fundamentos de intemperismo en el laboratorio
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Essentials of Laboratory Weathering 1
Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio
Q-Lab Corporation / ADI CENTER
Presentado por Mario Artieda
7 Abril 2021Obtener grabación.
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Essentials of Laboratory Weathering 2
Westlake, OhioSede y división de
instrumentos
Bolton, InglaterraQ-Lab Europa
Q-Lab Corp.• Fundado en 1956
• Especializados en equipos y servicios de prueba de durabilidad de materiales.
Shanghai, ChinaQ-Lab China
Saarbrücken Alemania,Q-Lab Alemania
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Essentials of Laboratory Weathering 3
Phoenix, Arizona
Cleveland, Ohio
Sitios de intemperismo al aire libre Q-Lab
Miami, Florida
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Essentials of Laboratory Weathering 4
De lo que hablaremos
• Conceptos básicos de intemperismo
• ¿Por qué realizar intemperismo en el laboratorio?
• Pruebas de intemperismo en el laboratorio
• Xenón
• UV fluorescente
• Elementos de un programa de prueba efectivo
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Essentials of Laboratory Weathering 5
¿Qué es el intemperismo?
Cambios en las propiedades del material como resultado de la exposición a la energía radiante presente en la luz solar, en combinación con el calor (contemplando el ciclo de temperatura) y el agua en sus diversos estados, principalmente como humedad, rocío y lluvia.
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Essentials of Laboratory Weathering 6
Las fuerzas de la intemperie conoce a tu enemigo
• Luz del sol
• Calor
• Agua
* Otros factores también pueden afectar el intemperismo, pero hoy no nos centraremos en ellos
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Essentials of Laboratory Weathering 7
Luz del sol
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Essentials of Laboratory Weathering 8
Luz del sol
• Una forma de energía
• Radiación electromagnética
• Generalmente se describe en términos de irradiación y longitud de onda (λ)
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Essentials of Laboratory Weathering 9
Espectro electromagnético
Luz solarUV 295-400 nm ~7%
Visible 400-800 nm ~55%
IR 800-3000 nm ~38%
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Essentials of Laboratory Weathering 10
Aunque es solo el 7% de la energía radiante total de la luz solar ...
¡La radiación UV causa prácticamente toda la degradación del polímero!
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Essentials of Laboratory Weathering 11
IrradiaciónIrradiación1 es la velocidad a la que la energía de la luz cae sobre una superficie, por unidad
de área
[W/m2] o [J/s·m2]
Irradiación de exposición1 (o dosis radiante) es la irradiación durante un período de tiempo
[J/m2] o [W·s/m2]
Irradiación espectral2 es la irradiación de una superficie por unidad de longitud de onda
[W/m2/nm]
1ASTM G113 –Terminología2ISO 9288 – Cantidades físicas y definiciones
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Essentials of Laboratory Weathering 12
Distribución de energía espectral (SPD) Luz del sol mediodía de verano
SPD: La potencia radiante absoluta o relativa emitida por una fuente, incide sobre un receptor en función de la longitud de onda. (ASTM G113)
UVC
UVB
UVA
Visible
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Essentials of Laboratory Weathering 13
Modificadores del espectro de luz
Ángulo del sol
• Época del año (verano / invierno)
• Hora del día (mañana mediodía)
• Latitud y altitud
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Essentials of Laboratory Weathering 14
Luz del sol a través del cristal de la ventana
Espectro de Irradiación (W/m2/nm)
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Essentials of Laboratory Weathering 15
Luz del sol a través del vidrio del automóvil
• Luz del Sol Directa
• A
• B
• C
• D
A= 3.3 mm grosor, claro
B= 5.8 mm grosor, claro
C= 4.0 mm grosor, teñido ligero
D= 4.9 mm grosor, teñido
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Essentials of Laboratory Weathering 16
Calor
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Essentials of Laboratory Weathering 17
Efectos de calor
• Temperatura de muestra elevada
• Cambio dimensional
• Evaporación
• Envejecimiento térmico
• Ciclos térmicos
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Essentials of Laboratory Weathering 18
Efecto de la temperatura: tasa de oxidación del polietileno
*Tiempo en horas expuesto a lámparas UV
*
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Essentials of Laboratory Weathering 19
Ciclos térmicos en Florida
• 75 °C a 25 °C en 2 minutos
• Causa estrés físico
• Afecta a los recubrimientos en plásticos y ensamblajes.
