張洪彬，劉雅智，蔡汝山，高軍

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東　廣州　510610；2.廣州韻脈質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東　廣州　510610）

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非金屬材料紫外光老化試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)研究

張洪彬1，劉雅智1，蔡汝山1，高軍2

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東廣州510610；2.廣州韻脈質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東廣州510610）

摘要：紫外光老化試驗作為一種可以快速地評價非金屬材料耐老化性能的方法被廣泛地應(yīng)用。首先,介紹了紫外光老化試驗方法及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；然后,探討了試驗條件的確定方法；最后,指出了國內(nèi)紫外光老化試驗及其標(biāo)準(zhǔn)的不足和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：非金屬材料；紫外光老化試驗；試驗方法；試驗標(biāo)準(zhǔn)

0　引言

塑料、橡膠和涂料等非金屬材料在使用的過程中常常會受到溫度、濕度和光照等氣候環(huán)境因素的影響,從而使得其外觀及機械性能下降,最終影響產(chǎn)品的使用壽命[1]。所以,在使用各類非金屬材料前,常常需要開展實驗室人工老化試驗對其進行優(yōu)選。目前常用的人工老化試驗方法包括氙燈老化、紫外光老化和碳弧燈老化等,其中,紫外光老化試驗?zāi)M了太陽光中的能量最強的紫外光部分,以“抓主要矛盾”的方式快速地評價非金屬材料的耐候性,并得到了廣泛的應(yīng)用。

紫外光老化試驗可模擬紫外光照、溫度、淋雨、凝露、黑暗和干濕交替等諸多戶外環(huán)境條件,可在保證加速性的基礎(chǔ)上,提高試驗結(jié)果與實際使用環(huán)境的相關(guān)性,而加速性和相關(guān)性的好壞往往取決于試驗條件的確定是否合理。紫外光老化試驗條件由光源類型、循環(huán)過程、紫外輻照度、溫度和試驗時間等多個因素組成,用戶在試驗條件確定及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)引用方面常常存在困惑。因此,本文對紫外光老化試驗的主要方法及引用標(biāo)準(zhǔn)進行了評述,并初步擬定了試驗條件的確定原則和過程,以期為相關(guān)人員今后開展紫外光老化試驗提供一定的指導(dǎo)。

1　紫外光老化試驗概述

紫外光波長介于200～400 nm之間,光子能量與其波長成反比,波長不同,光能量也不一樣,各波長的光對應(yīng)的能量值如表1所示。

表1　不同波長的光的能量值

光的吸收是以光量子為單位進行的,分子一瞬間只能獲得一個光量子,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,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[2]

由表1-2可知,太陽光中紫外線部分可導(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,造成老化破壞。

紫外光老化試驗通過模擬太陽光的紫外光照射來考核高分子材料的耐老化性能,其試驗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 3種,其中, UVA-340燈源主要模擬太陽光中的短波紫外線部分（300～340 nm）；UVA-351燈源主要模擬太陽光中透過玻璃后的短波紫外線,其輻射能量峰值在351 nm處；UVB-313燈源的光譜主要集中在280～360 nm,其低于300 nm的輻射占總輻射量的百分比大于10％,與太陽光中的紫外部分差別較大,容易引起在實際使用環(huán)境中使用時不存在的老化,試驗結(jié)果與實際使用相關(guān)性較差,主要用于快速篩選材料和評價材料的耐紫外線性能。

紫外光老化試驗可選擇多種試驗程序,包括連續(xù)暴露、紫外/冷凝和紫外/噴淋等。在考察透過玻璃的紫外線對材料的影響時,常采用連續(xù)暴露的方式開始試驗,例如:汽車內(nèi)飾材料、油墨或靠近窗邊的聚合物材料等；紫外/冷凝試驗程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和夜間冷凝這3類戶外環(huán)境條件,主要考察在相對濕度大、晝夜溫差較大的地區(qū)（例如:沿海地區(qū)）使用的非金屬材料的耐候性；紫外/噴淋試驗程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和淋雨類戶外環(huán)境因素,主要考察在多雨地區(qū)（例如:云貴地區(qū)等）使用的非金屬材料的耐候性。

此外,紫外光老化試驗常常與其他的環(huán)境試驗組合開展,例如:與鹽霧試驗組合來評價海洋大氣環(huán)境下各類非金屬材料的耐候性；與濕熱試驗組合來考察復(fù)合材料的耐候性。

2　紫外光老化試驗標(biāo)準(zhǔn)

目前,國內(nèi)外紫外光老化試驗的參照標(biāo)準(zhǔn)繁多,其中美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)在相關(guān)術(shù)語、儀器操作規(guī)范、試驗方法和實施慣例等方面做出了規(guī)定,適用材料的范圍較廣,對試驗實施的指導(dǎo)性較強。紫外光老化試驗ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

