氣候和陽光輻照是損害涂料、塑料、油墨及其它高分子材料的主要原因，這種損害包括失光、褪色、黃變、開裂、脫皮、脆化、強度降低及分層，即使是室內的光及通過玻璃窗透射的太陽光也都會使一些材料老化，比如引起顏料、染料等褪色或變色。太陽光譜輻射中造成材料老化的主要是紫外線輻射。

 

       太陽光由紫外線、紅外線和可見光組成，其中可見光有七種顏色，分別是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。

 

       太陽光，廣義的定義是來自太陽所有頻譜的電磁輻射。在地球，陽光顯而易見是當太陽在地平線之上，經過地球大氣層過濾照射到地球表面的太陽輻射，則稱為日光。當太陽輻射沒有被云遮蔽，直接照射時通常被稱為陽光，是明亮的光線和輻射熱的組合。

 

 

圖| 電磁波頻譜

 

       一：紫外線波段劃分及老化原理

 

       1、UVA 波段

 

       波長 320～400 nm，又稱為長波黑斑效應紫外線。它有很強的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的長波紫外線有超過 98 % 能穿透臭氧層和云層到達地球表面。

 

       2、UVB 波段

 

       波長 280～320 nm，又稱為中波紅斑效應紫外線。中等穿透力，它的波長較短的部分會被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外線大部分被臭氧層所吸收，只有不足 2 % 能到達地球表面，在夏天和午后會特別強烈。

 

       3、UVC 波段

 

       波長 200～275 nm，又稱為短波滅菌紫外線。它的穿透能力最弱，無法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收。紫外線殺菌燈發出的就是 UVC 短波紫外線。

 

       4、UVD 波段

 

       波長 100～200 nm，又稱為真空紫外線。波長越長，能量是越低的。

 

       輻照的能量能使材料本身分子間的化學鍵斷裂，使得材料出現光澤度減弱，粉化，斷裂等老化現象。

 

 

圖| 太陽光輻射對材料分子化學鍵的影響

 

       二、老化三要素

 

       導致材料老化的因素主要有三類，它們分別是：

 

       1、太陽光 Sunlight；

 

       2、溫度 Temperature；

 

       3、潮濕 Moisture。

 

 

圖| 三要素對制品老化的影響

 

       上圖曲線圖從上到下顯示：

 

       第一條曲線：只有濕度，沒有光照對制品老化光澤度的影響曲線，隨著時間推進，光澤度變化不明顯。

 

       第二條曲線：只有 UV 照射，白天加黑夜干燥的情況下，光澤度變化曲線。

 

       第三條曲線：完全 UV 照射，不分白天黑夜，制品光澤度變化曲線。

 

       第四條曲線：UV 照射加濕度，制品光澤度變化曲線。

 

       結論：只有 UV 一直照射制品，時間久了制品表面會形成一種保護層不再老化。潮濕環境下會出現熱脹冷縮，制品會老化更快，如果有噴淋的話，對制品表面有沖擊力，破壞這個保護層，致使老化現象更明顯，這樣的協同作用更接近現實室外天氣環境。

 

       下圖的數據列表是參照測試標準 ISO4892-3 進行的實驗室內紫外暴曬實驗，相當于國內的標準 GB/T16422-3。

 

 

 

       上圖表格中紅色線條圈出的測試條件為：8 小時光照、15 分鐘噴淋，3 小時 45 分鐘冷凝，12 小時一個循環。

 

       三、實驗室中的各種老化測試介紹

 

       （一）UV 老化問：UV 燈管類型有哪些？

 

       共有兩種類型的 UV 燈管：UVA-340，UVB-313。

 

       問：不同類型的 UV 燈管用途有何不同？

 

       UVA-340：模擬陽光中的紫外線部分，主要用于戶外產品的光老化試驗。最接近日光照射室外紫外輻射。

 

       UVA-351：用于模擬穿過窗玻璃的陽光的紫外線部分，主要用于室內。

 

