光老化試驗基礎及原理淺析.

1、光老化試驗基礎及原理淺析前言:陽光輻照和氣候變化是損害涂料、塑料、油墨及其他高分子材料的主要 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。對許多制造商而言，產(chǎn)品的耐老化和耐光性是極其重要的。加速檢測老化和光 穩(wěn)定性的設備被廣泛用于研究開發(fā)、質量、控制和材料檢定，這些檢測設備提供快速并且可重復的測試結果。近年來，低價位且使用方便的實驗室檢測設備已經(jīng)開發(fā) 出來，包括 UV 紫外加速老化設備符合 ASTM G 154、SN 氙燈試驗箱符合 ASTM G155。1.術語1.1 輻照度

2、 E（lrradianee地面上的單位面積單位時間內接收到的太陽輻射，也稱為輻照強度，所有波長入 射輻照的總量，以 W/m2 表示，因為輻照是按不同的波長分布的，不同的光譜造成的光 化學效應差異很大，所以不應采用不同的光源做比較。1.2 室內光（Indoor light采用可減少波長 320nm 以下光譜輻照度的濾光器來模擬透過玻璃濾光后的日 光。1.3 室外光（Outdoor light為了模擬直接的自然暴露，輻射光源必須經(jīng)過過濾，以便提供與地球上的日光相 似的光譜能量分布。1.4 黑標溫度（Black panel temperature黑標表面所測到的溫度，它表示產(chǎn)品表面可能達到的最咼溫度

3、1.5 暴露輻射能（The Energy of Irradianee試樣已經(jīng)受暴露的輻射能的一種量度，可以由下式算出：H=E*dt式中:E輻照度,W/m2;t 暴露時間,s;H暴露輻射能，J/m2;如果產(chǎn)品受輻射時，輻射度不變,則輻射能等于輻射度乘以輻射時間。2光源的選擇2.1 輻射光源的種類太陽輻射試驗主要有氙燈、熒光紫外燈（熒光燈、碳弧燈三種類型的試驗設備，他們都是從光能、溫度、降雨或凝露這幾種主要氣候因素進行模擬和強化的試驗。2.2 三種光源的優(yōu)缺點2.2.1 氙燈可以很方便地模擬白天光照,夜間凝露或降雨的反復交變試驗條件，其 中氙燈模擬太陽光譜較佳；2.2.2 熒光燈也可以很方便地模擬

4、白天光照，夜間凝露或降雨的反復交變試驗條 件，熒光燈氣候老化是模擬太陽光紫外光譜較接近的設備，加速老化效果更顯著；2.2.3 碳弧燈在某些情況下，經(jīng)濾光器校正紫外輻射后，碳弧燈的輻射光譜分布可 以接近地表的自然光譜，但是碳弧燈的定位精確性差和壽命較短，存在碳弧體容易燒 毀的缺陷，此方法較多的在日系車型的檢測試驗使用。3.氙燈（SN 與熒光紫外（UV 的比較:測試抗老化和光穩(wěn)定性的最佳方法經(jīng)常引起爭論。幾年來，各種各樣的方法都 被應用過，現(xiàn)在大部分研究者使用自然曝露方法，SN 氙弧燈或 UV 加速老化試驗設 備。自然曝露測試方法有很多優(yōu)點，實際、便宜、易于操作，然而并不現(xiàn)實，大部分制 造商都不愿

5、意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設計是否真的得到改進。SN 氙弧燈試驗箱和 UV 紫外加速老化試驗箱是應用最廣泛的加速老化檢測設備，這兩種檢測設備的測試原理完全不同。SN 氙燈試驗箱模擬太陽光的所有光譜，包括紫外線（UV、可見光和紅外線（IR,氙燈光譜在 295 nm 到 800 nm 范圍內基本上與 太陽光的光譜相吻合。SN 被用來測試許多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對紫外線的長波段、可見 光及紅外線較敏感。UV 不能模擬全光譜太陽光。它的原理是，對于曝露在室外的經(jīng)久耐用的材料，紫外線的短波段 300400 nm 是引起老化損害的最主要原因。從中可以看出，在紫外 線的短波區(qū)域，即從 365 nm

6、到太陽光的最低波段,UV 能很好地模擬太陽光 然而，對 于長一點的波長它將無能為力。測試最佳方法依賴于測試需要，每種方法都可能非常有效。應該根據(jù)被測產(chǎn)品或材料、最終應用條件、所考慮降解模式和預算來選擇合適的檢測設備。4.老化的三要素一一光照、高溫、潮濕光照、高溫和潮濕，這三個因素中的任何一個都會引起材料的老化損害，但它們 往往同時發(fā)生作用，濕度和溫度都能加速光氧化過程，起到催化劑的作用。在不同濕 度條件下，各種材料、涂料和塑料等物質的光化學劣化效應相差極大，并且它們對濕 度的敏感程度各不相同，因此，各類標準中規(guī)定的值不同。不同材料對光敏感性不同。經(jīng)久耐用材料，如大多數(shù)涂料、塑料，紫外線的短波

