人工耐氣候加速老化試驗中光源的選擇及常見問題
塑料,、橡膠、涂料等高分子材料在使用過程中會遇到老化的問題,。為評價高分子材料的耐老化性能,，逐漸形成了兩類老化試驗方法：一類是自然老化試驗方法，即直接利用自然環(huán)境進行的老化試驗,；另一類是人工加速老化試驗方法,，即在實驗室利用老化箱模擬自然環(huán)境條件的某些老化因素進行的老化試驗。由于老化因素的多樣性及老化機理的復(fù)雜性,，自然老化無疑是zui重要zui可靠的老化試驗方法,。但是，由于自然老化周期相對較長,，不同年份,、季節(jié)、地區(qū)氣候條件的差異性導(dǎo)致了試驗結(jié)果的不可比性,；而人工加速老化試驗?zāi)M強化了自然氣候中的某些重要因素,，如陽光、溫度,、濕度,、降雨等，縮短了老化試驗的周期,，且由于試驗條件的可控性,，試驗結(jié)果再現(xiàn)性強,。人工老化作為自然老化的重要補充，正廣泛運用于高分子材料的研究,、開發(fā),、檢測中。
在人工加速老化的試驗過程中,，人們普遍會關(guān)心以下幾個問題：
1,、應(yīng)該選擇什么樣的試驗條件，2,、進行多長時間的試驗,；3、該選擇什么指標來評價該產(chǎn)品的老化性能,。本文試圖針對這些問題對人工加速老化試驗進行一些探討,。
一、人工加速老化試驗條件的選擇：
這個問題實際上可以理解為應(yīng)該模擬哪些老化因素,，高分子材料在使用過程中,，氣候環(huán)境里許多因素都有可能對高分子材料的老化產(chǎn)生作用。如果事先知道產(chǎn)生老化的主要因素,，就可以有針對性的選擇試驗方法,。我們可以從該材料的運輸、儲存,、使用環(huán)境以及其老化機理等方面考慮,，確定試驗方法。例如硬聚氯乙烯型材,，使用聚氯乙烯為原料,，添加穩(wěn)定劑、顏料等助劑加工而成,，主要用于室外,。從聚氯乙烯的老化機理考慮，聚氯乙烯受熱易分解,；從使用環(huán)境考慮,；空氣中的氧、紫外光,、熱,、水分都是引起型材老化的原因。
因此,，國標GB/T8814-2004《門,、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，既規(guī)定了光氧老化試驗方法,，采用GB/T 16422.2《塑料實驗室光源曝露試驗方法第二部分：氙弧燈》老化4000h或6000h,，模擬了室外紫外光及可見光,、溫度、濕度,、降雨等因素,，同時又規(guī)定了熱氧老化項目：加熱后狀態(tài)，150℃放置30min,，目測觀察是否出現(xiàn)氣泡,、裂紋、麻點或分離現(xiàn)象,，以考察型材的耐熱性能,。又如我國在市場上有競爭力的一個產(chǎn)品：外貿(mào)出口鞋。在使用過程中,，陽光中的紫外線是引起鞋子變色,、褪色的主要原因，因此,，有必要用紫外燈箱對其進行耐黃變測試。常用的鞋類耐黃變試驗箱采用30WUV燈,，樣品離光源20cm,，照射3h后觀察顏色變化。同時,，在運輸過程中,，集裝箱內(nèi)悶熱、潮濕的惡劣環(huán)境會引起鞋面,、鞋底,、膠水的變色、斑點,，甚至是變質(zhì),。因此，在裝船運輸之前,，有必要考慮進行耐濕熱老化試驗,，模擬集裝箱內(nèi)高熱、高濕環(huán)境,，在70℃,、95％相對濕度的條件下，進行48h試驗后觀察外觀,、顏色變化,。
二、人工加速老化光源的選擇：
實驗室光源曝露試驗因為可以在一個試驗箱中同時模擬大氣可見環(huán)境中的光,、氧,、熱和降雨等因素,，是目前較為常用的一種人工加速老化試驗方法，在這些模擬因素中,，又以光源zui為重要,。經(jīng)驗表明，陽光中引起高分子材料破環(huán)的波長主要集中在紫外線及部分可見光,。目前使用的人工光源都力圖使在此波長區(qū)間內(nèi)的能譜分布曲線與太陽光譜接近,，模擬性和加速倍率是選擇人工光源的主要依據(jù)。經(jīng)歷了約一個世紀的發(fā)展,，實驗室光源已有封閉式碳弧燈,、陽光型碳弧燈、熒光紫外燈,、氙弧燈,、高壓汞燈等各種光源供選擇。標準化組織（ISO）中與高分子材料相關(guān)的各技術(shù)委員會主要推薦使用陽光型碳弧燈,、熒光紫外燈,、氙弧燈三種光源。
