幾種人工加速光老化試驗(yàn)方法分析比較

1.  人工加速老化普遍方法

日常生活中，日光的照射是一種很常見的環(huán)境現(xiàn)象。涂層、 塑料等高分子材料在受到日光照射的長期使用過程中， 經(jīng)常出現(xiàn)變色、 粉化、 起泡、 裂紋、 脫落等現(xiàn)象， 嚴(yán)重影響產(chǎn)品的機(jī)械性能、 外觀表現(xiàn)等特性 。 因此， 在研發(fā)涂料、 塑料和一些汽車內(nèi)飾，經(jīng)常暴露光照環(huán)境條件下的產(chǎn)品， 需要模擬自然使用條件， 即進(jìn)行光老化試驗(yàn)對其進(jìn)行評測來提供評價依據(jù)。 同時， 也為了能快速地評估材料的性能， 在進(jìn)行新材料的光老化試驗(yàn)中， 常常采用人工加速光老化的方法。 目前，普遍使用的人工加速光老化試驗(yàn)方法主要有碳弧燈、 熒光紫外燈、 氙弧燈、 金屬鹵素?zé)舻取?/p>

  2.  光老化的機(jī)理

涂層、塑料等高分子材料在受到日光照射時，會發(fā)生一系列反應(yīng)，主要是光化學(xué)反應(yīng)。發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的分子或原子首先吸收太陽光，使其分子或原子在吸收光能后處于高能狀態(tài)；而當(dāng)一個分子或原子吸收的能量大于其鍵能，就會使該物質(zhì)發(fā)生降解，即老化。 老化是*的解聚反應(yīng)， 使高分子的末端， 從原子間化學(xué)鍵弱的部分?jǐn)嗔选?老化后的高分子材料， 往往出現(xiàn)表面粉化、 變色、 起泡、 裂紋、 脫落等現(xiàn)象 。高分子材料對不同波長的敏感性是影響老化的一個重要因素，常見的高分子材料在波長 230～447 nm 范圍的光源照射下，容易出現(xiàn)解聚、 老化現(xiàn)象。

  3.  常見的人工老化試驗(yàn)方法

3.1 碳弧燈

封閉式碳弧燈：碳電極的成分，決定其光譜能量分布（SPD）。其主要能量集中在 3 個很窄的波帶中，光譜上與日光燈存在較大的差異。

開放式碳弧燈（日光碳弧燈）：主要用于涂料工業(yè)中。其碳棒成分的改變，使 SPD 在模擬日光方面有明顯的改進(jìn)。 但與日光的 SPD 相比， 在 350 nm 和 500 nm 之間差別很大。

日本的一些早期標(biāo)準(zhǔn)常使用碳弧燈做為試驗(yàn)光源。此外， 許多汽車廠商曾經(jīng)在自己的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中使用過碳弧燈作為試驗(yàn)光源，隨著試驗(yàn)光源技術(shù)的發(fā)展，其中多數(shù)廠商已改用氙弧燈，或者氙弧燈與碳弧燈同時備選。常見的一些和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有： ISO 4892-4， ASTM D152， ASTM D153， ASTM D750 （04 版更新之后除碳弧燈試驗(yàn)方法之外，加入了使用氙弧燈和熒光紫外燈的試驗(yàn)方法）， GB/T 15255 等。

3.2 熒光紫外燈

熒光紫外燈可以使許多產(chǎn)品加速損壞。由于它所產(chǎn)生的光照存在地球表面，而且是自然日光中沒有的輻射能量，所以熒光裝置可能引發(fā)非自然的破壞。另外， 由于沒有較長波長的光譜能量， 對較長波長的 UV 能量敏感的材料可能不會像曝曬在自然日光下那樣變化。鑒于熒光紫外燈的這些特征， 適宜作為一個紫外篩選裝置， 在質(zhì)量控制中使用。 常用的UV 燈管有 UVA-340， UVA-351， UVB-313 等幾種類型。 其中， UVA-340 為接近自然光的紫外光部分， 模擬狀況 ； UVB-313 燈管的紫外光部分強(qiáng)于自然光紫外部分， 并且含有部分自然光中基本沒有的短波紫外光， 所以 UVB-313 比較適用于對比試驗(yàn)。

常見的使用熒光紫外燈做為試驗(yàn)光源的國外標(biāo)準(zhǔn)有ISO 4892.3、ASTM G154、ASTM D4329、SAE J1960 等，國 內(nèi) 標(biāo) 準(zhǔn) 有 GB/T16422.3， GB/T 14522 等。

3.3 氙弧燈

首先用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)燈。 20世50年代引用使用空冷系統(tǒng)，60年代開始使用水冷。1974年 ATLAS研制出6500W氙弧燈，燈壽命提高，一般可達(dá)2000h，未經(jīng)濾光的氙弧燈光，并不能很好地模擬地球表面的自然暴露，試試驗(yàn)箱一般通過幾種光學(xué)過濾器使照射到樣品的光譜模擬幾種自然暴露的陽光。當(dāng)使用硼硅玻璃內(nèi)外濾光片時，氙燈系統(tǒng)發(fā)出的光譜能量分布近似于戶外自然日光:外濾光片改為鈉鈣玻璃，則接近經(jīng)過玻璃窗過濾后的自然日光。氙弧燈對太陽光的良好模擬性，使得它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用使用。

氙弧燈作為試驗(yàn)光源的國外標(biāo)準(zhǔn)有ISO4892.2,IEC60068-2-5,ASTM『G155,ASTM D2565,ASTM D4459SAEJ1885. mil-std810F(方法505:4)等，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)有GB/T16422.2GB/T242324，GJB150.7，GB/T14522。

