Vieillissement aux intempéries

Le vieillissement aux intempéries est un sujet complexe. Dans certaines circonstances, une attaque couplée, par exemple des UV et de l'ozone, est plus sérieuse que des expositions indépendantes aux mêmes éléments nocifs. Le niveau d'humidité joue souvent un rôle décisif. Dans certains matériaux polymères, des couches superficielles réticulées fines, provoquées par les UV offrent une protection partielle contre d’autres éléments agressifs. Dans d’autres matériaux, les UV créent des « centres de couleur » qui améliorent l’effet des rayons subséquents. L’absorption « des stabilisateurs UV » peut offrir une certaine protection pour le plastique.

Simulateurs solaires Oriel pour le vieillissement aux intempéries

Dans tous les cas, la sortie de nos simulateurs collimatée et caractérisée par un spectre vous aide à éclaircir les interactions complexes. La disponibilité en continu de niveaux d’intensité élevés permet de procéder à des tests accélérés. Vous pouvez soumettre un échantillon à l’équivalent de plusieurs années d'UV solaires en quelques jours. Un simple contrôle de dose en utilisant l’obturateur et le minuteur de l’obturateur permet de déterminer la relation entre la dose d'exposition et le changement de couleur ou le changement des propriétés mécaniques.

Réciprocité

Des tests plus accélérés sur le vieillissement aux intempéries reposent sur le fait que la réponse (le vieillissement aux intempéries) doit être indépendante du taux d’irradiation ; la réponse doit uniquement dépendre linéairement de l’exposition totale aux rayons (ou « dose »).
On dit que les effets qui dépendent de la dose plutôt que du taux de la dose obéissent à la loi de la réciprocité. Les tests accélérés sont les plus simples pour les matériaux répondant à la réciprocité, vous pouvez facilement comparer les résultats de ces tests avec la durée de vie attendue à l’extérieur. (En principe, la caractérisation de la dépendance au taux de la dose de dégradation pour un échantillon qui n’est pas conforme à la réciprocité permettra aussi d'estimer sa durée de vie, mais vous devez avoir davantage de données sur la variation du niveau de rayonnement solaire).
La figure 2 illustre deux des types les plus simples de réciprocité. Le graphique du haut présente un effet qui « sature » à des niveux de flux élevés ; par exemple, à cause d’un échauffement de l’échantillon. Ce type de comportement limite le taux d’accélération. Pour d’autres procédés, le taux augmente, c'est-à-dire que la courbe migre vers le haut, à des flux plus élevés, à cause de l’augmentation de la température de l’échantillon.
Le graphique du bas est un exemple typique d’une évolution due au vieillissement aux intempéries, dans lequel une simple conversion se produit. La courbe supérieure et l’axe de gauche montrent la dose cumulée à mesure que le temps passe. (Le flux d’UV de ce simulateur est d’environ 143 W m^-2. En une minute, la dose est de 60 s x 143 W m^-2 = 8580 J m^-2, ou 8,58 kJm^-2.) La dose cumulée devient en fait assez élevée pour transformer une fraction significative du matériau et le rayonnement ultérieur est moins efficace.
Nous avons utilisé ces deux exemples simples pour clarifier les choses. Il n’est pas simple d’identifier la cause de l’échec de la réciprocité. Par exemple, la saturation à des niveaux de flux élevés peut aussi être la cause de la saturation de la dose cumulée présentée sur la figure du bas.

Attention aux autres effets

Les effets autres que celui faisant l’objet de l'étude posent des limites au test accéléré. Le taux de rayonnement maximal ne doit pas endommager l’échantillon (ou causer une réponse non linéaire, figure 2). Un rayonnement absorbé visible ou infrarouge dans un rayonnement solaire intense ou dans les faisceaux du simulateur peut rapidement carboniser des tissus sombres, même si les effets de vieillissement aux intempéries induits par les ultraviolets obéissent toujours à la loi de réciprocité. Nous proposons des simulateurs dont la sortie visible et infrarouge est considérablement réduite. Cela permet de réaliser des intensités hautes d’ultraviolet sans complications résultant d’un échauffement provoqué par les rayonnements visibles et infrarouges.

