高分子材料實驗室老化試驗技術詳解

廣州廣電計量檢測股份有限公司 顏景蓮

塑料、涂料、紡織品、皮革等高分子材料在使用過程中經常出現粉化、變色、起泡、龜裂、脫落等劣化現象，嚴重影響產品的機械、表觀等方面的性能，因此需要了解高分子材料的光老化機理并尋找合適的人工加速光老化試驗方法來客觀地模擬自然使用條件，為材料的研發及應用提供快速的檢測與評價方面的依據。目前常用的人工加速老化試驗方法主要有熒光紫外燈老化、碳弧燈老化、氙燈老化、金屬鹵素燈老化等試驗方法，下面詳細介紹一下這幾種不同的老化測試方法。

1.熒光紫外老化試驗

紫外光老化試驗箱采用熒光紫外燈為光源，通過模擬自然陽光中的紫外輻射和冷凝，對材料進行加速耐候性試驗，以獲得材料耐候性的結果。熒光紫外試驗可模擬紫外、雨淋、高溫、高濕、凝露、黑暗等自然環境條件，通過將這些條件重現并循環開展老化試驗。目前常用的紫外線光源分為長波紫外線光源（UVA 燈）以及短波紫外線光源（UVB燈）兩種類別，共包括四種光源，其光譜能量分布見圖1[1]。

1.1 長波紫外線光源

長波紫外線燈對于比較不同類型聚合物的耐紫外線性能尤為有用。因為UVA燈的光譜不包含295nm以下的紫外線，跟戶外陽光的波長截止點相同，通常不像短波紫外線破壞材料那樣快，但它們比較接近真實的戶外老化。目前常用的光源包括：

（1）UVA-340光源，在295nm～365nm的紫外波段最接近于太陽光的光譜，它的輻射峰值是在340nm，是目前最接近于戶外陽光的紫外光源；

（2）UVA-351光源，模擬日光被窗戶玻璃過濾后的紫外線部分，它適用于戶內環境應用。用于測試室內環境的材料，例如油墨和那些靠近窗邊的聚合物的老化性能。

1.2 短波紫外線光源

短波紫外線光源的光譜則包括了280nm～400nm的紫外線，其中280nm～295nm的紫外線部分，到達地球表面的紫外線，并不包含這部分紫外線，但是這一部分的紫外線能量較強，很容易使高分子材料發生老化，導致有時老化結果會發生失真，即跟戶外實際使用情況有所差別。目前這種光源的應用越來越少，常用于快速篩選材料和研究材料的耐紫外線性能。目前的UVB光管也包括有兩種，他們有相同的光譜分布，但發出的紫外線總量不同。一種是UVB-313光源，另外一種則是FS-40光源，目前這兩種光源的應用越來越少，有逐步被淘汰的趨勢。

1.3 熒光紫外試驗箱

目前市面上流行的紫外試驗箱包括Q-Lab的Q-spray系列試驗箱，以及ATLAS的QUV2000系列的試驗箱，這些試驗箱，都是目前比較先進的試驗箱，可以提供多種紫外光源，并同時控制輻照度和黑板溫度，實現冷凝與噴淋等條件；而目前國內生產的紫外試驗箱，尚不能控制輻照度，很多時候達不到標準的要求。目前測試常用的標準包括，ASTM G154，ISO4892-3，SAE J2020，GB/T16422.3，GB/T 14522等。

表1 常用的氙燈試驗設備輻照度控制方式

表2 氙燈老化試驗標準

2.碳弧燈老化試驗

目前碳弧等老化試驗，主要包括兩種，一種是封閉式碳弧燈，一種是陽光型碳弧燈，這兩種碳弧燈都是應用于早期的光老化試驗設備，前者最初用于紡織品耐光測試，后者最初用于涂層的耐光性測試。封閉式碳弧燈的發光體是一組碳棒，電流通過碳棒發出弧光。但碳棒發出的弧光的光譜能量分布與自然光的光譜能量分布相差較大，既沒有自然光的短波紫外輻射，在400nm～800nm之間也沒有日光的高強度能量。陽光型碳弧燈與日光的光譜能量分布的匹配性有所改善，但二者在50nm～350nm之間的光譜能量分布還是有很大差異，具體的光譜分布請參考圖2[2]。

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。

碳弧燈需要頻繁更換碳棒，且一般無法精確控制福照度，目前常用的測試標準包括ASTM G152-06，Cycle1，2，4，5（非金屬材料），ASTM D822-01（2006）（涂料），ASTM D3361-01（2006）（無濾鏡，涂料），ASTM D1499-2005（塑料），JIS D0205-1987，NES M0135等。

