塑料人工氣候老化試驗(yàn)

1、塑料人工氣候老化試驗(yàn)2007年第36卷第2期合成材料老化與應(yīng)用35塑料人工氣候老化試驗(yàn)劉冠文.蘇仕瓊(廣州合成材料研究院,廣東廣州,510665)摘要:綜述了塑料人工氣候老化試驗(yàn)的3種常用方法:碳弧燈,氙弧燈,熒光紫外燈,介紹了塑料及其制品老化性能的評(píng)價(jià)方法以及自然氣候老化與人工氣候老化的相關(guān)性.關(guān)鍵詞:塑料;老化;自然氣候;人工氣候;碳弧燈;氙燈;熒光紫外燈;試驗(yàn);相關(guān)性中圖分類(lèi)號(hào):tq32plasticstestmethodofresistancetoartificialweatheringliuguanwen,sushi-qiong(guangzhouresearchinstituteo

2、fsyntheticmaterials,guangzhou510665,guangdong,china)abstract:threekindsofplasticstestmethodofresistancetoartificialweathering:flamecarbonarclamp,xenonarclamp,fluorescentuvlampwerereviewedbriefly.theassessmentmethodofplasticsandplasticsproductsageingpropertiesandthecorrelativityofnaturalweatheringand

3、artificialweatheringwereintroduced.keywords:plastics,ageing,naturalweathering,artificialweathering,flamecarbonarclamp,xenonarclamp,fluorescentuvlamp,test,correlativity塑料和其它高分子材料在加工,貯存和使用過(guò)程中,特別是在戶(hù)外使用時(shí),長(zhǎng)期受光,氧,熱等環(huán)境因素作用,導(dǎo)致塑料逐漸變色,發(fā)脆,力學(xué)性能下降,以致最終無(wú)法使用.評(píng)價(jià)塑料的耐候性,知道其使用壽命對(duì)塑料生產(chǎn)廠家和用戶(hù)來(lái)說(shuō)是非常重要的.塑料在自然氣候中的老化速度很慢,因此,從實(shí)

4、際使用環(huán)境中測(cè)定其壽命需要幾年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,要推算其使用壽命,可采用人工氣候加速老化試驗(yàn).人工氣候老化試驗(yàn)是采用模擬和強(qiáng)化大氣環(huán)境中主要?dú)夂蛞蛩氐囊环N人工加速老化試驗(yàn),可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得近似于自然氣候老化試驗(yàn)的結(jié)果.本文介紹了塑料人工氣候老化試驗(yàn)的常用方法,各種塑料材料及其制品人工氣候老化試驗(yàn)的性能評(píng)價(jià)方法以及自然氣候老化與人工氣候老化的相關(guān)性.1塑料人工氣候老化試驗(yàn)方法人工氣候加速老化試驗(yàn)中模擬自然氣候環(huán)境的主要因素有太陽(yáng)光,溫度,降雨,濕度等,人工氣候老化試驗(yàn)一般模擬以上幾個(gè)因素,其中太陽(yáng)光最收稿日期:2006一o8一o6為重要.光源是人工氣候老化試驗(yàn)的重要影響因素,人工氣候老化試驗(yàn)

5、方法一般按光源分類(lèi),常用的有碳弧燈,氙弧燈(簡(jiǎn)稱(chēng)氙燈),熒光紫外燈3種.1.1碳弧燈人工氣候老化試驗(yàn)碳弧燈人工氣候老化試驗(yàn)是應(yīng)用較早的一種人工氣候老化試驗(yàn)方法,有開(kāi)放式和密封式2種,一般選用開(kāi)放式碳弧燈.碳弧燈主要是通過(guò)2個(gè)碳棒電極間形成的碳弧,透過(guò)平板玻璃濾光器照射到試樣表面.碳弧燈的模擬性較差,操作難度大,每4872h要求換一次碳棒,運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高,現(xiàn)在較少采用.目前,國(guó)際上有以氙燈光源代替碳弧燈光源的趨勢(shì),普遍認(rèn)為氙燈光源對(duì)自然太陽(yáng)光的模擬性更好.塑料碳弧燈人工氣候老化試驗(yàn)方法可參考gb/t16422.4c川,iso4892.4c.和astmg152引,astmg153_4j,其中g(shù)b/t

