人工加速老化試驗zui關(guān)心的四個問題

人工加速老化試驗也稱為環(huán)境試驗。因為橡膠、塑料、涂料、油墨、樹脂等高分子材料在使用過程中普遍要涉及到老化的問題。所謂老化就是因為環(huán)境條件的改變而導(dǎo)致高分子材料性質(zhì)的變化，比如：變色、粉化、失去光澤、強度下降等。但是我們?nèi)绾稳ピu價高分子材料的耐老化性能呢？在生產(chǎn)和科研實踐中人們逐漸形成了兩種評價老化的試驗方法：*種就是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，如自然暴曬試驗；第二種就是人工加速老化試驗方法，即在實驗室里采取各種老化試驗箱來模擬相關(guān)自然環(huán)境條件的某些老化因素、條件二進行的老化試驗。由于導(dǎo)致高分子老化的因素的多種多樣，以及高分子老化機理的復(fù)雜性，自然老化無疑是zui可靠、zui重要的老化試驗方法。但是，由于采取自然老化試驗的周期一般很長，試驗太慢；再加上不同地區(qū)、年份、季節(jié)的氣候條件的差異較大，導(dǎo)致了自然老化試驗結(jié)果的可比性差。而如果采取人工加速老化試驗來模擬強化了自然環(huán)境氣候中的某些重要因素，如溫度、陽光、降雨、濕度等條件，無疑將大大縮短對試驗對象的老化試驗的周期，zui重要的是由于試驗條件的可控性，這樣試驗結(jié)果的再現(xiàn)性強。人工加速老化試驗作為自然老化的重要補充，越來越廣泛運用于各種高分子材料的研究、開發(fā)、檢測中，并越來越成為一般工礦企業(yè)、科研院所代替自然暴曬試驗手段。

  那么，在人工加速老化試驗中，人們zui關(guān)心的是哪些問題呢？

  主要是以下四個方面的問題：

一、人工加速老化試驗的光源如何選擇？

  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(jì)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(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。

1、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。

2、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，必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(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，但是水冷式氙燈老化試驗箱結(jié)構(gòu)也更為復(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。

3、陽光型碳弧燈:

  陽光型碳弧燈目前在我國應(yīng)用得較少。

二、人工加速老化試驗條件如何選擇？

  即模擬哪些老化因素。

  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。

  比如：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30W UV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。

  比如：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(biāo)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、濕度、降雨、溫度等因素，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)裂紋、氣泡、麻點或分離現(xiàn)象，以考察型材的耐熱性能。

三、試驗時間如何確定？

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)對老化試驗的時間作出了規(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。

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。

  就相關(guān)性間題大量的研究，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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，又無處參考相關(guān)性的產(chǎn)品，可以考慮其實際使用環(huán)境的輻射強度，控制人工加速老化試驗的輻射總量與自然暴露試驗輻射總量相當(dāng)。

四、性能評價指標(biāo)如何選擇？

  選擇性能評價指標(biāo)主要從材料本身特性及材料的用途兩方面來考慮。

1、根據(jù)材料用途確定評價指標(biāo)：

  對于同樣的材料，根據(jù)其用途的不同，選擇的評價指標(biāo)可能也不同。

例如，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(biāo)時，主要考慮其粉化程度、耐開裂性等方面。

  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。

  同樣是PVC（聚氯乙烯），如果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(biāo)；而如果用于制作鞋面，就必須考慮其耐黃變性。

 2、根據(jù)材料本身特性確定評價指標(biāo)：

  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，某些性能可能對環(huán)境條件敏感，老化、性能下降得zui快，則是引起材料破壞的主要因素，在選擇評價指標(biāo)時，應(yīng)該選擇這些敏感性能。

  例如：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(biāo)。沖擊強度對聚丙烯的老化同樣相當(dāng)敏感，是考核老化性能的主要指標(biāo)。

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。比如在輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)；但在國標(biāo)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(biāo)。

  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(biāo)。

  結(jié)語：人工加速老化試驗因能快速評價材料老化性能、耐候性的需求而得到快速成長，已經(jīng)從作為自然老化的重要補充到逐漸在許多行業(yè)替代自然老化試驗作為產(chǎn)成品的檢驗手段，如何選擇試驗條件、光源、試驗時間、性能評價指標(biāo)等是人工加速老化試驗中經(jīng)常遇到和需要統(tǒng)一的問題。