目前在國內能找的試驗箱主要也是從日本進口的SUGA品牌，國產的也有，但是碳棒要從日本進口。碳弧燈的使用比較麻煩，不僅要定期更換碳棒，因為是直接燃燒碳棒，碳棒燃燒后產生的灰燼容易造成污染，還要定期清洗濾鏡，定期清洗試驗箱，試驗耗材和人力成本都比較大。

3.氙燈老化試驗

目前來說，氙弧燈是一種比較好的光源，通過更換慮光器，其可以較好的模擬戶外自然太陽光和透過窗玻璃的太陽光[2]。氙弧燈首先應用于塑料行業，由于其檢測結果能夠更好的模擬產品實際的耐候性，因此許多國際規范，如AATCC、ASTM、ISO和政府組織都采用氙弧燈。紡織行業是傳統使用碳弧燈的用戶，現在也改變了規范采用氙弧燈。

氙燈可以通過不同的濾鏡組合，模擬不同的陽光類型，常見的濾鏡類型有：日光濾光器、窗玻璃濾光器、以及紫外濾光器等各種不同的濾光器。光照的輻照強度通常有四種方式，具體參見表1。不同的控制方式之間可以轉換，通常設備廠家會提供轉換的公式。

圖1 常用紫外光源的光譜能量分布

圖2 碳弧燈光譜分布

圖3 典型的金屬鹵素燈光譜分布圖

目前國內常用的是ATLAS的Ci系列的水冷型氙弧燈，以及Q-Lab的Q-sun系列的氙燈試驗箱，這些試驗箱內部構造有所差異，但是試驗原理是一樣的，都是通過更換不同的濾鏡獲得不同類型的光譜，通過噴淋模擬降雨。目前經常做的標準請參考表2。

4.金屬鹵素燈光老化試驗

金屬鹵素燈也是一種比較好的光源，光源通常為金屬鹵素燈，通常是為零部件試驗，它的波長范圍280nm～3000nm，輻照強度為800～1200w/m2，光譜能量分布可以參考圖3[2]?？梢钥販乜貪?，能夠獲得比較高的試驗箱溫度，光照期間最高可以達到80℃，黑暗期間可以達到90℃，常見的測試標準包括DIN 75220，GB/T 2423.24，IEC 60068-2-5，ISO 9022-9，ISO 12097-2，MIL-STD-810G（Method 505.5），PV 1211等標準。

5.老化試驗的要求

5.1 光源的選擇

進行老化試驗，第一步就是要選擇合適的光源，不同的光源，老化試驗的結果可能會有較大差異，提供以下幾點供大家參考：

（1）根據測試標準選擇合適的光源，比如日本的大多數標準，都會采用碳弧燈光源，而歐美的標準大多會選擇氙弧燈光源；

（2）根據樣品的實際使用情況選擇：在戶外使用的材料，為了模擬戶外實際情況，一般選用氙弧燈光源+戶外陽光濾光器；室內使用的產品或車內飾則一般會選擇氙弧燈光源+窗玻璃濾光器；軍用產品則一般會選擇金屬鹵素燈光源；

（3）根據實驗的目的選擇光源：比如為了模擬材料的戶外使用性能，選擇氙燈、金屬鹵素燈，若是為了快速篩選材料，考察材料的耐紫外線性能，可以優先選擇紫外光源等。

目前來看，氙燈和金屬鹵素燈具有波長范圍較寬、通過各種濾鏡組合可以模擬不同的光照情況、噴淋、輻照度穩定等優點，越來越成為老化試驗的首選光源，而熒光紫外燈和碳弧燈由于模擬性較差，很多廠家都不愿意再繼續使用而逐步被淘汰。

5.2 試驗前后的外觀檢查和評價

光老化試驗前后樣品的檢查通常包括對產品的顏色、光澤、粉化、開裂等外觀缺陷，還包括對材料的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度的等的物理性能的檢測，外觀檢測一般時間較短，通常在1000h以下，而物理性能的檢測則一般需要進行2000h以上。外觀檢查時應注意，盡可能在材料的同一個點上進行。

5.3 試驗的相關性與可比性

由于光源的穩定性較差，實驗室老化試驗結果的復現性現在還比較差；另外由于光源的光譜能量分布有差異，不同光源之間的老化試驗，結果沒有可比性；即使是同一種光源的不同設備型號，其可比性也比較差。

6.小結

總之，實驗室光照老化試驗箱必須具有重復性，可控制性、穩定性。自然氣候現象是很復雜的過程，這要求我們的實驗室光照老化試驗箱應當有能力控制像水分，溫度，亮/暗周期這樣的條件。并且最重要的是它應當提供一個光源，這光源能模擬樣品在最終使用條件下曝露所獲得的輻射能量。使儀器能更進一步重復暴露的條件，進行對比。同時我們選一個加速老化儀時，應該根據您所要評價的產品的知識來對應選擇。

[1]QUV加速老化試驗機說明書,2012.

[2]Network of weathering products and services,2011.