關(guān)于氙燈老化和戶外大氣自然暴曬的綜述

胡建雄

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665)

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活水平越來(lái)越高，人們對(duì)各式各樣的產(chǎn)品要求也越來(lái)越高。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期，除了一些國(guó)防尖端科學(xué)設(shè)備(如航空航天產(chǎn)品)、軍工產(chǎn)品以外，人們對(duì)高分子材料的老化根本不會(huì)提什么要求。近年來(lái)，人們對(duì)各種產(chǎn)品的使用壽命提出了近乎苛刻的要求。因此，如何高效、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高分子材料及其制品的耐老化性能，對(duì)高分子材料的應(yīng)用和發(fā)展都至關(guān)重要。本綜述就近年來(lái)大家比較關(guān)注的氙燈老化和大氣自然暴曬的相關(guān)性進(jìn)行介紹。

2 定義

戶外自然暴曬:戶外暴曬試驗(yàn)顧名思義就是將高分子材料的試樣或制品暴露于自然大氣環(huán)境中，使得試驗(yàn)樣品或制品受到各種大氣因素的綜合作用，通過(guò)周期性的外觀檢查和一些物理機(jī)械性能的測(cè)試，從而了解到材料的外觀和性能的變化。

氙燈老化:氙弧燈光源是近代發(fā)展最快的一種人工加速老化試驗(yàn)設(shè)備，氙弧燈光源的光能量分布與太陽(yáng)的光能量分布十分相近，特別是紫外(290nm ～400nm)部分的光能量。氙弧燈是利用超高壓氙氣放電制造成的高效率光源，可分為長(zhǎng)弧燈和短弧燈，按冷卻方式可分為水冷式與風(fēng)冷式。

3 對(duì)比

3.1 自然大氣暴曬試驗(yàn)［1］

戶外大氣暴曬試驗(yàn)是將高分子材料的試樣或制品暴露于自然大氣環(huán)境中，使得實(shí)驗(yàn)樣品或者制品受到各種大氣因素的綜合作用，通過(guò)周期性的外觀檢查和一些物理機(jī)械性能的測(cè)試，從而了解到材料的外觀和性能變化，據(jù)此，可評(píng)價(jià)材料的耐氣候老化性能。由于各種制品的使用環(huán)境不同，選擇試驗(yàn)場(chǎng)要求試驗(yàn)環(huán)境既嚴(yán)酷而又有代表性?？蓞⒖嘉覈?guó)的主要?dú)夂蝾愋?見(jiàn)表1)。

表1 我國(guó)的主要?dú)夂蝾愋停?］Table 1 The main climate types in China

除了自然環(huán)境因素外，自然大氣暴曬試驗(yàn)場(chǎng)地點(diǎn)建設(shè)也要有嚴(yán)格的規(guī)定。比如:要求暴曬場(chǎng)四周空曠、無(wú)高大的建筑物或障礙物。場(chǎng)地平坦，并保持當(dāng)?shù)氐淖匀恢脖粻顟B(tài)，不積水，草高不超過(guò)30cm。場(chǎng)地附近應(yīng)無(wú)工廠、煙囪、通風(fēng)口或者其他散發(fā)大量腐蝕性氣體的裝置，最好遠(yuǎn)離城市。

沿海地區(qū)的暴曬場(chǎng)應(yīng)設(shè)在離海邊3km ～4km 的地方。海邊小氣候試驗(yàn)場(chǎng)則應(yīng)設(shè)在離海邊不超過(guò)100m 的地方。因?yàn)槟抢锏拇髿獬煞州^為特殊，含鹽等雜質(zhì)多，濕度大。

通常自然暴露試驗(yàn)中應(yīng)注意:(1)暴露架和使用暴露的要求:堅(jiān)實(shí)、防腐、耐用，對(duì)試樣沒(méi)有不良影響，雨水能自動(dòng)流走。(2)試驗(yàn)樣品的制備和投放:按樣品的測(cè)試要求投放樣品，樣品之間互不影響，暴露面最低點(diǎn)離地面高0.8m。(3)試驗(yàn)周期和老化終止:選擇老化的終止指標(biāo)應(yīng)能反應(yīng)老化本質(zhì)又易于測(cè)定的物理量。一般塑料、橡膠選用指標(biāo)下降50%或1/3 為終止，油漆涂層定某一等級(jí)為終止。表2 列出了一些高分子材料的老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 一些高分子材料的老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Some polymer materials aging test standards

戶外大氣老化試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn):數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能真實(shí)反映材料實(shí)際老化狀態(tài)與程度，設(shè)備簡(jiǎn)單。戶外大氣老化試驗(yàn)的缺點(diǎn):試驗(yàn)周期長(zhǎng)，難以快速滿足研究、生產(chǎn)、應(yīng)用的要求，受時(shí)間和地域的制約，重現(xiàn)性差。

