OS FUNDAMENTOS DO INTEMPERISMO EM LABORATÓRIO

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1 OS FUNDAMENTOS DO INTEMPERISMO EM LABORATÓRIO Autor: James Gauntner Apresentador: Sergio Roberto Marigonda Empresa: Q-Lab Corporation Empresa: GRUPO MAST País: United States of America País: Brasil INTRODUÇÃO: Primeiro de tudo eu gostaria de dizer muito obrigado a Q-Lab, uma empresa fundada em 1956 e que é especializada em equipamentos de testes e serviços de durabilidade de materiais Sua sede e fábrica estão localizadas em Cleveland, Ohio, e possuem instalações de vendas e assistência técnica em Bolton na Inglaterra, Saarbrücken na Alemanha, Shanghai na China e Santo André no Brasil. Seus serviços de testes ao ar livre incluem o maior site da indústria na Florida e outro perto de Phoenix, no Arizona. Além disso, tem um pequeno campo de exposição em sua sede em Cleveland Você pode perguntar-se por que discutiremos intemperismo natural em um trabalho na ABRAFATI intitulado "Os Fundamentos do Intemperismo em Laboratório." A razão é que você não pode realmente entender o desgaste acelerado em laboratório sem alguma experiência em intemperismo natural. Pense nisso como um pré-requisito. Depois de dar-lhe uma breve visão geral, incluindo as forças de intemperismo, vamos entrar em detalhes sobre intemperismo acelerado. Até o final deste documento, você deve ter uma boa compreensão das duas principais tecnologias utilizadas no envelhecimento acelerado Arco de Xenon e UV Fluorescente, em como eles são diferentes e complementares entre si, e quais os elementos de um programa efetivo de testes. Também vamos passar por algumas dicas sobre como escrever procedimentos de teste de intemperismo em laboratório. OBJETIVO: Aqui estão as principais questões que vamos cobrir: Por que Realizar Testes de Intemperismo Natural? Testes de desgaste natural são críticos. O que são exatamente Testes de Intemperismo Natural? São os testes de desgaste natural e não demoram. Arco de Xenon ou UV fluorescente? Um laboratório de intemperismo moderno usa ambas as tecnologias, porque elas são complementares e não concorrentes.

2 INTEMPERISMO NATURAL: Vamos avançar afrente das conclusões. Em relação ao teste de intemperismo natural, que é um elemento fundamental para qualquer investigação sobre a resistência às intempéries de seus produtos. Realização de testes de intemperismo ao ar livre é mais rápido do que você pensa, e ele realmente não atrasar o desenvolvimento do produto em tudo. Um laboratório moderno de intemperismo utiliza as duas tecnologias, xenon e ultravioleta. Cada um tem seus pontos fortes e fracos, e se complementam em vez de competir. Finalmente, o teste de intemperismo de todos os tipos ajuda a tomar melhores decisões. Nós realizamos Testes de Intemperismo Natural, por que as câmaras de intemperismo da Mãe Natureza são o verdadeiro estado da arte. Então os resultados dos testes em laboratório podem estar errados. Não é possível melhorar os testes de laboratório, a menos que você saiba o resultado no mundo real. As câmaras de ensaio de intemperismo que fazemos hoje, são as melhores já feitas. Como você verá mais tarde, podemos fazer um trabalho muito bom em simular a luz solar e o UV, criando e controlando a umidade e medindo e controlando a temperatura. No entanto, a Mãe Natureza continua a ser o estado da arte pois cria condições cíclicas complexas que as câmaras de teste não podem replicar. A Natureza tende a encontrar maneiras de degradar materiais, que são difíceis de simular em laboratório. É realmente muito fácil desenvolver um teste pobre de intemperismo em laboratório. O problema é que é muito difícil saber se o seu teste é pobre, a menos que você tenha dados de intemperismo natural para compará-lo. Quando você tem dados do desgaste natural, você pode experimentar e modificar suas técnicas de teste de laboratório para combinar os resultados ao ar livre. Com um pouco de trabalho, você pode obter dados úteis e precisos a partir de seus testes de laboratório. Por exemplo, você sabia que...? Muitas vezes você pode obter dados mais úteis a partir de testes de desgaste natural em um ano ou menos? Indústrias com produtos altamente duráveis ( anos) muitas vezes têm protocolos de aprovação com ensaio e 2-3 anos ao ar livre? Podemos expor 50 painéis de teste na Flórida ou Arizona por cerca de US$ 500 por ano? Testes de intemperismo natural são úteis para produtos indoor Intemperismo Natural é mais rápido do que a maioria das pessoas imagina. Muitas vezes podemos obter dados úteis em um ano ou menos e, até mesmo quando você tem produtos muito duráveis, um teste de 2-3 anos é muitas vezes suficiente para guiar a sua tomada de decisão. Indústrias com produto altamente durável, de tintas automotivas a materiais de construção, muitas vezes têm protocolos de aprovação de testes ao ar livre de 2-3 anos. Há também um sentimento de que os testes de intemperismo ao ar livre são caros, quando na realidade é um dos tipos mais acessível de testes disponíveis. Embora os testes de envelhecimento natural são mais comumente chamados testes ao ar livre, especificamente estão usando o termo natural, porque muitos materiais destinados ao uso em ambientes internos são testados sob o vidro ao ar livre.

