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Envejecimiento inducido por la radiación UV del Sol sobre la Tierra

 

Imagen: AEMET

La exposición a la luz solar que incide en mayor o menor medida sobre la Tierra conduce a la degradación de los materiales de origen macromolecular, tales como los plásticos, pinturas, textiles, etc.

 

La radiación ultravioleta es la causante del deterioro fotoquímico, un proceso resultante de la escisión de las estructuras orgánicas de los polímeros, responsable de la degradación de sus propiedades físicas, traducidas en cambios de color y brillo, harinamiento de las superficies, aumento de la fragilidad, disminución de la flexibilidad, etc.

 

Para luchar contra dicho deterioro, los fabricantes de plásticos para usos al exterior, emplean diversos tipos de estabilizantes UV los cuales suelen ser incorporados como cargas añadidas a los monómeros, durante el proceso de polimerización, con el fin de aumentar su estabilidad frente a las radiaciones UV.

 

Los absorbentes UV más comunes son las benzofenonas y la dispersión de micropartículas tales como el negro de humo, o negro de carbono, pigmentos inorgánicos, etc.

 

Las benzofenonas son muy utilizadas como filtros solares en multitud de aplicaciones, tales como en la industria cosmética, aunque recientemente están siendo empleados como aditivos para los plásticos expuestos a la intemperie con el fin de incrementar su vida útil.

 

Otros tipos de estabilizantes muy efectivos son los HALS y los quenchers UV.

 

• Aditivos UV (Hals):

 

Están formados por aminas impedidas estéricamente y son altamente efectivos para una amplia gama de polímeros.

 

No absorben la luz ultravioleta, si no que actúan como captadores de radicales libres, inhibiendo la degradación del polímero. Los Hals también contribuyen a mejorar la estabilidad térmica de los polímeros a largo plazo.

 

• Aditivos UV (Quenchers):

 

Funcionan como agentes de transferencia de energía bajo estados de excitación del polímero.

 

Tienen la propiedad de transformar la energía ultravioleta perjudicial en energía calórica inofensiva, actuando como un filtro que evita que ocurra la absorción de energía por el polímero y su consecuente degradación.

 

En general, los absorbentes UV pueden ser transparentes como las hidroxibenzofenonas, u opacos, como es el caso del negro de humo, considerado uno de los absorbentes de luz más eficientes y ampliamente utilizados.

 

La eficiencia del negro de humo como absorbente UV depende principalmente de su granulometría y forma, de manera que las partículas de menor tamaño presentan una mayor superficie frente a la luz incidente y por lo tanto, una mayor capacidad de absorción de la luz ultravioleta.

 

Desde el punto de vista únicamente lumínico, las radiaciones emitidas por el Sol se distribuyen conforme al siguiente porcentaje estimativo:

 

Radiación infrarroja (IR): 50%.

 

Radiación visible: 45,5%.

 

Radiación ultravioleta: 4.5%.

 

Aunque la radiación UV representa solo un 4,5 % del espectro solar, esta es la que causa la mayor parte del deterioro fotoquímico en los materiales poliméricos.

 

La radiación ultravioleta, con una longitud de onda comprendida entre los 280 y los 400 nanómetros, se divide en tres zonas: UVC, UVB y UVA. Aunque la parte más perniciosa corresponde a la longitud de onda más corta, que se encuentra por debajo de los 315 nm (UVC y UVB), debido a que llega en muy pequeña proporción a la Tierra, frenada por la capa de ozono, la que habremos de considerar como de mayor relevancia es la UVA (340 nm), excepto en lo referente a las exposiciones aeroespaciales.

 

Definimos como irradiancia a la energía radiante acumulada que incide sobre un área específica durante un periodo de tiempo dado. Puede ser expresada tanto en W /m2.s, como en Julios/m2, ó en Langleys (Ly); (1 Ly = 1 cal/cm2 = 4.184 E4 Julios/m2), esta última solo empleada en el caso de contemplar grandes dosis acumuladas, por razones de simplificación.

