摘   要 : 介紹了材料耐候老化測試方法及戶外自然曝曬及實驗室加速老化測試原理。重點介紹了水性聚氨酯處理劑處理過的聚氯乙烯人造革的氙燈老化試驗，并研究了其性能變化。

關(guān)鍵詞 : 水性聚氨酯；耐候老化；Q-SUN氙燈試驗箱；QUV紫外試驗機

水性聚氨酯（PU）是以水代替有機溶劑作為分散介質(zhì)的新型PU體系。水性PU以水為溶劑，具有無污染、安全可靠、力學(xué)性能優(yōu)良、相容性好、易于改性等優(yōu)點。

水性PU已逐步取代溶劑型PU，成為PU工業(yè)發(fā)展的重要方向。水性PU可廣泛應(yīng)用于涂料、膠黏劑、織物涂層與整理劑、皮革涂飾劑、紙張表面處理劑和纖維表面處理劑。

1 材料耐候老化測試原理

1.1 戶外老化因素

老化損害主要由3個因素引起：光照、高溫和潮濕。它們的共同作用大于其中任一因素造成的危害。

1.1.1 光照

高分子材料的化學(xué)鍵對太陽光中不同波段光線的敏感性不同，一般對應(yīng)一個閾值，太陽光的短波段紫外線是引起大部分聚合物老化的主要原因。

然而，對于某些顏料、染料、紡織品等，長波段紫外線甚至可見光也會對其產(chǎn)生破壞，造成變色或褪色。

1.1.2 高溫

溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快。老化反應(yīng)是一種光致化學(xué)反應(yīng)，溫度不影響光致化學(xué)反應(yīng)中的光致反應(yīng)速度，卻影響后繼的化學(xué)反應(yīng)速度。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。

1.1.3 潮濕

水會直接參與材料老化反應(yīng)。露水，雨水及濕度是自然條件中水的幾個主要表現(xiàn)形式。研究表明：戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)（平均每天長達8~12 h）[1]。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因為其附著在材料上的時間更長，形成更為嚴(yán)酷的潮濕侵蝕。對于戶內(nèi)用材料，一般只考慮相對濕度的影響。

1.2 實驗室加速老化試驗

1.2.1 氙燈加速老化試驗箱

1.2.1.1 陽光模擬

氙燈試驗箱可產(chǎn)生紫外線、可見光和紅外線，能夠很好地模擬全光譜太陽光。

氙燈產(chǎn)生的光譜用于測試前必須經(jīng)過過濾，過濾掉不需要的部分紫外光譜。使用不同類型的玻璃濾光器可以得到不同的光譜。濾光器的使用取決于被測材料和產(chǎn)品最終使用條件。不同的過濾器過濾的紫外線的短波段的截止點不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。有3類經(jīng)常使用的濾光器：日光濾光器、窗玻璃濾光器和紫外延展濾光器。圖1、圖2和圖3分別展示了配備這3類濾光器的Q-SUN氙燈試驗箱產(chǎn)生的光譜，同時也展示了295~400nm之間紫外線短波段光譜的放大圖。

圖1 配備日光濾光器的Q-SUN光譜和太陽光譜之間的比較

圖2 配備窗玻璃濾光器的Q-SUN光譜和透過玻璃的太陽光譜之

圖3 配備紫外延展濾光器的Q-SUN光譜和太陽光譜之間的比較

日光濾光器用來模擬戶外直射太陽光，窗玻璃濾光器用來測試室內(nèi)材料的光穩(wěn)定性，這種濾光器產(chǎn)生的一種光譜與透過玻璃的太陽光光譜非常相似，而某些測試標(biāo)準(zhǔn)要求一種包含短波紫外線的光譜，比太陽光截止點（295nm）還短的波長，紫外延展濾光器可提供這種光譜。盡管這種濾光器提供的紫外線短波段和實際情況不太相符，但能更快地得到測試結(jié)果。