6、16422.4等效于is04892.4.1.2氙燈人工氣候老化試驗(yàn)氙燈人工氣候老化試驗(yàn)被認(rèn)為是目前模擬性最好的一種人工氣候老化試驗(yàn)方法.氙燈試驗(yàn)光源是目前模擬性最好的一種光源,理論早已確定氙燈比36劉冠文等塑料人工氣候老化試驗(yàn)其它光源好】,它在紫外區(qū)和可見(jiàn)區(qū)的光譜能量分布與太陽(yáng)光的近似.氙燈發(fā)出的輻射經(jīng)過(guò)濾光器,過(guò)濾掉較短的紫外光波和紅外光波,使到達(dá)試樣表面的光譜接近太陽(yáng)光的.塑料氙燈人工氣候老化試驗(yàn)方法可參考gb/t16422.2_9】,iso4892.2e.,astmg155,其中g(shù)b/t16422.2等效于iso4892.2.有些材料及制品有規(guī)定的氙燈人工氣候老化試驗(yàn)方法,如汽車(chē)內(nèi)部件與

7、外部材料的氙燈老化試驗(yàn)可依據(jù)saej18851992_】和saej19602001d3.1.2.1試樣a試樣制備試樣制備根據(jù)試驗(yàn)要求而定,如檢測(cè)力學(xué)性能,試樣可通過(guò)注射,機(jī)械加工等方法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條;外觀變化可直接用制品原樣作為試驗(yàn)試樣.b試樣數(shù)量試樣的數(shù)量主要根據(jù)試樣的檢測(cè)項(xiàng)目以及取樣周期而定,如力學(xué)性能的每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)試樣一般不少于5個(gè),評(píng)定外觀變化試樣一般至少需要1個(gè).c試驗(yàn)前狀態(tài)調(diào)節(jié)試樣制好后,必須經(jīng)過(guò)狀態(tài)調(diào)節(jié),才能放入老化箱進(jìn)行人工氣候老化試驗(yàn),否則測(cè)出的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的.試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,如無(wú)規(guī)定可參照gb/t2918d4,采用以下條件調(diào)節(jié):(1)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境2

8、3,50%rh或27,65%rh下,放置不少于88h;(2)在1828室溫下,放置不少于4h.1.2.2試驗(yàn)條件a輻照強(qiáng)度在人工氣候老化試驗(yàn)中,光源的輻照量是決定試樣老化程度的主要因素,輻照量越大,老化程度越嚴(yán)重.在各國(guó)的試驗(yàn)方法中一般有規(guī)定輻照強(qiáng)度,其中g(shù)b/t16422.2中規(guī)定,波長(zhǎng)290800nm之間的通帶,選擇550w/m的輻照強(qiáng)度用作暴露試驗(yàn)的參考值,通常選用340nm的光譜輻照強(qiáng)度為0.5w/m?nm作為試驗(yàn)的輻照強(qiáng)度;而astmg155常用的輻照強(qiáng)度為0.35w/m?nm(340nm的光譜輻照強(qiáng)度).試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求設(shè)定輻照強(qiáng)度.b試驗(yàn)溫度與濕度(1)試驗(yàn)溫度由于試樣的表面

9、溫度難以準(zhǔn)確測(cè)定,因此采用黑標(biāo)準(zhǔn)溫度作為試驗(yàn)溫度,黑標(biāo)準(zhǔn)溫度近似于導(dǎo)熱性差的深色試樣的溫度,黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)放在試樣架上與試樣一樣受到氙燈輻照.gb/t16422.2中有2個(gè)黑標(biāo)準(zhǔn)溫度可供選用:(65.4-3)o【=,(1003)o【=,試驗(yàn)溫度高時(shí),試樣受熱老化作用增強(qiáng),改變了以光為主的人工氣候老化試驗(yàn)的性質(zhì),在實(shí)際試驗(yàn)中,常用的溫度是(65.4-3)o【=,astmg155常用的溫度是63o【=.黑標(biāo)準(zhǔn)溫度與試樣室的溫度是不一樣的,前者要高于后者,試樣室溫度一般設(shè)定為4012左右,一般來(lái)說(shuō)試樣的溫度介于試樣室溫度與黑標(biāo)準(zhǔn)溫度之間.(2)試驗(yàn)濕度gb/t16422.2中規(guī)定的濕度是(505)%和

