塑料常用老化测试方法分析与研究

一、自然暴露老化

自然暴露老化试验是自然环境条件下的进行老化试验。塑料常用的方法有:

1. 大气暴露试验

GB/T3681-2000(neq ISO877:1994)塑料大气暴露试验方法

GB/T17603-1998(等效采用 ASTM D5272-1992)光解性塑料户外暴露试验方法

2. 在玻璃板过滤后的日光下间接曝露试验

GB/T14519-1993(参照 ISO877:1976)塑料在玻璃板过滤后的日光下间接曝露试验方法

自然暴露老化试验比较接近材料的实际使用环境,依据其所做结果对材料所做的耐候性评价较为可靠,人工气候试验的结果也要通过自然老化试验来验证,因而自然老化是一个基础方法。

但自然老化试验速度慢,周期长,且受环境因素影响大,因此其应用范围有限,现在我们更多地是采用实验室人工模拟加速老化的方法。

塑料在使用、加工及贮存过程中,由于受到外界的各种因素,如光、氧、热、辐射、臭气、雨水等及霉菌、细菌等作用,引起化学结构的破坏,使原有的优良性能 失,这种现象通称为老化。塑料老化的主要表现为外观上的变色、龟裂等,物理化学性能如力学性能、电性能改变等。其老化试验大致可分为两大类:一类是自然暴 露老化,一类是人工老化试验。这里分别对其进行介绍。

二、紫外人工老化试验

(一)塑料的实验室光源曝露试验

实验室光源(人工气候)曝露试验是采用模拟和强化大气环境中主要因素的一种人工加速老化实验方法,可以在较短时间内获得近似常规大气曝露的结果。

这一方法模拟大气环境中的五个主要因素:阳光、空气()气、温度、降雨。其中以阳光较为主要分为。

1、氙弧灯:

氙弧灯的光谱范围为波长大于 270nm 的紫外光、可见光和红外辐射。经适当滤光后其光谱能量分布与日光中紫外可见光部分较相似。因此,氙弧灯分光辐照度分布在现用的人工光源中模拟性较好,但氙灯紫外分布增加较少,因此老化加倍速率较低。

2、碳弧灯:

碳弧灯的光谱能量分布比较接近太阳光,但在 370~390nm 波长间紫外线比较集中。碳弧灯模拟性虽不及氙灯,但加倍速率比氙灯高。日本标准用的较多。

3、荧光紫外灯

荧光紫外灯发射相当部分 300nm 以下波长的光能,使材料老化降解反应的机理发生变化,因此模拟性较差,但加倍速率很高。

B、试验温度

空气温度的选择,以材料使用环境较高气温为依据,比其稍高一些,常选 50℃左右。氙灯黑板温度的选择以材料在使用环境中材料表面较高温度为依据,比其稍高,多选 63±3℃,当然也可选择其它温度。但试样辐照温度不可过高,特别是对温度敏感的材料。因为温度过高,试验结果可能主要不是光氧老化,而是热效应的结果,如:PVC。因此氙灯老化时要注意防止试样过热,开放式碳弧灯,则要加强空气流动,以免温升过高。

C、相对湿度

相对湿度对材料老化的影响因材料品种不同而异,以材料在使用环境所在地年平均相对湿度为依据,通常在 50~70%范围选择。

A、光源

光源选择的原则是:人工光源的光谱特性应与导致材料老化破坏较敏感的波长相近,并结合试验目的和材料的使用环境来考虑。

研究表明,日光的近紫外线区(300~400nm)波长范围的辐射是引起塑料老化降解的主要因素。通常此外辐射强度增大,材料老化速率加快。因此,人工光源在紫外区的能谱分布愈近似太阳在此区的谱线,则光源的模拟性愈好。

现在上推荐三种光源:氙弧灯、碳弧灯、荧光紫外灯。

1、氙弧灯:

氙弧灯的光谱范围为波长大于 270nm 的紫外光、可见光和红外辐射。经适当滤光后其光谱能量分布与日光中紫外可见光部分较相似。因此,氙弧灯分光辐照度分布在现用的人工光源中模拟性较好,但氙灯紫外分布增加较少,因此老化加倍速率较低。