1.2.1.2 輻照度控制

新的氙燈試驗箱裝備有輻照度控制系統(tǒng)，Q-Lab公司的Q-SUN氙燈試驗箱使用的是太陽眼閉環(huán)控制系統(tǒng)，來提供穩(wěn)定的光照強度。

在氙燈測試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要。氙燈光譜范圍從295nm延伸到3000nm，新的標(biāo)準(zhǔn)中要求，光強的控制基于點控制（如ISO 11341—2004]，ASTM G 155-05，ISO 4892— 2:2006等），控制點的選擇則基于模擬環(huán)境和檢測材料性能的不同，對于戶外環(huán)境，檢測材料的物理性能，一般采用340 nm控制點；而對于室內(nèi)環(huán)境，檢測材料的變色和褪色，一般采用420 nm控制點。

1.2.1.3 溫度控制

氙燈測試設(shè)備中，溫度的控制很也重要，因為溫度影響材料老化的速率。氙燈試驗箱一般是通過黑板溫度計或黑標(biāo)溫度計來精確控制樣品表面溫度。有些型號的氙燈試驗箱還能同時控制箱體空氣溫度，以達到全面的曝曬環(huán)境溫度控制。

1.2.1.4 潮濕模擬

氙燈試驗箱可以通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋可以模擬雨水對戶外產(chǎn)品的熱沖擊和應(yīng)力腐蝕。濕度會影響某些戶內(nèi)物品（比如某些紡織品或油墨等）發(fā)生老化的類型和速度，在此類材料的測試標(biāo)準(zhǔn)中都建議控制相對濕度。

1.2.2 紫外加速老化試驗機

1.2.2.1 陽光模擬

QUV紫外加速老化試驗機使用熒光紫外線燈管模擬太陽光對耐久性材料造成的破壞。

不同的應(yīng)用條件需要不同的光譜，進而需要不同類型的燈管。UVA-340燈管能較好地模擬太陽光的紫外線波段，其光譜能量分布（SPD）在太陽光截止點到大約360nm范圍內(nèi)與太陽光譜吻合得非常好，如圖4所示。UVB-313燈管（如圖5所示）在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它比UVA燈管對材料造成的老化更快，但它比太陽光截止點更短的波長可能會對許多材料產(chǎn)生不切實際的結(jié)果。

圖4 UVA-340燈管與太陽光譜的比較

圖5 UVB-313燈管與太陽光譜的比較

1.2.2.2 輻照度控制

為了獲得精確且可重復(fù)的測試結(jié)果，控制輻照度很有必要。QUV加速老化試驗機裝備日光眼輻照度控制器，這種精確的光控系統(tǒng)為使用者選擇輻照度提供了方便。使用日光眼的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動地控制且精確保持設(shè)定輻照度，日光眼靠調(diào)整燈的功率來自動補償因燈管老化和其他因素造成的輻照度變化。

1.2.2.3 溫度控制

QUV加速老化試驗機是通過黑板溫度計來精確控制樣品表面溫度。

1.2.2.4 潮濕模擬

材料在戶外經(jīng)受潮濕侵蝕的時間很長，QUV要達到相同的效果，是通過冷凝功能來實現(xiàn)的。冷凝過程是在一較高溫度下進行的，這大大加速了潮濕侵蝕。用QUV長時間的熱凝結(jié)循環(huán)過程來模擬戶外的潮濕侵蝕，比其他一些方法，如噴水、浸水或高濕度都更有效。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝功能，QUV還可用水噴淋功能來模擬雨水的影響，如熱沖擊或機械侵蝕。

2 水性PU加速老化試驗方法

水性PU的應(yīng)用范圍較廣，皮革、合成革行業(yè)常用的耐候老化試驗方法如下：

QB/T 4043-2010汽車用聚氯乙烯(PVC)人造革；QB/T 2727-2005皮革色牢度試驗 耐光色牢度：氙弧；SAE J2412汽車內(nèi)飾組件使用受控輻照的氙弧裝置加速曝光。

