人工加速老化试验Z关心的四个问题

    人工加速老化试验也称为环境试验。因为橡胶、塑料、涂料、油墨、树脂等高分子材料在使用过程中普遍要涉及到老化的问题。所谓老化就是因为环境条件的改变而导致高分子材料性质的变化，比如：变色、粉化、失去光泽、强度下降等。但是我们如何去评价高分子材料的耐老化性能呢？在生产和科研实践中人们逐渐形成了两种评价老化的试验方法：*种就是是自然老化试验方法，即直接利用自然环境进行的老化试验，如自然暴晒试验；第二种就是人工加速老化试验方法，即在实验室里采取各种老化试验箱来模拟相关自然环境条件的某些老化因素、条件二进行的老化试验。由于导致高分子老化的因素的多种多样，以及高分子老化机理的复杂性，自然老化无疑是zui可靠、zui重要的老化试验方法。但是，由于采取自然老化试验的周期一般很长，试验太慢；再加上不同地区、年份、季节的气候条件的差异较大，导致了自然老化试验结果的可比性差。而如果采取人工加速老化试验来模拟强化了自然环境气候中的某些重要因素，如温度、阳光、降雨、湿度等条件，无疑将大大缩短对试验对象的老化试验的周期，zui重要的是由于试验条件的可控性，这样试验结果的再现性强。人工加速老化试验作为自然老化的重要补充，越来越广泛运用于各种高分子材料的研究、开发、检测中，并越来越成为一般工矿企业、科研院所代替自然暴晒试验手段。
  那么，在人工加速老化试验中，人们zui关心的是哪些问题呢？
  主要是以下四个方面的问题：
一、人工加速老化试验的光源如何选择？
  实验室光源曝露试验因为可以在一个试验箱中同时模拟大气可见环境中的光、氧、热和降雨等因素，是目前较为常用的一种人工加速老化试验方法，在这些模拟因素中，又以光源zui为重要。经验表明，阳光中引起高分子材料破环的波长主要集中在紫外线及部分可见光。目前使用的人工光源都力图使在此波长区间内的能谱分布曲线与太阳光谱接近，模拟性和加速倍率是选择人工光源的主要依据。经历了约一个世纪的发展，实验室光源已有封闭式碳弧灯、阳光型碳弧灯、荧光紫外灯、氙弧灯、高压汞灯等各种光源供选择。标准化组织（ISO）中与高分子材料相关的各技术委员会主要推荐使用阳光型碳弧灯、荧光紫外灯、氙弧灯三种光源。
1、荧光紫外灯:
  从理论上说，300nm~400nm的短波能量是引起老化的主要因素。如果增加这部分能量，就能达到快速试验的效果。荧光紫外灯的光谱分布主要集中在紫外光部分，因此，可以达到较高的加速倍率。然而，荧光紫外灯不仅使自然日光中的紫外线能量增加，同时还有在地球表面测量时自然日光中没有的辐射能量，而这部分能量会引起非自然的破坏。另外荧光光源除了很窄的水银光谱线外，没有高于375nm的能量，这样对较长波长的UV能量敏感的材料就可能不会出现曝晒在自然日光下那样变化。由于这些固有缺陷会导致得出不可靠的结果。因此，荧光紫外灯的模拟性较差。但是，由于它的加速倍率高，通过选择合适型号的灯管可实现对特定材料的快速筛选。
2、氙弧灯:
  目前认为，已知的人工光源中氙弧灯的光谱能量分布与阳光中紫外、可见光部分zui相似。通过选择合适的滤光片，可以滤去大部分到达地面阳光中存在的短波辐射。氙灯在1000nm~1200nm近红外区存在很强的辐射峰，会产生大量的热。因此，必须选择合适的冷却装置带走这部分能量。目前，市面上氙灯老化试验 装置有两种冷却方式：水冷式和风冷式。一般来说，水冷式氙灯装置冷却效果要优于风冷式，但是水冷式氙灯老化试验箱结构也更为复杂，价格也比较昂贵。由于氙灯紫外线部分能量较另两种光源增加较少，在加速倍率方面是zui低的。
3、阳光型碳弧灯:
  阳光型碳弧灯目前在我国应用得较少。
二、人工加速老化试验条件如何选择？
  即模拟哪些老化因素。
  高分子材料在使用过程中，气候环境里许多因素都有可能对高分子材料的老化产生作用。如果事先知道产生老化的主要因素，就可以有针对性的选择试验方法。我们可以从该材料的运输、储存、使用环境以及其老化机理等方面考虑，确定试验方法。
  比如：我国在市场上有竞争力的一个产品：外贸出口鞋。在使用过程中，阳光中的紫外线是引起鞋子变色、褪色的主要原因，因此，有必要用紫外灯箱对其进行耐黄变测试。常用的鞋类耐 黄变试验箱采用30W UV灯，样品离光源20cm，照射3h后观察颜色变化。同时，在运输过程中，集装箱内闷热、潮湿的恶劣环境会引起鞋面、鞋底、胶水的 变色、斑点，甚至是变质。因此，在装船运输之前，有必要考虑进行耐湿热老化试验，模拟集装箱内高热、高湿环境，在70℃、95％相对湿度的条件下，进行48h试验后观察外观、颜色变化。
