闡述塑料、橡膠、塗料等高分子材料在使用過程中會遇到老化的問題

塑料、橡膠、塗料等高分子材料在使用過程中會(hui) 遇到老化的問題

塑料、橡膠、塗料等高分子材料在使用過程中會(hui) 遇到老化的問題。為(wei) 評價(jia) 高分子材料的耐老化性能，逐漸形成了兩(liang) 類老化試驗方法：一類是自然老化試驗方法，即直接利用自然環境進行的老化試驗；另一類是人工加速老化試驗方法，即在實驗室利用老化箱模擬自然環境條件的某些老化因素進行的老化試驗。由於(yu) 老化因素的多樣性及老化機理的複雜性，自然老化無疑是zui重要zui可靠的老化試驗方法、。但是，由於(yu) 自然老化周期相對較長，不同年份、季節、地區氣候條件的差異性導致了試驗結果的不可比性；而人工加速老化試驗模擬強化了自然氣候中的某些重要因素，如陽光、溫度、濕度、降雨等，縮短了老化試驗的周期，且由於(yu) 試驗條件的可控性，試驗結果再現性強。人工老化作為(wei) 自然老化的重要補充，正廣泛運用於(yu) 高分子材料的研究、開發、檢測中。

在人工加速老化的試驗過程中，人們(men) 普遍會(hui) 關(guan) 心以下幾個(ge) 問題：應該選擇什麽(me) 樣的試驗條件，進行多長時間的試驗；該選擇什麽(me) 指標來評價(jia) 該產(chan) 品的老化性能。本文試圖針對這些問題對人工加速老化試驗進行一些探討

1 人工加速老化試驗條件的選擇

這個(ge) 問題實際上可以理解為(wei) 應該模擬哪些老化因素，高分子材料在使用過程中，氣候環境裏許多因素都有可能對高分子材料的老化產(chan) 生作用。如果事先知道產(chan) 生老化的主要因素，就可以有針對性的選擇試驗方法。我們(men) 可以從(cong) 該材料的運輸、儲(chu) 存、使用環境以及其老化機理等方麵考慮，確定試驗方法。例如硬聚氯乙烯型材，使用聚氯乙烯為(wei) 原料，添加穩定劑、顏料等助劑加工而成，主要用於(yu) 室外。從(cong) 聚氯乙烯的老化機理考慮，聚氯乙烯受熱易分解；從(cong) 使用環境考慮；空氣中的氧、紫外光、熱、水分都是引起型材老化的原因。因此，國標GB/T8814-2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，既規定了光氧老化試驗方法，采用GB/T 16422.2《塑料實驗室光源曝露試驗方法第二部分：氙弧燈》老化4000h或6000h，模擬了室外紫外光及可見光、溫度、濕度、降雨等因素，同時又規定了熱氧老化項目：加熱後狀態，150℃放置30min，目測觀察是否出現氣泡、裂紋、麻點或分離現象，以考察型材的耐熱性能。又如我國在市場上有競爭(zheng) 力的一個(ge) 產(chan) 品：外貿出口鞋。在使用過程中，陽光中的紫外線是引起鞋子變色、褪色的主要原因，因此，有必要用紫外燈箱對其進行耐黃變測試。常用的鞋類耐黃變試驗箱采用30WUV燈，樣品離光源20cm，照射3h後觀察顏色變化。同時，在運輸過程中，集裝箱內(nei) 悶熱、潮濕的惡劣環境會(hui) 引起鞋麵、鞋底、膠水的變色、斑點，甚至是變質。因此，在裝船運輸之前，有必要考慮進行耐濕熱老化試驗，模擬集裝箱內(nei) 高熱、高濕環境，在70℃、95％相對濕度的條件下，進行48h試驗後觀察外觀、顏色變化。

2 人工加速老化光源的選擇

實驗室光源曝露試驗因為(wei) 可以在一個(ge) 試驗箱中同時模擬大氣可見環境中的光、氧、熱和降雨等因素，是目前較為(wei) 常用的一種人工加速老化試驗方法，在這些模擬因素中，又以光源zui為(wei) 重要。經驗表明，陽光中引起高分子材料破環的波長主要集中在紫外線及部分可見光。目前使用的人工光源都力圖使在此波長區間內(nei) 的能譜分布曲線與(yu) 太陽光譜接近，模擬性和加速倍率是選擇人工光源的主要依據。經曆了約一個(ge) 世紀的發展，實驗室光源已有封閉式碳弧燈、陽光型碳弧燈、熒光紫外燈、氙弧燈、高壓汞燈等各種光源供選擇。標準化組織(ISO）中與(yu) 高分子材料相關(guan) 的各技術委員會(hui) 主要推薦使用陽光型碳弧燈、熒光紫外燈、氙弧燈三種光源。