3 PU人造革氙燈老化試驗

對性能優(yōu)異的水性PU處理劑處理過的PVC人造革，在氙燈老化試驗前后部分物理性能變化來做一些介紹。

3.1 顏色的變化

在Q-SUN氙燈試驗箱中，按照QB/T 4043-2010中的試驗條件，對水性PU處理劑處理過的PVC人造革進行耐光老化測試。試驗進行140 h，曝曬照射結(jié)束即取出試樣，冷卻至室溫后對顏色變化情況進行判定，見圖6。

圖6 用水性聚氨酯處理劑處理過的聚氯乙烯人造革氙燈試驗前后對比

3.1.1 目測判定

按照GB/T 15596-1995的規(guī)定，利用GB/T 250-1995評定變色用灰色樣卡在標(biāo)準(zhǔn)光源下目測判定變褪色度。分別記錄每個試樣測試后的變褪色程度。以3個試樣中變褪色程度最嚴(yán)重的作為最終變褪色等級結(jié)果。目視試驗結(jié)果：樣品的灰卡等級為4~5級，圖6是樣品在試驗前后的變化情況（圖中左邊部分為試驗前的樣品，右邊部分為試驗后的樣品），試驗后樣品的顏色有稍微變淺。

3.1.2 色差儀器判定

按GB/T 7921-1997的規(guī)定分別對標(biāo)準(zhǔn)樣品及試樣的顏色進行測量和記錄。選用不包括鏡反射成分的測量方式。對同一試樣試驗3點或3點以上，計算多次試驗的平均值。從試驗數(shù)據(jù)看來，樣品在耐光試驗后，色相略微偏紅和偏黃，明度略微降低，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般人可分辨的范圍，按照GB/T 250-1995中五級九檔灰卡的規(guī)定來判定也是4~5 級。

3.2 表面摩擦色牢度的變化

使用符合GB/T 3920-1997規(guī)定要求的表面色牢度摩擦試驗儀，其中摩擦試驗用白棉布應(yīng)符合GB/T 7565-1987的規(guī)定。試樣尺寸250mm×60mm（縱向×橫向）。

3.2.1 摩擦方法

干摩擦按照GB/T 3920-1997進行試驗。摩擦頭質(zhì)量為200g，摩擦往復(fù)次數(shù)為100次。

濕摩擦按照GB/T 3920-1997進行試驗。摩擦頭質(zhì)量為200g，摩擦往復(fù)次數(shù)為100次。

汗液摩擦將白棉布浸入人造汗液中10min后，按照GB/T 3920-1997進行試驗。摩擦頭質(zhì)量為200g，摩擦往復(fù)次數(shù)為100次。

3.2.2 試驗結(jié)果

每種方法測試結(jié)束后，查看白棉布的污染程度，按GB/T 251-1995評定，沾色用灰色樣卡判定等級。試驗結(jié)果分別以每組試樣試驗結(jié)果的表示。

從試驗結(jié)果來看，性能優(yōu)異的水性PU處理劑處理后的人造革產(chǎn)品，歷經(jīng)光老化后再經(jīng)過上述3種表面耐摩擦試驗，其沾色用灰卡判定均大于4級。

3.3 耐揉搓性的變化

試樣尺寸120mm*30mm，將同一方向的2塊試樣皮面相互重合，然后裝入間隔為30mm的揉搓試驗機夾具中。逐步縮小夾具的距離，使2塊試樣的皮面輕輕接觸后施加載荷，載荷為1kg。在頻率為120次/min，行程為50mm的條件下，往復(fù)測試1000次。

試驗結(jié)束后，人造革表面一切正常，無裂痕、損傷或基布與涂層分離等現(xiàn)象。

4 總結(jié)

水性PU的老化因素主要是光、溫度和水。采用實驗室加速老化試驗，對PU進行了氙燈老化試驗，用不同方法觀察并測試了其顏色變化、表面摩擦色牢度變化及耐揉搓性的變化。