       UVB-313：廣泛應用于耐久性材料的快速、節省的測試，會加速材料的老化。

 

       （二）UVA 老化

 

       實驗室 UVA-340 燈的輻照度：

 

       0.68W/m²@340nm：相當于夏季正午的陽光，得到快速的效果；

 

       1.38W/m²@340nm：兩倍于太陽最大值，得到快速的效果；

 

       0.35W/m²@340nm；相當于三月/九月的日光，適合普通測試或較低 UV 光強的測試。

 

       （三）UVB 老化

 

       實驗室 UVB-313 燈的輻照度：

 

       0.67W/m²@340nm；

 

       1.23W/m²@340nm：非常快速的測試，應用于質量控制或耐久性好的材料測試；

 

       0.48W/m²@340nm：UVB-313 燈管執行 SAE J2020 標準時的長時間光照。

 

       （四）氙燈老化

 

 

圖| 氙燈老化箱

 

 

圖| 氙燈老化測試箱內部結構

 

       1、氙燈老化

 

       Q-SUN 氙燈試驗箱的氙弧燈可以最真實地再現全光譜太陽光，包括紫外線、可見光和紅外線。對于許多材料的測試需要將其曝露在全光譜下，以提供準確的模擬，特別是在色牢度測試和耐光性測試中。氙弧燈光源必須經過適當過濾，才能得到特定需求的光譜。光譜的差異可能影響樣品老化的速度和類型（氙燈老化箱里面配備濾光器）。

 

       2、氙燈老化-濾光器

 

       A、日光濾光器

 

       日光濾光器用來模擬戶外直射陽光。它與大多數的戶外應用環境具有最佳的相關性。通常在戶外使用的材料，如屋頂或戶外涂料，應使用日光濾光器進行測試。Q-SUN 氙燈試驗箱有三種不同類型的日光濾光器可選：Daylight-F、Daylight-Q 和 Daylight B/B。

 

       B、窗玻璃濾光器

 

       窗玻璃濾光器模擬窗玻璃透射陽光。該光譜還可模擬一些室內照明，如典型的商業或辦公場所的光照環境。窗玻璃濾光器用于測試室內材料，如印刷材料或紡織品。具有四種不同的窗玻璃濾光器：Window-Q、Window-B/SL、Window SF-5 和 Window-IR。

 

       C、紫外延展濾光器

 

       紫外延展濾光器允許在自然太陽光正常截止點以下的紫外光通過。該濾光器用于提供更快更嚴酷的測試條件。紫外延展濾光器被指定用于一些汽車、航空領域的測試。Q-SUN 有兩種紫外延展濾光器可選：Extended UV-Q/B 和 Extended UV-Quartz。

 

       四、實驗室老化實驗模擬測試時間與大自然環境時間的相關性

 

       首先，老化的機理比較復雜，通常認為陽光中紫外光段是導致高分子材料老化的主要因素，但是紫外光所有引起的老化又不是線性的，見下圖：

 

 

圖| 暴曬時長和老化的關系

 

       結論：上圖可以看出，前 1300 小時的輻照對材料的影響幾乎很小，但是 1300 小時以后，老化是加速的。

 

 

圖| 亞利桑那州&佛羅里達州兩地暴曬時長和制品老化的關系

 

       圖中細線是亞利桑那州的自然老化數據，虛線是佛羅里達州的自然老化數據，差別極其巨大。

 

       綜上所述，籠統的要求實驗室老化和自然老化的比較其實是個偽命題。必須指明什么條件的實驗室老化（輻射強度、循環模式）和某個地域的戶外自然老化。而且，沒有理論換算公式，不同的地域的老化時間的換算都應該是通過試驗獲取的經驗數據！

 

       比如，根據美國一項試驗，UVA-340 輻照，1.35W/m²@340nm，4H光照/4H 冷凝，黑標 50 ℃ 的測試條件，其 2000 小時的測試結果與亞利桑那州 2 年自然老化數據比較吻合，但我們不能說，1000 H 測試相當于 1 年的自然老化。

 

