Künstlicher Sonnenschein - FARBE UND LACK · Stability Testing of Materials, Durability 2000:...

Quelle/Publication: Farbe und Lack

Ausgabe/Issue: 09/2009

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Künstlicher Sonnenschein

Bewitterungstests sollen die durch eine natürlicheWitterung ausgelösten Werkstoffveränderungen unterZeitraffung reproduzierbar und praxisrelevantnachahmen. Dabei spielt die möglichst genaueSimulation der natürlichen Sonnenstrahlung alswichtigstem primärem Wetterfaktor eine besonderswichtige Rolle.

Simulation der Sonnenstrahlung inBewitterungsgerätenArtur Schönlein*, Linsengericht-AltenhaßlauLacke und Beschichtungen sowie Kunststoffe, dieder natürlichen Witterung wie Sonne, Wind, Regen,Tau, Luftfeuchte und Schadgase ausgesetzt werden,verändern ihre Gebrauchseigenschaften mit der Zeitmeistens im negativen Sinne. Entsprechend wichtig sindBewitterungstests. Für eine Laborbewitterung sollten dierelevanten Klimafaktoren so gut wie möglich simuliertwerden, wobei eine Zeitraffung bei gleichzeitig maximalerKorrelation zur natürlichen Bewitterung angestrebt wird.Die Messung und automatische Regelung der wichtigstenKlimafaktoren sowie die rückführbare Kalibrierung dereingesetzten Messsysteme ist dabei ganz entscheidend.Die Simulation der Sonnenstrahlung ist beiBewitterungsprüfungen von besonderer Bedeutung, weildie Absorption von UV- und/oder sichtbarer Strahlungphotochemische Prozesse initiiert, die anschließenddurch die sekundären Klimaparameter Temperatur undLuftfeuchte weiter befördert werden (Abb. 1) [1]. Einezuverlässige Messung der Bestrahlungsstärke im UV-Wellenlängenbereich ist dabei unabdingbar.In diesem Fachbeitrag wird eine kurze Übersicht überden Klimafaktor Sonnenstrahlung in Bewitterungstestsgegeben. Die Faktoren Wärme/Kälte und Feuchte/Benässung wurden im ersten Teil dieses Beitragsbehandelt [2].

Praxisrelevant und zeitraffendEin wesentliches Ziel ist die Erarbeitung vonPrüfmethoden, welche die Werkstoffveränderungenkennzeichnen und/oder Qualitätsaussagen in kurzen Zeiten(Zeitraffung), reproduzierbar (kontrollierte Bedingungen)und praxisgerecht (anwendungsrelevante Eigenschaften)ermöglichen. Dabei ist eine hinreichende Korrelationder Prüfergebnisse zum Werkstoffverhalten in derpraktischen Anwendung anzustreben. Die in derPraxis ablaufende photochemische Alterung wirdin Laborbewitterungsgeräten zeitraffend herbeigeführt,indem Klima-Episoden maximaler Beanspruchunganeinandergereiht werden. Bei beschleunigterBeanspruchung werden die Maximalwerte über die realauftretenden Maximalwerte hinaus verschärft [3].Durch eine Zertifizierung nach DIN EN ISO 9000ff oderISO TS 16949, der Qualitätsnorm der Automobilindustrie,oder eine Akkreditierung nach DIN EN ISO /IEC17025 dokumentieren viele Unternehmen ihren hohen

Qualitätsstandard. In diesem Zusammenhang müssen dieLaborbewitterungsgeräte in die bestehenden Prozesseeingegliedert (implementiert) werden. Die Überwachungund rückführbare Kalibrierung der Prüfparameter(Bestrahlungsstärke, Temperatur und Feuchte) istnotwendig für die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeitvon Prüfungen. Außerdem ist ein für die spezielleMaterialprüfung geeignetes Prüfverfahren z.B. nach Normfestzulegen und der Nachweis zu erbringen, dassdie Verfahrensbedingungen in den geforderten Grenzeneingehalten werden (Validierung) [4].