 

La irradiancia solar media anual por países, en kLy (kcal/cm2/año), ordenada de menor a mayor es, de forma estimativa y como ejemplo, la siguiente:

 

60 kLy:

Alaska, Finlandia, Suecia, Dinamarca, Noruega, Reino Unido 70, Rusia (Norte).

 

90 kLy:

Austria, Luxemburgo, Alemania, Suiza, Bélgica, Holanda, Polonia, Hungría, Japón.

 

110 kLy:

Canadá, Bulgaria, Columbia, Rumania, Corea.

 

130 kLy:

Angola, Ecuador, Francia, Grecia, Birmania, Surinam, Italia, Nueva Zelanda, Cerdeña, Brasil.

 

140 kLy:

España, Sicilia, El Salvador, Singapur, Etiopía, Madagascar, Filipinas, Malasia, Taiwán, Bahamas, Tailandia, Guatemala, Turquía, Bolivia, Nicaragua, Hong Kong, Honduras, Florida, Uganda, Chile, Indonesia, Vietnam, China, Panamá, Costa Rica, Cuba, Chipre, Perú, Portugal, Kenia, Rusia (Sur).

 

150kLy:

Argentina, Sudáfrica, Argelia, Marruecos, Mozambique, Túnez, Nepal, Haití, Uruguay, Venezuela, Paraguay, Jamaica, Omán, Malta, México.

 

160 kLy:

Líbano, Senegal, Afganistán, Libia, Australia, Francia, Mauritania, Arizona, India, Pakistán, Irak, Irán, Israel, Zambia, Jordania, Kuwait.

 

180 kLy:

Egipto, Malí, Arabia Saudí, Bahrein, Níger, Chad.

 

200 kLy:

Sudán.

 

Evidentemente, dentro de cada país pueden existir importantes variaciones, según las regiones, como por ejemplo las existentes en España entre Galicia y Almería, de ahí que resulte muy común encontrar publicaciones concernientes a la insolación media anual por aéreas geográficas puntuales.

 

Esta información resulta de enorme utilidad para poder extrapolar los datos obtenidos en el laboratorio, con el fin de poderlos comparar con una predicción de envejecimiento tras la exposición a la intemperie en campo, en función de las coordenadas geográficas del planeta.

 

Para determinar la estabilidad a la luz de un determinado material o las prestaciones de un estabilizante UV, existen dos procedimientos: bien someter las probetas a la exposición a la intemperie, a modo de laboratorio natural (cuestión que requiere largos tiempos de exposición), o bien utilizar las cámaras de ensayos acelerados de laboratorio dotadas de fuentes de luz solar artificial, tales como las lámparas de Xenón, tubos fluorescentes UV, lámparas de mercurio/cuarzo, halogenuros metálicos, etc., bajo condiciones de temperatura y humedad controladas.

 

A tal efecto existen multitud de normativas de ensayo publicadas por los diversos países.

 

Con todo ello, y como ejemplo, si un fabricante de componentes plásticos que exporta al norte de Rusia, desea determinar el grado de deterioro de sus materiales en tal lugar, durante un tiempo estimado de cuatro años de esperanza de vida del producto, habría de calcular la dosis acumulada en dicho periodo en base a las publicaciones publicadas por el centro de observación meteorológico de dicho país.

 

En este caso, el  cálculo sería: 60 kLY estimados por año, por 4 años de exposición, igual a 120 kLy; de tal manera que, sometiendo sus probetas a los efectos de una cámara de ensayos acelerados de laboratorio, durante el tiempo necesario para acumular dicha dosis de 120 kLy, podrá apreciar anticipadamente el grado de deterioro que sufrirá su material y calcular su periodo de vida sin tener que esperar cuatro años para conocer los resultados.

 

Por estabilidad se entiende la inalterabilidad de composición, aspecto, textura, color, etc., y en especial la permanencia de sus cualidades iniciales tras determinados periodos de exposición solar en condiciones térmicas, energéticas y lumínicas controladas.

 

Para evaluar el grado de estabilidad de los materiales frente a los efectos del Sol,  se utilizan las cámaras de ensayos acelerados de laboratorio.

 

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