       五、UV 紫外老化試驗箱中多長時間的測試相當于戶外暴曬一年

 

       為什么我們不管使用多么先進、多么可靠性高的 UV 紫外線耐氣候設備都無法得出上面的數據？那時因為材料所放置的大自然環境中存在下列幾點的不確定性：

 

       1、戶外曝曬場的地理緯度（越靠近赤道，紫外線越強），海拔高度（海拔越高意味著紫外線越強）。所以面對使用在不同地域的同類產品所試驗的要求也不一樣。

 

       2、當地的地理環境，例如風速會影響測試樣品的風干程度或接近水源的地方會促進露水的形成。（常規的標準型 UV 紫外線耐氣候試驗箱是沒有風速要求的，試驗箱存在的風是給加熱管散熱的熱風，但是其風速是不可控的。）

 

       3、由于每年的氣候不同，同一地區次年天氣對樣品的影響有可能是上一年的 2 倍。

 

       4、季節的影響，比如，冬天的戶外氣候對試樣的破壞作用和夏季強烈的陽光和紫外線對試樣的破壞程度有很大的差異。

 

       5、樣品的朝向（偏南 5 度和正北就有很大不同）。

 

       6、樣品的絕緣與否。

 

       7、試驗箱的測試周期（紫外線光照時間以及冷凝潮濕時間）。

 

       8、試驗箱的操作溫度（溫度越高，老化越快），可根據實際的試樣試驗需求在試驗箱上設定不同的溫度，一般標準的試驗箱的溫度可設定為常溫到 70 ℃。

 

       所以談論 UV 紫外試驗箱和戶外曝曬長度之間的換算條件是沒有任何意義的。原因是 UV 紫外線試驗箱中的環境是恒定的，而試樣所存在的大自然環境則是千變萬化沒有規律可循的。

 

       六、紫外老化試驗箱與自然老化對比換算的矛盾

 

       其實，二者之間是沒有什么換算關系的，無論從高分子材料的老化機理，還是紫外老化試驗箱的設備老化原理角度看，二者絕無固定的換算關系。這是由于自然氣候變化多端，人工氣候箱無法完全模擬，因此國內外到目前為止還沒有標準描述其換算關系。

 

       天氣數據是相對性的數據，高分子材料的結構和物化性質又是千差萬別，不可能存在固定的換算關系。不過，我們還是可以從紫外老化試驗箱等人工加速老化試驗得到老化測試數據，只不過該數據是相對數據，而不是絕對數據，因為紫外老化試驗箱等人工光源的加速老化試驗有如下局限性：

 

       1、紫外老化試驗箱等人工光源加速老化試驗的光波分布與實際的自然環境日光分布不完全一致，紫外老化試驗箱中創造的氣候條件與實際大氣的氣候條件有較大差異。

 

       2、紫外老化試驗箱等人工光源加速老化試驗無法模擬出大氣的工業污染和其它許多因素對塑料的損害，因而也無法模擬出這些多種因素聯合作用時的協同效應。

 

       3、紫外老化試驗箱等人工光源加速老化試驗在比大氣自然老化較高的溫度下進行，常常會引起塑料等高分子材料產生與大氣自然老化時不完全相同的變化過程。比如，紫外老化試驗中溫度控制在 55 ℃ 以上，濕度 95 %，以及黑暗和噴淋等時間的設置都是很激烈的過程，和自然環境的變化相對溫和不同。

 

       4、同一種高分子材料中高分子結構并不全部一樣，高分子材料的性能也存在性能均一性的問題（即批次質量差別），有時候微小的結構的差別可能導致與自然環境對比的老化性能差別很大。

 

       以上幾點局限性使人工加速老化試驗的結果很難與大氣自然老化結果取得對應的準確可靠的換算關系，人們很難回答在人工老化試驗中試樣暴露單位時間會相當于實際的大氣自然老化中暴露多長時間，也很難找到不同加速老化試驗方法所取得結果之間的準確換算關系。

 

       轉自——鏈塑網公眾號

 

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