Per cercare di predire il comportamento di un materiale nel tempo sono utilizzate tecniche di invecchiamento accelerato.
Partendo dal presupposto che non si possono riprodurre esattamente tutte le variabile esterne, anche perché è proprio lo stesso ‘invecchiamento naturale’ che non è riproducibile, sono state sviluppati degli apparecchi e delle metodologie che consentono il controllo delle variabili più importanti, quali lo spettro di emissione delle lampade, la potenza emessa, la temperatura, l'umidità, etc.
Possiamo quindi dire che un materiale esposto in una macchina di invecchiamento accelerato, se tutte le variabili sono tenute sotto controllo, degrada allo stesso modo per lo stesso numero di ore di esposizione.
Un buon laboratorio per studiare l’invecchiamento dei polimeri dovrebbe disporre:
- Postazione per invecchiamento naturale esterno
L'invecchiamento naturale, anche se non riproducibile, dovrebbe essere tenuto sempre in considerazione.
I provini sono generalmente inclinati di 45° rispetto al terreno e anche l'esposizione (a sud, ad esempio) deve essere scelta a priori.
I portacampioni non devono interferire con la degradazione, e quindi essere di materiale inerte.
E' bene decidere se ripulire i campioni a intervalli periodici o no.
L'ideale sarebbe avere una stazione climatica che registri i dati in continuo (irradianza a livello suolo, piogge, umidità, temperatura, etc.)
- Degradazione termica: stufe termoventilate capaci di lavorare in aria, sotto vuoto e con correnti di gas specifici.
La temperatura è uno dei parametri fondamentali per la degradazione. A volte può essere interessante studiare la degradazione puramente termica, ad esempio se vogliamo conoscere il comportamento degradativo di un materiale all'interno di una macchina di trasformazione.
Inoltre è importante poter escludere o regolare la quantità di ossigeno: sempre parlando di trasformazione, l'ossigeno che viene a contatto col materiale durante il processo alle diverse temperature può essere più o meno importante.
Oltre alle stufe termoventilate, che consentono una versatilità notevole, esistono apparecchi più specifici per studiare la termodegradazione, che però sono differenti a secondo del materiale in studio.
- Strumento per invecchiamento con lampada allo Xenon con filtri e cicli adeguati alle condizioni di esposizione
Le lampade allo Xenon sono quelle che meglio riproducono, come andamento generale, lo spettro di irradianza medio del sole sulla superficie terrestre.
Esiste una vasta gamma di strumenti di questo tipo, dai più piccoli raffreddati ad aria con area di esposizione limitata, a quelli più grandi che controllano un grande numero di variabili e che consentono di esporre centinaia di provini: il costo, sia dell'apparecchiatura che della manutenzione relativa è quindi molto variabile.
Test di invecchiamento per materie plastiche durano tipicamente da qualche centinaio a diverse migliaia di ore (anche 10000).
- Strumento per invecchiamento con lampade UV per studiare gli effetti delle radiazioni più implicate nella degradazione dei polimeri
La foto-degradazione dei materiali a base polimerica è dovuta principalmente alle basse lunghezze d'onda dello spettro di irradianza solare, cioè sostanzialmente alle radiazioni della parte UV. Per questo l'utilizzo di lampade UV, anche se non riproducono lo spettro solare, consente di avere un'idea dei fenomeni di degradazione indotta dalla luce (degradazione fotoindotta).
Se a queste considerazioni si unisce il fatto che gli apparecchi costano meno e che le prove durano meno (da qualche decina fino al massimo a un migliaio di ore), può essere utile a volte pensare ad un invecchiamento con lampade UV invece che allo Xenon.
3 --- QUANTO ACCELERANO?
La domanda più frequente che ci si sente fare dai neofiti è : "A quanto corrispondono esternamente tot ore di invecchiamento accelerato?"
La risposta corretta è : "dipende".
Dipende infatti da svariati fattori, non sempre controllabili.
Due le strade da seguire, per avere un'idea della velocità di degradazione nelle macchine di invecchiamento e di come questa corrisponda a un invecchiamento esterno:
1) Fare confronti sperimentali sul materiale di interesse con le macchine di invecchiamento a disposizione e paragonarle con l'invecchiamento naturale.
Di seguito riportiamo un esempio di confronto sperimentale:
2) Fare conti di irradianza
Esistono tabelle con valori di irradianza medi sulla superficie terrestre. Sapendo esattamente l'irradianza delle nostre lampade, potremmo avere un'idea di quanta energia arriva sui campioni esposti e paragonarla con quella che arriva dal sole.
In questo settore, si trova talvolta usata l'unità kLangley, che corrisponde a 1 kcal/cm2.
Detto così, è abbastanza semplice, tuttavia:
1) I meccanismi di degradazione variano da materiale a materiale e sono dovuti soprattutto alle basse lunghezze d'onda
2) La degradazione non è 'lineare' col numero di fotoni, cioè non è assolutamente detto che, ad esempio, raddoppiando l'energia luminosa, i tempi di degradazione si dimezzino.
Maurizio Veronelli