Inleiding tot verwering
Blog
Laatst bijgewerkt 2023
Wat is verwering?
Verwering en lichtbestendigheid
Verwering verwijst naar veranderingen in materiaaleigenschappen die het gevolg zijn van blootstelling aan de stralingsenergie die aanwezig is in zonlicht, in combinatie met warmte (inclusief temperatuurcycli) en water in zijn verschillende toestanden, voornamelijk als vochtigheid, dauw en regen. Deze drie elementen van blootstelling aan de buitenlucht - zonlicht, warmte en water - worden de "krachten van verwering" genoemd. Verweringdegradatie wordt doorgaans geïnitieerd door zonlicht en kan worden versneld door warmte en beïnvloed door de aanwezigheid van water.
Een nauw verwant concept is lichtstabiliteitof licht snelheid, wat verwijst naar het vermogen van een materiaal om twee van de drie krachten van verwering te weerstaan - zonlicht en hitte. Lichtstabiliteitstesten omvatten geen vloeibaar water en worden vaak gebruikt om textiel en binnenmaterialen te testen. Q-Lab's introductie tot Zonlicht, verwering en lichtstabiliteit legt de overeenkomsten en verschillen tussen hen verder uit.
Verwering en lichtbestendigheid kunnen leiden tot veel verschillende soorten materiaaldegradatie, waaronder vergeling, barsten, craqueleren, kleurverandering en vervaging, delaminatie en hechtingsverlies, kromtrekken, bros worden, blaarvorming en verlies van treksterkte. De afbeelding hieronder toont een aantal verschillende soorten verandering van materiaaleigenschappen als gevolg van blootstelling aan buitenomstandigheden.
Verwering en lichtdegradatie hebben invloed op een breed scala aan materialen en industrieën – in feite alle producten die buiten worden gebruikt of op een andere manier worden blootgesteld aan de elementen. Dit omvat verf en coatings, kunststoffen, verpakkingen, textiel en stoffen, huishoudelijke en consumentengoederen, additieven en kleurstoffen, architectonische en bouwmaterialen, inkt en drukmaterialen, elektronica en een scala aan auto-onderdelen. Bekijk onze verweringsindustrieën pagina's en casestudies voor voorbeelden van testen van de duurzaamheid bij verwering, of bekijk dit algemene testgids.
Krachten van verwering
Als we het hebben over zonlicht als een van de krachten van verwering, zijn we meestal bezig met ultraviolet (UV) licht. Hoewel het slechts ongeveer 7% van de totale energie van de zon vertegenwoordigt, is UV verantwoordelijk voor vrijwel alle polymeerdegradatie. Het karakter van het zonlicht dat door producten buitenshuis wordt ontvangen, hangt af van een aantal factoren: tijd van het jaar, tijdstip van de dag, breedtegraad, bewolking en hoogte. Bovendien filtert vensterglas een deel van het kortegolf-UV-licht weg, afhankelijk van de dikte en tint, wat resulteert in een minder hard lichtspectrum dan materialen buitenshuis. De spectrale gevoeligheid van materialen is ook van cruciaal belang: om materiaaldegradatie te laten optreden, moet het materiaal het invallende licht kunnen absorberen en moet het licht voldoende energie hebben om chemische bindingen te verbreken.
Warmte, zowel in de vorm van hoge temperaturen als thermische cycli, kunnen veranderingen in de buitenlucht versnellen. Fotochemische reacties veroorzaakt door invallend zonlicht zijn doorgaans geen eenvoudige eenstapsreacties. Hoewel de primaire reacties veroorzaakt door zonlicht niet worden beïnvloed door hitte, zijn secundaire reacties dat vaak wel. In sommige gevallen kan een temperatuurstijging van 10 °C de snelheid van sommige chemische reacties in oplossing verdubbelen. Thermische cycli buitenshuis kunnen de oppervlaktetemperatuur van een materiaal in een kwestie van minuten veranderen van 75 °C naar 25 °C, wat fysieke stress op assemblages en coatings veroorzaakt.
Water kan op verschillende manieren de degradatie van materialen beïnvloeden. Water kan chemische reacties beïnvloeden – zowel door reacties in oplossing te versnellen als door te leiden tot een toename van zuurstoftransport. Water kan ook fysieke effecten veroorzaken zoals erosie, absorptie, vries-/dooistress, thermische schok en materiaalverlies door impact.
