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非金屬材料紫外光老化試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)研究

來源:上海鼎振儀器設(shè)備有限公司   2021年04月22日 10:05  

上海鼎徵儀器儀表設(shè)備有限公司非金屬材料紫外光老化試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)分析
塑料,、橡膠和涂料等非金屬材料在使用的過程中常常會(huì)受到溫度,、濕度和光照等氣候環(huán)境因素的影響,從而使得其外觀褪色和性能下降,。終影響產(chǎn)品的使用壽命,研究塑料和橡膠等材料的耐久性,,是生產(chǎn)制造過程中*的重要環(huán)節(jié),,因此需要開展實(shí)驗(yàn)室人工老化試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選。目前,,常用的人工老化試驗(yàn)方法通常是采用氙燈老化試驗(yàn)箱,、紫外老化試驗(yàn)箱和碳弧燈老化試驗(yàn)箱等老化試驗(yàn)箱對(duì)材料進(jìn)行耐老化試驗(yàn),其中紫外光老化試驗(yàn)?zāi)M了太陽光中的能量強(qiáng)的紫外光部分,,能夠快速地評(píng)價(jià)非金屬材料的耐候性,。
 
紫外老化試驗(yàn)箱可模擬紫外光照、溫度,、凝露,、黑暗和干濕交替等諸多戶外環(huán)境條件,,可在保證加速性的基礎(chǔ)上,提高試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用環(huán)境的相關(guān)性,,加速性和相關(guān)性的好壞往往取決于試驗(yàn)條件的確定是否合理,。因此,本文對(duì)紫外光老化試驗(yàn)的主要方法及引用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評(píng)述,,并初步擬定了試驗(yàn)條件的確定原則和過程,,以期為相關(guān)人員今后開展紫外光老化試驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)。
 
紫外光老化試驗(yàn)概述
 
紫外光波長介于200-400nm之間,,光子能量與其波長成反比,,波長不同,光能量也不樣,,各一波長的光對(duì)應(yīng)的能量值如表1所示,。
 

表1 不同波長的光的能量值
波長(λ/nm)能量(E/KJ.mol-1)
200595.5
300397.1
420283.6
470253.5
530224.8
580205
620192.1
700170.2

 

光的吸收是以光量子為單位進(jìn)行的,分子一瞬間只能獲得一個(gè)光量子,,所以光的能量的大小決定了分子吸收能量的多少,,當(dāng)吸收的能量大于高分子材料化學(xué)鍵的鍵能時(shí),高分子材料發(fā)生降解,。高分子材料中典型的化學(xué)鍵的鍵能如表2所示,。
 

表2 高分子材料中典型的化學(xué)鍵的鍵能值
 化學(xué)鍵能量(E/KJ.mol-1)
O-H 463
N-H389.3
C-H413.6
C-O351.6
C-C347.9
C-CL328.6
C-N290.9
C-F441.2

 
 
由表1和2可知,太陽光中紫外線部分可導(dǎo)致高分子材料中的C-C,、C-N和C-O鍵等主要化學(xué)鍵發(fā)生斷裂,,造成高分子材料的老化破壞。
 
紫外光老化試驗(yàn)通過模擬太陽光的紫外光照射來考核高分子材料的耐老化性能,,其試驗(yàn)效果的好壞與燈源的選擇密切相關(guān),。目前常用的紫外光源包括UVA-340、UVA-351和UVB-313 ,,其中,,UVA-340燈源主要模擬太陽光中的短波紫外線部分(300-340 nm); UVA-351燈源主要模擬太陽光中透過玻璃后的短波紫外線,,其輻射能量峰值在351nm處,;UVB-313燈源的光譜主要集中在280-360nm,其低于300nm的輻射占總輻射量的百分比大于10%,與太陽光中的紫外部分差別較大,,容易引起在實(shí)際使用環(huán)境中不存在的老化,,試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用相關(guān)性較差,主要用于快速篩選材料和評(píng)價(jià)材料的耐紫外線性能,。
 
紫外光老化試驗(yàn)可選擇多種試驗(yàn)程序,,包括連續(xù)暴露、紫外,、冷凝和,、噴淋等,。在試驗(yàn)透過玻璃的紫外線對(duì)材料的影響時(shí),常采用連續(xù)暴露的方式進(jìn)行試驗(yàn),,例如汽車內(nèi)飾材料,、油墨或靠近窗邊的聚合物材料等;紫外/冷凝試驗(yàn)程序綜合地模擬了明暗交替,、干濕交替和夜間冷凝戶外環(huán)境條件,,主要考察在相對(duì)濕度大、晝夜溫差較大的地區(qū)使用的非金屬材料的耐候性,;紫外/噴淋試驗(yàn)程序綜合地模擬了明暗交替,、干濕交替和淋雨類戶外環(huán)境因素,主要考察在多雨地區(qū)使用的非金屬材料的耐候性,,可參考文章戶外曝曬和紫外老化箱兩種試驗(yàn)的相關(guān)性,。
 
此外,紫外光老化試驗(yàn)常常與其他的環(huán)境試驗(yàn)組合開展,,例如:與鹽霧試驗(yàn)組合來評(píng)價(jià)海洋大氣環(huán)境下各類非金屬材料的耐候性,;與濕熱試驗(yàn)組合來考察復(fù)合材料的耐候性。
 
