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材料老化测试中遇到的问题及解决方法

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发表于 2017-10-18 11:08:30 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
塑料、橡胶、涂料等高分子材料在使用过程中会遇到老化的问题。为评价高分子材料的耐老化性能,逐渐形成了两类老化试验方法:

一类是自然老化试验方法,即直接利用自然环境进行的老化试验;另一类是人工加速老化试验方法,即在实验室利用老化箱模拟自然环境条件的某些老化因素进行的老化试验。由于老化因素的多样 性及老化机理的复杂性,自然老化无疑是最重要最可靠的老化试验方法。

但是由于自然老化周期相对较长, 不同年份、季节、地区气候条件的差异性导致了试验结果的不可比性;而人工加速老化试验模拟强化了自然气候中的某些重要因素,如阳光、温度、湿度、降雨等,缩短了老化试验的周期,且由于试验条件的可控性,试 验结果再现性强。人工老化作为自然老化的重要补充,正广泛运用于高分子材料的研究、开发、检测中。在人工加速老化的试验过程中,人们普遍会关心以下几个问题:应该选择什么样的试验条件,进行多长时间 的试验;该选择什么指标来评价该产品的老化性能。本文试图针对这些问题对人工加速老化试验进行一些探讨。

1 人工加速老化试验条件的选择
这个问题实际上可以理解为应该模拟哪些老化因素,高分子材料在使用过程中,气候环境里许多因素都有可 能对高分子材料的老化产生作用。如果事先知道产生老化的主要因素,就可以有针对性的选择试验方法。我们 可以从该材料的运输、储存、使用环境以及其老化机理等方面考虑,确定试验方法。例如硬聚氯乙烯型材,使 用聚氯乙烯为原料,添加稳定剂、颜料等助剂加工而成,主要用于室外。从聚氯乙烯的老化机理考虑,聚氯乙 烯受热易分解;从使用环境考虑;空气中的氧、紫外光、热、水分都是引起型材老化的原因。因此,GB/T8814-2004 《门、 窗用未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 型材》 中, 既规定了光氧老化试验方法, 采用 GB/T 16422.2 《塑料实验室光源曝露试验方法第二部分:氙弧灯》老化 4000h 或 6000h,模拟了室外紫外光及可见光、温度、 湿度、降雨等因素,同时又规定了热氧老化项目:加热后状态,150℃放置 30min,目测观察是否出现气泡、裂 纹、麻点或分离现象,以考察型材的耐热性能。又如我国在国际市场上有竞争力的一个产品:外贸出口鞋。在 使用过程中,阳光中的紫外线是引起鞋子变色、褪色的主要原因,因此,有必要用紫外灯箱对其进行耐黄变测 试。常用的鞋类耐黄变试验箱采用 30WUV 灯,样品离光源 20cm,照射 3h 后观察颜色变化。同时,在运输过 程中,集装箱内闷热、潮湿的恶劣环境会引起鞋面、鞋底、胶水的变色、斑点,甚至是变质。因此,在装船运 输之前,有必要考虑进行耐湿热老化试验,模拟集装箱内高热、高湿环境,在 70℃、95%相对湿度的条件下, 进行 48h 试验后观察外观、颜色变化。

2 人工加速老化光源的选择
实验室光源曝露试验因为可以在一个试验箱中同时模拟大气可见环境中的光、氧、热和降雨等因素,是目前 较为常用的一种人工加速老化试验方法,在这些模拟因素中,又以光源最为重要。经验表明,阳光中引起高分 子材料破环的波长主要集中在紫外线及部分可见光。目前使用的人工光源都力图使在此波长区间内的能谱分布 曲线与太阳光谱接近,模拟性和加速倍率是选择人工光源的主要依据。经历了约一个世纪的发展,实验室光源 已有封闭式碳弧灯、阳光型碳弧灯、荧光紫外灯、氙弧灯、高压汞灯等各种光源供选择。国际标准化组织(ISO) 中与高分子材料相关的各技术委员会主要推荐使用阳光型碳弧灯、荧光紫外灯、氙弧灯三种光源。

2.1 氙弧灯
目前认为,已知的人工光源中氙弧灯的光谱能量分布与阳光中紫外、可见光部分最相似。通过选择合适的滤光片,可以滤去大部分到达地面阳光中存在的短波辐射。氙灯在 1000nm~1200nm 近红外区存在很强的辐射峰, 会产生大量的热。因此,须选择合适的冷却装置带走这部分能量。目前,市面上氙灯老化试验装置有两种冷却 方式:水冷式和风冷式。一般来说,水冷式氙灯装置冷却效果要优于风冷式,同时结构也较为复杂,价格也比 较昂贵。由于氙灯紫外线部分能量较另两种光源增加较少,在加速倍率方面是最低的。

2.2 荧光紫外灯
从理论上说,300nm~400nm 的短波能量是引起老化的主要因素。如果增加这部分能量,就能达到快速试验的 效果。荧光紫外灯的光谱分布主要集中在紫外光部分,因此,可以达到较高的加速倍率。然而,荧光紫外灯不 仅使自然日光中的紫外线能量增加,同时还有在地球表面测量时自然日光中没有的辐射能量,而这部分能量会 引起非自然的破坏。另外荧光光源除了很窄的水银光谱线外,没有高于 375nm 的能量,这样对较长波长的 UV 能量敏感的材料就可能不会出现曝晒在自然日光下那样变化。由于这些固有缺陷会导致得出不可靠的结果。因 此,荧光紫外灯的模拟性较差。但是,由于它的加速倍率高,通过选择合适型号的灯管可实现对特定材料的快速筛选。

2.3 阳光型碳弧灯
阳光型碳弧灯目前在我国应用得较少,但它在日本是广泛使用的光源,大部分 JIS 标准都采用阳光型碳弧灯。 我国许多与日本合资的汽车企业仍推荐使用这种光源。阳光型碳弧灯光谱能量分布也较接近于太阳光,但在 370nm-390nm 紫外线集中加强,模拟性不及氙灯,老化试验速率介于氙灯及紫外灯之间 。

3 试验时间的确定

3.1 参照相关产品标准规定
相关产品标准里已经对老化试验的时间作出了规定,我们只需查找到相关标准,按里面规定的时间执行就行 了。许多国家标准、行业标准中都对此作出了规定。

3.2 根据已知的相关性推算
研究表明: 通过颜色和变黄指数变化来评价 ABS 的颜色稳定性, 人工加速老化与自然大气暴露有较好的相关 性,加速倍率约为 7。如果想了解某一 ABS 材料户外使用一年后的颜色变化,采用相同的试验条件,可以参考 该加速倍率,确定加速老化时间 365x24/7=1251h。 长期以来,国内外就相关性间题展开了大量的研究,得出了许许多多的换算关系式。然而,由于高分子材料 的多样性,加速老化试验设备及方法的不同,不同时间、地区气候的差异性导致了换算关系的复杂化。因此, 在选择换算关系时,一定要注意得出该相关性的具体材料、老化设备、试验条件、性能评价指标等因素。

3.3辐射总量
控制人工加速老化辐射总量与自然暴露辐射总量相当对于某些既无相应标准规定,又无处参考相关性的产品, 可以考虑其实际使用环境的辐射强度,控制人工加速老化辐射总量与自然暴露辐射总量相当。

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