  比如：硬聚氯乙烯型材，使用聚氯乙烯为原料，添加稳定剂、颜料等助剂加工而成，主要用于室外。从聚氯乙烯的老化机理考虑，聚氯乙烯受热易分解；从使用环境考虑；空气中的氧、紫外 光、热、水分都是引起型材老化的原因。因此，国标GB/T8814-2004《门、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，既规定了光氧老化试验方 法，采用GB/T 16422.2《塑料实验室光源曝露试验方法第二部分：氙弧灯》老化4000h或6000h，模拟了室外紫外光及可见光、湿度、降雨、温度等因素，同时又规定了热氧老化项目：加热后状态，150℃放置30min，目测观察是否出现裂纹、气泡、麻点或分离现象，以考察型材的耐热性能。
三、试验时间如何确定？
1、参照相关产品标准规定:
  相关产品标准里已经对老化试验的时间作出了规定，我们只需查找到相关标准，按里面规定的时间执行就行了。许多国家标准、行业标准中都对此作出了规定。
2、根据已知的相关性推算:
  研究表明：通过颜色和变黄指数变化来评价ABS的颜色稳定性，人工加速老化与自然大气暴露有较好的相关性，加速倍率约为7。如果想了解某一ABS材料户外使用一年后的颜色变化，采用相同的试验条件，可以参考该加速倍率，确定加速老化时间365x24/7=1251h。
  就相关性间题大量的研究，得出了许许多多的换算关系式。然而，由于高分子材料的多样性，加速老化试验设备及方法的不同，不同时间、地区气候的差异性导致了换算关系的复杂化。因此，在选择换算关系时，一定要注意得出该相关性的具体材料、老化设备、试验条件、性能评价指标等因素。
3、控制人工加速老化辐射总量与自然暴露辐射总量相当。对于某些既无相应标准规定，又无处参考相关性的产品，可以考虑其实际使用环境的辐射强度，控制人工加速老化试验的辐射总量与自然暴露试验辐射总量相当。
四、性能评价指标如何选择？
  选择性能评价指标主要从材料本身特性及材料的用途两方面来考虑。
1、根据材料用途确定评价指标：
  对于同样的材料，根据其用途的不同，选择的评价指标可能也不同。
例如，对于某些功能性涂料，如防腐涂料，一定程度的颜色、外观变化是可以接受的，这时，选择评价指标时，主要考虑其粉化程度、耐开裂性等方面。
  同样是涂料，如果是用于装饰，就必须重点考虑其外观的变化。在GB/T 1766-1995《色漆和清漆涂层老化的评级》中，详细规定了光泽度、颜色变化、粉化、泛金等各种外观变化的评级方法。
  同样是PVC（聚氯乙烯），如果如果是用于雨落水管，对于外观变化要求就不高，而材料的物理机械性能变化，如拉伸强度变化是主要考核指标；而如果用于制作鞋面，就必须考虑其耐黄变性。
 2、根据材料本身特性确定评价指标：
  就同一材料来说，在老化过程中不同性能的下降是不等速的，某些性能可能对环境条件敏感，老化、性能下降得zui快，则是引起材料破坏的主要因素，在选择评价指标时，应该选择这些敏感性能。
  例如：对于大部分工程塑料来说，冲击强度是自然老化试验检测中变化zui大、下降zui明显的。因此，在进行工程塑料的老化测试时，应优先考虑选择冲击强度下降作为评价指标。冲击强度对聚丙烯的老化同样相当敏感，是考核老化性能的主要指标。
对于聚氯乙烯，拉伸强度和冲击强度都下降得比较快，应根据实际情况，选择其中一种来评价。比如在轻工行业标准QB /T2480-2000建筑用硬聚氯乙烯（PVC -U）雨落水管材及管件中，选择老化后拉伸强度保留率≥80％作为合格判定指标；但在国标GB/ T8814-2004 《门、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，选择老化后冲击强度保留率≥60％作为合格判定指标。
  对于聚乙烯材料来说，断裂伸长率的下降zui为明显，是优先考虑的评价指标。
  结语：人工加速老化试验因能快速评价材料老化性能、耐候性的需求而得到快速成长，已经从作为自然老化的重要补充到逐渐在许多行业替代自然老化试验作为产成品的检验手段，如何选择试验条件、光源、试验时间、性能评价指标等是人工加速老化试验中经常遇到和需要统一的问题。