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價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)性中圖分類號: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,貯存和使用過程中,特別是在戶外使用時,長期受光,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,以致最終無法使用.評價塑料的耐候性,知道其使用壽命對塑料生產(chǎn)廠家和用戶來說是非常重要的.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)境中測定其壽命需要幾年甚至更長的時間,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)的性能評價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)一般模擬以上幾個因素,其中太陽光最收稿日期: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,常用的有碳弧燈,氙弧燈(簡稱氙燈),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,有開放式和密封式2種,一般選用開放式碳弧燈.碳弧燈主要是通過2個碳棒電極間形成的碳弧,透過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,國際上有以氙燈光源代替碳弧燈光源的趨勢,普遍認(rèn)為氙燈光源對自然太陽光的模擬性更好.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)和可見區(qū)的光譜能量分布與太陽光的近似.氙燈發(fā)出的輻射經(jīng)過濾光器,過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,如檢測力學(xué)性能,試樣可通過注射,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)試樣的檢測項(xiàng)目以及取樣周期而定,如力學(xué)性能的每個檢測項(xiàng)目檢測試樣一般不少于5個,評定外觀變化試樣一般至少需要1個.c試驗(yàn)前狀態(tài)調(diào)節(jié)試樣制好后,必須經(jīng)過狀態(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)溫度計放在試樣架上與試樣一樣受到氙燈輻照.gb/t16422.2中有2個黑標(biāo)準(zhǔn)溫度可供選用:(65.4-3)o【=,(1003)o【=,試驗(yàn)溫度高時,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,一般來說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,啟動試驗(yàn)箱,設(shè)定好試驗(yàn)條件,并記錄開始試驗(yàn)時間.試樣在試驗(yàn)過程中,要定期觀察試樣以及試驗(yàn)條件的變化,在整個試驗(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)過程是一個循環(huán)過程,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)下無輻照冷凝暴露4h;(2)試樣在黑標(biāo)準(zhǔn)溫度(503),空氣相對濕度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)試樣沒有裝滿試樣

13、架時,要用空白板填滿剩下的空位,以保持箱內(nèi)的試驗(yàn)條件穩(wěn)定.啟動試驗(yàn)箱,設(shè)定好試驗(yàn)條件,并記錄開始試驗(yàn)時間.試樣在試驗(yàn)過程中,要定期觀察試樣以及試驗(yàn)條件的變化,在整個試驗(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價評價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,對塑料進(jìn)行老化性能的評價,常用的評價指標(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,斷裂伸長率,沖擊強(qiáng)度(包括懸臂梁和簡支梁)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程中,

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

15、性較差.(2)儀器法可用色差儀測定試樣顏色變化程度,測定色差可參照gb/t/921-2,用色差儀可直接測出試樣老化后的色差,色差越大表示試樣變色越嚴(yán)重.gb250給出了變色評級與色差之間的對應(yīng)關(guān)系,見表2.在評價塑料老化后顏色變化時,可用灰色樣卡評定變色級別或色差儀測定色差,變色評級帶有一定的主觀性,而色差是比較客觀反映顏色的變化,在進(jìn)行顏色變化評價時應(yīng)根據(jù)材料要求選擇評價方法.38劉冠文等塑料人工氣候老化試驗(yàn)表2變色級別與色差之間對應(yīng)關(guān)系2.1.2其它外觀變化除通過顏色變化評價塑料的老化性能外,還可通過試樣有無龜裂,粉化,脆化,斑點(diǎn),起泡等外觀變化評價塑料的耐候性能.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,無裂紋,無針孔,不變形.2.2力學(xué)性能變化從力學(xué)性能評價塑料的老化性能,主要是通過塑料老化后力學(xué)性能的保持率.試樣性能保持率可按下式計算:p0100%p1=未?00%p0一以初始值計算的性能保持率,%;p一以對照值計算的性能保持率,%;x0一初始性能值;x一避光貯存了相應(yīng)老化時間后的對照試樣的性能值;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%時的時間,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價指標(biāo)也不同,有些是對拉伸強(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)過氙燈老

17、化500h后,強(qiáng)度保持率i>70%;有些是對拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都有要求,如bb/t0011中規(guī)定聚乙烯低發(fā)泡防水阻隔薄膜經(jīng)過熒光紫外燈(uvb燈)老化200h后,拉伸強(qiáng)度保持率80%,斷裂伸長率保持率i>50%;也有些是對沖擊強(qiáng)度有指標(biāo)要求,如gb/t11793.2中規(guī)定pvc塑料窗型材經(jīng)過不少于500h(內(nèi)窗)或1000h(外窗)的氙燈老化試驗(yàn)后,簡支梁沖擊強(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,自然氣候時時刻刻在變化,塑料在放置和使用過程中除受到自然氣候因素影響外,在使用過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)開始前設(shè)定,在試驗(yàn)過程中很少更改,而且試驗(yàn)箱內(nèi)的試驗(yàn)條件要比自然氣候條件簡單,目前自然氣候老化與人工氣候老化的相關(guān)性沒有規(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),通過比較其性能變

19、化與試驗(yàn)時間的關(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)定時間內(nèi),人工氣候老化試驗(yàn)的性能變化.(2)時間變換系數(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,所需時間之比: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,所需時間;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,所需時間.時間變換系數(shù)表示塑料性能變化

20、相同時,人工氣候老化試驗(yàn)時間與自然氣候老化試驗(yàn)時間的對應(yīng)關(guān)系,可用相關(guān)性關(guān)系式評價塑料的耐候性以及推算其使用壽命.這種方法計算方便,直觀,用得較為普遍.塑料種類繁多,每種塑料材料的分子結(jié)構(gòu)不同,其老化過程也不一樣,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,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)論必然是錯誤的.由于自然氣候的復(fù)雜多變,塑料在使用過程中也是千變?nèi)f化的,用人工氣候老化試驗(yàn)推算出來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)束語人工氣候

21、老化試驗(yàn)可以在較短時間內(nèi),獲得近似于自然氣候老化試驗(yàn)的結(jié)果,可以快速對塑料的耐候性能作出評價,有利于新材料的研制與開發(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