上海鼎徵儀器儀表設(shè)備有限公司非金屬材料紫外光老化試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)分析
塑料、橡膠和涂料等非金屬材料在使用的過(guò)程中常常會(huì)受到溫度、濕度和光照等氣候環(huán)境因素的影響，從而使得其外觀(guān)褪色和性能下降。*終影響產(chǎn)品的使用壽命，研究塑料和橡膠等材料的耐久性，是生產(chǎn)制造過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，因此需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室人工老化試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選。目前，常用的人工老化試驗(yàn)方法通常是采用氙燈老化試驗(yàn)箱、紫外老化試驗(yàn)箱和碳弧燈老化試驗(yàn)箱等老化試驗(yàn)箱對(duì)材料進(jìn)行耐老化試驗(yàn)，其中紫外光老化試驗(yàn)?zāi)M了太陽(yáng)光中的能量*強(qiáng)的紫外光部分，能夠快速地評(píng)價(jià)非金屬材料的耐候性。
紫外老化試驗(yàn)箱可模擬紫外光照、溫度、凝露、黑暗和干濕交替等諸多戶(hù)外環(huán)境條件，可在保證加速性的基礎(chǔ)上，提高試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用環(huán)境的相關(guān)性，加速性和相關(guān)性的好壞往往取決于試驗(yàn)條件的確定是否合理。因此，本文對(duì)紫外光老化試驗(yàn)的主要方法及引用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評(píng)述，并初步擬定了試驗(yàn)條件的確定原則和過(guò)程，以期為相關(guān)人員今后開(kāi)展紫外光老化試驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)。
紫外光老化試驗(yàn)概述
紫外光波長(zhǎng)介于200-400nm之間，光子能量與其波長(zhǎng)成反比，波長(zhǎng)不同，光能量也不樣，各一波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)的能量值如表1所示。
| 表1 不同波長(zhǎng)的光的能量值 |
| 波長(zhǎng)（λ/nm） |
能量（E/KJ.mol-1） |
| 200 |
595.5 |
| 300 |
397.1 |
| 420 |
283.6 |
| 470 |
253.5 |
| 530 |
224.8 |
| 580 |
205 |
| 620 |
192.1 |
| 700 |
170.2 |
光的吸收是以光量子為單位進(jìn)行的，分子一瞬間只能獲得一個(gè)光量子，所以光的能量的大小決定了分子吸收能量的多少，當(dāng)吸收的能量大于高分子材料化學(xué)鍵的鍵能時(shí)，高分子材料發(fā)生降解。高分子材料中典型的化學(xué)鍵的鍵能如表2所示。
| 表2 高分子材料中典型的化學(xué)鍵的鍵能值 |
| 化學(xué)鍵 |
能量（E/KJ.mol-1） |
| O-H |
463 |
| N-H |
389.3 |
| C-H |
413.6 |
| C-O |
351.6 |
| C-C |
347.9 |
| C-CL |
328.6 |
| C-N |
290.9 |
| C-F |
441.2 |
由表1和2可知，太陽(yáng)光中紫外線(xiàn)部分可導(dǎo)致高分子材料中的C-C、C-N和C-O鍵等主要化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，造成高分子材料的老化破壞。
紫外光老化試驗(yàn)通過(guò)模擬太陽(yáng)光的紫外光照射來(lái)考核高分子材料的耐老化性能，其試驗(yàn)效果的好壞與燈源的選擇密切相關(guān)。目前常用的紫外光源包括UVA-340、UVA-351和UVB-313 ，其中，UVA-340燈源主要模擬太陽(yáng)光中的短波紫外線(xiàn)部分(300-340 nm); UVA-351燈源主要模擬太陽(yáng)光中透過(guò)玻璃后的短波紫外線(xiàn)，其輻射能量峰值在351nm處；UVB-313燈源的光譜主要集中在280-360nm,其低于300nm的輻射占總輻射量的百分比大于10%，與太陽(yáng)光中的紫外部分差別較大，容易引起在實(shí)際使用環(huán)境中不存在的老化，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用相關(guān)性較差，主要用于快速篩選材料和評(píng)價(jià)材料的耐紫外線(xiàn)性能。