10、(65.4-5)%,實(shí)際試驗(yàn)中一般采用(65.4-5)%作為試驗(yàn)的濕度,astmg155中無(wú)明確規(guī)定濕度值.(3)降雨周期試驗(yàn)中的降雨是模擬大氣環(huán)境中的真實(shí)降雨,降雨使試樣受到冷熱交替變化的影響,并能沖去試樣表面的污漬.降雨一般使用去離子水或蒸餾水,以免腐蝕設(shè)備,gb/t16422.2中規(guī)定的降雨周期為:降雨18分鐘/降雨間歇時(shí)間102分鐘,astmg155常用的降雨周期與gb/t16422.2相同.1.2.3試驗(yàn)過(guò)程把試樣放人試驗(yàn)箱,試樣在試樣架上不應(yīng)受任何外加應(yīng)力的作用,啟動(dòng)試驗(yàn)箱,設(shè)定好試驗(yàn)條件,并記錄開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)間.試樣在試驗(yàn)過(guò)程中,要定期觀察試樣以及試驗(yàn)條件的變化,在整個(gè)試驗(yàn)期間要保持

11、規(guī)定的試驗(yàn)條件恒定.1.3熒光紫外燈人工氣候老化試驗(yàn)熒光紫外燈人工氣候老化試驗(yàn)使用低壓汞弧激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)射出紫外光,主要是模擬雨水或露水以及太陽(yáng)光中的紫外能量.熒光紫外燈老化試驗(yàn)?zāi)M性較差,但加速倍率很高,可以在較短時(shí)間獲得塑料的耐候性能.塑料熒光紫外燈老化試驗(yàn)方法可參考gb/t16422.3e引,iso4892.3e,astmg154e,其中g(shù)b/t16422.3等效于iso4892.3.1.3.1試樣試樣的制備,數(shù)量,狀態(tài)調(diào)節(jié)可參照氙燈老化試驗(yàn).1.3.2試驗(yàn)條件常用的熒光紫外燈有2種,分別是uva340燈和uvb313燈,輻照強(qiáng)度分別是0.77w/m?nm和0.63w/m?nm,a燈的輻

12、照強(qiáng)度比b燈高,可根據(jù)試驗(yàn)要求選用不同的燈.2007年第36卷第2期合成材料老化與應(yīng)用37試驗(yàn)過(guò)程是一個(gè)循環(huán)過(guò)程,gb/t16422.3中有2種試驗(yàn)條件供選用:(1)試樣在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度(603)下輻照暴露4h或8h,然后在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度(503)下無(wú)輻照冷凝暴露4h;(2)試樣在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度(503),空氣相對(duì)濕度105%條件下輻照暴露5h,然后在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度(203)下繼續(xù)輻照暴露并噴水1h.上面2種試驗(yàn)條件中,第1種較常用,astmg154中試驗(yàn)條件見(jiàn)下表.表1astmg154熒光紫外燈人工氣候老化試驗(yàn)條件1.3.3試驗(yàn)過(guò)程把試樣放人試驗(yàn)箱,試樣在試樣架上不應(yīng)受任何外加應(yīng)力的作用,當(dāng)試樣沒(méi)有裝滿(mǎn)試樣

13、架時(shí),要用空白板填滿(mǎn)剩下的空位,以保持箱內(nèi)的試驗(yàn)條件穩(wěn)定.啟動(dòng)試驗(yàn)箱,設(shè)定好試驗(yàn)條件,并記錄開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)間.試樣在試驗(yàn)過(guò)程中,要定期觀察試樣以及試驗(yàn)條件的變化,在整個(gè)試驗(yàn)期間要保持規(guī)定的試驗(yàn)條件恒定.2塑料材料及其制品老化性能評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)塑料性能有很多方法,如外觀,物理力學(xué)性能,電性能,熱性能,阻燃性能等,可按照gb/t15596【ls,對(duì)塑料進(jìn)行老化性能的評(píng)價(jià),常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有外觀變化以及物理力學(xué)性能的變化.外觀變化包括顏色改變,有無(wú)龜裂,粉化等;物理力學(xué)性能變化主要有拉伸強(qiáng)度,斷裂伸長(zhǎng)率,沖擊強(qiáng)度(包括懸臂梁和簡(jiǎn)支梁)及彎曲強(qiáng)度等變化.2.1外觀變化2.1.1顏色變化塑料在貯存和使用過(guò)程中,

14、其顏色會(huì)發(fā)生變化,顏色變化大,說(shuō)明其耐候性差.塑料老化前后顏色的變化可用目測(cè)法和儀器法來(lái)評(píng)定.(1)目測(cè)法按gb250【19對(duì)塑料進(jìn)行顏色變化的評(píng)價(jià),可用灰色樣卡對(duì)塑料進(jìn)行變色評(píng)級(jí),級(jí)別有5級(jí)9檔,分別是5,45,4,34,3,23,2,12,1,其中5級(jí)表示試樣完全未變色,1級(jí)表示試樣完全變色.對(duì)于塑料材料及制品評(píng)定其顏色變化,應(yīng)根據(jù)具體要求而定,有些是規(guī)定老化時(shí)間和變色級(jí)別.如gb/ti1793.2中規(guī)定pvc塑料窗型材經(jīng)過(guò)不少于500h(內(nèi)窗)或1000h(外窗)的氙燈老化試驗(yàn)后,變色評(píng)級(jí)不應(yīng)低于3級(jí).對(duì)于大多數(shù)塑料來(lái)說(shuō),老化后變色評(píng)級(jí)在3級(jí)以上(包括3級(jí)),其耐候性較好;3級(jí)以下,耐候