1,、氙弧燈
目前認為,，已知的人工光源中氙弧燈的光譜能量分布與陽光中紫外、可見光部分zui相似,。通過選擇合適的濾光片,，可以濾去大部分到達地面陽光中存在的短波輻射。氙燈在1000nm~1200nm近紅外區(qū)存在很強的輻射峰,，會產(chǎn)生大量的熱,。因此，須選擇合適的冷卻裝置帶走這部分能量,。目前,，市面上氙弧燈老化試驗箱有兩種冷卻方式：水冷式和風(fēng)冷式。一般來說,，水冷式氙燈裝置冷卻效果要優(yōu)于風(fēng)冷式,，同時結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，價格也比較昂貴,。由于氙燈紫外線部分能量較另兩種光源增加較少,，在加速倍率方面是zui低的。
2,、熒光紫外燈
從理論上說,，300nm~400nm的短波能量是引起老化的主要因素。如果增加這部分能量，就能達到快速試驗的效果,。熒光紫外燈的光譜分布主要集中在紫外光部分,，因此，可以達到較高的加速倍率,。然而,，熒光紫外燈不僅使自然日光中的紫外線能量增加，同時還有在地球表面測量時自然日光中沒有的輻射能量,，而這部分能量會引起非自然的破壞,。另外熒光光源除了很窄的水銀光譜線外，沒有高于375nm的能量,，這樣對較長波長的UV能量敏感的材料就可能不會出現(xiàn)曝曬在自然日光下那樣變化,。由于這些固有缺陷會導(dǎo)致得出不可靠的結(jié)果。因此,，熒光紫外燈的模擬性較差,。但是，由于它的加速倍率高,，通過選擇合適型號的燈管可實現(xiàn)對特定材料的快速篩選,。
3、陽光型碳弧燈
陽光型碳弧燈目前在我國應(yīng)用得較少,，但它在日本是廣泛使用的光源,，大部分JIS標準都采用陽光型碳弧燈。我國許多與日本合資的汽車企業(yè)仍推薦使用這種光源,。陽光型碳弧燈光譜能量分布也較接近于太陽光，但在370nm－390nm紫外線集中加強,，模擬性不及氙燈,，加速倍率介于氙燈及紫外燈之間。
三,、試驗時間的確定
1,、參照相關(guān)產(chǎn)品標準規(guī)定
相關(guān)產(chǎn)品標準里已經(jīng)對老化試驗的時間作出了規(guī)定，我們只需查找到相關(guān)標準,，按里面規(guī)定的時間執(zhí)行就行了,。許多國家標準、行業(yè)標準中都對此作出了規(guī)定,。表1列舉了一些常用產(chǎn)品標準中對老化時間的規(guī)定,。
2、根據(jù)已知的相關(guān)性推算
研究表明：通過顏色和變黃指數(shù)變化來評價ABS的顏色穩(wěn)定性,，人工加速老化與自然大氣暴露有較好的相關(guān)性,，加速倍率約為7。如果想了解某一ABS材料戶外使用一年后的顏色變化，采用相同的試驗條件,，可以參考該加速倍率,，確定加速老化時間365x24/7=1251h。
長期以來,，國內(nèi)外就相關(guān)性間題展開了大量的研究,，得出了許許多多的換算關(guān)系式。然而,，由于高分子材料的多樣性,，加速老化試驗設(shè)備及方法的不同，不同時間,、地區(qū)氣候的差異性導(dǎo)致了換算關(guān)系的復(fù)雜化,。因此，在選擇換算關(guān)系時,，一定要注意得出該相關(guān)性的具體材料,、老化設(shè)備、試驗條件,、性能評價指標等因素
3,、控制人工加速老化輻射總量與自然暴露
輻射總量相當(dāng)
對于某些既無相應(yīng)標準規(guī)定，又無處參考相關(guān)性的產(chǎn)品,，可以考慮其實際使用環(huán)境的輻射強度,，控制人工加速老化輻射總量與自然暴露輻射總量相當(dāng)。表2列出了我國不同地區(qū)太陽輻射強度[2],。
