材料老化(hua)測(ce)試中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)問(wen)題及(ji)解決(jue)方法(fa)

材料老化(hua)測(ce)試中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)問(wen)題及(ji)解決(jue)方法(fa)

前言(yan)

塑料、橡膠、塗(tu)料等高(gao)分(fen)子材(cai)料在(zai)使(shi)用過程(cheng)中(zhong)會遇到(dao)老化(hua)的(de)問(wen)題。為(wei)評(ping)價高(gao)分(fen)子材(cai)料的(de)耐老化(hua)性(xing)能(neng)，逐(zhu)漸(jian)形成(cheng)了兩(liang)類(lei)老化(hua)試驗(yan)方法(fa)：壹類(lei)是(shi)自(zi)然老化(hua)試驗(yan)方法(fa)，即直(zhi)接(jie)利(li)用自(zi)然環境進行的(de)老化(hua)試驗(yan)；另壹(yi)類(lei)是(shi)人(ren)工(gong)加速老化(hua)試驗(yan)方法(fa)，即在(zai)實(shi)驗(yan)室利(li)用老化(hua)箱(xiang)模(mo)擬自(zi)然環境條(tiao)件(jian)的(de)某(mou)些(xie)老化(hua)因(yin)素進行的(de)老化(hua)試驗(yan)。由(you)於(yu)老化(hua)因(yin)素的(de)多(duo)樣(yang) 性(xing)及老化(hua)機(ji)理(li)的(de)復(fu)雜(za)性(xing)，自(zi)然老化(hua)無(wu)疑是(shi)zui重(zhong)要zui可(ke)靠(kao)的(de)老化(hua)試驗(yan)方法(fa)。但是(shi)由(you)於(yu)自(zi)然老化(hua)周(zhou)期(qi)相(xiang)對(dui)較(jiao)長， 不同(tong)年份、季(ji)節、地(di)區(qu)氣候條(tiao)件(jian)的(de)差異性(xing)導致(zhi)了試驗(yan)結果(guo)的(de)不可比性(xing)；而(er)人(ren)工(gong)加速老化(hua)試驗(yan)模(mo)擬強(qiang)化(hua)了(le)自(zi)然氣候中(zhong)的(de)某(mou)些(xie)重(zhong)要因(yin)素，如(ru)陽光、溫(wen)度(du)、濕(shi)度(du)、降雨等，縮(suo)短(duan)了老化(hua)試驗(yan)的(de)周(zhou)期，且由(you)於(yu)試驗(yan)條(tiao)件(jian)的(de)可(ke)控性(xing)，試 驗(yan)結果(guo)再現(xian)性(xing)強(qiang)。人(ren)工(gong)老化(hua)作(zuo)為(wei)自(zi)然老化(hua)的(de)重(zhong)要補(bu)充(chong)，正(zheng)廣(guang)泛(fan)運(yun)用於(yu)高分(fen)子材(cai)料的(de)研(yan)究(jiu)、開發、檢(jian)測(ce)中(zhong)。在(zai)人工(gong)加速老化(hua)的(de)試驗(yan)過程(cheng)中，人(ren)們(men)普(pu)遍(bian)會關(guan)心以下(xia)幾(ji)個問題：應(ying)該(gai)選擇(ze)什麽樣(yang)的(de)試驗(yan)條(tiao)件(jian)，進行多長時間 的(de)試驗(yan)；該(gai)選擇(ze)什麽指(zhi)標(biao)來評(ping)價該(gai)產品(pin)的(de)老化(hua)性(xing)能(neng)。本(ben)文(wen)試圖(tu)針(zhen)對(dui)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)對(dui)人工(gong)加速老化(hua)試驗(yan)進行壹些(xie)探(tan)討(tao)。

1 人工(gong)加速老化(hua)試驗(yan)條(tiao)件(jian)的(de)選(xuan)擇(ze)

