人工加速老化試驗zui關心的四個問題

人工加速老化試驗也稱為環境試驗。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境條件的改變而導致高分子材料性質的變化，比如：變色、粉化、失去光澤、強度下降等。但是我們如何去評價高分子材料的耐老化性能呢？在生產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自然環境條件的某些老化因素、條件二進行的老化試驗。由于導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、年份、季節的氣候條件的差異較大，導致了自然老化試驗結果的可比性差。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，這樣試驗結果的再現性強。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、檢測中，并越來越成為一般工礦企業、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。

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、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，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：水冷式和風冷式。一般來說，水冷式氙燈裝置冷卻效果要優于風冷式，但是水冷式氙燈老化試驗箱結構也更為復雜，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。

3、陽光型碳弧燈:

  陽光型碳弧燈目前在我國應用得較少。

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。

  比如：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。

  比如：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，國標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、濕度、降雨、溫度等因素，同時又規定了熱氧老化項目：加熱后狀態，150℃放置30min，目測觀察是否出現裂紋、氣泡、麻點或分離現象，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。

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。

  就相關性間題大量的研究，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、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，控制人工加速老化試驗的輻射總量與自然暴露試驗輻射總量相當。

四、性能評價指標如何選擇？

  選擇性能評價指標主要從材料本身特性及材料的用途兩方面來考慮。

1、根據材料用途確定評價指標：

  對于同樣的材料，根據其用途的不同，選擇的評價指標可能也不同。

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；而如果用于制作鞋面，就必須考慮其耐黃變性。

 2、根據材料本身特性確定評價指標：

  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，在選擇評價指標時，應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，應優先考慮選擇沖擊強度下降作為評價指標。沖擊強度對聚丙烯的老化同樣相當敏感，是考核老化性能的主要指標。

對于聚氯乙烯，拉伸強度和沖擊強度都下降得比較快，應根據實際情況，選擇其中一種來評價。比如在輕工行業標準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；但在國標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。

  對于聚乙烯材料來說，斷裂伸長率的下降zui為明顯，是優先考慮的評價指標。

  結語：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，已經從作為自然老化的重要補充到逐漸在許多行業替代自然老化試驗作為產成品的檢驗手段，如何選擇試驗條件、光源、試驗時間、性能評價指標等是人工加速老化試驗中經常遇到和需要統一的問題。