2.1氙弧燈

目前認為(wei) ，已知的人工光源中氙弧燈的光譜能量分布與(yu) 陽光中紫外、可見光部分zui相似。通過選擇合適的濾光片，可以濾去大部分到達地麵陽光中存在的短波輻射。氙燈在1000nm~1200nm近紅外區存在很強的輻射峰，會(hui) 產(chan) 生大量的熱。因此，須選擇合適的冷卻裝置帶走這部分能量。目前，市麵上氙燈老化試驗裝置有兩(liang) 種冷卻方式：水冷式和風冷式。一般來說，水冷式氙燈裝置冷卻效果要優(you) 於(yu) 風冷式，同時結構也較為(wei) 複雜，價(jia) 格也比較昂貴。由於(yu) 氙燈紫外線部分能量較另兩(liang) 種光源增加較少，在加速倍率方麵是zui低的。2.2熒光紫外燈

從(cong) 理論上說，300nm~400nm的短波能量是引起老化的主要因素。如果增加這部分能量，就能達到快速試驗的效果。熒光紫外燈的光譜分布主要集中在紫外光部分，因此，可以達到較高的加速倍率。然而，熒光紫外燈不僅(jin) 使自然日光中的紫外線能量增加，同時還有在地球表麵測量時自然日光中沒有的輻射能量，而這部分能量會(hui) 引起非自然的破壞。另外熒光光源除了很窄的水銀光譜線外，沒有高於(yu) 375nm的能量，這樣對較長波長的UV能量敏感的材料就可能不會(hui) 出現曝曬在自然日光下那樣變化。由於(yu) 這些固有缺陷會(hui) 導致得出不可靠的結果。因此，熒光紫外燈的模擬性較差。但是，由於(yu) 它的加速倍率高，通過選擇合適型號的燈管可實現對特定材料的快速篩選。

2.3陽光型碳弧燈

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(yu) 日本合資的汽車企業(ye) 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於(yu) 太陽光，但在370nm－390nm紫外線集中加強，模擬性不及氙燈，加速倍率介於(yu) 氙燈及紫外燈之間

3 試驗時間的確定

3.1參照相關(guan) 產(chan) 品標準規定

相關(guan) 產(chan) 品標準裏已經對老化試驗的時間作出了規定，我們(men) 隻需查找到相關(guan) 標準，按裏麵規定的時間執行就行了。許多國家標準、行業(ye) 標準中都對此作出了規定。表1列舉(ju) 了一些常用產(chan) 品標準中對老化時間的規定。3.2根據已知的相關(guan) 性推算

研究表明：通過顏色和變黃指數變化來評價(jia) ABS的顏色穩定性，人工加速老化與(yu) 自然大氣暴露有較好的相關(guan) 性，加速倍率約為(wei) 7。如果想了解某一ABS材料戶外使用一年後的顏色變化，采用相同的試驗條件，可以參考該加速倍率，確定加速老化時間365x24/7=1251h。

長期以來，國內(nei) 外就相關(guan) 性間題展開了大量的研究，得出了許許多多的換算關(guan) 係式。然而，由於(yu) 高分子材料的多樣性，加速老化試驗設備及方法的不同，不同時間、地區氣候的差異性導致了換算關(guan) 係的複雜化。因此，在選擇換算關(guan) 係時，一定要注意得出該相關(guan) 性的具體(ti) 材料、老化設備、試驗條件、性能評價(jia) 指標等因素。3.3控製人工加速老化輻射總量與(yu) 自然暴露輻射總量相當對於(yu) 某些既無相應標準規定，又無處參考相關(guan) 性的產(chan) 品，可以考慮其實際使用環境的輻射強度，控製人工加速老化輻射總量與(yu) 自然暴露輻射總量相當。表2列出了我國不同地區太陽輻射強度[2]。

下麵舉(ju) 例說明如何控製人工加速老化總輻射量:

某一塑料製品使用於(yu) 北京地區，期望控製人工加速老化總輻射量與(yu) 戶外暴露一年相當。

*步：由於(yu) 該產(chan) 品為(wei) 塑料製品，且使用於(yu) 戶外，選擇采用GB/T16422.2-1996《塑料實驗室光源曝露試驗方法第二部分：氙弧燈》中A法。試驗條件為(wei) ：輻照強度0.50W/ m2（340nm)，黑板溫度65℃，箱體(ti) 溫度40℃，相對濕度50％，噴水時間／不噴水時間18min/102min，連續光照；

第二步：從(cong) 表2可知北京地區一年輻射總量、為(wei) 5609MJ/ m2，依據對比人工光源與(yu) 自然陽光輻射光譜分布的準則CIE No 85 -1989（見表3，GB/T16422.1-1996《塑料實驗室光源曝露試驗方法*部分：氙弧燈》中引用）；其中紫外區與(yu) 可見區部分（300nm－800nm）占62.2%，即3489MJ/m2。

第三步：依據GB/T 16422.2-1996，340nm輻照強度為(wei) 0.50 W/ m2時，紅外區與(yu) 可見區部分  （300nm～800nm）輻照強度為(wei) 550 W/m2；可計算出輻照時間為(wei) 3489 X 106/550=6.344 X 106s，即1762h。依此計算方法，加速倍率約為(wei) 5。由於(yu) 自然老化並不是簡單的輻照強度的疊加，隻有在確定陽光是引起材料破環的主要因素且不能用其他方法確定試驗時間時，才可以使用此計算方法模擬。

4 性能評價(jia) 指標的選擇

選擇性能評價(jia) 指標主要從(cong) 材料的用途及材料本身特性兩(liang) 方麵來考慮。4.1根據材料用途確定評價(jia) 指標

對於(yu) 同樣的材料，由於(yu) 其用途不同，可能選擇的評價(jia) 指標也不同。例如，同樣是塗料，如果是用於(yu) 裝飾，就必須重點考慮其外觀的變化。在GB/T 1766-1995《色漆和清漆塗層老化的評級》中，詳細規定了光澤度、顏色變化、粉化、泛金等各種外觀變化的評級方法。

而對於(yu) 某些功能性塗料，如防腐塗料，一定程度的顏色、外觀變化是可以接受的，這時，選擇評價(jia) 指標時，主要考慮其耐開裂性、粉化程度等方麵。同樣是聚氯乙烯(PVC)，如果用於(yu) 製作鞋麵，就必須考慮其耐黃變性，而如果是用於(yu) 雨落水管，對於(yu) 外觀變化要求就不高，而材料的物理機械性能變化，如拉伸強度變化是主要考核指標。4.2根據材料本身特性確定評價(jia) 指標

就同一材料來說，在老化過程中不同性能的下降是不等速的。換句話說，某些性能對環境敏感，下降得zui快，則是引起材料破壞的主要因素、在選擇評價(jia) 指標時，應該選擇這些敏感性能。研究表明：對於(yu) 大部分工程塑料來說，衝(chong) 擊強度是自然老化試驗檢測中變化zui大、下降zui明顯的。因此，在進行工程塑料的老化測試時，應優(you) 先考慮選擇衝(chong) 擊強度下降作為(wei) 評價(jia) 指標。衝(chong) 擊強度對聚丙烯的老化同樣相當敏感[4]，是考核老化性能的主要指標。對於(yu) 聚乙烯材料來說，斷裂伸長率的下降zui為(wei) 明顯，是優(you) 先考慮的評價(jia) 指標。對於(yu) 聚氯乙烯，拉伸強度和衝(chong) 擊強度都下降得比較快，應根據實際情況，選擇其中一種來評價(jia) 。在國標GB/T8814-2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》中，選擇老化後衝(chong) 擊強度保留率≥60％作為(wei) 合格判定指標；在輕工行業(ye) 標準QB/T2480 - 2000建築用硬聚氯乙烯（PVC -U)雨落水管材及管件中，選擇老化後拉伸強度保留率≥80％作為(wei) 合格判定指標。5 結束語

人工加速老化試驗因快速評價(jia) 材料耐候性的需求而得到快速發展，作為(wei) 自然老化的重要補充，廣泛運用於(yu) 高分子材料的研究、開發、檢測中。而試驗條件的選擇、光源的選擇、試驗時間的確定、性能評價(jia) 指標的選擇是人工加速老化試驗中經常遇到的問題。本文對以上幾方麵進行了探討，提出了一些解決(jue) 問題的思路。