3.2 氙弧燈暴露加速老化試驗(yàn)［2］

氙弧燈老化是近代發(fā)展最快的一種人工加速老化試驗(yàn)設(shè)備，世界上很多國(guó)家的研究普遍認(rèn)為氙燈是目前模擬太陽(yáng)光譜最接近的一種光源。其利用超高壓氙氣放電制造成的高效率光源，可分為長(zhǎng)弧燈和短弧燈，按冷卻方式可分為水冷式與風(fēng)冷式。圖1 是氙弧燈光源與太陽(yáng)光的光譜對(duì)比圖。

圖1 氙燈與太陽(yáng)光的光譜圖對(duì)比Fig.1 Comparison of spectral graph for xenon lamp and sunlight

試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)包含:樣品室、光源系統(tǒng)、調(diào)溫調(diào)濕系統(tǒng)、人工降雨系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、定時(shí)開(kāi)關(guān)、記錄儀。試驗(yàn)條件的控制包括:(1)黑板溫度:可調(diào)，一般為65℃±3℃;(2)箱內(nèi)濕度:可調(diào)，一般為40% ～60% (RH);(3)噴水周期:可選擇102min/18min(不噴淋/噴淋)。表3 列出了不同材料的一些氙燈光源暴露試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 一些高分子材料氙燈光源暴露試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Some polymer materials xenon lamp exposure test standards

4 自然氣候試驗(yàn)和氙燈老化試驗(yàn)的發(fā)展?fàn)顩r

4.1 自然氣候試驗(yàn)［3］

早幾十年前，國(guó)外對(duì)自然氣候試驗(yàn)已相當(dāng)重視，視為不可缺少的基礎(chǔ)性工作，是鑒定材料性能最可靠的方法。

美國(guó)1931年就在佛羅里達(dá)州東南部的邁阿密布建立了天然氣候場(chǎng)，該地處于北緯25°，在北回歸線以北。是美國(guó)濕熱帶氣候區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)暴露場(chǎng)。該暴露場(chǎng)由原先單純的油漆試驗(yàn)，擴(kuò)展到目前對(duì)油漆和工程材料的各個(gè)領(lǐng)域的試驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)有500 多家主顧，包括美國(guó)、加拿大、南美諸國(guó)、英國(guó)等17個(gè)公司和整個(gè)西歐的有關(guān)廠家往該暴露場(chǎng)送試樣，受試樣品達(dá)20 多萬(wàn)件。

自然氣候試驗(yàn)受區(qū)域性氣候的影響。國(guó)際上把這種氣候分為五大類:濕熱、干熱、中溫、溫和及寒冷。日本將自然氣候試驗(yàn)分為耐候性試驗(yàn)和耐光性試驗(yàn)。后者包括日光試驗(yàn)和晝光試驗(yàn)。耐候試驗(yàn)是考察材料特性在太陽(yáng)輻射、雨水、風(fēng)、溫濕度、大氣污染等因素作用下如何變化的試驗(yàn)方法。耐光性試驗(yàn)時(shí)研究材料受太陽(yáng)輻射和溫濕度影響，以褪色為主要研究指標(biāo)的試驗(yàn)方法。其中日光試驗(yàn)時(shí)把樣品整年每天24 小時(shí)設(shè)在大氣環(huán)境中。晝光試驗(yàn)則在4月1日到10月1日的晴天每天上午9 時(shí)至下午4 時(shí)放在戶外大氣環(huán)境中，其他時(shí)間搬進(jìn)室內(nèi)。

4.2 氙燈老化試驗(yàn)［3］

國(guó)外在進(jìn)行天然氣候試驗(yàn)的同時(shí)，開(kāi)展了大量的人工氣候?qū)Ρ仍囼?yàn)。這些氣候試驗(yàn)都是模擬自然氣候的加速試驗(yàn)。

早在1934年，美國(guó)首先出現(xiàn)了氣候老化箱。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，1960年被批準(zhǔn)為專利，并投入實(shí)際應(yīng)用。英國(guó)于1953年也試制了一種材料耐光試驗(yàn)箱。蘇聯(lián)在1962年報(bào)導(dǎo)了太陽(yáng)輻射試驗(yàn)箱。

但是國(guó)外早期的人工氣候試驗(yàn)箱所用的光源很多，主要有高壓汞燈、紫外線碳弧燈、陽(yáng)光碳弧燈、氙燈和熒光紫外燈。對(duì)于它們的評(píng)價(jià)，眾說(shuō)不一，高壓汞燈雖有強(qiáng)烈的紫外線，但是光譜不連續(xù)，與太陽(yáng)光差距大，現(xiàn)在趨于淘汰。