7、段是引起大部分聚合物老化原因。然而，對于不是那么經(jīng)久耐用的材料，比如一些顏 料和染料,紫外線的長波段甚至可見光也會使其產(chǎn)生嚴重的老化。當溫度升高時，光的破壞作用也將隨之增大。盡管溫度不影響主要的光致反應 但卻影響次要的化學反應。實驗室老化測試必須提供精確的溫度控制，通常還通過升溫的方法來加速老化過程。粗略的估計，溫度升高 10C,化學反應速度會提高兩 倍。溫度方面,主要控制兩個：環(huán)境溫度及黑標溫度，黑標溫度是模擬產(chǎn)品的實際情況 實際情況中產(chǎn)品是有一定的吸熱率，故導致其溫度與環(huán)境溫度不同，因此一般使用黑 標及黑板兩種溫度計模擬產(chǎn)品的溫度。濕氣對產(chǎn)品的化學反應與物理效應有：侵蝕、吸收、凍解、熱沖擊

8、，其表現(xiàn)形式 有三種:雨、露、濕度。產(chǎn)品在其壽命期間，接觸露水的時間遠遠大于接觸雨水的時 間，影響外飾件潮濕的主要原因是露水而不是雨；影響內飾件的則是相對濕度。放在室外的物品每天都將長時間。由潮氣形成的露水是室外潮濕的主要因素，露水造成的危害比雨水更大，因為它附著在材料上的時間更長，引起更為嚴重的潮濕 吸收。雨水對材料的危害也很大，雨水將引起熱沖擊。比如一輛在炎熱夏日里溫度 升高的汽車突然因陣雨而急劇降溫，就會產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。雨水沖刷引起的機械侵蝕 也會加速材料發(fā)生老化，如木材涂層因雨水沖洗去除了表面老化層，將未老化的里層 暴露于太陽光下，從而產(chǎn)生進一步老化。降雨的影響：表面效應（沖刷表面、粉化

9、、去污、熱沖擊（由于降雨導致內外表面 溫度不均勻，從而收縮力不同因為外飾件有此現(xiàn)象，故外飾件試驗中需要增加噴水潤 濕模擬降雨效果，注意此處的水質為了統(tǒng)一試驗效果，用于潤濕的蒸餾水應符合 GB6682 實驗室用水二級水的要求，電導率低于 2 卩 S/cm 而且蒸發(fā)殘留物少于 1ppm,為了防止水中的雜質對產(chǎn)品表面產(chǎn)生非此項試驗的影響。露水的特征是含有富氧，且在產(chǎn)品的表面停留時間長，一般晝夜溫差在 7C以上 時，才會凝露,而下雨天的溫差一般5，故下雨天的露水時間較一般天氣為短。部分 試驗標準中的黑暗周期加高濕度的目的是為了形成露水（例如:SAE J2527。5.試驗持續(xù)時間光老化試驗持續(xù)時間均為

10、100 小時以上。太陽輻射試驗持續(xù)時間的長短取決于 試驗目的和受試產(chǎn)品的使用環(huán)境，通常以試驗循環(huán)次數(shù)來計，一個循環(huán)為 24h。光化 學效應試驗持續(xù)時間，這類試驗的目的是考核產(chǎn)品經(jīng)受長期日曬導致有害的光化學 效應的影響，因此試驗時間較長。對偶爾在戶外使用的設備，如便攜式設備等，試驗持 續(xù)時間可選擇10 個循環(huán);對于連續(xù)在戶外使用的設備，試驗持續(xù)時間可選擇 56 個循 環(huán)或更多循環(huán)（時間長的可達數(shù)千小時。汽車內飾件試驗周期與其暴露在太陽光下 的時間有關，汽車外飾件一般選擇為一年的干熱氣候考核及一年的濕熱氣候考核。6.光老化試驗注意事項光老化試驗具有特殊性，有時試驗后往往用肉眼無法準確判斷出樣品是否發(fā)生 變化,或者無法準確說明樣品的變化程度。因此，很多客戶要求試驗前后，對測試件的 屬性進行測量，屬性的指標一般包括：灰度等級，色差（L,a,b,光澤度等，要準確測出這些 指標,對樣品的形狀，大小有一定的要求。被測件需要是規(guī)則的平面或者有一部分是 規(guī)則的平面，面積約為（7.5厘米*14 厘米的長方形較為合適。如果成品本身是不規(guī)則 形狀,可以選取和成本相同材料的規(guī)則測試件進行試驗（如無需測量以上指標的話，樣 品也可以是不規(guī)則的。一般測試取樣為3 件,2 件