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Essentials of Laboratory Weathering 20
Temperatura y color ¡Los colores más oscuros tienen temperaturas más altas!
Fischer and Ketola, 1993
Plywood
Temperatura Δ (°C)
0
-5
-10
-15
-20
-25
0
-5
-10
-15
-20
-25
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Essentials of Laboratory Weathering 21
Calor detrás del cristal
La temperatura de los componentes interiores en automóviles detrás del vidrio de la ventana
puede superar los 100 ° C
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Essentials of Laboratory Weathering 22
Agua
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Essentials of Laboratory Weathering 23
Principales efectos del aguaReacciones químicas
Reacciones en solución
Facilita la reacción a través del aumento en el transporte de oxígeno.
Efectos físicos
Erosión
Absorción / congelación-descongelación
Choque térmico
Impacto (pérdida de material)
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Essentials of Laboratory Weathering 24
Humedad relativa
• Expresión porcentual de la cantidad de vapor de agua presente en el aire con respecto a la máxima posible para unas condiciones dadas de presión y temperatura.*
• Favorece el estrés físico del material
• La humedad afecta tanto a productos de interior como de exterior
• A menudo se expresa como humedad relativa (HR), donde el 100% es la mayor cantidad de agua que puede contener el aire a una temperatura determinada
*Definición según la RAE
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Essentials of Laboratory Weathering 25
Lluvia
• Efectos de superficie
• Lavado de capas superficiales
• Tiza
• Eliminación de la suciedad
• Choque térmico
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Essentials of Laboratory Weathering 26
Rocío
Humedad de la atmósfera que se crea en forma de pequeñas gotas sobre cualquier superficie fría
Altas concentraciones de O2. Largo tiempo de permanencia
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Essentials of Laboratory Weathering 27
¡El rocío y no la lluvia, es la fuente de la mayor humedad exterior!
![Page 28: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/28.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 28
¡El rocío no se simula en muchas pruebas aceleradas de intemperismo
de laboratorio!
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Essentials of Laboratory Weathering 29
¡No subestimes el efecto de la humedad!
• Cambia la tasa de degradación
• Modifica el modo de degradación
• Difícil de acelerar
• ¡No subestimes el efecto de la humedad!
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Essentials of Laboratory Weathering 30
Resumen: Fuerzas de intemperismoLuz del sol
• La luz UV causa prácticamente toda la degradación del polímero.
• Pequeños cambios en la formulación y / o espectro del material pueden tener grandes efectos en la degradación del material.
Calor (temperatura)
• Luz solar + calor = mayor tasa de degradación
• El color de un material afecta sensiblemente su absorción de calor por irradiación
Agua (humedad)
• Luz solar + calor + agua = intemperismo
• El rocío y no la lluvia, es la fuente de mayor humedad al exterior.
• Los productos al aire libre están mojados mucho más tiempo de lo que piensas
!El intemperismo incluye efectos sinérgicos entre varios factores!
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Essentials of Laboratory Weathering 31
De que hablaremos
• Conceptos básicos de intemperismo
• ¿Por qué realizar intemperismo de laboratorio?
• Prueba de intemperismo de laboratorio
Xenón
UV fluorescente
• Elementos de un programa de prueba efectivo
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Essentials of Laboratory Weathering 32
¿Por qué probar?
▪ Cumplir con las especificaciones
▪ Evitar catástrofes
▪ Mejora tu reputación
▪ Verificar reclamos de proveedores
▪ Mejora la durabilidad del producto
▪ Ahorre en costos de material
▪ Expandir líneas de productos existentes
▪ Ingrese a nuevos mercados
▪ Supera a la competencia
▪ Manténgase a la vanguardia de las regulaciones
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Essentials of Laboratory Weathering 33
Las pruebas de laboratorio son una herramienta para la toma de decisiones
direccionalesLas pruebas aceleradas de laboratorio pueden ayudarlo
• Tomar mejores decisiones y/o más rápidas.
• Reduce el riesgo de tomar malas decisiones
• Reduce el riesgo de tomar decisiones más lentas
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Essentials of Laboratory Weathering 34
¿Qué tipo de prueba debo ejecutar?
