非金属材料紫外光老化试验方法与标准研究

张洪彬，刘雅智，蔡汝山，高军

（1.工业和信息化部电子第五研究所,广东　广州　510610；2.广州韵脉质量技术服务有限公司,广东　广州　510610）



非金属材料紫外光老化试验方法与标准研究

张洪彬1，刘雅智1，蔡汝山1，高军2

（1.工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610；2.广州韵脉质量技术服务有限公司,广东广州510610）

摘要：紫外光老化试验作为一种可以快速地评价非金属材料耐老化性能的方法被广泛地应用。首先,介绍了紫外光老化试验方法及其相关标准；然后,探讨了试验条件的确定方法；最后,指出了国内紫外光老化试验及其标准的不足和发展方向。

关键词：非金属材料；紫外光老化试验；试验方法；试验标准

0　引言

塑料、橡胶和涂料等非金属材料在使用的过程中常常会受到温度、湿度和光照等气候环境因素的影响,从而使得其外观及机械性能下降,最终影响产品的使用寿命[1]。所以,在使用各类非金属材料前,常常需要开展实验室人工老化试验对其进行优选。目前常用的人工老化试验方法包括氙灯老化、紫外光老化和碳弧灯老化等,其中,紫外光老化试验模拟了太阳光中的能量最强的紫外光部分,以“抓主要矛盾”的方式快速地评价非金属材料的耐候性,并得到了广泛的应用。

紫外光老化试验可模拟紫外光照、温度、淋雨、凝露、黑暗和干湿交替等诸多户外环境条件,可在保证加速性的基础上,提高试验结果与实际使用环境的相关性,而加速性和相关性的好坏往往取决于试验条件的确定是否合理。紫外光老化试验条件由光源类型、循环过程、紫外辐照度、温度和试验时间等多个因素组成,用户在试验条件确定及相关标准引用方面常常存在困惑。因此,本文对紫外光老化试验的主要方法及引用标准进行了评述,并初步拟定了试验条件的确定原则和过程,以期为相关人员今后开展紫外光老化试验提供一定的指导。

1　紫外光老化试验概述

紫外光波长介于200～400 nm之间,光子能量与其波长成反比,波长不同,光能量也不一样,各波长的光对应的能量值如表1所示。

表1　不同波长的光的能量值

光的吸收是以光量子为单位进行的,分子一瞬间只能获得一个光量子,所以光的能量的大小决定了分子吸收能量的多少,当吸收的能量大于高分子材料化学键的键能时,高分子材料发生降解。高分子材料中典型的化学键的键能如表2所示。

表2　高分子材料中典型的化学键的键能值[2]

由表1-2可知,太阳光中紫外线部分可导致高分子材料中的C-C、C-N和C-O键等主要化学键发生断裂,造成老化破坏。

紫外光老化试验通过模拟太阳光的紫外光照射来考核高分子材料的耐老化性能,其试验效果的好坏与灯源的选择密切相关。目前常用的紫外光源包括UVA-340、UVA-351和UVB-313 3种,其中, UVA-340灯源主要模拟太阳光中的短波紫外线部分（300～340 nm）；UVA-351灯源主要模拟太阳光中透过玻璃后的短波紫外线,其辐射能量峰值在351 nm处；UVB-313灯源的光谱主要集中在280～360 nm,其低于300 nm的辐射占总辐射量的百分比大于10％,与太阳光中的紫外部分差别较大,容易引起在实际使用环境中使用时不存在的老化,试验结果与实际使用相关性较差,主要用于快速筛选材料和评价材料的耐紫外线性能。

紫外光老化试验可选择多种试验程序,包括连续暴露、紫外/冷凝和紫外/喷淋等。在考察透过玻璃的紫外线对材料的影响时,常采用连续暴露的方式开始试验,例如:汽车内饰材料、油墨或靠近窗边的聚合物材料等；紫外/冷凝试验程序综合地模拟了明暗交替、干湿交替和夜间冷凝这3类户外环境条件,主要考察在相对湿度大、昼夜温差较大的地区（例如:沿海地区）使用的非金属材料的耐候性；紫外/喷淋试验程序综合地模拟了明暗交替、干湿交替和淋雨类户外环境因素,主要考察在多雨地区（例如:云贵地区等）使用的非金属材料的耐候性。