Water kan aanwezig zijn in de vorm van dauw (condensatie), relatieve vochtigheid en regenval. Van deze is dauw veruit de grootste bron van vocht buitenshuis. Materialen buitenshuis kunnen op veel locaties meer dan 12 uur per dag nat zijn, dus ontwerpen voor prestaties buitenshuis betekent ontwerpen voor een waterige omgeving.
De synergetische effecten van zonlicht, warmte en water zijn de oorzaak van verwering van materialen; zonlicht en hittebestendigheid bepalen de eigenschappen van een materiaal licht snelheid. Hoe kunnen we ervoor zorgen dat onze producten buiten meegaan? Het antwoord is: weersbestendigheidstesten.
Hoe voer ik verweringstesten uit?
Er zijn twee fundamentele soorten verweringstesten: natuurlijke buitentesten en versnelde laboratoriumtests. Deze twee testtypen zijn complementair en vormen samen een compleet verweringstestprogramma. Q-Lab kan u helpen het beste uitgebreide testplan voor uw producten en materialen te bepalen.
Natuurlijke buitentesten
Natuurlijke buitentesten op onze benchmark-testlocaties in Florida en Arizona is de beste manier om de duurzaamheid van uw producten buitenshuis vast te stellen. Florida en Arizona zijn internationaal erkende benchmarklocaties voor testen van blootstelling buitenshuis. Subtropische blootstelling aan weersinvloeden in Florida is niet alleen realistisch, maar ook versneld. Blootstellingen in Zuid-Florida leveren zonlicht met hoge intensiteit, veel jaarlijks ultraviolet (UV) licht, hoge temperaturen het hele jaar door, overvloedige regenval en zeer hoge luchtvochtigheid. Arizona heeft zelfs zonlicht met hogere intensiteit, hogere temperaturen en droge, woestijnachtige omstandigheden. Bekijk onze webinar voor een overzicht van natuurlijke testen buitenshuis Natuurlijke buitenverweringstesten.
Het synergetische effect van UV, vocht en hitte maakt Florida de ideale locatie voor het testen van de duurzaamheid van materialen in buitenomgevingen. Arizona's hoge niveaus van zonneschijn en hitte maken het de ideale locatie voor het testen van zeer duurzame materialen die elders niet falen. Natuurlijke buitenverwering is de meest nauwkeurige manier om de duurzaamheid van materialen buitenshuis te begrijpen en is de hoeksteen van elk uitgebreid verweringstestenprogramma. Wij raden alle fabrikanten van producten die buiten worden gebruikt aan om:
- Test op benchmarklocaties, aangezien zware omstandigheden de degradatie versnellen voor lage kosten
- Start elk jaar (of vaker) nieuwe buitentesten om een databibliotheek op te bouwen en nieuwe formules te vergelijken met oude producten en materialen van concurrenten.
- Kwalificeer en valideer versnelde laboratoriumtesten met buitengegevens – “test de test”
Versnelde laboratoriumtests
Hoewel natuurlijke buitentesten de meest waarheidsgetrouwe en nauwkeurige manier zijn om blootstelling aan verweringstesten uit te voeren, kan het testen lang duren – 5, 10, zelfs 20 of meer jaar voor zeer duurzame materialen. Versnelde laboratoriumverweringstesten kunnen hierbij helpen. Door de krachten van verwering in een gecontroleerde laboratoriumomgeving te versnellen, kunt u snellere resultaten krijgen over de duurzaamheid van producten. Versnelde verweringstesten zijn snel, herhaalbaar en handig, en zijn geweldig voor kwaliteitscontrole, kwalificatie en onderzoek en ontwikkeling. Het is een "hulpmiddel voor gerichte besluitvorming" om beter te bepalen:
- Welke ingrediënten je wel of niet in een product moet opnemen
- Of een partij of batch naar klanten mag worden verzonden
- Bij welke leveranciers moet je kopen?