Tipo de prueba acelerada
Resultado Tiempo de pruebaResultados comparados
con
Control de calidad Pasa / No pasa• Definida
• CortoEspecificación de material
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Essentials of Laboratory Weathering 35
Tipo de prueba acelerada
Resultado Tiempo de pruebaResultados comparados
con
Control de calidad Pasa / No pasa• Definida
• CortoEspecificación de material
Calificación / validación
Pasa / No pasa• Definida
• Medio - Largo
Material de referencia o especificación
¿Qué tipo de prueba debo ejecutar?
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Essentials of Laboratory Weathering 36
Tipo de prueba acelerada
Resultado Tiempo de pruebaResultados comparados
con
Control de calidad Pasa / No pasa• Definido
• CortoEspecificación de material
Calificación / validación
Pasa / No pasa• Definido
• Medio-Largo
Material de referencia o especificación
CorrelaciónDatos ordenados
por rango
• Abierto
• Medio
Exposición natural
(sitio de referencia)
¿Qué tipo de prueba debo ejecutar?
![Page 37: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/37.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 37
Tipo de prueba acelerada
Resultado Tiempo de pruebaResultados comparados
con
Control de calidad Pasa/ No pasa• Definido
• CortoEspecificación de material
Calificación / validación
Pasa/ No pasa• Definido
• Medio-Largo
Material de referencia o especificación
CorrelaciónDatos ordenados
por rango
• Abierto
• Medio
Exposición natural
(sitio de referencia)
Predictivo
Vida de servicio
Factor de aceleración
• Abierto
• Largo
Exposición natural (entorno de servicio)
¿Qué tipo de prueba debo ejecutar?
![Page 38: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/38.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 38
¿Qué es intemperismo natural?
Exposición al aire libre de materiales a la luz solar, cuyo propósito es evaluar los efectos de los factores ambientales en diversos parámetros de interés ya sean funcionales o decorativos.
Sitios de intemperismo de referencia mundial:
• Sur de Florida (subtropical)
• Arizona (desierto seco)
• Medio Oeste (Industrial del norte)
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Essentials of Laboratory Weathering 39
Importancia del intemperismo natural
• El intemperismo natural es más complejo que el intemperimo artificial (de laboratorio)
• Las pruebas de laboratorio aceleradas no siempre son realistas.
• La precisión de las pruebas de laboratorio siempre se deben verificar mediante pruebas al exterior
• Las pruebas de intemperismo en exteriores crean una biblioteca de datos muy valiosa, a bajo costo
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Essentials of Laboratory Weathering 40
De que hablaremos
• Conceptos básicos de intemperismo
• ¿Por qué realizar intemperismo de laboratorio?
• Métodos de prueba de intemperie de laboratorio– Xenón
– UV Fluorescente
• Elementos de un programa de prueba efectivo
![Page 41: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/41.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 41
Intemperismo de laboratorio
arco de xenón
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Essentials of Laboratory Weathering 42
Tipos de cámara de prueba de arco de xenón
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Essentials of Laboratory Weathering 43
Lámparas de arco de xenón
Enfriada por aire
Enfriada por aire Enfriada por agua
![Page 44: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/44.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 44
Espectros de arco de xenón factores influyentes principales
• Filtros ópticos
• Nivel de irradiancia (intensidad)
• Longitud de onda a la que se controla la irradiancia ("punto de control")
• Envejecimiento de la lámpara
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Essentials of Laboratory Weathering 45
Descripción general de los filtros
• Luz de Día
• Ventana
• UV extendida
* Otros filtros especializados son utilizados ocasionalmente.
Tambor giratorio "linterna"
Filtro de matriz plana
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Essentials of Laboratory Weathering 46
Diferentes tipos de filtros
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Essentials of Laboratory Weathering 47
Envejecimiento del filtro óptico enfriamiento por agua vs enfriamiento
por aire• Los filtros para sistemas de lámparas
refrigeradas por agua deben reemplazarse cada 400-2000 horas.
- Los contaminantes, incluso en agua des-ionizada , reducen la transmisión del filtro disminuyendo su vida útil.
