人工加速老化試驗方法簡述.doc

人工加速老化試驗方法簡述羅寧 張欣涂料、塑料等高分子材料在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)粉化、變色、起泡、裂紋、脫落等現(xiàn)象，嚴重影響產(chǎn)品的機械、表觀等方面的性能，因此需要了解高分子材料的光老化機理并尋找合適的人工加速光老化試驗方法來客觀地模擬自然使用條件，為材料的研發(fā)及應(yīng)用提供快速的檢測與評價方面的依據(jù)。目前常用的人工加速老化試驗方法主要有氙燈（Q-SUN）、熒光紫外燈（QUV）、碳弧燈、金屬燈等。我們對材料的人工加速老化試驗方法進行簡述，以提高員工對老化的深入認識，供技術(shù)人員在研發(fā)與檢測中參考。一、 光老化機理涂料、塑料等高分子材料在受日光照射時，會發(fā)生一系列反應(yīng)，主要是光化學反應(yīng)。根據(jù)光化學反應(yīng)第一、第二定律，發(fā)生光化學反應(yīng)的的物質(zhì)首先要吸收太陽光，即物質(zhì)的分子或原子能夠吸收光能，使分子或原子處于高能狀態(tài)；其次一個分子或原子吸收的能量必須大于其鍵能，這樣才能使物質(zhì)發(fā)生降解，即老化。而涂料、塑料等高分子材料往往含有在聚合過程中殘留的為量雜質(zhì)，聚合物本身含有的一些不歸整結(jié)構(gòu)等自身化學結(jié)構(gòu)的老化弱點，當這些高分子材料受太陽光照射后，材料的老化弱點首先被攻破，出現(xiàn)原子或分子鍵的切斷、交聯(lián)、鏈的移動、斷裂及側(cè)鏈的變化等現(xiàn)象的單獨或同時的發(fā)生。老化就是完全的解聚反應(yīng)，使高分子的末端，從原子間鍵弱的部分斷裂。老化后的高分子材料即出現(xiàn)表面粉化、變色、起泡、裂紋、脫落等現(xiàn)象。高分子材料的波長敏感性是影響老化的一個重要因素，常見的涂料材料的敏感波長見下表?；瘜W鍵鍵能（KJmol-1）波長（nm）CO728164CC607197CC芳香烴化合物519231CH乙炔507236CH乙烯444270CH芳香烴化合物431278CH甲烷427280OH醇418286OH乙醇418286CH乙烷414289CO乙醇385311CO甲醇373321CC乙烷352340CC丙烷347345CCl氯甲烷352340CCl氯乙烷339353CO甲基醚318376ROOH氫過氧化物151794ROOR過氧化物268447二、 光老化試驗方法1、碳弧燈光老化試驗方法碳弧燈是一種較古老的技術(shù)，碳弧儀器最初被德國合成染料化學家用來評估被染紡織品的耐光度。碳弧燈分為封閉式和開放式碳弧燈，無論哪種碳弧燈，其譜圖與太陽光的譜圖相差都比較大。由于該項目技術(shù)的歷史較長，最初的人工模擬光老化技術(shù)都是采用該設(shè)備，因此在早些的標準中還能見到該方法，尤其是在日本的早期標準中常常采用碳弧燈技術(shù)作為人工光老化試驗手段。2、紫外熒光燈光老化試驗方法熒光紫外燈是波長為254nm的低壓汞燈，由于加入磷共存物使其轉(zhuǎn)換成較長的波長，熒光紫外燈的能量分布取決于磷共存物產(chǎn)生的發(fā)射光譜和玻璃管的傳擴。熒光燈分為UVA與UVB，你的暴露應(yīng)用決定了應(yīng)該使用哪一類的紫外燈管。下表為UV燈管的分類與適用范圍。UVAUVB特點UVA 燈管對于比較不同類型的聚合體測試特別有用。由于 UVA 燈管沒有任何低于正常陽光的295納米截止點的輸出，通常它們使材料的降解不如 UVB 燈管快。然而，它們通常能得到對實際戶外老化的更好的相關(guān)性。UVB 燈管廣泛用于耐久性材料的快速、節(jié)省的測試。當前有兩種類型的 UVB 燈管。它們產(chǎn)生相同的紫外線波長，但產(chǎn)生的總能量則不同。所有的 UVB 燈管發(fā)射短波紫外線，低于陽光截止點的 295 納米。盡管這是短波紫外線加速測試，有時卻會導致異常的結(jié)果。主要燈管型號UVA-340UVA-351UVB-313ELQFS-40適用范圍UVA-340 可在臨界短波的 365 納米下至陽光截止點 295 納米的區(qū)域內(nèi)提供對陽光最佳的仿真。峰值發(fā)射在 340 納米。UVA-340 燈管對于不同配方的比較測試特別有用。UVA-351 模仿穿過窗玻璃的陽光的紫外線部分。這對室內(nèi)應(yīng)用最有效，特別是復制在窗口環(huán)境下發(fā)生的聚合體損失。