從表3可以看出, ASTM中紫外光老化試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量較多,其中, ASTM G151和ASTM G154為通用標(biāo)準(zhǔn),對紫外光老化試驗設(shè)備及常用的3種光源的技術(shù)參數(shù)進行了規(guī)定,并對試驗樣品制作、試驗程序和典型的試驗條件進行推薦。另外, ASTM標(biāo)準(zhǔn)針對涂層、塑料、橡膠、油墨、膠黏劑和瀝青等不同種類的非金屬材料的紫外光老化試驗做出了具體的規(guī)定,在實際操作中用戶可根據(jù)材料的種類、使用環(huán)境和考核目的來選用標(biāo)準(zhǔn),操作性強。

表3　紫外光老化試驗的ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)為涂料、塑料和橡膠等高分子材料也制定了紫外光老化試驗標(biāo)準(zhǔn),具體情況如表4所示。

表4　國內(nèi)紫外光老化試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

對比表3和表4可以看出,國內(nèi)關(guān)于紫外光老化試驗的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少,大部分都是等效地采用ISO標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中主要對試驗設(shè)備、試驗樣品和試驗程序進行了規(guī)定,但對試驗條件沒有做出明確的規(guī)定,特別是對紫外輻照度的規(guī)定較少,其中, GB/T 15422參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)推薦了一些試驗條件,但對試驗條件的適用范圍并未作出規(guī)定,因此,在選用過程中會給用戶造成困惑。

3　紫外光老化試驗條件的確定

3.1常用的紫外光老化試驗條件

ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列舉了一些紫外光老化試驗典型的試驗條件,并對其適用范圍做出了規(guī)定,詳細(xì)內(nèi)容如表5所示。

在實際應(yīng)用的過程中,可參照以上試驗條件進行,也可根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品特點和試驗?zāi)康淖龀鱿鄳?yīng)的調(diào)整。下面給出紫外光老化試驗條件的確定原則及過程,以供參考。

3.2紫外光老化試驗條件的確定原則

在紫外光老化試驗條件確定的過程中,需要遵循以下原則。

a）充分地了解非金屬材料的實際服役環(huán)境

與其他實驗室人工環(huán)境試驗一樣,確定紫外光老化試驗的條件時也需要分析非金屬材料實際的服役環(huán)境,室外使用的材料需考慮溫度、濕度、太陽輻照量、空氣中污染物濃度和降雨量等因素；玻璃下使用的材料需考慮溫度、濕度和太陽輻照量等因素；有條件的可以分析非金屬材料在服役過程中的失效模式及機理,進而分析材料的主要敏感環(huán)境因素。

表5　紫外光老化試驗典型試驗條件

b）分析材料的種類和組成

由于材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不同,因而其敏感環(huán)境因素和影響過程也會有所不同,因此,試驗過程中需要根據(jù)高分子材料的類型來選用不同的試驗程序及條件。例如: ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的材料需要采用不同的紫外燈源、輻照度和試驗程序,以達(dá)到不改變失效機理的情況下提高試驗加速性和相關(guān)性的目的。

c）以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),減少試驗條件制定的盲目性

紫外光老化試驗涉及的因素較多,若無標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo),試驗條件很難確定,所以試驗方案的制定要以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。

3.3紫外光老化試驗條件的確定過程

a）燈源的選擇

紫外光老化試驗的燈源的選擇與材料的使用環(huán)境、試驗?zāi)康挠嘘P(guān)?？疾鞈敉猸h(huán)境對材料的耐候性,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；若考察實驗室人工老化試驗和實際使用環(huán)境之間的相關(guān)性,則可選用UVA系列燈源；若要快速篩選材料,則可選用UVB系列燈源。

b）循環(huán)過程的制定

紫外光老化試驗可將紫外光照、冷凝和噴淋等試驗程序進行組合,進而模擬光照、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)過程時,需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對材料具有影響的環(huán)境因素。另外,循環(huán)過程中各部分試驗的時長可根據(jù)實際的環(huán)境因素統(tǒng)計結(jié)果來確定,例如:明暗交替時間可根據(jù)日照時長制定,而噴淋程序時間比則可按照降雨時長計算得出。

c）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。黑板溫度近似于樣件表面的最高溫度,黑板溫度的選擇往往以材料使用當(dāng)?shù)叵奶熳罡叩孛鏈囟龋ń咏谠嚇拥淖罡弑砻鏈囟龋橐罁?jù)。我國許多地區(qū)夏天的最高氣溫在35～44℃之間,地面最高溫度在60～70℃之間,所以,黑板溫度可在該區(qū)間選擇。但一些聚合物（例如: PVC）的老化降解對溫度很敏感,這種情況下建議采用較低的黑板溫度值[3]。

d）輻照度的確定

目前,紫外光老化試驗通常采用的輻照度的范圍是0.48～1.55 W/m2,通常采用使用環(huán)境中的最大值,例如:國內(nèi)常推薦使用0.68 W/m2@340 nm,該量值是太陽光在該波長輻照強度的最大值[4]。

