高分子材料在實際使用過程中，處于風(fēng)吹日曬雨淋等各種環(huán)境中，會發(fā)生諸如褪色、發(fā)黃、粉化、開裂等各種不良變化。每年消費(fèi)中都需要消費(fèi)數(shù)以億計的資金來更換維護(hù)降解失效的產(chǎn)品，沒有及時更換的材料發(fā)生失效還有可能導(dǎo)致各種意外的發(fā)生。
材料光老化
高分子材料的光老化指的是由于暴露于陽光中受到紫外輻射，以及熱（包括溫度循環(huán)）和水（主要是濕度、露水和雨水）及其他因素而導(dǎo)致的材料性能的變化。 我們需要通過研究、試驗來評估材料的耐久性，預(yù)防產(chǎn)品的老化和失效。這時就要了解導(dǎo)致老化失效的主要因素，這其中最重要的三個因素就是光、熱、水。
1、“光”
基于能量與波長的關(guān)系，波長越短，所含能量就越高，越有可能破壞分子的化學(xué)鍵;雖然紫外線僅占太陽總輻射的7%，但太陽光譜中導(dǎo)致材料光老化的最主要的部分。
實驗室模擬戶外光照使用的光源主要有：
1.1碳弧燈
碳弧燈光譜和太陽光譜的差異最大，所以現(xiàn)在基本很少用。
1.2金屬鹵素?zé)?/span>
金屬鹵素?zé)舻牟町愊鄬π∫稽c，多用于汽車的整車光照等場景。
1.3熒光紫外燈
市面上最常見的是模擬光源之一，熒光紫外燈的短波紫外部分模擬的特別好，但是長波紫外就開始衰減，沒有可見光和紅外部分，模擬時也有一定的缺陷。
1.4氙弧燈
由于成本較低，一般企業(yè)配置的較多氙弧燈各個波段都能很好的模擬太陽光譜，已經(jīng)成為現(xiàn)在最可靠最主流的光老化模擬光源。
實際使用過程中，材料受到的光照按場景分為室內(nèi)和室外2種，熒光紫外燈和氙弧燈使用了不同的方式來模擬不同的場景，熒光紫外燈通過使用不同的燈管來實現(xiàn)，氙弧燈則通過使用不同的濾鏡。
2、“熱”
日光曝曬下，材料的溫度會影響輻射的作用，通常溫度升高時光化反應(yīng)就會加速。此外溫度還決定二次反應(yīng)的速度。同樣地，在高溫可以發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)在低溫時可能不會發(fā)生,或只在非常緩慢的反應(yīng)速率下進(jìn)行。
材料溫度的影響因素
日光曝曬下材料的溫度由多種因素決定，如環(huán)境溫度、樣品的太陽光吸收率、太陽光輻照度及試樣表面導(dǎo)熱性，因此日光照射下物體的表面溫度通常高于環(huán)境溫度。
顏色：不同顏色的樣品會有不同的太陽光吸收率，白色材料反射的太陽光較多，太陽光吸收率低，黑色材料反射的太陽光較少，太陽光吸收率高，所以同樣的光照條件下黑色樣品會比白色樣品有更高的樣品溫度。
材質(zhì)：由于金屬材料的導(dǎo)熱性與熱容量通常高于塑料底層，所以有油漆或涂層的金屬表面的溫度會高于塑料材料。環(huán)境空氣溫度、蒸發(fā)速度及對流冷卻均會影響材料的溫度、從而影響材料的降解速度。
在光老化測試中
我們一般用黑標(biāo)/黑板溫度計來表征樣品溫度，用箱體溫度來表征環(huán)境溫度。其中黑標(biāo)來表征光照條件下散熱條件較差的黑色樣品會達(dá)到的溫度，黑板溫度計來表征光照條件下散熱條件較好的黑色樣品會達(dá)到的溫度。
氙弧設(shè)備：由于可見光和紅外光譜都有模擬，所以一般同時監(jiān)控黑標(biāo)/黑板溫度計中的一種和箱體溫度。
熒光紫外設(shè)備：沒有可見光和紅外光，光照導(dǎo)致的樣品的溫升不明顯，所以一般只監(jiān)控黑板溫度。
3、“水”
水在材料的使用環(huán)境中無處不在，它會以各種不同的方式存在并對材料發(fā)生影響，比如濕氣、凝露、雨水、降雪、冰雹等。
水作用于材料的兩種方式
3.1合成材料及涂層從濕氣和直接濕潤中吸水的過程是物理作用。這一吸水作用會導(dǎo)致材料表面膨脹，從而對材料內(nèi)部較干的層面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。隨后的干燥過程中，材枓表面因脫水而收縮，但內(nèi)部較濕的層面會抵制收縮，從而使材料表面出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。水合與脫水狀態(tài)的交替出現(xiàn)會使材料產(chǎn)生應(yīng)力碎裂。
