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 20  专注高分子材料

抗紫外线、抗黄变

氙弧辐射、紫外光灯照射等常用的有机高分子材料老化测试简介及比较

       涂料、塑料等有机材料长期暴露在自然气候条件和光照辐射下会出现失光、褪色、泛黄、剥落、开裂、丧失拉伸强度和整层脱落等老化现象。因而对于户外使用的涂料,常见的如汽车涂料等,耐候性和耐光性是重要的检测项目之一。国内外现在评价涂料耐候性和耐光性的方法也很多,普遍采用的有自然气候老化试验、氙弧灯照射、碳弧灯照射和紫外光灯照射等人工加速气候老化试验的方法。

       一、自然气候老化试验。

       自然气候老化试验方法在国内外被广泛采用,其主要原因是自然气候老化实验结果更符合实际,所需的费用较低,操作简单方便。但自然气候老化试验的缺点是试验时间长;另外气候不可能年复一年的完全相同,故试验结果的再现性也不是很理想。

       

二、氙弧辐射试验。

       相较其他测试方法,氙弧辐射试验被认为是能模拟全太阳光谱的试验,它能产生紫外光、可见光和红外光,是国内外广泛采用的测试方法。GB/T1865-1997(等同于IS0113411:1994)详细地介绍了这种方法。但这种方法也有它的局限性,即氙弧灯光源稳定性及由此带来的试验系统的复杂性。氙弧灯光源必须经过过滤以减少不期望的辐射,为达到不同的辐照度分布可有多种过滤玻璃类型供选择。选用何种玻璃取决于被测试材料类型及其用途。改变过滤玻璃可以改变透过的紫外光类型,从而改变材料遭受破坏的速度和类型。常用的过滤有三种类型:日光、窗玻璃和扩展的紫外光类型(国标GB/T1865-1997中提到的方法1和方法2对应于前两种类型)。

       典型的氙弧辐射都配备一个辐照度控制系统。辐照度控制系统在氙弧辐射试验中很重要,因为氙弧灯光源的光谱自身内在稳定性就比荧光紫外灯光的光谱差。有人考察了一盏新氙弧灯和一盏用过1,000h的旧氙弧灯光谱的区别,结果发现光谱能量分布不但在光源的长波长范围随灯的使用时间延长变化显著,而且在短波长的范围内也有明显变化。这种变化引起的原因是氙弧灯的老化,是它的自身内在特性。对这种变化可采取多种补救措施,如提高更换灯管的频度以减轻灯光老化的影响,或者可用传感器控制辐照度。尽管存在因灯老化引起的光谱能量分布变化的情况,但氙弧灯仍不失作为耐候性和耐日光照射试验的一种可靠的和反映实际的光源。

       大多数氙弧辐射试验在模拟润湿条件时采用水喷淋和/或温度自动控制系统(国标GB/T1865-1997提出的"表面用水喷淋")。水喷淋方法的局限是当温度相对较低的水喷到温度相对较高的试板上时,试板会冷却下来,这会使材料遭破坏的过程减缓。在氙弧辐射试验中,要求使用高纯度的水以防止试板表面形成沉积物。因此运行费用较高。

       

三、紫外光灯照射试验。

       此老化试验是利用荧光紫外光灯模拟太阳光对有机材料的破坏性作用。荧光紫外灯在电学原理上与普通的照明用冷光日光灯相似,但能生成更多的紫外光而非可见光或红外光线。对于不同的曝晒应用,有不同类型的具有不同光谱的灯源供选择。UVA-340型的灯在主要的短波长紫外光光谱范围能很好地模拟太阳光,其光谱能量分布(SPD)与从太阳光谱中360nm处分出的光谱图很近似;UV-B型灯也是通常使用的加速人工气候老化试验用灯,它比UV-A型灯对材料的破坏速度更快,但其比360nm更短的波长能量输出对很多材料会造成偏离实际的试验结果。

       辐照度(光强度)控制对于获得准确而有重现性的结果很重要,大多数紫外光老化试验装置都配备了辐照度控制系统。这些精确的辐照度控制系统使用户做试验时能选择辐照度量。通过反馈控制系统,辐照度能被连续和自动地监控并精确地得到控制。控制系统通过调节灯管的功率而自动地对因灯管老化或其他原因造成的照度不足进行补偿。

       荧光紫外光灯因自身内在的光谱稳定性使辐照度控制简单化。所有的灯源随时间老化都会变弱,但荧光灯与其他类型的灯不同,它的光谱能量分布不会随时间变化。这一特点提高了试验结果的重现性,是其一大优势。有试验表明,一盏使用了2h的灯和一盏使用了5,600h的灯在配备了辐照度控制的老化试验系统中的输出功率无明显区别,辐照度控制装置能够维持光强度的恒定。此外它们的光谱能量的分布也无变化,这同氙弧灯有很大区别。

       使用紫光灯老化试验的另一个优点是它能够模拟较为符合实际的室外潮湿环境对有机材料的破坏作用。在加速人工气候老化试验中采用一个特殊的冷凝原理来模仿室外潮湿环境。在测试的冷凝循环过程中,要加热试验箱底部的水槽以产生蒸汽,热蒸汽保持试验箱的环境在高温下有100%相对湿度。试验箱设计时,要使试板实际上构成试验箱的侧壁。这样试板的背面暴露在室温的室内空气下。室内空气的冷却作用使被测的试板表面的温度比蒸汽温度降低几度,温差可使水在冷凝循环过程中连续不断地降到被测试表面。如此产生的冷凝水是性质稳定的、纯净蒸馏水,这种水能提高实验结果的重现性,排除水沉积物污染问题,并且简化试验设备安装和操作。因为材料在室外受潮的时间一般很长,所以典型的循环冷凝系统至少要有4h的试验时间。冷凝过程在加温条件下进行(50℃),就会大大地加快潮湿对材料的破坏速度。长时间的、加热条件下进行的冷凝循环比其他诸如水喷淋、浸渍和其他高湿度环境的方法更能有效地再现潮湿环境破坏材料的现象。

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