Importance de la concordance spectrale

Lorsque l’on ne connaît pas précisément le spectre d’action pour les effets de viellissement aux intempéries, comme cela est souvent le cas, il est important que le spectre du test simule étroitement le spectre prévu de déploiement. L’utilisation d’un niveau d’ultraviolets total pour les tests peut être trompeuse si le spectre du simulateur n'est pas une approximation raisonnable d’un spectre extérieur pondéré par le temps. Cette remarque est particulièrement vraie pour des spectres d’action à variation élevée.
Tout vieillissement aux intempéries répondant à la réciprocité sera proportionnel à la dose effective totale ; le spectre d’action du produit intégré de la longueur d'onde et le spectre de dose. Le spectre de dose approprié devra prendre en compte la variation diurne et annuelle du spectre extérieur et pourra être considéré comme étant le « pire cas » de rayonnement annuel, ou pour les matériaux comme ceux utilisés pour la décoration des meubles de jardin, il devra prendre en compte le spectre local pour la dose totale estivale. On obtient progressivement de plus en plus d’informations fiables sur le spectre de dose UV, pour différents sites, dans le monde entier.
Le spectre à efficacité intégrée indique l’efficacité de chaque source à produire un vieillisement aux intempéries. Dans l’exemple, nous pouvons comparer les sources car nous avons utilisé un spectre d’action connu. Le simulateur fondé sur une lampe aux halogénures métalliques produit 10 % de vieillissement aux intempéries de plus que ce à quoi l’on s’attendait d’après les mesures de puissance.

Exemple

Pour notre exemple, nous utilisons le spectre UV de midi en été et un « spectre d’action de viellissement aux intempéries » fondé sur l’absorption des UV par la résine de polycarbonate. Nous calculons l’effet de chaque longueur d'onde (en unités arbitraires) pour le spectre solaire en multipliant la valeur du rayonnement solaire par la valeur du spectre d'action. L'intégration de ces valeurs permet d’obtenir l'effet total du vieillissement aux intempéries pour ce spectre d’action et ce spectre solaire.
Nous répétons ce processus pour le simulateur avec un filtre d’atténuation atmosphérique et un simulateur à base d’halogénures métalliques. Pour les deux simulateurs, nous réduisons la sortie pour s’adapter au rayonnement solaire total compris entre 280 et 400 nm. Les résultats sont classés dans le tableau ci-dessous.

Tableau 1

Puissance large bande des puissancemètres

Lorsque l’on ne connaît pas le spectre d’action, plus la correspondance de spectre entre le simulateur et le rayonnement solaire moyen est proche, plus il est facile d'extrapoler les résultats du simulateur à la réalité des conditions extérieures. Ceci est particulièrement important lorsque l’on compare de nouvelles formules de produits avec des différences possibles dans le spectre d’action.
Les puissancemètres large bande sont sensibles à une gamme étendue de longueurs d’ondes. Les appareils de mesure UV large bande sont pratiques lorsque l'on travaille avec une source unique ou deux sources présentant un spectre similaire. L’utilisation d’un appareil pour mesurer les UV solaires, puis la comparaison de la valeur obtenue à la sortie du simulateur peuvent engendrer de nombreuses erreurs. Dans les applications biologiques, Sayre ¹ a mis en évidence des erreurs de facteur vingt !
Pour que la comparaison des sources avec différentes sorties spectrales soit valide avec un puissancemètre large bande :
Les sources doivent avoir un spectre similaire
ou
la réponse spectrale de l’appareil doit avoir la même forme que le spectre d’action.

1) Sayre, R. and Kligman L., Photochem. Photobiol. 55:1:141

Newport Family of Brands