Einflussfaktor SonnenstrahlungDie Wirkung der Sonnenstrahlung (Globalstrahlung) istder wichtigste primäre Wetterfaktor. Die Energie, diebei Bestrahlung von den Molekülen aufgenommenwird, reicht oftmals aus, um chemische Bindungen zuspalten, photochemische Reaktionen einzuleiten und einenElektronentransfer auszulösen [5].Die spektrale Bestrahlungsstärke der Sonnenstrahlungist stark abhängig von der Wellenlänge und örtlich undzeitlich in weiten Grenzen variabel. Als Basis für dieSimulation der Spektralverteilung der Sonnenstrahlungmit künstlichen Strahlenquellen/Strahlungssystemen istdeshalb ein Referenzspektrum erforderlich. Als Grundlagewerden seit Jahren Daten aus der Publikation Nr.85/1989der CIE (Commission International de L‘Éclairage) [6]herangezogen. In der Tabelle 4 dieser Publikation istdie Strahlungsverteilung der Globalstrahlung (direkte unddiffuse Strahlung) bei wolkenlosem Himmel, höchstemSonnenstand zur Tag- und Nachtgleiche am Äquatorauf Meeresspiegelniveau angegeben. Allerdings hatdie CIE85/1989 einige Nachteile: Die angegebeneGlobalstrahlung beginnt erst bei 305 nm, die Schrittweite istrecht grob und der Berechnungscode ist auf unerklärlicheWeise nicht mehr auffindbar. Seit einigen Jahren gibtes deshalb Bemühungen, die CIE85 zu überarbeiten.Die Basis dafür sind neuere Messungen und verbesserteRechenmodelle, wie das SMARTS2-Modell [7]. Abb. 2vergleicht die Globalstrahlung gemäß CIE85 Tabelle 4 unddie mit dem Programm CESORA auf der Grundlage desSMARTS2-Modells berechnete Globalstrahlung. Für dieBerechnung wurden die Parameter der CIE85 zu Grundegelegt. Die Grafik zeigt außerdem die mit dem SMARTS2-Modell berechnete Spektralverteilung, wie sie in ASTMG177 im Wellenlängenbereich von 280 nm bis 400 nmdefiniert ist, und die in Arizona gemessene "peak sun".Die relativen Spektren sind speziell im UV gut vergleichbar.Dies bedeutet, dass die CIE85-Tabelle 4, neu berechnet mitdem SMARTS2-Modell, durchaus weiterhin als Referenzverwendet werden kann. Tab. 1 listet Bestrahlungsstärkenin verschiedenen Wellenlängenbereichen auf, wie siemit CESORA [8] für Referenzklimate sowie für einigeandere Orte berechnet wurden. Eine Bestrahlungsstärkevon 60 W/m² im Wellenlängenbereich von 300 bis 400nm, wie sie in der ISO 4892-2 verwendet wird, bestätigt



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sich danach als realistische Maximalbedingung für eineBewitterungsprüfmethode.