- Welke verwerkings- en productieparameters moeten worden geselecteerd
Er zijn twee primaire typen versnelde verweringstesten, die complementaire voordelen bieden zoals beschreven in QUV en Q-SUN: een vergelijking. Voor een samenvatting van de krachten van verwering en deze twee testarchitecturen, zie onze webinar Essentiële aspecten van laboratoriumverwering.
Eén daarvan is fluorescerende UV-verweringstesten met behulp van de QUV Accelerated Weathering Tester. Om buitenverwering te simuleren, de QUV versnelde verweringstester stelt materialen bloot aan afwisselende cycli van UV-licht en vocht bij gecontroleerde, verhoogde temperaturen. Het simuleert de effecten van natuurlijk zonlicht en kunstmatige bestraling met behulp van speciale fluorescerende UV-lampen die alleen licht leveren van de UVA-, UVB- en UVC-gedeelten van het spectrum. Het simuleert dauw en regen met condenserende vochtigheid en/of waternevel.
De andere belangrijke testarchitectuur voor versnelde verwerings- en lichtechtheidstesten is de xenonboogverweringstest. Q-SUN xenonboogtestkamers reproduceren de schade die wordt veroorzaakt door zonlicht met een volledig spectrum, hitte en regen. Een of meer xenonbooglampen worden gebruikt in Q-SUN-testers om een spectrum te genereren dat erg lijkt op het volledige spectrum van zonlicht buitenshuis. Optische filters worden gebruikt om lichtspectra te leveren die zijn afgestemd op de serviceomgeving van het product. Verhoogde temperaturen worden gegenereerd door de lampen en gecontroleerd door zwarte paneelthermometers en kamerluchttemperatuurregeling. Vocht wordt voornamelijk aan monsters geleverd door waternevel, naast gecontroleerde relatieve vochtigheid. Roterende rek- en flat array-testers zijn beide uitdrukkelijk toegestaan in bijna elke belangrijke norm, en onderzoeksstudies hebben bevestigd dat ze leveren vergelijkbare resultaten vaak.
Versnelde buitentesten
Om het realisme van blootstelling buitenshuis te combineren met de snelle resultaten van laboratoriumtests, zijn versnelde buitentests ook beschikbaar met behulp van de Q-TRAC Natuurlijke Zonneconcentrator of de Doos met materialen voor auto-interieurs (AIM)Voor een overzicht van deze tests, zie onze webinar Versnelde buitenverweringstesten.
De Q-TRAC zonneconcentrator gebruikt echt zonlicht als lichtbron en is buitengewoon nuttig voor het testen van zeer duurzame materialen met uitzonderlijk lange levensduurverwachtingen. Het gebruikt een reeks van 10 spiegels om zonlicht met een volledig spectrum te reflecteren en te concentreren op testmonsters, terwijl het de zon gedurende de dag volgt om de hoeveelheid blootstelling aan de zon die testmonsters ontvangen te maximaliseren. De Q-TRAC zonneconcentrator heeft ook een watersproeisysteem, dat cycli kan uitvoeren die de verwering van Florida simuleren of thermische schokken creëren.
AIM Box-testen stellen auto-interieurmaterialen bloot aan hoge temperaturen en zonlicht van buitenaf achter helder of gelaagd glas, om de omstandigheden in een auto te simuleren. AIM-boxen kunnen ook de zon overdag volgen om de hoeveelheid zonnestraling die producten ontvangen te vergroten.
Waarom verweringstesten uitvoeren?
Redenen om te testen
Bij Q-Lab stellen we vaak de vraag "Gaan uw producten mee in de buitenlucht?" en antwoorden met "Raad niet als u kunt testen!" Dat gezegd hebbende, wat zijn de werkelijke voordelen van verwering en lichtstabiliteitstesten? Hier zijn er een paar:
Verbeter de duurzaamheid van uw product
Verweringstesten hebben geleid tot drastische toenames in de levensduur van veel belangrijke producten. Neem bijvoorbeeld autolakken, waar verweringstesten ontwikkelingen hebben ondersteund die hebben geleid tot een toename van meer dan 100% in de levensduur van producten.
Bespaar op materiaalkosten
De juiste materiaalkeuze kan een cruciale impact hebben op de productprestaties – en uw winst. Hoeveel zou het u besparen als u grondstoffen zou kopen die 10% goedkoper zijn en uw prestaties niet worden beïnvloed? De juiste materiaalkeuze kan in sommige gevallen honderdduizenden dollars besparen en verweringstesten geven u het vertrouwen om de juiste keuze te maken.