15、性較差.(2)儀器法可用色差儀測(cè)定試樣顏色變化程度,測(cè)定色差可參照gb/t/921-2,用色差儀可直接測(cè)出試樣老化后的色差,色差越大表示試樣變色越嚴(yán)重.gb250給出了變色評(píng)級(jí)與色差之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表2.在評(píng)價(jià)塑料老化后顏色變化時(shí),可用灰色樣卡評(píng)定變色級(jí)別或色差儀測(cè)定色差,變色評(píng)級(jí)帶有一定的主觀性,而色差是比較客觀反映顏色的變化,在進(jìn)行顏色變化評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)根據(jù)材料要求選擇評(píng)價(jià)方法.38劉冠文等塑料人工氣候老化試驗(yàn)表2變色級(jí)別與色差之間對(duì)應(yīng)關(guān)系2.1.2其它外觀變化除通過(guò)顏色變化評(píng)價(jià)塑料的老化性能外,還可通過(guò)試樣有無(wú)龜裂,粉化,脆化,斑點(diǎn),起泡等外觀變化評(píng)價(jià)塑料的耐候性能.如gb/t17794中規(guī)

16、定柔性泡沫橡塑絕熱制品氙燈老化150h后,要求輕微起皺,無(wú)裂紋,無(wú)針孔,不變形.2.2力學(xué)性能變化從力學(xué)性能評(píng)價(jià)塑料的老化性能,主要是通過(guò)塑料老化后力學(xué)性能的保持率.試樣性能保持率可按下式計(jì)算:p0100%p1=未?00%p0一以初始值計(jì)算的性能保持率,%;p一以對(duì)照值計(jì)算的性能保持率,%;x0一初始性能值;x一避光貯存了相應(yīng)老化時(shí)間后的對(duì)照試樣的性能值;x一老化試驗(yàn)后性能值.一般塑料材料及其制品以力學(xué)性能下降至50%時(shí)的時(shí)間,作為其使用壽命.有些材料及制品也有其規(guī)定的指標(biāo)要求,不同塑料的老化性能評(píng)價(jià)指標(biāo)也不同,有些是對(duì)拉伸強(qiáng)度有指標(biāo)要求,如gb/t176412中規(guī)定裂膜絲機(jī)織土工布經(jīng)過(guò)氙燈老

17、化500h后,強(qiáng)度保持率i>70%;有些是對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都有要求,如bb/t0011中規(guī)定聚乙烯低發(fā)泡防水阻隔薄膜經(jīng)過(guò)熒光紫外燈(uvb燈)老化200h后,拉伸強(qiáng)度保持率80%,斷裂伸長(zhǎng)率保持率i>50%;也有些是對(duì)沖擊強(qiáng)度有指標(biāo)要求,如gb/t11793.2中規(guī)定pvc塑料窗型材經(jīng)過(guò)不少于500h(內(nèi)窗)或1000h(外窗)的氙燈老化試驗(yàn)后,簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度保持率不低于70%.2.3其它性能變化其它性能的變化包括尺寸,密度,質(zhì)量變化,電性能(表面電阻率,體積電阻率,擊穿電壓,介質(zhì)損耗角正切)變化,熱性能(維卡軟化點(diǎn)溫度,熱變形溫度)變化,熔體流動(dòng)速率變化,分子量變化以及化學(xué)

18、變化等.3塑料自然氣候老化與人工氣候老化的相關(guān)性塑料自然氣候老化與人工氣候老化的相關(guān)性是十分復(fù)雜的,自然氣候時(shí)時(shí)刻刻在變化,塑料在放置和使用過(guò)程中除受到自然氣候因素影響外,在使用過(guò)程中還受到許多人工因素的影響.人工氣候老化試驗(yàn)的試驗(yàn)條件在試驗(yàn)開(kāi)始前設(shè)定,在試驗(yàn)過(guò)程中很少更改,而且試驗(yàn)箱內(nèi)的試驗(yàn)條件要比自然氣候條件簡(jiǎn)單,目前自然氣候老化與人工氣候老化的相關(guān)性沒(méi)有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以及準(zhǔn)確的關(guān)系.人工氣候老化試驗(yàn)強(qiáng)化了自然氣候條件,加速了塑料的老化,可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得塑料的耐候性能,但要推斷其使用壽命,還需要與自然氣候老化試驗(yàn)相結(jié)合.可對(duì)塑料分別進(jìn)行自然氣候老化試驗(yàn)與人工氣候老化試驗(yàn),通過(guò)比較其性能變