紫外線碳弧燈，可以用美國(guó)ATLAS 的氣候箱為代表，是一種兩用的人工氣候老化箱。裝上人工降雨系統(tǒng)就是耐候試驗(yàn)箱，拆掉人工降雨裝置就是耐光試驗(yàn)箱。目前主要是日本企業(yè)在使用這種氣候箱。陽(yáng)光碳弧燈的紫外線范圍278nm ～400nm，可見(jiàn)光區(qū)域大，紅外區(qū)小，具有和太陽(yáng)光比較一致的能量，放電的色調(diào)比紫外線燈接近白色，但是價(jià)格昂貴。

氙燈1958年在西德出現(xiàn)后就引人注目，從紫外可見(jiàn)光部分的能譜與太陽(yáng)光非常接近。目前被認(rèn)為是模擬太陽(yáng)光最好的光源。1961年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾推薦氙燈為材料的耐候和耐光試驗(yàn)光源。

5 氙燈老化和自然氣候換算關(guān)系［4］

早在幾十年前，國(guó)內(nèi)外已在探討自然氣候試驗(yàn)和人工氣候老化試驗(yàn)的換算關(guān)系。但是由于自然氣候變化多端，人工氣候箱無(wú)法完全模擬，因此國(guó)內(nèi)外到目前為止還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)描述其換算關(guān)系。

通過(guò)長(zhǎng)期的自然氣候暴曬和氙燈人工加速研究表明:評(píng)價(jià)高分子材料的顏色變化和力學(xué)性能，人工加速老化與自然大氣暴露有較好的相關(guān)性，加速倍率約為7。如果想了解某一高分子材料戶外使用一年后的顏色變化，采用相同的試驗(yàn)條件，可以參考該加速倍率，確定加速老化時(shí)間為365 ×24/7 =1251h。但是，從邏輯上談?wù)撊斯ぜ铀倮匣瘯r(shí)間和戶外曝曬長(zhǎng)度之間的換算因子是沒(méi)有意義的。原因在于一個(gè)是相當(dāng)恒定的環(huán)境，而另一個(gè)則是千變?nèi)f化的。找尋兩者之間的換算因子超出了變化的范圍。換句話說(shuō)，天氣數(shù)據(jù)是相對(duì)性的數(shù)據(jù)。不過(guò)，你還是可以從人工加速老化試驗(yàn)得到極佳的老化測(cè)試數(shù)據(jù)。但你必須認(rèn)識(shí)該數(shù)據(jù)是相對(duì)數(shù)據(jù)，而不是絕對(duì)數(shù)據(jù)，因?yàn)槿斯す庠吹募铀倮匣囼?yàn)有如下局限性:

a. 人工光源的光波分布與實(shí)際的地面日光分布不完全一致，試驗(yàn)裝置中創(chuàng)造的氣候條件與實(shí)際大氣的氣候條件有較大差異。

b. 人工光源的加速老化試驗(yàn)無(wú)法模擬出大氣的工業(yè)污染和其它許多因素對(duì)塑料的損害，因而也無(wú)法模擬出這些多種因素聯(lián)合作用時(shí)的協(xié)同效應(yīng)。

c. 人工加速老化試驗(yàn)在比大氣自然老化較高的溫度下進(jìn)行，常常會(huì)引起塑料產(chǎn)生與大氣自然老化時(shí)不完全相同的變化過(guò)程。

以上幾點(diǎn)局限性使人工加速老化試驗(yàn)的結(jié)果很難與大氣自然老化結(jié)果取得對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確可靠的換算關(guān)系，人們很難回答在人工老化試驗(yàn)中試樣暴露單位時(shí)間會(huì)相當(dāng)于實(shí)際的大氣自然老化中暴露多長(zhǎng)時(shí)間，也很難找到不同加速老化試驗(yàn)方法所取得結(jié)果之間的準(zhǔn)確換算關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

氙燈光源光譜能量分布與太陽(yáng)光中紫外、可見(jiàn)光部分極其相似，因此，廣泛運(yùn)用于評(píng)價(jià)材料老化性能、耐候性的需求，從而得到快速成長(zhǎng)，已經(jīng)從作為自然老化的重要補(bǔ)充到逐漸在許多行業(yè)替代自然老化試驗(yàn)作為產(chǎn)成品的檢驗(yàn)手段。如何選擇試驗(yàn)條件、光源、試驗(yàn)時(shí)間、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)等是以后人工模擬加速老化試驗(yàn)中必須認(rèn)真研究的問(wèn)題。

［1］GB/T 3681－2000 塑料大氣暴露試驗(yàn)方法.

［2］GB/T 16422.2－1999 塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法 第2 部分:氙弧燈.

［3］魏銘炎. 國(guó)外塑料光老化機(jī)理研究及試驗(yàn)概況［J］. 絕緣材料，1978(01):62－63.

［4］人工加速老化試驗(yàn)最關(guān)心的四個(gè)問(wèn)題［EB/OL］.(2012－ 05－ 03)［2014－ 05－ 09］.http:∥www.chem17.com/st218739/Article_383773.html.