下面舉例說明如何控制人工加速老化總輻射量：
某一塑料制品使用于北京地區(qū),，期望控制人工加速老化總輻射量與戶外暴露一年相當(dāng)。
*步：由于該產(chǎn)品為塑料制品,，且使用于戶外,，選擇采用GB/T16422.2-1996《塑料實驗室光源曝露試驗方法第二部分：氙弧燈》中A法。試驗條件為：輻照強度0.50W/ m2（340nm）,，黑板溫度65℃,，箱體溫度40℃，相對濕度50％,，噴水時間／不噴水時間18min/102min,，連續(xù)光照；
第二步：從表2可知北京地區(qū)一年輻射總量,、為5609MJ/ m2,，依據(jù)對比人工光源與自然陽光輻射光譜分布的準則CIE No 85 -1989（見表3，GB/T16422.1-1996《塑料實驗室光源曝露試驗方法*部分：氙弧燈》中引用）,；其中紫外區(qū)與可見區(qū)部分（300nm－800nm）占62.2%,，即3489MJ/m2。
第三步：依據(jù)GB/T 16422.2-1996，340nm輻照強度為0.50 W/ m2時,，紅外區(qū)與可見區(qū)部分 （300nm～800nm）輻照強度為550 W/m2,；可計算出輻照時間為3489 X 106/550=6.344 X 106s，即1762h,。依此計算方法,，加速倍率約為5。由于自然老化并不是簡單的輻照強度的疊加,，只有在確定陽光是引起材料破環(huán)的主要因素且不能用其他方法確定試驗時間時,，才可以使用此計算方法模擬。
四,、性能評價指標的選擇
選擇性能評價指標主要從材料的用途及材料本身特性兩方面來考慮,。4.1根據(jù)材料用途確定評價指標
對于同樣的材料，由于其用途不同,，可能選擇的評價指標也不同,。例如，同樣是涂料,，如果是用于裝飾,，就必須重點考慮其外觀的變化。在GB/T 1766-1995《色漆和清漆涂層老化的評級》中,，詳細規(guī)定了光澤度,、顏色變化、粉化,、泛金等各種外觀變化的評級方法,。
而對于某些功能性涂料，如防腐涂料,，一定程度的顏色,、外觀變化是可以接受的，這時,，選擇評價指標時,，主要考慮其耐開裂性,、粉化程度等方面,。同樣是聚氯乙烯（PVC），如果用于制作鞋面,，就必須考慮其耐黃變性,，而如果是用于雨落水管，對于外觀變化要求就不高,，而材料的物理機械性能變化,，如拉伸強度變化是主要考核指標。4.2根據(jù)材料本身特性確定評價指標
就同一材料來說，在老化過程中不同性能的下降是不等速的,。換句話說,，某些性能對環(huán)境敏感，下降得zui快,，則是引起材料破壞的主要因素,、在選擇評價指標時，應(yīng)該選擇這些敏感性能,。研究表明：對于大部分工程塑料來說,，沖擊強度是自然老化試驗檢測中變化zui大、下降zui明顯的,。因此,，在進行工程塑料的老化測試時，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇沖擊強度下降作為評價指標,。沖擊強度對聚丙烯的老化同樣相當(dāng)敏感[4],，是考核老化性能的主要指標。對于聚乙烯材料來說,，斷裂伸長率的下降zui為明顯,，是優(yōu)先考慮的評價指標。對于聚氯乙烯,，拉伸強度和沖擊強度都下降得比較快,，應(yīng)根據(jù)實際情況，選擇其中一種來評價,。在國標GB/T8814-2004《門,、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，選擇老化后沖擊強度保留率≥60％作為合格判定指標,；在輕工行業(yè)標準QB/T2480-2000建筑用硬聚氯乙烯（PVC -U）雨落水管材及管件中,，選擇老化后拉伸強度保留率≥80％作為合格判定指標。
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