紫外光老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
 
目前,,國內(nèi)外紫外光老化試驗(yàn)的參照標(biāo)準(zhǔn)很多,,其中美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)在相關(guān)術(shù)語、儀器操作規(guī)范,、試驗(yàn)方法和實(shí)施慣例等方面做出了規(guī)定,,適用材料的范圍較廣,對(duì)試驗(yàn)實(shí)施的指導(dǎo)性較強(qiáng),。常見的紫外光老化試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以參考鏈接:常見紫外老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),。
其中ASTM標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)涂層、塑料,、橡膠,、油墨、膠黏劑和瀝青等不同種類的非金屬材料的紫外光老化試驗(yàn)都做出了具體的規(guī)定,,在實(shí)際操作中用戶可根據(jù)材料的種類,、使用環(huán)境和考核目的來選用標(biāo)準(zhǔn),操作性強(qiáng),。
 
紫外光老化試驗(yàn)條件的確定
 
1.常用的紫外光老化試驗(yàn)條件
ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列舉了一些紫外光老化試驗(yàn)典型的試驗(yàn)條件,,并對(duì)其適用范圍做出了規(guī)定,詳細(xì)內(nèi)容如表3所示,。
 

表3 紫外光老化試驗(yàn)典型試驗(yàn)條件
序號(hào)燈源紫外輻照度控制點(diǎn)循環(huán)過程適用范圍
1UVA-3400.83±0.02W/340nm8h紫外BPT:(70±3)℃
4h冷凝BPT:(50±3)℃
汽車涂層,、塑料
2UVA-3400.89±0.02W/340nm4h紫外BPT:(60±3)℃
4h冷凝BPT:(50±3)℃
工業(yè)用涂層
3UVA-3400.89±0.02W/340nm4h紫外BPT:(60±3)℃
20h冷凝BPT:(50±3)℃
戶外木器漆
4UVA-3400.89±0.02W/340nm4h紫外BPT:(60±3)℃
4h冷凝BPT:(50±3)℃
一般金屬防護(hù)涂層
5UVA-3400.89±0.02W/340nm20h紫外BPT:(50±3)℃
4h冷凝BPT:(40±3)℃
無降解塑料
6UVA-3400.77±0.02W/340nm8h紫外BPT:(60±3)℃
4h冷凝BPT:(50±3)℃
淺色橡膠
7UVA-3510.76±0.02W/340nm24h紫外BPT:(50±3)℃玻璃下非金屬材料
8UVA-3130.71±0.02W/310nm4h紫外BPT:(60±3)℃
4h冷凝BPT:(50±3)℃
非金屬材料

 
在實(shí)際應(yīng)用的過程中,可參照以上試驗(yàn)條件進(jìn)行,,也可根據(jù)使用環(huán)境,、產(chǎn)品特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康淖龀鱿鄳?yīng)的調(diào)整,。
2.紫外光老化試驗(yàn)條件的確定原則
1)充分地了解非金屬材料的實(shí)際服役環(huán)境
與其他實(shí)驗(yàn)室人工環(huán)境試驗(yàn)一樣,制定紫外光老化的循環(huán)過程時(shí),,需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對(duì)材料具有影響的環(huán)境因素,。
2)分析材料的種類和組成
由于材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不同,因而其敏感環(huán)境因素和忤響過程也會(huì)有所不同,,因此,,試驗(yàn)過程中需要根據(jù)高汾子材料的類型來選用不同的試驗(yàn)程序及條件。
3)以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),,減少試驗(yàn)條件制定的盲目性
紫外光老化試驗(yàn)條件的確定過程
1.燈源的選擇
紫外光老化試驗(yàn)的燈源的選擇與材料的使用環(huán)境,、試驗(yàn)?zāi)康挠嘘P(guān)??疾鞈敉猸h(huán)境對(duì)材料的耐候性,,常選用UVA-340燈源;而考察玻璃下材料的耐光老化性能,,則選用UVA-351燈源,;若要快速篩選材料,則可選且和UVB系列燈源,。
2.循環(huán)過程的制定
紫外光老化試驗(yàn)可將紫外光照,、冷凝和噴淋等試驗(yàn)程序進(jìn)行組合,進(jìn)而模擬光照,、高溫,、凝露和淋雨等自然現(xiàn)象,在制定紫外光老化的循環(huán)過程時(shí),,需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對(duì)材料具有影響的環(huán)境因素,。
3.溫度的確定
高溫可引起非金屬材料的高溫老化并加速紫外光老化過程,各標(biāo)準(zhǔn)中均推薦了紫外輻照,、冷凝和噴淋等各階段的黑板溫度值,。
4. 輻照度的確定
目前,紫外光老化試驗(yàn)通常采用的輻照度的范圍是0.48-1.55W/m2,通常采用使用環(huán)境中的大值,。
5.試驗(yàn)時(shí)間的確定
另外,,可以考慮材料的使用地區(qū)環(huán)境的輻射量,控制紫外光老化輻射總量,,使其與自然暴露輻射總量相當(dāng),。
結(jié)束語:
本文主要介紹了紫外光老化試驗(yàn)的部分方法及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),、紫外光老化試驗(yàn)條件確定的原則及過程,,在實(shí)際的試驗(yàn)中,需要紫外老化試驗(yàn)需要加強(qiáng)與自然環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)性研究,,針對(duì)不同的材料類型和使用環(huán)境,,制定出一系列相關(guān)性優(yōu)的紫外光老化試驗(yàn)方案,,來提升試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和一致性。

 

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