• Casi todos los filtros para sistemas de lámparas enfriadas por aire no envejecen o no necesitan ser reemplazados
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Essentials of Laboratory Weathering 48
Control de irradiación Q-SUN
Control de retroalimentación
• Lámpara de arco de xenón
• Sensor de luz
• Módulo de control
La longitud de onda a la que se controla la irradiación se denomina Punto de control
Lamps
Sensors
Specimens
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Essentials of Laboratory Weathering 49
Opciones de puntos de control de irradiancia
Banda estrecha– 340 nm
– 420 nm
Banda ancha
Total UV TUV (300-400 nm)
– Global (300-800 nm) – no recomendado• Longitudes de onda más cortas causan más fotodegradación
• No tiene en cuenta el envejecimiento de la lámpara de xenón
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Essentials of Laboratory Weathering 50
¿Por qué es importante la elección del punto de control?
• Las lámparas de arco de xenón envejecen con el uso
• El cambio espectral limita la vida útil de la lámpara
• El control de la irradiancia en la región de longitud de onda de interés maximiza la repetibilidad y la reproducibilidad
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Essentials of Laboratory Weathering 51
Control de temperatura del panel negro
• Más común en estándares de prueba
• Temperatura máxima aproximada de la superficie de la muestra.
• Se puede usar en combinación con el sensor y control de temperatura del aire de la cámara
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Essentials of Laboratory Weathering 52
Sensores de temperatura de panel negro
Panel ConstrucciónASTM Designación
ISO Designación
Acero inoxidable pintado negro
Panel negro sin aislar
Panel negro
Acero inoxidable pintado en negro montado en PVDF blanco de 0.6 cm
Panel negro aislado
Estándar negro
* Las versiones de panel blanco de lo anterior están disponibles pero son mucho menos utilizadas
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Essentials of Laboratory Weathering 53
Para maximizar la aceleración, use la temperatura máxima de servicio
Para minimizar el error, NO exceda la temperatura máxima de servicio
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Essentials of Laboratory Weathering 54
Control de temperatura del aire de la cámara
• Requerido por ciertos métodos de prueba
• Necesario para el control de la humedad relativa (HR)
• El sensor debe estar protegido de la luz.
• La temperatura BP siempre es más alta que la temperatura del aire de la cámara al absorber el calor radiante
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Essentials of Laboratory Weathering 55
Control de humedad relativa– Requerido por muchos métodos de prueba
– Textiles
– Automotriz (SAE)
– Hoy en día generalmente es usada en todas las normas
• Muchos equipos de xenón pueden generar y controlar la humedad relativa
– Sistema tipo caldera
– Sistema nebulizador
– Para materiales duraderos, HR hace muy poca diferencia
en comparación con el “Spray” y la condensación.
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Essentials of Laboratory Weathering 56
Arco de xenónSpray de Agua
Spray frontal
– Método primario de suministro de agua.
– Técnica de calibración para spray frontal desarrollada recientemente (ASTM D7869)
Spray trasero
– Resultado de un experimento fallido destinado a generar condensación; persiste en algunos estándares
Spray doble
–Para entregar una segunda solución, como lluvia ácida, jabón etc.
Inmersion (Ponding)
–Alternativa al spray frontal solicitado en algunos estándares
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Essentials of Laboratory Weathering 57
Resumen del arco de xenón
• La mejor simulación de luz solar de espectro completo
• Las lámparas experimentan envejecimiento (efecto fulcro)
• Efectos de temperatura
• Spray de agua y control de HR
• Costo adicional, mantenimiento y complejidad en comparación con los equipos luz UV fluorescentes
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Essentials of Laboratory Weathering 58
Equipos de arco de xenón Q-SUN
Xe-1 Xe-2 Xe-3
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Essentials of Laboratory Weathering 59
Intemperismo de laboratorio UV fluorescente
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Essentials of Laboratory Weathering 60
Esquema fluorescente UV
![Page 61: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/61.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 61
Lámpara fluorescente UV
![Page 62: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/62.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 62
Resumen de la lámpara QUV
• UVA-340 (luz diurna UV)
• UVA-351 (luz a través de ventana UV)
• UVB-313EL / FS-40 (UV extendida)
• CW Luz blanca fría (Interior)
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Essentials of Laboratory Weathering 63
Lámparas UVA-340
Luz solar
UVA-340
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Essentials of Laboratory Weathering 64
Lámparas UVA-351
Luz solar a través vidrio de ventana
UVA-351
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Essentials of Laboratory Weathering 65
Lámparas UVB
Luz solar
UVB-313EL
FS-40
![Page 66: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/66.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 66
QUV SOLAR EYE™ Control de irradiación
Control de retroalimentación
- Lámpara fluorescente UV
- Sensor de luz
- Módulo de control
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Essentials of Laboratory Weathering 67
Ventajas de la lámpara fluorescente
• Resultados rápidos
• Control de irradiación simplificado.