可以根據(jù)試驗的目的適當(dāng)?shù)靥岣咦贤廨椪斩?例如: ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,各類涂層的紫外光老化試驗采用的輻照度應(yīng)該為0.83 W/m2或0.89 W/m2,這樣既可以提高試驗的加速效果,又可以保證在加速的同時保證涂層的失效機理與涂層在實際使用過程中的失效機理相同。

e）試驗時間的確定

高分子材料的紫外光老化試驗的時間往往由試驗?zāi)康臎Q定。當(dāng)優(yōu)選耐候性較好的材料時,開始可不約定試驗時間,將考核的幾種材料同時開展試驗,試驗過程中對材料的各個性能進行測試分析,當(dāng)幾類材料的性能出現(xiàn)較大的變化且趨勢固定時,停止試驗。

如果試驗方法已經(jīng)和使用環(huán)境建立了良好的相關(guān)性,則可根據(jù)材料的使用壽命和加速倍數(shù)計算出試驗時間。由于材料的多樣性、試驗設(shè)備及地區(qū)氣候的差異性導(dǎo)致了相關(guān)性的計算比較復(fù)雜,所以采用這種方法時要求考核的材料的種類、材料的使用環(huán)境和試驗設(shè)備均與相關(guān)性計算時相同。

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)。

4　不足及展望

目前,我國的紫外光老化試驗及其標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的不足,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

a）與國外先進的標(biāo)準(zhǔn)相比,我國的紫外光老化試驗標(biāo)準(zhǔn)并沒有針對不同的試驗對象作出不同的規(guī)定；并且試驗條件的推薦不完整,導(dǎo)致廠家的評價標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,不利于材料選用和市場監(jiān)管。所以,應(yīng)根據(jù)不同的試驗對象和使用環(huán)境特點制定相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)。

b）國內(nèi)紫外光老化試驗標(biāo)準(zhǔn)大部分都是等效地采用國際標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗條件與國內(nèi)的環(huán)境條件不相符,所以應(yīng)加強國內(nèi)環(huán)境條件及影響效應(yīng)的研究,促進國內(nèi)環(huán)境條件向試驗標(biāo)準(zhǔn)條件轉(zhuǎn)化。

c）加強紫外光老化試驗與自然環(huán)境試驗相關(guān)性研究,特別是失效機理相關(guān)性的研究,針對不同的材料類型和使用環(huán)境,制定出一系列相關(guān)性優(yōu)的紫外光老化試驗方案,直接用于材料優(yōu)選及壽命評價。

5　結(jié)束語

本文介紹了紫外光老化試驗方法及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),探討了紫外光老化試驗條件確定的原則及過程,并指出了目前國內(nèi)紫外光老化試驗及其標(biāo)準(zhǔn)中的不足及未來的發(fā)展方向,以期對國內(nèi)紫外光老化試驗及標(biāo)準(zhǔn)的改進和完善有所裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉剛,高謹(jǐn),張三平,等.高分子材料自然環(huán)境老化規(guī)律與機理[M] .北京:科學(xué)出版社, 2011.

[2]龐凌.瀝青紫外老化特性研究[D] .武漢:武漢理工大學(xué), 2008: 19-20.

[3]全國塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.塑料實驗室光源暴露試驗方法第3部分:熒光紫外燈: GB/T 16422.3-1997 [S] .北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998.

[4]陸峰,湯智慧,孫志華,等.航空材料環(huán)境試驗及表面防護技術(shù)[M] .北京:國防工業(yè)出版社, 2012.

[5]萬里鵬. PVC復(fù)合材料的制備及紫外光老化性能研究[D] .武漢:武漢理工大學(xué), 2011.

Research on the Methods and Standards of the UV Aging Test of Nonmetal Material

ZHANG Hong-bin1, LIU Ya-zhi1, CAI Ru-shan1, GAO Jun2
（1. CEPREI, Guangzhou 510610, China；2. Guangzhou Yunmai Quality Technical Service Co., Ltd., Guangzhou 510610, China）

Abstract:UV aging test is widely used as a rapid method to evaluate the aging -resistant performance of nonmetal material. Firstly, the methods and the relevant standards of UV aging test are introduced. And then, the methods of determing the test conditions are discussed. At last, the deficiency and the developing direction of the domestic UV aging test and its standrds are presented.

Key words:nonmetal material；UV aging test；test method；test standard

作者簡介：張洪彬（1985-），男，河南商丘人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心工程師，碩士，主要從事環(huán)境試驗與技術(shù)研究工作。

收稿日期：2015-08-25

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.002

中圖分類號：TH 145；TB 24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）01-0006-05