2、碳弧灯:

碳弧灯的光谱能量分布比较接近太阳光,但在 370~390nm 波长间紫外线比较集中。碳弧灯模拟性虽不及氙灯,但加倍速率比氙灯高。日本标准用的较多。

3、荧光紫外灯

荧光紫外灯发射相当部分 300nm 以下波长的光能,使材料老化降解反应的机理发生变化,因此模拟性较差,但加倍速率很高。

B、试验温度

空气温度的选择,以材料使用环境较高气温为依据,比其稍高一些,常选 50℃左右。氙灯黑板温度的选择以材料在使用环境中材料表面较高温度为依据,比其稍高,多选 63±3℃,当然也可选择其它温度。

但试样辐照温度不可过高,特别是对温度敏感的材料。因为温度过高,试验结果可能主要不是光氧老化,而是热效应的结果,例如:PVC。因此氙灯老化时要注意防止试样过热,开放式碳弧灯,则要加强空气流动,以免温升过高。

C、相对湿度

相对湿度对材料老化的影响因材料品种不同而异,以材料在使用环境所在地年平均相对湿度为依据,通常在 50~70%范围选择。

D、降雨周期的选择以自然气候的降雨为依据。上降雨时间/不降雨时间多选18min/102min 或 12min/48min、3min/17min、5min/25min。但以凝露形式存在的水分对加速暴露试验可能影响更大,因此以明暗周期循环的暴露往 往要规定凝露时间。

人工老化降雨采用蒸馏水或去离子水。因水质中的矿物质可能在样品表面造成污迹。

E、辐照度

不同种类的塑料对光谱的吸收是有选择性的,即有其特别敏感的光谱区。过高的辐照度可能并不一定能使老化降解加速,反可能造成异常的结果。因此,辐照度的选择应适宜。

F、试样

试样尺寸规格通常根据暴露后的性能测试方法确定。如果受试材料是挤塑件、模塑件、片材等,试样可从暴露后的制品上裁取。这取决于试验的具体要求和材料 的特性。如缺口冲击强度试样,其缺口必须在暴露前切制,并且缺口面向光源暴露。对于边缘易层离的材料,如复合材料,就以片材形式暴露,并在暴露后截取试 样。从暴露试样截取试样时,应尽可能使试样与材料的固定架或与支承架的距离至少为 20mm。在裁样过程中,决不能从暴露面上除去任何部分。测试前对试样进行适当的状态调节是很重要的。有些塑料的性能湿度很敏感,状态调节的时间可能需要 比 GB2918 规定的长,特别是对于暴露在恶劣气候条件下的试样。

对比试样应贮存在正常实验条件下黑暗处,较好在 GB2918 规定的标准环境中。

在些材料在黑暗贮存会改变颜色,特别是老化后的试样,因此,试样在暴露后,当暴露面干了之后就必须尽快进行颜色测定或目测对比。

注意:应定期变换暴露试样的位置,以减少任何暴露的局部不均匀性。

(二)塑料热空气老化试验

GB/T7141-1992 塑料热空气暴露试验

原理:

塑料在加工成型、贮存、运输、使用过程中不可避免要在空气中到热与的作用,发生热氧老化,导致性能降低。热空气老化试验是用于评定材料耐热老化性能的一种简便的人工模拟加速试验,可在较短时间内评定材料对高温的适应性。

方法:

将塑料试样置于给定条件(温度、风速、换气率等)的热老化试验箱中,使其经受热和气的中速老化作用,通过检测暴露前后性能的变化,以评定塑料的耐热老化性能。

影响因素:

1、试验温度

塑料热老化试验温度依据材料的品种、使用要求、试验目的来确定。

塑料试验温度选择的原则是:在不造成严重变形、不改变老化反应历程的前提下,尽可能提高试验温度,以在较短时间内获得可靠的结果。

通常选取温度上限是:对于热塑性塑料,就低于其软化点,对热固性塑料,低于其热变形温度,易分解塑料低于其分解温度,或者通过探索性试验选取不致造成试样分解或明显变形的温度。