Technische Realisierung der StrahlungDie entscheidende technische Aufgabe in denBewitterungsgeräten ist eine hinreichend gute Simulationder Sonnenstrahlung. Gegenwärtig werden hierfürXenon-, Fluoreszenz-, Metallhalogenid- und noch immerKohlebogenlampen verwendet, obwohl letztere derSonnenstrahlung kaum ähneln. Die genannte Reihenfolgeentspricht der gegenwärtigen Bedeutung der einzelnenLampentypen. Kohlebogenlampen haben nur noch imasiatischen Raum eine gewisse Bedeutung.Mit gefilterter Xenonstrahlung lässt sich die besteSimulation der Globalstrahlung im ultravioletten und imsichtbaren Spektralbereich erreichen [9]. Abb. 3 zeigt diespektralen Energieverteilungen im Wellenlängenbereichvon 280 bis 800 nm der heute verwendeten künstlichenLaborlichtquellen.Sowohl die Laborlichtquelle als auch die Filter alternwährend des Betriebes. Wird die Laborlichtquelle beikonstanter elektrischer Leistung betrieben, bewirkt dieAlterung eine Verringerung der Bestrahlungsstärke auf denProben. Dies kann durch eine entsprechende Erhöhungder elektrischen Leistung der Lichtquelle kompensiertwerden. Dazu werden Sensoren benötigt, welche dieBestrahlungsstärke auf Probenebene messen und eineentsprechende Nachregelung bewirken. Auf diese Weisekann während einer Prüfung die Bestrahlungsstärkekonstant geregelt werden (Abb. 4).Dieses Konzept ist heutzutage in nahezu allen kommerziellverfügbaren Bewitterungsgeräten realisiert. Das Verfahrenist aber nur sinnvoll, solange die Qualität derSpektralverteilung gewährleistet ist und die durch dieLeistungserhöhung bedingte Strahlungserwärmung aufden Proben durch eine forcierte Kühlung ausgeglichenwerden kann. Aus diesem Grund sind die Angaben derGerätehersteller zum Lampen- und Filtertausch unbedingtzu beachten.

Konzept der spektralen EmpfindlichkeitDie kurzwellige Kante der Spektralverteilung derSonnenstrahlung auf der Erdoberfläche ist sehr steil (Abb.2). Sie wird im Wesentlichen durch die UV-Absorptionder extraterrestrischen Sonnenstrahlung in der Ozonschichtder hohen Atmosphäre bestimmt. Viele Polymere zeigenin diesem Spektralbereich eine spektrale Empfindlichkeits(?), die mit kürzer werdender Wellenlänge ansteigt. Diesunterstreicht noch einmal die Bedeutung einer gutenSimulation der kurzwelligen Kante der Sonnenstrahlung.Beispiele von gemessenen spektralen Empfindlichkeitensind in [10-12] zu finden.Das Konzept hat aber auch Grenzen. So ist beispielsweisezu beachten, dass sich die spezifische spektraleEmpfindlichkeit eines Polymersystems mit der Bewitterungverändern kann, so dass die Funktion s(?) zeitabhängigwird (Beispiel in [11]).Falls eine gute Korrelation zu Bewitterungsergebnissen imFreien wichtig ist, sollte bei Materialien, die oberhalb 340nm noch deutlich spektral empfindlich sind (Beispiele sindin Tab. 2 aufgeführt), mit einer Laborlichtquelle gearbeitetwerden, die im gesamten UV-Bereich und zum Teil auchim sichtbaren Bereich der natürlichen Globalstrahlung starkähnelt.

Messung und Regelung der BestrahlungsstärkeIn der Materialprüftechnik sind die genaue Kenntnis und dieEinhaltung der Prüfbedingungen wichtige Voraussetzungenfür die Reproduzierbarkeit von Prüfergebnissen.Die Messung und Konstantregelung der wichtigstenKlimaparameter sowie die Kalibrierung der eingesetztenMesssysteme sind heute wesentlicher Bestandteil derGerätetechnik. In Laborbewitterungsgeräten werden zurMessung und Konstantregelung der BestrahlungsstärkeSensoren auf Probenebene (mit dieser rotierend) oderstationär (auf das Strahlungssystem gerichtet und aufProbenebene kalibriert) eingesetzt (Abb. 4 und 7).Bei den Bewitterungsprüfungen müssen qualitativhochwertige Filter-Radiometer für die Messung undRegelung der UV-Bestrahlungsstärke verwendet werden,um die Anforderungen moderner Prüfnormen (z. B. ISO4892-1/2/3 oder ISO 11341) zu erfüllen. Filter-Radiometerfür Bewitterungsprüfungen sind in der ISO 9370 spezifiziert.Die am häufigsten eingesetzten wellenlängenselektivenRadiometer messen breitbandig im Wellenlängenbereichenvon 300 bis 400 nm und schmalbandig bei 340 und 420nm die Bestrahlungsstärke. Für spezielle Anwendungenwerden auch Filter-Radiometer im Wellenlängenbereichvon 300 bis 800 nm eingesetzt. Abb. 5 zeigt einFilter-Radiometer, das den Anforderungen der ISO 9370genügt. Die Radiometer bestehen aus einer Diode, einemoptischen Filter und einer Streuscheibe als Diffuser,der die einfallende Strahlung E0 je nach Einfallswinkela nach dem Kosinusgesetz (Ex=E0. cosa) bewertet,sowie einer Elektronik zur Messwertaufnahme undDatenspeicherfunktion.Die Radiometer sollten im Temperaturbereich von 20bis 80 °C Gehäuseinnentemperatur temperaturkompensiertsein. Damit sind alle in den Prüfnormen spezifiziertenEinsatztemperaturen abgedeckt.