紫外光老化試驗(yàn)可選擇多種試驗(yàn)程序，包括連續(xù)暴露、紫外、冷凝和、噴淋等。在試驗(yàn)透過(guò)玻璃的紫外線(xiàn)對(duì)材料的影響時(shí)，常采用連續(xù)暴露的方式進(jìn)行試驗(yàn)，例如汽車(chē)內(nèi)飾材料、油墨或靠近窗邊的聚合物材料等；紫外/冷凝試驗(yàn)程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和夜間冷凝戶(hù)外環(huán)境條件，主要考察在相對(duì)濕度大、晝夜溫差較大的地區(qū)使用的非金屬材料的耐候性；紫外/噴淋試驗(yàn)程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和淋雨類(lèi)戶(hù)外環(huán)境因素，主要考察在多雨地區(qū)使用的非金屬材料的耐候性，可參考文章戶(hù)外曝曬和紫外老化箱兩種試驗(yàn)的相關(guān)性。
此外，紫外光老化試驗(yàn)常常與其他的環(huán)境試驗(yàn)組合開(kāi)展，例如：與鹽霧試驗(yàn)組合來(lái)評(píng)價(jià)海洋大氣環(huán)境下各類(lèi)非金屬材料的耐候性；與濕熱試驗(yàn)組合來(lái)考察復(fù)合材料的耐候性。
紫外光老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
目前，國(guó)內(nèi)外紫外光老化試驗(yàn)的參照標(biāo)準(zhǔn)很多，其中美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)在相關(guān)術(shù)語(yǔ)、儀器操作規(guī)范、試驗(yàn)方法和實(shí)施慣例等方面做出了規(guī)定，適用材料的范圍較廣，對(duì)試驗(yàn)實(shí)施的指導(dǎo)性較強(qiáng)。常見(jiàn)的紫外光老化試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以參考鏈接：常見(jiàn)紫外老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
其中ASTM標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)涂層、塑料、橡膠、油墨、膠黏劑和瀝青等不同種類(lèi)的非金屬材料的紫外光老化試驗(yàn)都做出了具體的規(guī)定，在實(shí)際操作中用戶(hù)可根據(jù)材料的種類(lèi)、使用環(huán)境和考核目的來(lái)選用標(biāo)準(zhǔn)，操作性強(qiáng)。
紫外光老化試驗(yàn)條件的確定
1.常用的紫外光老化試驗(yàn)條件
ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列舉了一些紫外光老化試驗(yàn)典型的試驗(yàn)條件，并對(duì)其適用范圍做出了規(guī)定，詳細(xì)內(nèi)容如表3所示。
| 表3 紫外光老化試驗(yàn)典型試驗(yàn)條件 |
| 序號(hào) |
燈源 |
紫外輻照度 |
控制點(diǎn) |
循環(huán)過(guò)程 |
適用范圍 |
| 1 |
UVA-340 |
（0.83±0.02W/㎡） |
340nm |
8h紫外BPT：（70±3）℃
4h冷凝BPT：（50±3）℃ |
汽車(chē)涂層、塑料 |
| 2 |
UVA-340 |
（0.89±0.02W/㎡） |
340nm |
4h紫外BPT：（60±3）℃
4h冷凝BPT：（50±3）℃ |
工業(yè)用涂層 |
| 3 |
UVA-340 |
（0.89±0.02W/㎡） |
340nm |
4h紫外BPT：（60±3）℃
20h冷凝BPT：（50±3）℃ |
戶(hù)外木器漆 |
| 4 |
UVA-340 |
（0.89±0.02W/㎡） |