19、化與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系,找出兩種試驗(yàn)方法的相關(guān)性關(guān)系式.這種相關(guān)性關(guān)系式較常用的主要有以下2種:(1)性能變換系數(shù)(ra)a,rara一某一規(guī)定時(shí)間內(nèi),自然氣候老化試驗(yàn)與人工氣候老化試驗(yàn)的性能變化之比;a一某一規(guī)定時(shí)間內(nèi),自然氣候老化試驗(yàn)的性能變化;a一某一規(guī)定時(shí)間內(nèi),人工氣候老化試驗(yàn)的性能變化.(2)時(shí)間變換系數(shù)(r),t1rtr,一自然氣候老化試驗(yàn)與人工氣候老化試驗(yàn)在性能上達(dá)到某一預(yù)先規(guī)定值時(shí),所需時(shí)間之比:t一自然氣候老化試驗(yàn)在性能上達(dá)到預(yù)先規(guī)定2007年第36卷第2期合成材料老化與應(yīng)用39值時(shí),所需時(shí)間;t:一人工氣候老化試驗(yàn)在性能上達(dá)到預(yù)先規(guī)定值時(shí),所需時(shí)間.時(shí)間變換系數(shù)表示塑料性能變化

20、相同時(shí),人工氣候老化試驗(yàn)時(shí)間與自然氣候老化試驗(yàn)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可用相關(guān)性關(guān)系式評(píng)價(jià)塑料的耐候性以及推算其使用壽命.這種方法計(jì)算方便,直觀,用得較為普遍.塑料種類(lèi)繁多,每種塑料材料的分子結(jié)構(gòu)不同,其老化過(guò)程也不一樣,另外設(shè)定的試驗(yàn)條件不同得到試驗(yàn)結(jié)果也不同,因此用相關(guān)性關(guān)系式推算使用壽命時(shí),要推算壽命的材料必須是與得到相關(guān)性關(guān)系式所用的材料相同,試驗(yàn)條件也要相同.不能把從某種材料中得到的相關(guān)性關(guān)系式套用到全部塑料上,否則得出的結(jié)論必然是錯(cuò)誤的.由于自然氣候的復(fù)雜多變,塑料在使用過(guò)程中也是千變?nèi)f化的,用人工氣候老化試驗(yàn)推算出來(lái)的使用壽命只能作為參考,不能把推算壽命作為實(shí)際使用壽命.4結(jié)束語(yǔ)人工氣候

21、老化試驗(yàn)可以在較短時(shí)間內(nèi),獲得近似于自然氣候老化試驗(yàn)的結(jié)果,可以快速對(duì)塑料的耐候性能作出評(píng)價(jià),有利于新材料的研制與開(kāi)發(fā).自然氣候老化試驗(yàn)結(jié)果與人工氣候老化試驗(yàn)結(jié)果存在粗略的相關(guān)性,可利用相關(guān)性關(guān)系式粗略推算塑料的使用壽命,對(duì)指導(dǎo)塑料的生產(chǎn)與使用有重要意義.參考文獻(xiàn)lgb/t16422.41996塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法第4部分:開(kāi)放式碳弧燈2iso4892.41994plasticsmethodsofexposuretolaboratorylightsourcespart4:openflamecarbon-arclamps3astmg1522005standardpracticeforope

22、ratingopenflamecarbonarclightapparatusforexpo-sureofnonmetallicmaterials4astmg153-2004standardpracticeforoperatingenclosedcarbonarclightapparatusforexposureofnonmetallicmaterials5hirt,r.c.andsearle,n.z.,app.symp.no.4,interscience,1967,636hirt,r.c.,schmitt,r.g.,searle,n.d.&sullivan,a.p.j.opt.soc.am.501960,7067topffer,h.,me1.text.39,1958,12468boettner,e.a.&miedler,l.j.,app1.opt.2,1963,1059gb/t16422.21996塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第2部分:氙弧燈loiso4892.21994plasticsmethodsofexposuretolaboratorylightsourcespart2:xenonaresource$11astmg155-2005standardpracticeforoperat?ingxenonarclightapparatusforexposureo