Voorkom catastrofale veldstoringen
Aan de andere kant, hoeveel zou het u kosten als u 10% goedkopere grondstoffen zou kopen, maar uw product daardoor niet meer goed functioneerde? Rechtszaken en grootschalige garantieclaims kunnen zeer schadelijk zijn voor de winst en reputatie van een bedrijf. Testen helpt dergelijke fouten te voorkomen.
Veel meer!
Met verwerings- en lichtbestendigheidstesten kunt u voldoen aan de specificaties van klanten, uw reputatie op de markt verbeteren, beweringen van leveranciers verifiëren, uw bestaande productlijnen uitbreiden, nieuwe markten betreden, de concurrentie voorblijven en de overheidsvoorschriften voorblijven.
Typen testen
Het is belangrijk om te begrijpen dat niet alle typen verweringstests dezelfde doelen hebben. Een testprogramma moet worden ontwikkeld met een duidelijk begrip van welke kennis cruciaal is om te verkrijgen. De onderstaande testmatrix toont verschillende categorieën testen van eenvoudig tot meest complex:
Versnelde testtypen | Resultaten | Test tijd | Resultaten vergeleken met |
---|---|---|---|
Kwaliteitscontrole | Pass / fail |
| Materiële specificaties |
Kwalificatie/Validatie | Pass / fail |
| Referentiemateriaal of specificatie |
correlatief | Rangorde gegevens |
| Natuurlijke blootstelling (benchmarksite) |
Voorspellend | Versnellingfactor voor de levensduur |
| Natuurlijke blootstelling (serviceomgeving) |
De meeste verweringstesten, althans in het begin, zijn kwaliteitscontrole testen – korte, gedefinieerde screeningtests voor vaste tijdsintervallen die pass/fail-resultaten genereren. Dit is nauw verwant aan kwalificatie or bevestiging testen, waarbij de specificaties van een klant in een test moeten worden gehaald om acceptatie te krijgen. Correlatieve en voorspellende testen vereisen buitendata en maken daarom deel uit van een breder testprogramma. correlatief Bij testen worden buitengegevens gebruikt als referentie voor de rangorde van monsters in laboratoriumtests – met andere woorden, om te bepalen welke de beste prestaties leveren en welke minder weersbestendig zijn. Voorspellend Testen geven schattingen van de levensduur op basis van laboratoriumresultaten, maar zijn zeer materiaalspecifiek, testspecifiek en specifiek voor de faalwijze, en vereisen veel testgegevens in de buitenlucht.
Correlatie
De meest voorkomende vraag die we bij Q-Lab krijgen is een variatie op de vraag: "Hoeveel uur in een versnelde verweringstester komt overeen met (5, 10, 20) jaar buitenshuis?"
Het korte antwoord is dat er geen eenvoudige, algemene relatie tussen laboratorium- en versnelde verweringstesten. Het probleem is niet dat we nog niet de perfecte verweringstester hebben ontwikkeld. Hoe geavanceerd of duur u uw verweringstester ook maakt, u zult nog steeds niet het "magische getal" vinden. Het grootste probleem is de inherente variabiliteit en complexiteit van blootstellingssituaties buitenshuis, waaronder geografie, weersvariabiliteit, serviceomgeving, testomstandigheden en nog veel meer. Reciprociteit, het concept dat een toename van de intensiteit van de bestraling leidt tot een proportionele afname van de testtijd, doorgaans houdt niet opBovendien is het eenvoudigweg vergelijken van tests door de hoeveelheid stralingsdosis kan tot fouten leiden, vooral bij lichtbronnen met verschillende spectrale kenmerken.
De rangordegegevens die gegenereerd kunnen worden door een uitgebreid buiten- en versneld verweringstestenplan zijn echter uiterst waardevolle informatie die u veel kan vertellen over de duurzaamheid van het product. Bij Q–Lab zijn we er om u te helpen het maximale uit uw testprogramma te halen met zo min mogelijk gedoe: daarom zeggen we dat Wij maken testen eenvoudig.