此外,紫外光老化试验常常与其他的环境试验组合开展,例如:与盐雾试验组合来评价海洋大气环境下各类非金属材料的耐候性；与湿热试验组合来考察复合材料的耐候性。

2　紫外光老化试验标准

目前,国内外紫外光老化试验的参照标准繁多,其中美国材料与试验协会（ASTM）标准在相关术语、仪器操作规范、试验方法和实施惯例等方面做出了规定,适用材料的范围较广,对试验实施的指导性较强。紫外光老化试验ASTM的相关标准如表3所示。

从表3可以看出, ASTM中紫外光老化试验的相关标准的数量较多,其中, ASTM G151和ASTM G154为通用标准,对紫外光老化试验设备及常用的3种光源的技术参数进行了规定,并对试验样品制作、试验程序和典型的试验条件进行推荐。另外, ASTM标准针对涂层、塑料、橡胶、油墨、胶黏剂和沥青等不同种类的非金属材料的紫外光老化试验做出了具体的规定,在实际操作中用户可根据材料的种类、使用环境和考核目的来选用标准,操作性强。

表3　紫外光老化试验的ASTM相关标准

国内为涂料、塑料和橡胶等高分子材料也制定了紫外光老化试验标准,具体情况如表4所示。

表4　国内紫外光老化试验相关标准

对比表3和表4可以看出,国内关于紫外光老化试验的标准数量较少,大部分都是等效地采用ISO标准,标准中主要对试验设备、试验样品和试验程序进行了规定,但对试验条件没有做出明确的规定,特别是对紫外辐照度的规定较少,其中, GB/T 15422参照ASTM标准推荐了一些试验条件,但对试验条件的适用范围并未作出规定,因此,在选用过程中会给用户造成困惑。

3　紫外光老化试验条件的确定

3.1常用的紫外光老化试验条件

ASTM相关标准列举了一些紫外光老化试验典型的试验条件,并对其适用范围做出了规定,详细内容如表5所示。

在实际应用的过程中,可参照以上试验条件进行,也可根据使用环境、产品特点和试验目的做出相应的调整。下面给出紫外光老化试验条件的确定原则及过程,以供参考。

3.2紫外光老化试验条件的确定原则

在紫外光老化试验条件确定的过程中,需要遵循以下原则。

a）充分地了解非金属材料的实际服役环境

与其他实验室人工环境试验一样,确定紫外光老化试验的条件时也需要分析非金属材料实际的服役环境,室外使用的材料需考虑温度、湿度、太阳辐照量、空气中污染物浓度和降雨量等因素；玻璃下使用的材料需考虑温度、湿度和太阳辐照量等因素；有条件的可以分析非金属材料在服役过程中的失效模式及机理,进而分析材料的主要敏感环境因素。

表5　紫外光老化试验典型试验条件

b）分析材料的种类和组成

由于材料的化学成分和结构不同,因而其敏感环境因素和影响过程也会有所不同,因此,试验过程中需要根据高分子材料的类型来选用不同的试验程序及条件。例如: ASTM标准规定不同的材料需要采用不同的紫外灯源、辐照度和试验程序,以达到不改变失效机理的情况下提高试验加速性和相关性的目的。

c）以现有的标准为基础,减少试验条件制定的盲目性

紫外光老化试验涉及的因素较多,若无标准的指导,试验条件很难确定,所以试验方案的制定要以现有的标准为基础。

3.3紫外光老化试验条件的确定过程

a）灯源的选择

紫外光老化试验的灯源的选择与材料的使用环境、试验目的有关。考察户外环境对材料的耐候性,常选用UVA-340灯源；而考察玻璃下材料的耐光老化性能,则选用UVA-351灯源；若考察实验室人工老化试验和实际使用环境之间的相关性,则可选用UVA系列灯源；若要快速筛选材料,则可选用UVB系列灯源。

b）循环过程的制定

紫外光老化试验可将紫外光照、冷凝和喷淋等试验程序进行组合,进而模拟光照、高温、凝露和淋雨等自然现象,在制定紫外光老化的循环过程时,需要充分地了解材料的使用环境及对材料具有影响的环境因素。另外,循环过程中各部分试验的时长可根据实际的环境因素统计结果来确定,例如:明暗交替时间可根据日照时长制定,而喷淋程序时间比则可按照降雨时长计算得出。

c）温度的确定

高温可引起非金属材料的高温老化并加速紫外光老化过程,各标准中均推荐了紫外辐照、冷凝和喷淋等各阶段的黑板温度值。黑板温度近似于样件表面的最高温度,黑板温度的选择往往以材料使用当地夏天最高地面温度（接近于试样的最高表面温度）为依据。我国许多地区夏天的最高气温在35～44℃之间,地面最高温度在60～70℃之间,所以,黑板温度可在该区间选择。但一些聚合物（例如: PVC）的老化降解对温度很敏感,这种情况下建议采用较低的黑板温度值[3]。

d）辐照度的确定

目前,紫外光老化试验通常采用的辐照度的范围是0.48～1.55 W/m2,通常采用使用环境中的最大值,例如:国内常推荐使用0.68 W/m2@340 nm,该量值是太阳光在该波长辐照强度的最大值[4]。