3 Para termos bons elementos de um programa de teste eficaz precisamos conhecer primeiro a ciência por trás do teste de intemperismo natural. Os locais de referência global para intemperismo natural são o Sul da Flórida e o Arizona. Quais as principais forças de intemperismo natural? Luz Solar Umidade Calor A fim de compreender realmente o laboratório de intemperismo, você deve saber algo sobre as forças da natureza que irão degradar seus produtos. Vamos fornecer algumas informações sobre os aspectos críticos da luz solar, umidade e calor que você deve ter em mente ao escolher um método de teste de laboratório. Em seguida, iremos fornecer algumas informações sobre referências de intempéries locais, globais e por que esses sites são o padrão. LUZ SOLAR: O elemento mais importante do intemperismo natural é a luz solar, então vamos falar dela. Em testes de intemperismo, nós gostamos de falar sobre o espectro de luz solar do verão, porque é claro que é o mais agressivo. A definição tecnica a Luz Solar é chamada de Irradiância que é a taxa à qual a energia da luz incide sobre uma superfície, por unidade de área em W/m². A forma mais comum de analisar a irradiância é analisar a intensidade ou brilho da luz. Aqui usarei a medida Watts por metro quadrado. Em outras fontes, você poderá ver miliwatts por centímetro quadrado ou outras unidades de medida. Normalmente, a conversão de uma para outra é uma questão de mover o ponto decimal. Estas definições e outros termos industriais sobre intempéries podem ser encontradas na norma ASTM G 113. Há muitas definições sobre luz solar, mas para nossos propósitos, usaremos a luz solar do meio-dia de um dia de verão, que é a luz do sol mais intensa do ano. Nós usamos gráficos chamados distribuição de energia espectral, que simplesmente representa graficamente a intensidade, ou irradiância, da luz contra seus comprimentos de onda. Devido a diferenças com base na umidade na atmosfera e a hora exata do dia e do ano solar que está sendo medido, é muito difícil obter medições de luz solar reprodutíveis. Assim, esta definição a luz solar é, na verdade, com base num modelo matemático que é aplicada às medições precisas da luz solar tomadas no espaço exterior. Este espectro está em bom acordo com as medidas que tomamos em vários locais ao longo dos anos. O espectro de luz solar é frequentemente dividido em poucos componentes-chave. Lembre-se que a luz solar contém as radiações UVB e UVA, bem como a luz visível e a porção infravermelha do espectro. Quando nos concentramos na parte UV do espectro, vemos que os comprimentos de onda mais curtos, UVC, não são encontrados na superfície da Terra. Recebemos a energia UVB, o que provoca a degradação grave dos polímeros. Ela é completamente absorvida pelos vidros comuns de janela. A terra recebe uma grande quantidade de

