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非金屬材料紫外光老化試驗方法與標準研究

已被閱讀302次 2021-04-02

塑料、橡膠和涂料等非金屬材料在使用的過程中常常會受到溫度、濕度和光照等氣候環境因素的影響,從而使得其外觀褪色和性能下降。最終影響產品的使用壽命,研究塑料和橡膠等材料的耐久性,是生產制造過程中不可或缺的重要環節,因此需要開展實驗室人工老化試驗對其進行優選。目前,常用的人工老化試驗方法通常是采用氙燈老化試驗箱、紫外老化試驗箱和碳弧燈老化試驗箱等老化試驗箱對材料進行耐老化試驗,其中紫外光老化試驗模擬了太陽光中的能量最強的紫外光部分,能夠快速地評價非金屬材料的耐候性。

紫外老化試驗箱可模擬紫外光照、溫度、凝露、黑暗和干濕交替等諸多戶外環境條件,可在保證加速性的基礎上,提高試驗結果與實際使用環境的相關性,加速性和相關性的好壞往往取決于試驗條件的確定是否合理。因此,本文對紫外光老化試驗的主要方法及引用標準進行了評述,并初步擬定了試驗條件的確定原則和過程,以期為相關人員今后開展紫外光老化試驗提供一定的指導。

紫外光老化試驗概述

紫外光波長介于200-400nm之間,光子能量與其波長成反比,波長不同,光能量也不樣,各一波長的光對應的能量值如表1所示。

光的吸收是以光量子為單位進行的,分子一瞬間只能獲得一個光量子,所以光的能量的大小決定了分子吸收能量的多少,當吸收的能量大于高分子材料化學鍵的鍵能時,高分子材料發生降解。高分子材料中典型的化學鍵的鍵能如表2所示。

由表1和2可知,太陽光中紫外線部分可導致高分子材料中的C-C、C-N和C-O鍵等主要化學鍵發生斷裂,造成高分子材料的老化破壞。

紫外光老化試驗通過模擬太陽光的紫外光照射來考核高分子材料的耐老化性能,其試驗效果的好壞與燈源的選擇密切相關。目前常用的紫外光源包括UVA-340、UVA-351和UVB-313 ,其中,UVA-340燈源主要模擬太陽光中的短波紫外線部分(300-340 nm); UVA-351燈源主要模擬太陽光中透過玻璃后的短波紫外線,其輻射能量峰值在351nm處;UVB-313燈源的光譜主要集中在280-360nm,其低于300nm的輻射占總輻射量的百分比大于10%,與太陽光中的紫外部分差別較大,容易引起在實際使用環境中不存在的老化,試驗結果與實際使用相關性較差,主要用于快速篩選材料和評價材料的耐紫外線性能。

紫外光老化試驗可選擇多種試驗程序,包括連續暴露、紫外、冷凝和、噴淋等。在試驗透過玻璃的紫外線對材料的影響時,常采用連續暴露的方式進行試驗,例如汽車內飾材料、油墨或靠近窗邊的聚合物材料等;紫外/冷凝試驗程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和夜間冷凝戶外環境條件,主要考察在相對濕度大、晝夜溫差較大的地區使用的非金屬材料的耐候性;紫外/噴淋試驗程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和淋雨類戶外環境因素,主要考察在多雨地區使用的非金屬材料的耐候性,可參考文章戶外曝曬和紫外老化箱兩種試驗的相關性。

此外,紫外光老化試驗常常與其他的環境試驗組合開展,例如:與鹽霧試驗組合來評價海洋大氣環境下各類非金屬材料的耐候性;與濕熱試驗組合來考察復合材料的耐候性。

紫外光老化試驗標準

目前,國內外紫外光老化試驗的參照標準很多,其中美國材料與試驗協會(ASTM)標準在相關術語、儀器操作規范、試驗方法和實施慣例等方面做出了規定,適用材料的范圍較廣,對試驗實施的指導性較強。常見的紫外光老化試驗相關標準可以參考鏈接:常見紫外老化試驗標準。

其中ASTM標準針對涂層、塑料、橡膠、油墨、膠黏劑和瀝青等不同種類的非金屬材料的紫外光老化試驗都做出了具體的規定,在實際操作中用戶可根據材料的種類、使用環境和考核目的來選用標準,操作性強。

紫外光老化試驗條件的確定

1.常用的紫外光老化試驗條件

ASTM相關標準列舉了一些紫外光老化試驗典型的試驗條件,并對其適用范圍做出了規定,詳細內容如表3所示。

在實際應用的過程中,可參照以上試驗條件進行,也可根據使用環境、產品特點和試驗目的做出相應的調整。

2.紫外光老化試驗條件的確定原則

1)充分地了解非金屬材料的實際服役環境

與其他實驗室人工環境試驗一樣,制定紫外光老化的循環過程時,需要充分地了解材料的使用環境及對材料具有影響的環境因素。

2)分析材料的種類和組成

由于材料的化學成分和結構不同,因而其敏感環境因素和忤響過程也會有所不同,因此,試驗過程中需要根據高汾子材料的類型來選用不同的試驗程序及條件。

3)以現有的標準為基礎,減少試驗條件制定的盲目性

紫外光老化試驗條件的確定過程

1.燈源的選擇

紫外光老化試驗的燈源的選擇與材料的使用環境、試驗目的有關??疾鞈敉猸h境對材料的耐候性,常選用UVA-340燈源;而考察玻璃下材料的耐光老化性能,則選用UVA-351燈源;若要快速篩選材料,則可選且和UVB系列燈源。

2.循環過程的制定

紫外光老化試驗可將紫外光照、冷凝和噴淋等試驗程序進行組合,進而模擬光照、高溫、凝露和淋雨等自然現象,在制定紫外光老化的循環過程時,需要充分地了解材料的使用環境及對材料具有影響的環境因素。

3.溫度的確定

高溫可引起非金屬材料的高溫老化并加速紫外光老化過程,各標準中均推薦了紫外輻照、冷凝和噴淋等各階段的黑板溫度值。

4. 輻照度的確定

目前,紫外光老化試驗通常采用的輻照度的范圍是0.48-1.55W/m2,通常采用使用環境中的最大值。

5.試驗時間的確定

另外,可以考慮材料的使用地區環境的輻射量,控制紫外光老化輻射總量,使其與自然暴露輻射總量相當。

結束語:

本文主要介紹了紫外光老化試驗的部分方法及其相關標準、紫外光老化試驗條件確定的原則及過程,在實際的試驗中,需要紫外老化試驗需要加強與自然環境試驗相關性研究,針對不同的材料類型和使用環境,制定出一系列相關性優的紫外光老化試驗方案,來提升試驗結果的可靠性和一致性。

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