這個問題實(shi)際上(shang)可以理(li)解為(wei)應(ying)該(gai)模(mo)擬哪些(xie)老化(hua)因(yin)素，高分(fen)子材(cai)料在(zai)使(shi)用過程(cheng)中(zhong)，氣候環境裏許(xu)多因(yin)素都有可(ke) 能(neng)對(dui)高(gao)分(fen)子材(cai)料的(de)老化(hua)產(chan)生作用。如(ru)果(guo)事(shi)先(xian)知道產(chan)生老化(hua)的(de)主(zhu)要因(yin)素，就可以有針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)選(xuan)擇(ze)試驗(yan)方法(fa)。我們(men) 可(ke)以從(cong)該(gai)材料的(de)運(yun)輸、儲存(cun)、使(shi)用環境以及其老化(hua)機(ji)理(li)等方面考(kao)慮，確(que)定(ding)試驗(yan)方法(fa)。例(li)如(ru)硬聚氯乙(yi)烯型(xing)材，使(shi) 用聚氯乙(yi)烯為(wei)原料，添加穩(wen)定(ding)劑、顏(yan)料等助(zhu)劑加工(gong)而(er)成(cheng)，主(zhu)要(yao)用於(yu)室外。從(cong)聚氯乙(yi)烯的(de)老化(hua)機(ji)理(li)考慮，聚氯乙(yi) 烯受(shou)熱(re)易分(fen)解；從(cong)使(shi)用環境考慮；空氣中的(de)氧(yang)、紫外光、熱(re)、水分(fen)都是(shi)引(yin)起(qi)型(xing)材老化(hua)的(de)原(yuan)因。因(yin)此(ci)，GB/T8814-2004 《門、 窗(chuang)用未增(zeng)塑聚氯乙(yi)烯 （PVC-U） 型(xing)材》 中(zhong)， 既(ji)規定(ding)了光氧(yang)老化(hua)試驗(yan)方法(fa)， 采用 GB/T 16422.2 《塑料實(shi)驗(yan)室光源(yuan)曝露試驗(yan)方法(fa)第二(er)部分(fen)：氙弧(hu)燈(deng)》老化(hua) 4000h 或(huo) 6000h，模(mo)擬了室(shi)外紫外光及(ji)可(ke)見光、溫(wen)度(du)、 濕(shi)度(du)、降雨等因(yin)素，同(tong)時又規定(ding)了熱(re)氧(yang)老化(hua)項(xiang)目(mu)：加熱(re)後狀(zhuang)態(tai)，150℃放(fang)置(zhi) 30min，目(mu)測(ce)觀(guan)察是(shi)否(fou)出現(xian)氣泡、裂(lie) 紋、麻(ma)點(dian)或(huo)分(fen)離(li)現(xian)象，以考察型(xing)材(cai)的(de)耐熱(re)性(xing)能(neng)。又如(ru)我國(guo)在(zai)市場(chang)上(shang)有競爭力(li)的(de)壹(yi)個產品：外貿出口(kou)鞋。在(zai) 使(shi)用過程(cheng)中(zhong)，陽光中(zhong)的(de)紫外線是(shi)引(yin)起(qi)鞋子(zi)變(bian)色、褪(tui)色(se)的(de)主(zhu)要原(yuan)因(yin)，因(yin)此(ci)，有(you)必要(yao)用紫外燈(deng)箱(xiang)對(dui)其進行耐黃(huang)變(bian)測(ce) 試。常(chang)用的(de)鞋類(lei)耐黃(huang)變(bian)試驗(yan)箱(xiang)采(cai)用 30WUV 燈(deng)，樣(yang)品離(li)光源(yuan) 20cm，照(zhao)射 3h 後觀(guan)察顏(yan)色變(bian)化(hua)。同(tong)時，在(zai)運(yun)輸過 程中，集(ji)裝箱(xiang)內(nei)悶熱(re)、潮(chao)濕的(de)惡(e)劣(lie)環境會引(yin)起(qi)鞋面、鞋底、膠(jiao)水的(de)變(bian)色、斑(ban)點(dian)，甚至(zhi)是(shi)變(bian)質(zhi)。因(yin)此，在(zai)裝船運(yun) 輸之前，有必要(yao)考(kao)慮進行耐濕(shi)熱(re)老化(hua)試驗(yan)，模(mo)擬集裝箱(xiang)內(nei)高熱(re)、高(gao)濕環境，在(zai) 70℃、95％相(xiang)對(dui)濕度(du)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)， 進行 48h 試驗(yan)後觀(guan)察外觀(guan)、顏(yan)色變(bian)化(hua)。