4 energia UVA, que é definida entre os comprimentos de onda de 315ƞm e 400ƞm. Ela também provoca a degradação dos polímeros e pode ou não ser filtrada por vidro, dependendo do tipo de vidro. O comprimento de onda mais curto, da luz solar, que atinge a Terra é de aproximadamente 295ƞm. Uma generalização útil é que os comprimentos de onda mais curtos, da luz solar, causam degradação dos polímeros, enquanto os comprimentos de onda mais longos são responsáveis pela maioria dos desbotamentos e mudanças de cor. Ondas curtas = Degradação do Polímero. Ondas longas = Mudança de Cor & Desbotamento. Mas tenha em mente que isto é apenas uma generalização, não uma regra. A relação entre um dado material e os comprimentos da onda de energia que causam degradação é chamado a sua sensibilidade espectral. A sensibilidade espectral de um material é afetada pela sua composição química, e mesmo pequenas mudanças na sua química podem ter impacto na sensibilidade espectral. Nylon 6 e Nylon 66 tem uma estrutura molecular muito semelhante, mas têm diferentes sensibilidades espectrais. Sensibilidade espectral é também afetada pela sua cor, espessura, de modo que a aplicação de uso final na qual será submetida, muitas vezes tem um impacto significativo sobre a sensibilidade espectral de um material. Finalmente, a presença de estabilizadores de UV afeta claramente a sensibilidade de um material. UMIDADE: Depois da luz, o segundo elemento mais importante de intemperismo é a umidade. Muitas vezes ela é esquecida. Você precisa prestar atenção na umidade, em seus testes de intemperismo, porque os materiais em uso ao ar livre geralmente ficam molhados várias horas todos os dias, mais tempo do que você pensa. A Q-Lab fez uma pesquisa para quantificar isso, chamada Pesquisa TOW - "tempo de molhabilidade". O gráfico abaixo é baseado em dados obtidos ao longo de um período de um mês perto de Miami, Flórida. Os pontos de dados representados por triângulos mostram o

5 número de horas de um painel estava molhado ao ar livre. Os pontos de dados circulares representam chuvas em centímetros. TOW x Chuva - Miami, FL Duas coisas se destacam. Em primeiro lugar, os painéis estavam molhados mais de 12 horas por dia, em média. Isto era verdade mesmo quando não choveu. De fato, há uma relação inversa entre as chuvas e o tempo de molhabilidade. Quando chovia, o TOW caiu e nos dias em que não choveu, o TOW foi maior. Projetar algo para o exterior significa projetar algo para um ambiente aquoso. Já o orvalho (não a chuva) é a fonte da maioria dos molhabilidade em exteriores. Não subestime o efeito da umidade. Parece que a maioria das pessoas prefere discutir os aspectos do UV e da luz no intemperismo, mas a umidade pode ser um fator de mascaramento de testes para muitos materiais. Este gráfico mostra o perigo de negligenciar o efeito da umidade em seu ensaio de envelhecimento acelerado. Este teste foi numa QUV, em painéis de poliuretano revestidos. Numa exposição, o ciclo foi de 4 horas com as lâmpadas UVA-340 acessas e quatro horas de condensação no escuro. A outra exposição substituiu a condensação no escuro com 4 horas de escuro somente, sem umidade. A irradiância e temperatura foram os mesmos em ambos os ciclos. O brilho permaneceu constante na exposição com nenhum ciclo de condensação/umidade, mas na exposição com humidade, houve uma notável perda de brilho. Mais uma vez, a umidade é a única variável. A eliminação da umidade neste teste, apresentaria o resultado de potencialmente escolhermos ir ao mercado com esta formulação que falharia catastroficamente ao ar livre. (Esta informação é de uma pesquisa feita em Você pode encontrá-la na Internet como um estudo intitulado