此燈管在家電涂料與汽車內(nèi)部涂料應(yīng)用較多。UVB-313EL 是用作 UVB 暴露的最為廣泛使用的QUV燈管。它在對非常耐用的產(chǎn)品，如汽車涂料和屋頂材料測試的最大化加速方面非常有用。UVB-313EL 燈管還經(jīng)常被用于 QC 應(yīng)用。這是原始的 QUV 燈管。QFS-40 燈管已被使用了多年，并仍然在許多測試方法中被指定使用，特別是汽車涂料類的使用。QFS-40 在 QUV/基本型中得到了最佳應(yīng)用。圖2 紫外燈與太陽光光譜圖3、氙燈光老化試驗方法氙弧燈能模擬完整的全太陽光光譜，它包括了紫外光、可見光和紅外光光譜。經(jīng)過過濾的氙弧燈是測試顏料、染料和油墨等產(chǎn)品的光穩(wěn)定性的最佳光源，這些產(chǎn)品對太陽光中的長波光和可見光很敏感。氙弧燈可以精確調(diào)節(jié)其光譜能量分布，可以模擬各種條件下的自然光，從大氣層外的太陽光到透過玻璃窗的日光等。另外，通過改變氙燈的輻照強度、溫度、濕度等參數(shù)，可以模擬不同產(chǎn)品的使用環(huán)境，如汽車內(nèi)外等。圖3為氙燈不同輻照度與自然光的光譜對比，其中光強0.55 W/m2與自然光最為相近。目前使用氙燈進行人工加速老化試驗已成為一種首選的、通用的光老化試驗方法，而且相應(yīng)的氙燈老化試驗方法也很多，如ISO、ASTM、SAE J、GM等。圖3不同輻照度的氙燈與自然光光譜譜圖0.55 W/m20.68 W/m2Sunlight0.35 W/m24、金屬鹵素光老化試驗方法金屬鹵素燈是一種氣體放電燈，利用金屬鹵化物通電可以提供與直射和散射非常相似的光譜能量的分布。該方法具有高效性，通過對多個放射光源一定的放置方式，可以產(chǎn)生單一的照射光源效果。金屬鹵素燈的光譜分布與地球表面接收到的太陽光非常相似，但由于金屬鹵素燈規(guī)模比較大，主要適用于汽車整車及其零部件及電工電子產(chǎn)品等大型設(shè)備的人工光老化加速試驗。三、 老化檢測標準ASTM G155非金屬材料氙燈曝露試驗的檢測標準循環(huán)濾鏡曝露循環(huán)條件光照強度黑板溫度適用范圍1Daylight120min光照18min光照+噴淋0.35W/m2340nm632.5最為常用條件2Daylight120min光照18min光照+噴淋6h黑暗,954%RH0.35W/m2340nm632.5242.5更好地模擬戶外3玻璃窗100%光照，555%RH0.30W/m2340nm552戶內(nèi)塑料4玻璃窗40min光照505%RH20min光照+噴淋60min光照505%RH1h黑暗,955%RH0.55W/m2340nm702702382汽車外用材料5玻璃窗3.8h光照，505%RH1h黑暗,955%RH0.55W/m2340nm893382汽車內(nèi)用材料ISO113411994涂料氙燈曝露試驗標準（GB/T 1865-1997等效采用ISO113411994）循環(huán)濾鏡曝露循環(huán)條件光照強度黑板溫度ADaylight120min光照7010%RH18min光照+噴淋0.55 W/m2340nm652B玻璃窗120min光照7010%RH18min光照+噴淋0.35 W/m2340nm652CDaylight100%光照，5010%RH0.55 W/m2340nm652D玻璃窗100%光照，5010%RH0.35 W/m2340nm652SAM J2412/1885和SAE J2527/1960汽車材料氙燈老化試驗標準標準曝露循環(huán)條件光照強度黑板溫度應(yīng)用SAM J2412/18853.8h光照，1h黑暗0.55 W/m2340nm893382汽車材料內(nèi)飾件SAE J2527/196040min光照505%RH20min光照+噴淋60min光照505%RH60min黑暗,955%RH0.55 W/m2340nm702702382汽車材料外飾件 ASTM G154非金屬材料熒光紫外燈曝露試驗循環(huán)燈光照強度（W/m2）曝露循環(huán)黑板溫度適用范圍1UVA-3400.77340nm8h光照，4h黑暗高濕603，503涂層和塑料常用2UVB-3130.63310nm4h光照，4h黑暗高濕603，503用于耐候涂層3UVB-3130.44310nm8h光照，4h黑暗高濕703，503汽車材料外飾件4UVA-3401.3534