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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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