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人工加速老化试验方法评述（一）

发表时间：2023-11-27

导语

涂料、塑料、胶粘剂等高分子材料在使用过程中经常出现粉化、变色、起泡、裂纹、脱落等现象，严重影响了产品的机械、表观等方面的性能。因此，需要了解高分子材料的光老化机理并寻找合适的人工加速老化试验方法来客观地模拟自然使用条件，为材料的研发及应用提供快速的质量检测与评价方面的依据。

1.0 光老化机理

涂料、塑料、胶粘剂等高分子材料在受日光照射时, 会发生一系列反应, 主要是光化学反应。根据光化学反应第一、第二定律, 发生光化学反应的物质首先要吸收太阳光, 即物质的分子或原子能够吸收光能, 使分子或原子处于高能状态; 其次一个分子或原子吸收的能量必须大于其键能, 这样才能使物质发生降解, 即老化。而涂料、塑料等高分子材料往往含有在聚合过程中残留的微量杂质( 催化剂残留物或氧化产物),聚合物本身含有的一些不规整结构等自身化学结构的老化弱点, 当这些高分子材料受太阳光照射后, 材料的老化弱点首先被攻破, 出现原子或分子键的切断、交联、链的移动、断裂及侧链的变化等现象的单独或同时发生。老化就是完全的解聚反应, 使高分子的末端, 从原子间键弱的部分断裂。

老化后的高分子材料即出现表面粉化、变色、起泡、裂纹、脱落等现象。高分子材料的波长敏感性是影响老化的一个重要因素, 常见的涂料材料的敏感波长见表1

表1： 常见的高分子材料的敏感波长

2.0 光老化试验方法

2.1  碳弧灯光老化试验方法

碳弧灯是一种较古老的技术，碳弧仪器最初被德国合成染料化学家用来评估被染纺织品的耐光度。碳弧灯分为封闭式碳弧灯和开放式碳弧灯。封闭式碳弧灯有单弧和双弧两种, 电弧封闭在一个巧Pyrex球中, 这个球可以具有某些过滤功能, 并可提供一个无氧环境; 而开放式碳弧灯, 即带Corex过滤的阿特拉斯日光碳弧Weather 一Ometer , 它可以比自然日光提供更多的波长< 300 nm 的紫外线, 但是在300 -340 nm 波段上更接近自然光, 并且比封闭式碳弧灯在更长的波段上的偏离性更小.

图1：碳弧灯与自然光光谱图

从图1 中可以看出, 开放式碳弧灯比封闭式碳弧灯的光谱谱图更接近太阳光的光谱, 也就是前者对太阳光的模拟程度比后者好, 但是, 无论那种碳弧灯, 其谱图与太阳光的谱图相差都很大。由于该项技术的历史较长, 最初的人工模拟光老化技术都是采用该设备, 因此在较早些的标准中还能见到该方法, 尤其是在日本的早期标准中常常采用碳弧灯技术作为人工光老化试验手段。

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2.2 紫外荧光灯光老化试验方法

荧光紫外灯是波长为254 nm 的低压汞灯, 由于加人磷共存物使转换成较长的波长, 荧光紫外灯的能量分布取决于磷共存物产生的发射光谱和玻璃管的传扩。荧光紫外灯与家用和商用照明灯一样, 也具有特定光谱段。

荧光灯目前有两种类型, 即荧光灯UVA（UVA-351和UVA-340）与荧光灯UVB（F40和UVB-313）。荧光灯与自然光光谱图比较见图2。

从图2可以看出, 荧光灯UVA 的射线波长主要集中在3 40-370 nm 之间, 如UVA-340和UVA-351 , UVA-340的短波辐射与325 nm 。以下的日光直射很相似, UVA-351的短波光谱分布与透过窗玻璃的太阳光相似; 荧光灯UVB（F40和UVB-313）的峰值波长在313 nm 左右, 其能量几乎全部集中在280一360nm 之间, 其能量分布的波长范围比日光的要短, 在360nm 以上几乎没有什么能量, 在使用这种UVB 灯进行加速老化实验时, 所得到的被测材料稳定性经常与户外自然测试中的数据差异较大。这是因为这种光源的短波紫外线能量比例很大, 而缺少长波紫外线和可见光部分的能量, 因此, 在这种光源下材料的老化可能与“ 自然” 测试中相差很大。

总之, 紫外荧光灯设备可通过控制亮/ 暗循环变化、温度、湿度和喷水的变化以及灯管的改变来提供模拟白天/ 黑夜、不同的温度、户内、户外等各种外界环境条件。紫外荧光灯对太阳光紫外部分的模拟程度较碳弧灯好, 但还是人为地增加了紫外部分的光谱能量。由于紫外荧光灯人工老化试验方法可以较快地考核材料耐老化性能, 因此在很多标准中还在采用, 相关的标准见表2。

表 2：常见人工加速光老化试验