 2 人工(gong)加速老化(hua)光源(yuan)的(de)選(xuan)擇(ze) 

實(shi)驗(yan)室光源(yuan)曝露試驗(yan)因為(wei)可以在(zai)壹個試驗(yan)箱(xiang)中(zhong)同(tong)時模(mo)擬大氣可見(jian)環境中的(de)光、氧(yang)、熱(re)和降雨等因(yin)素，是(shi)目(mu)前 較(jiao)為常(chang)用的(de)壹(yi)種人工(gong)加速老化(hua)試驗(yan)方法(fa)，在(zai)這些(xie)模(mo)擬因素中，又以光源(yuan)zui為(wei)重(zhong)要。經(jing)驗(yan)表(biao)明，陽光中(zhong)引(yin)起(qi)高(gao)分(fen) 子材(cai)料破(po)環的(de)波(bo)長主要集(ji)中在(zai)紫外線及(ji)部分(fen)可見(jian)光。目(mu)前使(shi)用的(de)人(ren)工(gong)光源(yuan)都(dou)力圖(tu)使(shi)在(zai)此波(bo)長區(qu)間(jian)內的(de)能(neng)譜(pu)分(fen)布 曲(qu)線與(yu)太(tai)陽光譜(pu)接(jie)近(jin)，模(mo)擬性(xing)和加(jia)速倍率(lv)是(shi)選(xuan)擇(ze)人工(gong)光源(yuan)的(de)主(zhu)要依(yi)據(ju)。經(jing)歷(li)了(le)約(yue)壹個世紀的(de)發展，實(shi)驗(yan)室光源(yuan) 已(yi)有封(feng)閉式碳弧(hu)燈(deng)、陽(yang)光型(xing)碳(tan)弧(hu)燈(deng)、熒光紫外燈(deng)、氙弧(hu)燈(deng)、高(gao)壓(ya)汞(gong)燈(deng)等各(ge)種光源(yuan)供(gong)選擇(ze)。標準化(hua)組(zu)織(ISO） 中與(yu)高(gao)分(fen)子材(cai)料相(xiang)關(guan)的(de)各(ge)技術(shu)委員(yuan)會主要(yao)推薦使(shi)用陽光型(xing)碳(tan)弧(hu)燈(deng)、熒光紫外燈(deng)、氙弧(hu)燈(deng)三(san)種光源(yuan)。

 2.1 氙弧(hu)燈(deng) 

目(mu)前認為(wei)，已(yi)知(zhi)的(de)人(ren)工(gong)光源(yuan)中(zhong)氙弧(hu)燈(deng)的(de)光譜(pu)能(neng)量(liang)分(fen)布與(yu)陽(yang)光中(zhong)紫外、可見(jian)光部分(fen)zui相(xiang)似(si)。通過選擇(ze)合(he)適(shi)的(de)濾 光片(pian)，可(ke)以濾去大部分(fen)到(dao)達地面陽(yang)光中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)短(duan)波(bo)輻(fu)射。氙燈(deng)在(zai) 1000nm~1200nm 近(jin)紅(hong)外區(qu)存(cun)在(zai)很強(qiang)的(de)輻(fu)射峰(feng)， 會(hui)產(chan)生大量(liang)的(de)熱(re)。因(yin)此，須選擇(ze)合(he)適(shi)的(de)冷(leng)卻裝置(zhi)帶(dai)走這部分(fen)能(neng)量(liang)。目(mu)前，市(shi)面上(shang)氙燈(deng)老化(hua)試驗(yan)裝置(zhi)有(you)兩(liang)種冷卻 方式：水冷式和風(feng)冷(leng)式(shi)。壹(yi)般來說(shuo)，水冷式氙燈(deng)裝置(zhi)冷(leng)卻效果(guo)要優(you)於(yu)風(feng)冷(leng)式(shi)，同(tong)時結構也較(jiao)為復(fu)雜(za)，價格也比 較(jiao)昂貴。由(you)於(yu)氙燈(deng)紫外線部分(fen)能(neng)量(liang)較(jiao)另兩(liang)種光源(yuan)增(zeng)加較(jiao)少，在(zai)加速倍率(lv)方面是(shi)zui低(di)的(de)。