340nm |
4h紫外BPT：（60±3）℃
4h冷凝BPT：（50±3）℃ |
一般金屬防護(hù)涂層 |
| 5 |
UVA-340 |
（0.89±0.02W/㎡） |
340nm |
20h紫外BPT：（50±3）℃
4h冷凝BPT：（40±3）℃ |
無(wú)降解塑料 |
| 6 |
UVA-340 |
（0.77±0.02W/㎡） |
340nm |
8h紫外BPT：（60±3）℃
4h冷凝BPT：（50±3）℃ |
淺色橡膠 |
| 7 |
UVA-351 |
（0.76±0.02W/㎡） |
340nm |
24h紫外BPT：（50±3）℃ |
玻璃下非金屬材料 |
| 8 |
UVA-313 |
（0.71±0.02W/㎡） |
310nm |
4h紫外BPT：（60±3）℃
4h冷凝BPT：（50±3）℃ |
非金屬材料 |
在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，可參照以上試驗(yàn)條件進(jìn)行，也可根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康淖龀鱿鄳?yīng)的調(diào)整。
2.紫外光老化試驗(yàn)條件的確定原則
1）充分地了解非金屬材料的實(shí)際服役環(huán)境
與其他實(shí)驗(yàn)室人工環(huán)境試驗(yàn)一樣，制定紫外光老化的循環(huán)過(guò)程時(shí)，需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對(duì)材料具有影響的環(huán)境因素。
2）分析材料的種類(lèi)和組成
由于材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不同，因而其敏感環(huán)境因素和忤響過(guò)程也會(huì)有所不同，因此，試驗(yàn)過(guò)程中需要根據(jù)高汾子材料的類(lèi)型來(lái)選用不同的試驗(yàn)程序及條件。
3）以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，減少試驗(yàn)條件制定的盲目性
紫外光老化試驗(yàn)條件的確定過(guò)程
1.燈源的選擇
紫外光老化試驗(yàn)的燈源的選擇與材料的使用環(huán)境、試驗(yàn)?zāi)康挠嘘P(guān)�？疾鞈�(hù)外環(huán)境對(duì)材料的耐候性，常選用UVA-340燈源；而考察玻璃下材料的耐光老化性能，則選用UVA-351燈源；若要快速篩選材料，則可選且和UVB系列燈源。
2.循環(huán)過(guò)程的制定
紫外光老化試驗(yàn)可將紫外光照、冷凝和噴淋等試驗(yàn)程序進(jìn)行組合，進(jìn)而模擬光照、高溫、凝露和淋雨等自然現(xiàn)象，在制定紫外光老化的循環(huán)過(guò)程時(shí)，需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對(duì)材料具有影響的環(huán)境因素。
3.溫度的確定
高溫可引起非金屬材料的高溫老化并加速紫外光老化過(guò)程，各標(biāo)準(zhǔn)中均推薦了紫外輻照、冷凝和噴淋等各階段的黑板溫度值。
4. 輻照度的確定
目前，紫外光老化試驗(yàn)通常采用的輻照度的范圍是0.48-1.55W/m2,通常采用使用環(huán)境中的*大值。
5.試驗(yàn)時(shí)間的確定
另外，可以考慮材料的使用地區(qū)環(huán)境的輻射量，控制紫外光老化輻射總量，使其與自然暴露輻射總量相當(dāng)。
結(jié)束語(yǔ)：
本文主要介紹了紫外光老化試驗(yàn)的部分方法及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、紫外光老化試驗(yàn)條件確定的原則及過(guò)程，在實(shí)際的試驗(yàn)中，需要紫外老化試驗(yàn)需要加強(qiáng)與自然環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)性研究，針對(duì)不同的材料類(lèi)型和使用環(huán)境，制定出一系列相關(guān)性?xún)?yōu)的紫外光老化試驗(yàn)方案，來(lái)提升試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和一致性。
