材料老化測試中遇到的問題及解決方法

前言

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、地區氣候條件的差異性導致了試驗結果的不可比性；而人工加速老化試驗模擬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 驗結果再現性強。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、檢測中。在人工加速老化的試驗過程中，人們普遍會關心以下幾個問題：應該選擇什么樣的試驗條件，進行多長時間 的試驗；該選擇什么指標來評價該產品的老化性能。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。

1 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該模擬哪些老化因素，高分子材料在使用過程中，氣候環境里許多因素都有可 能對高分子材料的老化產生作用。如果事先知道產生老化的主要因素，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，GB/T8814-2004 《門、 窗用未增塑聚氯乙烯 （PVC-U） 型材》 中， 既規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，同時又規定了熱氧老化項目：加熱后狀態，150℃放置 30min，目測觀察是否出現氣泡、裂 紋、麻點或分離現象，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品：外貿出口鞋。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，集裝箱內悶熱、潮濕的惡劣環境會引起鞋面、鞋底、膠水的變色、斑點，甚至是變質。因此，在裝船運 輸之前，有必要考慮進行耐濕熱老化試驗，模擬集裝箱內高熱、高濕環境，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。

 2 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。經驗表明，陽光中引起高分 子材料破環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間內的能譜分布 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。經歷了約一個世紀的發展，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的各技術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。

 2.1 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 近紅外區存在很強的輻射峰， 會產生大量的熱。因此，須選擇合適的冷卻裝置帶走這部分能量。目前，市面上氙燈老化試驗裝置有兩種冷卻 方式：水冷式和風冷式。一般來說，水冷式氙燈裝置冷卻效果要優于風冷式，同時結構也較為復雜，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。

2.2 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曝曬在自然日光下那樣變化。由于這些固有缺陷會導致得出不可靠的結果。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對特定材料的快 速篩選。

2.3 陽光型碳弧燈

陽光型碳弧燈目前在我國應用得較少，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 。

3 試驗時間的確定
3.1 參照相關產品標準規定 

相關產品標準里已經對老化試驗的時間作出了規定，我們只需查找到相關標準，按里面規定的時間執行就行 了。許多國家標準、行業標準中都對此作出了規定。

3.2 根據已知的相關性推算

研究表明： 通過顏色和變黃指數變化來評價 ABS 的顏色穩定性， 人工加速老化與自然大氣暴露有較好的相關 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，國內外就相關性間題展開了大量的研究，得出了許許多多的換算關系式。然而，由于高分子材料 的多樣性，加速老化試驗設備及方法的不同，不同時間、地區氣候的差異性導致了換算關系的復雜化。因此， 在選擇換算關系時，一定要注意得出該相關性的具體材料、老化設備、試驗條件、性能評價指標等因素。

3.3輻射總量

控制人工加速老化輻射總量與自然暴露輻射總量相當對于某些既無相應標準規定，又無處參考相關性的產品， 可以考慮其實際使用環境的輻射強度，控制人工加速老化輻射總量與自然暴露輻射總量相當。