• Espectro muy estable - sin envejecimiento
• Bajo mantenimiento
- Calibración simple
• Bajo precio inicial y costo de operación
• Simple y fácil de mantener.
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Essentials of Laboratory Weathering 68
Temperatura y colorDiferencias de temperatura entre paneles de colores y panel negro
Fischer and Ketola, 1993
Temperatura Δ (°C)
0
-5
-10
-15
-20
-25
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Essentials of Laboratory Weathering 69
Condensación
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Essentials of Laboratory Weathering 70
Ventajas de la condensación• Más cercano a la humedad natural
• La mejor manera de acelerar el efecto del agua en un equipo de laboratorio
• Temperatura elevada
• Alto contenido de O2
• El equipo realiza la condensación: ¡No hay depósitos de contaminantes en las muestras!
• El agua esta limpia ¡garantizado!
Crear condensación en el QUV es fácil y no requiere agua DI
![Page 71: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/71.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 71
Spray de agua
• Asegura que las partes se saturen por completo
• Crea erosión y choque térmico.
Crear spray en el QUV es complejo y relativamente costoso
![Page 72: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/72.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 72
Resumen UV fluorescente
• UVA-340 es la mejor simulación de UV de onda corta
• UVB-313 es más rápido y más severo
• Espectro estable: sin envejecimiento
• Sin luz visible
• Condensación realista y rigurosa
• “ Spray” con agua disponible pero no control de HR
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Essentials of Laboratory Weathering 73
Intemperismo Acelerado QUV Model QUV/se
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Essentials of Laboratory Weathering 74
Tecnologías complementarias de fluorescencia UV y arco de xenón
UV Fluorescente
• UVA-340 mejor simulación de onda
corta UV
• UVB-313 podría ser demasiado severo
• Sin luz visible
• Espectro estable
• Sin control de HR
• Condensación o spray de agua.
• Barato, simple de usar
Arco de Xenón
• Espectro completo (UV-Vis-IR)
• La mejor simulación de onda larga
UV y luz visible
• Cambios del espectro
• Control de humedad relativa
• Spray de agua
• Sistema más complejo
![Page 75: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/75.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 75
De que hablaremos
¿Qué es el intemperismo?¿Por qué realizar pruebas de intemperismo natural?
Pruebas de intemperie en laboratorio– Xenon
– UV Fluorescente
•Elementos de un programa efectivo de pruebas
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Essentials of Laboratory Weathering 76
¿Qué tipo de prueba debo ejecutar?
Tipo de prueba acelerada
Resultado Tiempo de Prueba Resultado comparado con
Control de Calidad Pasa / No pasa• Definido
• CortoEspecificación material
Calificación / validación
Pasa / No pasa• Definido
• Medio-Largo
Material de referencia o especificación
CorrelaciónDatos ordenados
por rango
• Abierto
• Medio
Exposición natural
(sitio de referencia)
Predictivo
Vida de servicio
Factor de aceleración
• Abierto
• Largo
Exposición natural (entorno de servicio)
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Essentials of Laboratory Weathering 77
Resumen
• Identificar el tipo de prueba acelerada.– Los datos externos son imprescindibles para
las pruebas de correlación y predicción.
• Identificar el entorno de servicio.– Interior o exterior
– Húmedo o seco
– Caliente o fresco
![Page 78: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/78.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 78
• Haciendo uso de las mejores prácticas– Ejecutar hasta un modo de falla definido
– Usa múltiples muestras (minimo 3)
– Realizar evaluaciones y reposicionar frecuentemente
• Elija un diseño de prueba adecuada– ¿Qué dice la norma?
– ¿Es importante el espectro de luz completo?
– ¿Qué tan importante es la absorción de agua?
Resumen
![Page 79: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/79.jpg)
Essentials of Laboratory Weathering 79
¿Preguntas?
![Page 80: Fundamentos de Intemperismo en el laboratorio](https://reader031.vdocuments.us/reader031/viewer/2022012518/6192d87c1914e46d993b7f35/html5/thumbnails/80.jpg)
Light Stability Testing of Home and Personal Care Products 80
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