2.2 熒光紫外燈(deng)

從(cong)理(li)論上說，300nm~400nm 的(de)短(duan)波(bo)能(neng)量(liang)是(shi)引(yin)起(qi)老化(hua)的(de)主(zhu)要因(yin)素。如(ru)果(guo)增加(jia)這部分(fen)能(neng)量(liang)，就能(neng)達到(dao)快(kuai)速試驗(yan)的(de) 效果(guo)。熒光紫外燈(deng)的(de)光譜(pu)分(fen)布主(zhu)要集中在(zai)紫外光部分(fen)，因此(ci)，可以達到(dao)較(jiao)高的(de)加(jia)速倍率(lv)。然而(er)，熒光紫外燈(deng)不 僅(jin)使(shi)自(zi)然日(ri)光中(zhong)的(de)紫外線能(neng)量(liang)增加，同(tong)時還有在(zai)地球(qiu)表(biao)面測(ce)量(liang)時自(zi)然日(ri)光中(zhong)沒(mei)有(you)的(de)輻(fu)射能(neng)量(liang)，而(er)這(zhe)部分(fen)能(neng)量(liang)會 引(yin)起(qi)非(fei)自(zi)然的(de)破(po)壞。另外熒光光源(yuan)除了很(hen)窄(zhai)的(de)水銀光譜(pu)線外，沒(mei)有(you)高(gao)於(yu) 375nm 的(de)能(neng)量(liang)，這樣(yang)對較(jiao)長波(bo)長的(de) UV 能(neng)量(liang)敏(min)感的(de)材(cai)料就可能(neng)不會出現(xian)曝曬(shai)在(zai)自(zi)然日(ri)光下(xia)那樣(yang)變化(hua)。由(you)於(yu)這些(xie)固(gu)有缺(que)陷會(hui)導致(zhi)得出不可靠(kao)的(de)結(jie)果(guo)。因 此(ci)，熒光紫外燈(deng)的(de)模(mo)擬性(xing)較(jiao)差。但是(shi)，由(you)於(yu)它(ta)的(de)加(jia)速倍率(lv)高，通過選擇(ze)合(he)適(shi)型號的(de)燈(deng)管(guan)可(ke)實(shi)現(xian)對(dui)特定(ding)材料的(de)快(kuai) 速篩(shai)選(xuan)。

2.3 陽光型(xing)碳(tan)弧(hu)燈(deng)

陽光型(xing)碳(tan)弧(hu)燈(deng)目(mu)前在(zai)我國(guo)應用得較(jiao)少，但它(ta)在(zai)日(ri)本(ben)是(shi)廣(guang)泛(fan)使(shi)用的(de)光源(yuan)，大(da)部分(fen) JIS 標準(zhun)都采用陽光型(xing)碳(tan)弧(hu)燈(deng)。 我(wo)國(guo)許(xu)多與(yu)日(ri)本(ben)合(he)資的(de)汽(qi)車企(qi)業(ye)仍(reng)推薦使(shi)用這種光源(yuan)。陽(yang)光型(xing)碳(tan)弧(hu)燈(deng)光譜(pu)能(neng)量(liang)分(fen)布也(ye)較(jiao)接(jie)近(jin)於(yu)太(tai)陽光，但在(zai) 370nm－390nm 紫外線集(ji)中加(jia)強(qiang)，模(mo)擬性(xing)不及氙燈(deng)，加(jia)速倍率(lv)介於(yu)氙燈(deng)及(ji)紫外燈(deng)之(zhi)間(jian) 。