Kalibrierung von Filter-RadiometernDie Kalibrierung der Filter-Radiometer erfolgt gemäßder in Abb. 6 gezeigten Kalibrierhierarchie miteinem nationalen oder internationalen Lampen-Standard.Die Kalibrierkette beginnt mit zwei Standardlampenfür Einfachmonochromatoren (Array-Systeme): einerDeuteriumlampe für den UV-Bereich und einerHalogenlampe für den sichtbaren Wellenlängenbereich.Doppelmonochromatoren werden mit einer Halogenlampeals Standard kalibriert. Die Wellenlängenkalibrierungerfolgt mit einer Niederdruck-Quecksilberlampe. Mit demkalibrierten Spektralradiometer wird eine hochstabileXenonlampe kalibriert, die als Bezugsnormal für dieKalibrierung der Filter-Radiometer dient. Ein kalibriertes,thermisch stabilisiertes Photometer wird zur zusätzlichenAbsicherung des Kalibrierniveaus verwendet, dabeimüssen spektrale Änderungen berücksichtigt werden.Die Änderungen des Kalibrierniveaus zwischen zweiÜberwachungsintervallen können auf diese Weise unter2 % gehalten werden. Die Kalibriermethode ist von derPhysikalischen Technischen Bundesanstalt im Rahmeneiner ISO 17025 Akkreditierung für Filter-Radiometerakzeptiert.Die Kalibrierung der Filter-Radiometer erfolgt ander hochstabilen Xenonlampe als Bezugsnormal mitzeitlich konstanter Spektralverteilung. Allerdings wirddas Radiometer im Bewitterungsgerät zur Messung



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der Bestrahlungsstärke eingesetzt, dort kann dieSpektralverteilung von dem Kalibrierspektrum deutlichabweichen. Dies führt zu einem systematischen Fehler,der mit einem spektralen Korrekturfaktor, auch Filterfaktorgenannt, korrigiert werden kann [14]. Zur Bestimmungder spektralen Korrekturfaktoren werden in allenGeräten bei den möglichen Filterungen die spektralenEnergieverteilungen auf Probenebene vermessen, also inder Ebene, in der auch das UV-Radiometer misst. Beider Messung und Kalibrierung der Bestrahlungsstärke imLaborbewitterungsgerät (Abb. 7) mit einem UV-Radiometer(Feld- und Referenzsensor) kann dann der entsprechendespektrale Korrekturfaktor berücksichtigt werden.