3.2另一種物理作用是結(jié)冰一解凍循環(huán)。水在結(jié)冰時膨脹使受潮材料中的水分產(chǎn)生膨脹與應(yīng)力,導(dǎo)致涂層剝離、斷裂或剝落。降雨周期性地沖洗材料表面的塵埃與污垢，長期也會導(dǎo)致材料的降解,其降雨頻率的作用大于降雨量。當(dāng)雨水沖擊曝曬表面時，蒸發(fā)作用使試樣表面迅速降溫，從而導(dǎo)致材料降解。冰雨或冰雹在降落時攜帶強(qiáng)大動能，也會導(dǎo)致涂層或油漆的物理降解。
水分還能夠直接參與材料降解的化學(xué)反應(yīng)，在加色涂層與聚合物中二氧化鈦(Ti02)的粉化就是很好的例子。聚合物的結(jié)構(gòu)因吸收輻射能而發(fā)生改變，循環(huán)反應(yīng)時吸收的水分會加強(qiáng)材料表面的實際釋放過程。材料在任何階段與水接觸都會加速氧化。在考慮酸雨作用時可將濕度作為H調(diào)節(jié)劑，酸雨會侵蝕多種油漆和涂層。
氙弧設(shè)備一般通過控制濕度和噴淋來模擬水對材料的影響，熒光紫外設(shè)備則通過冷凝和噴淋來實現(xiàn)。
4、協(xié)同作用
日光輻射、溫度、濕度與二級因素對曝曬試樣產(chǎn)生的影響時，材料降解是所有因素共同作用的結(jié)果，僅曝曬在某種因素中與曝曬在戶外所有因素中，材料的降解結(jié)果會產(chǎn)生較大差異。
曝曬材料不同，老化因素的協(xié)同作用亦會有所不同。即使是產(chǎn)品配方的細(xì)微變動,如添加穩(wěn)定劑、阻燃劑或填料等,都會改變材料的降解特性。再生材料的使用、聚合物矩陣中的雜質(zhì)及產(chǎn)品加工的特性均會影響材料的老化。雖然研究純聚合物、穩(wěn)定劑及特殊零件耐久性的書籍成千上萬，但材料耐久性的研究并不是一門確切的科學(xué)。可以說，完全理解所有老化因素對材料的作用是難以實現(xiàn)的。
所以簡單的試圖提升1倍光照強(qiáng)度來減少一般實驗時間的方法是不合理的，一方面增強(qiáng)光照會導(dǎo)致樣品溫度的上升，另一方面濕度和其他的因素如濕度和噴淋的時間并沒有對應(yīng)的增加。
評價
光老化的標(biāo)準(zhǔn)一般都僅包括光老化測試本身的條件，沒有后續(xù)評價的部分，我們需要根據(jù)需要來選擇合適的評價方式來評估樣品的耐老化性能。
常見的評價方式
1、通過色差和灰標(biāo)等方式來評價樣品的顏色變化
2、外觀評價：評價樣品有沒有出現(xiàn)如下的異常，如：粉化、水斑、收縮、開裂、起泡、剝落、其他……
3、性能變化：拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度
常用標(biāo)準(zhǔn)
1.常用氙弧燈標(biāo)準(zhǔn)
ISO 4892-2:2013 塑料-實驗室光源暴露試驗方法 第2部分:氙燈
ISO 16474-2:2013色漆和清漆-實驗室光源暴露試驗方法 第2部分:氙燈
GB/T 16422.2-2022 塑料-實驗室光源暴露試驗方法 第2部分:氙燈
GB/T 16259-2008 建筑材料人工氣候加速老化試驗方法
GB/T 1865-2009 色漆與清漆 人工氣候老化和人工輻射暴露濾過的氙弧輻射
ASTM G155-21 非金屬材料曝曬用氙弧燈設(shè)備操作規(guī)程
2.常用熒光紫外標(biāo)準(zhǔn)
ISO 4892-3:2016塑料-實驗室光源暴露試驗方法 第 3部分:熒光紫外燈
GB/T 16422.3-2022塑料-實驗室光源暴露試驗方法 第 3部分:熒光紫外燈
ASTM D4329-21 塑料的熒光紫外燈老化
GB/T 14522-2008 機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料，橡膠材料人工氣候老化試驗方法 熒光紫外燈
ASTM G154-16非金屬材料的人工熒光紫外燈老化
ISO 16474-3:21色漆和清漆 實驗室光源暴露方法 第3部分：熒光紫外燈
GB/T 23987-2009 色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于熒光紫外線和水
ASTM D4587-11(R2019)e1色漆和相關(guān)涂層的熒光紫外-冷凝老化
京公網(wǎng)安備11010802046783號