6 "erros causados pelo uso de joules para temporizar exposições em laboratório e ao ar livre".) CALOR: A última força de intemperismo que vamos discutir é o calor/temperatura. As reações fotoquímicas geralmente não acontecem passo a passo, em outras palavras, as forças do intemperismo geralmente combinam-se de forma sinergica para causar mais danos do que qualquer uma delas sozinha. O calor e a temperatura, geralmente, não causam muitos danos de intemperismo. Mas eles aceleram os efeitos destrutivos da luz e da umidade. "Regra de Ouro" = Com um aumento de 10 C na temperatura, dobramos a taxa das reações químicas. Esta regra de ouro é um primeiro palpite razoável da equação de Arrhenius para muitas reações. A experimentação é necessária para determinar tal relação e ser verdadeiramente útil em intemperismos e nos testes de estabilidade à luz. O ponto principal é que em geral, com temperaturas mais elevadas, a degradação induzida pela luz e umidade ocorre mais rapidamente. O gráfico abaixo mostra o efeito da temperatura na taxa de oxidação de um Polietileno x o tempo em horas expostos a lâmpadas UV. (Este gráfico foi tirado de "Conheça Seu Inimigo"; a partir da pesquisa realizada por Matreyek e Trozzolo, em seu trabalho Intemperismo dos Polímeros".) Aqui é um exemplo de como as temperaturas mais altas aumentam a taxa de degradação provocada pela luz ultravioleta. Quando o calor é utilizado em combinação com exposição ao UV, há um aumento da incidência de oxidação. Além de aumentar a velocidade das reações químicas relacionadas com a degradação, o calor gera outro problema. A ciclagem térmica cria estresse físico nos materiais por eles se expandirem e contrairem. Produto composto por vários materiais sofrem ainda mais devido as diferenças no coeficiente de expansão e contração entre os materiais. Revestimentos em plásticos e peças montadas são grandemente afetados por isso.

7 Cores Escuras = Temperatura Mais Alta Painéis mais escuros ficam mais quentes do que os painéis mais claros; existe uma diferença de 16 graus entre um painel branco e um painel preto. Dick Fischer e Warren Ketola fizeram vários trabalhos com testes de durabilidade na 3M. Os dados acima são do trabalho que fizeram em 1993 com as Temperaturas da superfície de materiais em exposição ao natural no exterior e ao em testes acelerados. O que é Intemperismo Natural? Agora que você sabe algo sobre as forças críticas de intemperismo, vamos falar sobre os sites de referência global de intemperismo e esses locais específicos têm sido historicamente importantes no campo dos testes de resistência. Por que Flórida, Arizona ou Ohio? Por serem considerados razoavelmente como ambientes com o "pior cenário"; Por ter a degradação acelerada vista nos principais mercados globais; Por serem locais de teste estabelecidos com longa história; Por a concorrência também utilizar-los. Flórida e Arizona são comumente usados por empresas de todo o mundo para seus testes de intemperismo. Em particular, muitas empresas europeias encontram nas exposições na Flórida, significa acelerado em comparação com exposições em seus mercados domésticos. Flórida tem o mesmo clima, apenas ele é mais intenso! Do ponto de vista prático, Flórida e Arizona tem uma longa história de testes de exposição, que para um mercado competitivo eles são tem grande dose de experiência nessas localidades. CAMPO NA FLÓRIDA:

8 Atinge anuais 280 MJoules de energia solar em um ano padrão da Flórida. Lá, o tipo mais comum de rack de intemperismo é com as amostras montadas a 45 graus, face para o sul, sem fechamento traseiro para obter uma completa circulação de ar no verso. CAMPO NO ARIZONA: Atinge anuais 334 MJoules de energia solar em um ano padrão do Arizona, 20% maior que na Flórida. Aqui estão alguns revestimentos sobre madeira em exposição no Arizona, onde o calor é tão seco que até entorta algumas das amostras. Para algumas aplicações de revestimentos diversos, por exemplo, as condições de congelamento e de descongelamento observados em ambientes ao norte deve ser replicado em alguns testes ao ar livre. Para outros materiais, poluentes atmosféricos industriais pode ser um componente importante da resistência a degradação. Materiais de construção de PVC geralmente sofrem de degradação da cor mais grave em Ohio do que em Florida ou Arizona.

9 Pontos positivos em um laboratório de intemperismo Repetível e reprodutível; Pode ser montado na empresa; Acelerado; Prático para QC e R & D ARCO DE XENON: Lâmpadas de arco de xenon devem ser opticamente filtradas para eliminar a energia UVC e simular com precisão a luz solar. Devemos dar preferencia pelas lâmpadas de xenon refrigeradas a ar. O principal benefício do resfriamento do ar é que tais câmaras são mais fáceis de manter e custam menos. Todas as lâmpadas de xenon exigem resfriamento significativo, no entanto, o método de arrefecimento (ar ou água) é irrelevante para os resultados do teste. Existem três famílias de filtros de arco de xênon: Os mais comuns são os filtros de luz do dia. Estes são projetados para simular a luz solar direta. Este gráfico mostra três tipos comuns de filtros de luz do dia. Como você pode ver, a forma do espectro é muito semelhante à luz solar natural. FILTROS LUZ DO DIA REGIÃO UV: À medida que aumentarmos o zoom na região crítica do espectro UV, você pode ver que os filtros luz do dia fazem um bom trabalho de reproduzir o espectro de luz solar nesta região. FILTROS TIPO JANELA:

