氙燈耐氣候試驗箱性能的評定方法

人工加速老化試驗?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，縮短了老化試驗的周期，且由于試驗條件的可控性，試驗結(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過程中，人們普遍會關(guān)心以下幾個問題：應(yīng)該選擇什么樣的試驗條件，進(jìn)行多長時間的試驗；該選擇什么指標(biāo)來評價該產(chǎn)品的老化性能。

（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(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(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，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、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(jìn)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(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，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，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(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。

    A：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。

    B：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。

    C：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）試驗時間的確定

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。

（4）性能評價指標(biāo)的選擇

選擇性能評價指標(biāo)主要從材料的用途及材料本身特性兩方面來考慮。

   A：根據(jù)材料用途確定評價指標(biāo)

對于同樣的材料，由于其用途不同，可能選擇的評價指標(biāo)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(xì)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(biāo)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(jī)械性能變化，如拉伸強(qiáng)度變化是主要考核指標(biāo)。

    B：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。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(biāo)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(qiáng)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(jìn)行工程塑料的老化測試時，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇沖擊強(qiáng)度下降作為評價指標(biāo)。沖擊強(qiáng)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)。對于聚氯乙烯，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)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(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(qiáng)度保留率≥60％作為合格判定指標(biāo)；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(qiáng)度保留率≥80％作為合格判定指標(biāo)。

人工加速老化試驗因快速評價材料耐候性的需求而得到快速發(fā)展，作為自然老化的重要補(bǔ)充，廣泛運(yùn)用于高分子材料的研究、開發(fā)、檢測中。而試驗條件的選擇、光源的選擇、試驗時間的確定、性能評價指標(biāo)的選擇是人工加速老化試驗中經(jīng)常遇到的問題。本文對以上幾方面進(jìn)行了探討，提出了一些解決問題的思路。