温度下限:能产生必要的老化速率,常比实际使用温度高 20~40℃。

2、温度变动

温度变动是影响热老化结果较重要的因素。有温度均匀度、波动度两个参数表征。在试验表明,软 PVC 在 110℃时的失重变化率与 112℃时的相差 10~20%。因此箱内温度变动要尽可能小。

3、试样的放置

试样间距一般不小于 10mm,试样与箱壁间距不小于 70mm,工作室容积与试样总体积之比不小于 5:1,否则影响空气流动,挥发物不易排除,影响温度分布均匀。

其它影响因素包括:风速、换气率等、

(三)塑料暴露于湿热、水喷雾和盐雾中的老化

ISO4611:1987 塑料暴露于湿热、水喷雾和盐雾的测定

1、 湿热

可用于评价材料在略低于饱和蒸汽压的湿热环境中老化的性能。

稳态试验: (40±2)℃; 相对湿度 90%-95%循环试验: 25℃×12h÷40℃×12h 或 25℃×12h÷55℃×12h

2.、水喷雾

在表面有液相水存在的情况下,可观察到水的吸收、塑料中某些组分的浸出(如增塑剂的析出),以及由于水解引起的降解。

3、盐雾

可评价材料在高腐蚀性电解质溶液存在下的性能。如 NaCl 是海洋环境中的主要侵蚀剂,这对于在海洋环境下的应用特别重要。NaCl 对塑料中的聚合物没有显著的侵蚀作用,而且由于盐溶液的渗透压较高,塑料对盐溶液的吸收一般比对纯水吸收少,但不能就此推断盐对含有填料、增强剂的材料没 有侵蚀作用。

(四)塑料经过自然或人工老化后的性能测定

GB/T15596-1995 塑料暴露于玻璃下日光或自然气候或人工光后颜色和性能变化的测定

1、颜色、外观变化的测定

面积一般不小于 30mm×30mm

目测法: 色调的变化、纯度的变化、明度的变化 GB/T250-1995

仪器法: 色差、黄色指数、透光率、光泽度等对其它可见的外观变化均就有记录。

2、力学或其他性能变化的测定范围很广,要根据产品自身特点来确定。

还可以用于暴露前后性能变化测定的项目:

雾度、粉化、脆化、撕裂程度、表面电阻率、体积电阻率、击穿电压、尺寸变化、质量变化、密度、维卡软化点、热变形温度、熔指等。

方法原理:

1、选定性能。

应联系使用情况来选定。例如:型材可用冲击强度。

2、选定临界值

预告选定试验性能原始值的一个比率,达到该值时,终止老化试验,这一值为临界值,达到临界值时的老化时间为失效时间。

通常以 50%的性能保持率作为临界值,也可协商选定产品要求老化后要保持的某一较小值。

3、试验温度点的选定。

应了解材料时间— 温度极限的范围。对不了解的材料,必须进行探索性试验,以便选取较佳温度。在研究温度范围内,被试塑料不应发生转变,特别是一级转变。

推荐 3~4 个温度点,其较低的暴露温度应使性能达到临界值的时间至少为 5000h,如果寻找的温度极限的预定时间不是 20000h,则选择的较低温度使达到临界值的时间至少为外推法选择时间极限的 1/4;较高温度应使性能达到临界值的时间不少于 100h。

本文相关词条解释

• 试验
•  词目：试验拼音：shì yàn注音：ㄕㄧˋ ㄧㄢˋ英文：Test
• 老化
•  塑料暴露于自然或人工环境条件下性能随时间变坏的现象。高分子材料的老化和防老化研究高分子材料的老化和防老化是一个很实际的问题，也是一个很复杂的问题

4、终点的选择。

预估时间— 温度极限的时间范围,通常推荐时间为 20000h,寿命推算的临界值,取决于预计的使用条件。

试样:

试样尺寸和制备方法应符合相应的国家标准和试验方法的规定。所需试样较小数量 n=性能试验一次所需试样数 × 每个老化温度点的取样周期 × 暴露温度个数 原始样数测试前后试样应经过处理。