10 Os filtros de janela simulam a luz solar através de um vidro. Existem muitos tipos. A principal característica é que filtram a energia de UVB e um pouco da UVA também. FILTROS UV ESTENDIDO: Finalmente, os filtros UV estendidos transmitem energia UV abaixo da luz solar natural com corte no comprimento de onda de 295ƞm. A utilização destes filtros não é recomendada para a maioria das aplicações, devido à energia das ondas extra-curtas. No entanto, muitas normas para aplicações espaciais, historicamente utilizadas, estes podem ser uma boa escolha. FLUORESCENTE UV X ARCO DE XENON: O UV fluorescente é normalmente melhor para degradação polimérica, perda de brilho, amarelamento, riscamento, cracking, delaminação. O UVA-340 é a melhor simulação disponível de ondas curtas do UV, ou seja, a melhor simulação da porção ultravioleta da luz solar. A função condensação é mais agressiva e mais realista.

11 Xenon é normalmente o melhor para degradação da cor e teste de resistência à luz. Fonte de luz com espectro completo que inclui visível, onda curta e onda longa do UV. Para controle crítico de humidade relativa para algumas aplicações. Escolha um método de teste acelerado que melhor simula sua degradação ocorrida nas exposições naturais. Vamos falar sobre o foco principal do laboratório de testes de intemperismo. Vou darlhe uma breve perspectiva histórica de desgaste acelerado. Sempre utilizar exposições naturais; Resultados igualis do mundo real; Comparativos entre Flórida e Arizona; Ambientes de pior caso; Muito barato; Mais rápido do que você pensa; Use métodos de ensaio padrão em laboratório; Útil para comparações entre laboratório; Verifica a sua eficácia; O que funcionou há 30 anos pode não ser mais igual agora; Experimentar e melhorar os métodos; C.Q. com mudanças de formulações; Definir modo(s) de degradação; Definir o ponto de falha; Medir a degradação; Compreender a variabilidade das medidas; Usar intervalos múltiplos de avaliação (mínimo de 4); Envelhecimento acelerado em uma combinação de QUV e de Q-Sun; Um programa de teste eficaz incluirá intemperismo natural. Esta informação permitirá que você verifique se os seus testes de laboratório reproduzem com precisão o que acontece no mundo real e se você achar que eles não são iguais, você pode modificar sua técnica de laboratório até que você possa reproduzir o ambiente ao ar livre. Escolha um ensaio de envelhecimento acelerado que melhor reproduz o que acontece no mundo real. Muitos programas usam ambos os dispositivos, xenon e UV fluorescente, porque cada um tem seus pontos fortes exclusivos. Usando ambos, você reduzirá o risco de que seu teste de laboratório perca um dos mecanismos de falhas críticas que ocorrem no ambiente natural.

12 Em última análise, um programa de testes de intemperismo deve dar-lhe dados úteis e ajudá-lo a tomar decisões técnicas e gerenciais. Quais os materiais que você deve escolher? Quais os fornecedores de aditivos são os mais rentáveis? No mundo de hoje, você deve usar o intemperismo acelerado para tomar decisões. Então, eu espero que a informação aqui ajude-o a desenvolver um programa útil e eficaz. Também espero que você perceba o papel que os testes de desgaste natural desempenham neste mundo acelerado. Você não tem que esperar anos e anos por respostas, mas os dados ao ar livre ajudam a aperfeiçoar suas técnicas de laboratório e de melhorar a qualidade de seus dados. Bem, obrigado pela oportunidade. Em caso de dúvidas, favor enviar um para sergio@mastcom.com.br que eu ou um dos nossos especialistas técnicos, teremos imenso prazer em responder-lhe.