3.4 金屬鹵素?zé)?/p>

金屬鹵素?zé)羰且环N利用金屬鹵化物通電實(shí)現(xiàn)的氣體放電燈。MIL-STD-810F中描述該種光源“為要求關(guān)注熱效應(yīng)的試驗(yàn)提供了一種很好的光源”。金屬鹵素?zé)舻墓庾V能量分布與地球表面接收到的太陽光很相似尤其對紅外區(qū)域的模擬性很好，優(yōu)于其它幾種常用光源。通過放置多個該種光源進(jìn)行模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備規(guī)模較大，主要用于汽車整車、汽車零部件、 大型電工電子設(shè)備的人工光老化試驗(yàn)。使用金屬鹵素?zé)糇鰹樵囼?yàn)光源的國外標(biāo)準(zhǔn)有DIN 75520 等。也有部分汽車廠商的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用該種光源。

4.  人工加速試驗(yàn)光源的光譜能量控制

幾種人工加速光老化試驗(yàn)光源的光譜能量對日光的模擬性各不相同。目前各種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對光源光譜能量分布進(jìn)行描述時，通常會給出總輻照度和各光譜段的輻照度分布 (或者各光譜段能量所占的百分比)，并同時列出了各段的容差范圍。部分標(biāo)準(zhǔn)會給出試驗(yàn)中關(guān)注點(diǎn)的輻照強(qiáng)度（如 340 nm， 300 nm-400 nm），針對關(guān)注的波長控制，同時也便于試驗(yàn)人員對試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。不同的研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)體系，對于光譜段的劃分定義略有不同。

  5.  光老化試驗(yàn)環(huán)境中的試驗(yàn)條件

5.1 輻照度和濾光片

輻照強(qiáng)度一般在材料敏感的區(qū)域進(jìn)行輻照度監(jiān)控。以氙弧燈為例，理論上，光線強(qiáng)度可以在氙燈光譜的任意位置進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)際運(yùn)用中，常選用的控制點(diǎn)有340nm(常用于針對涂料、塑料、屋面材料的試驗(yàn))，420nm(常用于針對針織品中的染料和色素、紙張和油墨的試驗(yàn))等。行業(yè)與應(yīng)用領(lǐng)域的不同，除了選用不同的輻照度控制點(diǎn)外，試驗(yàn)光源通常還需搭配使用不同的濾光片，以達(dá)到模擬戶外的陽光、透過窗玻璃的陽光等目的(熒光紫外燈一般通過更換不同類型燈管實(shí)現(xiàn))。長時間使用后的燈管和濾光片.往往會發(fā)生光譜能量分布的變化，因此無論何種光源，都應(yīng)該根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家建議的使用壽命進(jìn)行更換。

5.2 溫度

在較高的溫度環(huán)境中光照的破壞作用通常會增大光照試驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)部通常通過控制黑板 (非絕緣黑板 ) 溫度、 黑標(biāo) ( 絕緣黑板 ) 溫度、 試驗(yàn)箱內(nèi)溫度來控制試驗(yàn)條件中的溫度條件。 各標(biāo)準(zhǔn)一般會在試驗(yàn)條件中對其中一種或兩種溫度提出要求。

5.3 相對濕度和噴水

在戶外自然條件下，露水、 雨水、 高濕度都會引起潮濕危害， 雨水還會產(chǎn)生熱沖擊的危害、 沖刷帶來的機(jī)械腐蝕。 而在室內(nèi)危害主要來自濕氣帶來的機(jī)械應(yīng)力。多數(shù)人工光老化試驗(yàn)設(shè)備通過控制試驗(yàn)箱內(nèi)的相對濕度以及針對樣品的水噴淋來模擬潮濕、雨水等條件。 熒光紫外試驗(yàn)設(shè)備一般通過水蒸汽冷凝以及噴水來模擬自然條件的潮濕環(huán)境。

  6.  光老試驗(yàn)后的測試

光老化試驗(yàn)后，除對外觀進(jìn)行目測檢查外，經(jīng)常還要對受試樣品（材料）的一些性能進(jìn)行后續(xù)測試。如色差、光澤度、灰度、 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。 這些后續(xù)性能測試的目的主要是獲得為人工光老化試驗(yàn)提供判據(jù)的性能參數(shù)。一般來說， 對于應(yīng)用范圍廣泛的材料， 應(yīng)盡量測試其多種性能指標(biāo)； 而對于限定使用范圍的材料， 可以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境和要求來確定關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)， 這其中也有試驗(yàn)進(jìn)度和成本方面的考慮。

與其他測試組合需要注意的問題

將樣品依次連續(xù)暴露到兩種或多種環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，為組合試驗(yàn)。 組合試驗(yàn)就不能不考慮試驗(yàn)的順序。 光照試驗(yàn)通?？梢园才旁谠囼?yàn)順序的任何位置上。 因?yàn)樵囼?yàn)中的高溫和光化學(xué)效應(yīng)除了影響樣品表面的光學(xué)性能外， 也可能會影響樣品材料的強(qiáng)度、 尺寸等性能， 進(jìn)而影響振動、 沖擊等力學(xué)試驗(yàn)， 以及低氣壓試驗(yàn)， 放大有害影響。 在進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn) （如振動試驗(yàn)） 和低氣壓試驗(yàn)時， 若要排除其它因素對結(jié)果的影響， 應(yīng)考慮將光照試驗(yàn)安排在這兩個試驗(yàn)后進(jìn)行。