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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(jià)高分子材料的耐老化性能，逐漸形成了兩類老化試驗(yàn)方法：一類是自然老化試驗(yàn)方法，即直接利用自然環(huán)境進(jìn)行的老化試驗(yàn)；另一類是人工加速老化試驗(yàn)方法，即在實(shí)驗(yàn)室利用老化箱模擬自然環(huán)境條件的某些老化因素進(jìn)行的老化試驗(yàn)。由于老化因素的多樣 性及老化機(jī)理的復(fù)雜性，自然老化無疑是zui重要zui可靠的老化試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的不可比性；而人工加速老化試驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)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(yàn)的周期，且由于試驗(yàn)條件的可控性，試 驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性強(qiáng)。人工老化作為自然老化的重要補(bǔ)充，正廣泛運(yùn)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(yàn)過程中，人們普遍會關(guān)心以下幾個(gè)問題：應(yīng)該選擇什么樣的試驗(yàn)條件，進(jìn)行多長時(shí)間 的試驗(yàn)；該選擇什么指標(biāo)來評價(jià)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(yàn)進(jìn)行一些探討。

1 人工加速老化試驗(yàn)條件的選擇

這個(gè)問題實(shí)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(yàn)方法。我們 可以從該材料的運(yùn)輸、儲存、使用環(huán)境以及其老化機(jī)理等方面考慮，確定試驗(yàn)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(jī)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，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(yàn)方法， 采用 GB/T 16422.2 《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)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(shí)又規(guī)定了熱氧老化項(xiàng)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(diǎn)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(gè)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(jìn)行耐黃變測 試。常用的鞋類耐黃變試驗(yàn)箱采用 30WUV 燈，樣品離光源 20cm，照射 3h 后觀察顏色變化。同時(shí)，在運(yùn)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(diǎn)，甚至是變質(zhì)。因此，在裝船運(yùn) 輸之前，有必要考慮進(jìn)行耐濕熱老化試驗(yàn)，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(jìn)行 48h 試驗(yàn)后觀察外觀、顏色變化。

 2 人工加速老化光源的選擇 

實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)因?yàn)榭梢栽谝粋€(gè)試驗(yàn)箱中同時(shí)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(yàn)方法，在這些模擬因素中，又以光源zui為重要。經(jīng)驗(yàn)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(gè)世紀(jì)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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。

 2.1 氙弧燈 

目前認(rèn)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(dá)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(qiáng)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，市面上氙燈老化試驗(yàn)裝置有兩種冷卻 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(shí)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，價(jià)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(dá)到快速試驗(yàn)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(dá)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(shí)還有在地球表面測量時(shí)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(shí)現(xiàn)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(yīng)用得較少，但它在日本是廣泛使用的光源，大部分 JIS 標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，模擬性不及氙燈，加速倍率介于氙燈及紫外燈之間 。

3 試驗(yàn)時(shí)間的確定
3.1 參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 

相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)里已經(jīng)對老化試驗(yàn)的時(shí)間作出了規(guī)定，我們只需查找到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按里面規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行就行 了。許多國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都對此作出了規(guī)定。

3.2 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(jià) 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(yàn)條件，可以參考 該加速倍率，確定加速老化時(shí)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(yàn)設(shè)備及方法的不同，不同時(shí)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(shí)，一定要注意得出該相關(guān)性的具體材料、老化設(shè)備、試驗(yàn)條件、性能評價(jià)指標(biāo)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(dāng)對于某些既無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，又無處參考相關(guān)性的產(chǎn)品， 可以考慮其實(shí)際使用環(huán)境的輻射強(qiáng)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)。