureza de la capa externa no debe modificarse en más de un 10% luego de 500 horas de exposición.
En la lista precedente hay normativas para la exposición de aplicaciones en interiores. Esto tiene especial relevancia para los plásticos que se utilizan en cubiertas de luz fluorescente, ya que el espectro de este tipo de luz contiene radiación UV. Si se utiliza un polímero no estabilizado habrá un efecto obvio de decoloración.
Resumen
Si se va a exponer un producto a la luz directa del sol, el diseñador o el ingeniero debe especificar estándares adecuados de prueba y asegurarse de que el plástico tenga la formulación adecuada para mantener las propiedades deseadas a largo plazo. La inclusión de aditivos en el polímero fundido puede proporcionar protección o, cuando los volúmenes son grandes, es posible incorporar los aditivos como componente de la resina.