Literatur[1] Feller; R. L.: Accelerated Aging, Photochemicaland Thermal Aspects, The Getty Conservation Institute,1994. [2] Schönlein, A.: Schneller altern durch Wärmeund Feuchte, FARBE UND LACK, 6, 2009. [3] VDI-Richtlinie 3958 (1995), Blatt 1: Umweltsimulation -Grundlagen und Methoden. [4] Boxhammer, J.; Schönlein,A.: Implementierungs- und Validierungsprozesse vorder Durchführung von Bewitterungsprüfungen inLaborbewitterungsgeräten, Welt der Farben, November2008. [5] Becke, H.G.O. et al.: Einführung in diePhotochemie, Deutscher Verlag der Wissenschaften,Berlin 1991. [6] CIE Nr. 85; Technical Report; SolarSpectral Irradiance; Tabelle 4; 1989. [7] Gueymard, C.:SMARTS22. A simple Model of the Atmospheric RadiationTransfer of Sunshine: Algorithms and PerformanceAssessment, Professional Paper FSEC-PF-270-95, FloridaSolar Energy Center, 1679 Clearlake Road, Cocoa, FL32922, 1995. [8] Kühlen, A.; Severon, B.: Kalkulationsolarer Strahlungsparameter in der Materialprüfung, 33.Jahrestagung der GUS 2004. [9] Kiefer, J.: UltravioletteStrahlung, Walter de Gruyter, 1977. [10] Geburtig,A.; Wachtendorf, V.: BAM Berlin, Grundsätzlicheszur Lebensdauervorhersage in der Bewitterung, 34.Jahrestagung der GUS 2005. [11] Searle, N.D.: ActivationSpectra, Techniques and Applications to Stabilization andStability Testing of Materials, Durability 2000: Acceleratedand Outdoor Weathering Testing, New Orleans, ASTM,STP 1385, 2000. [12] Boxhammer, J.: Prüfung desAlterungsverhaltens von Kunststoffen und Beschichtungendurch Freibewitterung und künstliche Bewitterung inGeräten, TAW, 2000. [13] Searle, N.D.: The Importanceof Adequately Simulating Solar UV and Visible Radiationto Reproduce Effects of Weathering, SUNSPOTS 24 (48),1994. [14] Schönlein, A.: Calibration of Filter Radiometersfor Weathering and Photostability Tests, Proceedings of the9th International Conference on new Developments andApplications in Optical Radiometry, NEWRAD 2005, Davos,Switzerland, 2005.- Dr. Artur Schönlein,Atlas MTT GmbH, studierte Physik in Frankfurt/M. 1988 trat er in die Heraeus GmbH alsProjektleiter Lampenentwicklung ein und wurde 1990Leiter der Geräteentwicklung. 1995 wurde der Heraeus-Produktbereich Prüfgeräte durch Atlas MTT übernommen.Seit 2002 leitet Schönlein das nach ISO 17025 akkreditierteLabor für "radiometrische und photometrische Größen" derAtlas MTT in Linsengericht/Altenhaßlau. Ab 2006 ist erverantwortlich für den Bereich Technische Standards.



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Abb. 1: Klimafaktoren wirken auf die Oberfläche des Polymers und bewirkeneinen Werkstoffabbau, der zu einer Änderung der Werkstoffeigenschaften führt



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Abb. 2: Globalstrahlung gemäß CIE85 Tabelle 4, mit CESORA berechneteGlobalstrahlung, mit dem SMARTS2-Modell berechnete Spektralverteilunggemäß ASTM G177 (280 bis 400 nm) und die in Arizona gemessene "peaksun"



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Abb. 3: Laborlichtquellen im Vergleich zur Referenzsonne (CIE85, Tab. 4)



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Abb. 4: Prinzip der Bestrahlungsstärkeregelung in einemLaborbewitterungsgerät



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Abb. 5: Filter-Radiometer (XenoCal) mit optischen Komponenten



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Abb. 6: Kalibrierhierarchie zur Kalibrierung der Filterradiometer XenoCal



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Abb. 7: Prüfkammer eines Laborbewitterungsgerätes mit Xenonlampe (zentral)und um die Lampe rotierenden Proben, Gerätesensor/Feldsensor (UV,Schwarzstandardtemperatur) und Referenz-UV-Sensor

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