非金属材料紫外光老化试验方法与标准研究
时间：2021-04-22 阅读：899
上海鼎徵仪器仪表设备有限公司非金属材料紫外光老化试验方法与标准分析
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，从而使得其外观褪色和性能下降。终影响产品的使用寿命，研究塑料和橡胶等材料的耐久性，是生产制造过程中*的重要环节，因此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通常是采用氙灯老化试验箱、紫外老化试验箱和碳弧灯老化试验箱等老化试验箱对材料进行耐老化试验，其中紫外光老化试验模拟了太阳光中的能量强的紫外光部分，能够快速地评价非金属材料的耐候性。
紫外老化试验箱可模拟紫外光照、温度、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，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。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。
紫外光老化试验概述
紫外光波长介于200-400nm之间，光子能量与其波长成反比，波长不同，光能量也不样，各一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 | |
| 波长（λ/nm） | 能量（E/KJ.mol-1） |
| 200 | 595.5 |
| 300 | 397.1 |
| 420 | 283.6 |
| 470 | 253.5 |
| 530 | 224.8 |
| 580 | 205 |
| 620 | 192.1 |
| 700 | 170.2 |
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 | |
| 化学键 | 能量（E/KJ.mol-1） |
| O-H | 463 |
| N-H | 389.3 |
| C-H | 413.6 |
| C-O | 351.6 |
| C-C | 347.9 |
| C-CL | 328.6 |
| C-N | 290.9 |
| C-F | 441.2 |
由表1和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，造成高分子材料的老化破坏。
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 ，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351nm处；UVB-313灯源的光谱主要集中在280-360nm,其低于300nm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、喷淋等。在试验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进行试验，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使用的非金属材料的耐候性，可参考文章户外曝晒和紫外老化箱两种试验的相关性。
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。
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很多，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。常见的紫外光老化试验相关标准可以参考链接：常见紫外老化试验标准。
其中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都做出了具体的规定，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。
紫外光老化试验条件的确定
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3所示。
| 表3 紫外光老化试验典型试验条件 | |||||
| 序号 | 灯源 | 紫外辐照度 | 控制点 | 循环过程 | 适用范围 |
| 1 | UVA-340 | （0.83±0.02W/㎡） | 340nm | 8h紫外BPT：（70±3）℃ 4h冷凝BPT：（50±3）℃ | 汽车涂层、塑料 |
| 2 | UVA-340 | （0.89±0.02W/㎡） | 340nm | 4h紫外BPT：（60±3）℃ 4h冷凝BPT：（50±3）℃ | 工业用涂层 |
| 3 | UVA-340 | （0.89±0.02W/㎡） | 340nm | 4h紫外BPT：（60±3）℃ 20h冷凝BPT：（50±3）℃ | 户外木器漆 |
| 4 | UVA-340 | （0.89±0.02W/㎡） | 340nm | 4h紫外BPT：（60±3）℃ 4h冷凝BPT：（50±3）℃ | 一般金属防护涂层 |
| 5 | UVA-340 | （0.89±0.02W/㎡） | 340nm | 20h紫外BPT：（50±3）℃ 4h冷凝BPT：（40±3）℃ | 无降解塑料 |
| 6 | UVA-340 | （0.77±0.02W/㎡） | 340nm | 8h紫外BPT：（60±3）℃ 4h冷凝BPT：（50±3）℃ | 浅色橡胶 |
| 7 | UVA-351 | （0.76±0.02W/㎡） | 340nm | 24h紫外BPT：（50±3）℃ | 玻璃下非金属材料 |
| 8 | UVA-313 | （0.71±0.02W/㎡） | 310nm | 4h紫外BPT：（60±3）℃ 4h冷凝BPT：（50±3）℃ | 非金属材料 |
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。
2.紫外光老化试验条件的确定原则
1）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，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。
2）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忤响过程也会有所不同，因此，试验过程中需要根据高汾子材料的类型来选用不同的试验程序及条件。
3）以现有的标准为基础，减少试验条件制定的盲目性
紫外光老化试验条件的确定过程
1.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；若要快速筛选材料，则可选且和UVB系列灯源。
2.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。
3.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。
4. 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0.48-1.55W/m2,通常采用使用环境中的最大值。
5.试验时间的确定
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。
结束语：
本文主要介绍了紫外光老化试验的部分方法及其相关标准、紫外光老化试验条件确定的原则及过程，在实际的试验中，需要紫外老化试验需要加强与自然环境试验相关性研究，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，来提升试验结果的可靠性和一致性。