可以根据试验的目的适当地提高紫外辐照度,例如: ASTM标准规定,各类涂层的紫外光老化试验采用的辐照度应该为0.83 W/m2或0.89 W/m2,这样既可以提高试验的加速效果,又可以保证在加速的同时保证涂层的失效机理与涂层在实际使用过程中的失效机理相同。

e）试验时间的确定

高分子材料的紫外光老化试验的时间往往由试验目的决定。当优选耐候性较好的材料时,开始可不约定试验时间,将考核的几种材料同时开展试验,试验过程中对材料的各个性能进行测试分析,当几类材料的性能出现较大的变化且趋势固定时,停止试验。

如果试验方法已经和使用环境建立了良好的相关性,则可根据材料的使用寿命和加速倍数计算出试验时间。由于材料的多样性、试验设备及地区气候的差异性导致了相关性的计算比较复杂,所以采用这种方法时要求考核的材料的种类、材料的使用环境和试验设备均与相关性计算时相同。

另外,可以考虑材料的使用地区环境的辐射量,控制紫外光老化辐射总量,使其与自然暴露辐射总量相当。

4　不足及展望

目前,我国的紫外光老化试验及其标准还存在一定的不足,主要体现在以下几个方面。

a）与国外先进的标准相比,我国的紫外光老化试验标准并没有针对不同的试验对象作出不同的规定；并且试验条件的推荐不完整,导致厂家的评价标准不统一,不利于材料选用和市场监管。所以,应根据不同的试验对象和使用环境特点制定相应的试验标准。

b）国内紫外光老化试验标准大部分都是等效地采用国际标准,标准中规定的试验条件与国内的环境条件不相符,所以应加强国内环境条件及影响效应的研究,促进国内环境条件向试验标准条件转化。

c）加强紫外光老化试验与自然环境试验相关性研究,特别是失效机理相关性的研究,针对不同的材料类型和使用环境,制定出一系列相关性优的紫外光老化试验方案,直接用于材料优选及寿命评价。

5　结束语

本文介绍了紫外光老化试验方法及其相关标准,探讨了紫外光老化试验条件确定的原则及过程,并指出了目前国内紫外光老化试验及其标准中的不足及未来的发展方向,以期对国内紫外光老化试验及标准的改进和完善有所裨益。

参考文献：

[1]李晓刚,高谨,张三平,等.高分子材料自然环境老化规律与机理[M] .北京:科学出版社, 2011.

[2]庞凌.沥青紫外老化特性研究[D] .武汉:武汉理工大学, 2008: 19-20.

[3]全国塑料标准化技术委员会.塑料实验室光源暴露试验方法第3部分:荧光紫外灯: GB/T 16422.3-1997 [S] .北京:中国标准出版社, 1998.

[4]陆峰,汤智慧,孙志华,等.航空材料环境试验及表面防护技术[M] .北京:国防工业出版社, 2012.

[5]万里鹏. PVC复合材料的制备及紫外光老化性能研究[D] .武汉:武汉理工大学, 2011.

Research on the Methods and Standards of the UV Aging Test of Nonmetal Material

ZHANG Hong-bin1, LIU Ya-zhi1, CAI Ru-shan1, GAO Jun2
（1. CEPREI, Guangzhou 510610, China；2. Guangzhou Yunmai Quality Technical Service Co., Ltd., Guangzhou 510610, China）

Abstract:UV aging test is widely used as a rapid method to evaluate the aging -resistant performance of nonmetal material. Firstly, the methods and the relevant standards of UV aging test are introduced. And then, the methods of determing the test conditions are discussed. At last, the deficiency and the developing direction of the domestic UV aging test and its standrds are presented.

Key words:nonmetal material；UV aging test；test method；test standard

作者简介：张洪彬（1985-），男，河南商丘人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心工程师，硕士，主要从事环境试验与技术研究工作。

收稿日期：2015-08-25

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.002

中图分类号：TH 145；TB 24

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）01-0006-05