3 試驗(yan)時間的(de)確(que)定(ding)
3.1 參(can)照(zhao)相(xiang)關(guan)產(chan)品(pin)標(biao)準規定(ding) 

相(xiang)關(guan)產(chan)品(pin)標(biao)準裏(li)已(yi)經(jing)對(dui)老化(hua)試驗(yan)的(de)時間作出了(le)規定(ding)，我們(men)只(zhi)需查(zha)找到(dao)相(xiang)關(guan)標(biao)準(zhun)，按(an)裏面規定(ding)的(de)時間執行(xing)就行 了。許(xu)多國(guo)家標(biao)準、行(xing)業(ye)標準(zhun)中(zhong)都(dou)對此作(zuo)出了(le)規定(ding)。

3.2 根據(ju)已(yi)知的(de)相(xiang)關(guan)性(xing)推算(suan)

研(yan)究(jiu)表(biao)明： 通過顏(yan)色和變(bian)黃指數變(bian)化(hua)來(lai)評(ping)價 ABS 的(de)顏(yan)色穩(wen)定(ding)性(xing)， 人工(gong)加速老化(hua)與(yu)自(zi)然大氣暴露有(you)較(jiao)好的(de)相(xiang)關(guan) 性(xing)，加速倍率(lv)約(yue)為 7。如(ru)果(guo)想了(le)解某(mou)壹(yi) ABS 材料戶外使(shi)用壹年後的(de)顏(yan)色變(bian)化(hua)，采(cai)用相(xiang)同(tong)的(de)試驗(yan)條(tiao)件(jian)，可(ke)以參(can)考(kao) 該(gai)加速倍率(lv)，確(que)定(ding)加速老化(hua)時間 365x24/7=1251h。 長期以來，國(guo)內外就相(xiang)關(guan)性(xing)間題展開了(le)大量(liang)的(de)研(yan)究(jiu)，得(de)出了(le)許(xu)許(xu)多多(duo)的(de)換(huan)算(suan)關(guan)系(xi)式(shi)。然而(er)，由(you)於(yu)高分(fen)子材(cai)料 的(de)多(duo)樣(yang)性(xing)，加速老化(hua)試驗(yan)設備(bei)及(ji)方法(fa)的(de)不同(tong)，不同(tong)時間、地區(qu)氣候的(de)差異性(xing)導致(zhi)了換(huan)算(suan)關(guan)系(xi)的(de)復(fu)雜(za)化(hua)。因(yin)此(ci)， 在(zai)選擇(ze)換(huan)算(suan)關(guan)系(xi)時，壹定(ding)要註(zhu)意得(de)出該(gai)相(xiang)關(guan)性(xing)的(de)具(ju)體材料、老化(hua)設(she)備(bei)、試驗(yan)條(tiao)件(jian)、性(xing)能(neng)評(ping)價指(zhi)標等因(yin)素。

3.3輻射(she)總量(liang)

控制人(ren)工(gong)加速老化(hua)輻(fu)射(she)總(zong)量(liang)與(yu)自(zi)然暴露輻(fu)射總(zong)量(liang)相(xiang)當(dang)對(dui)於(yu)某些(xie)既(ji)無(wu)相(xiang)應(ying)標準(zhun)規定(ding)，又無(wu)處(chu)參(can)考(kao)相(xiang)關(guan)性(xing)的(de)產(chan)品， 可(ke)以考慮其實(shi)際使(shi)用環境的(de)輻(fu)射強(qiang)度(du)，控制人(ren)工(gong)加速老化(hua)輻(fu)射(she)總(zong)量(liang)與(yu)自(zi)然暴露輻(fu)射總(zong)量(liang)相(xiang)當(dang)。