光老化試驗基礎(chǔ)及原理淺析

1、光老化試驗基礎(chǔ)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(nèi)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(shè)備被廣泛用于研究開發(fā)、質(zhì)量、控制和材料檢定，這些檢測設(shè)備提供快速并且可重復的測試結(jié)果。近年來，低價位且使用方便的實驗室檢測設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來包括UV紫外加速老化設(shè)備符合ASTMG154、SN氤燈試驗箱符合ASTMG155。1.術(shù)語1.1輻照度E（Irradiance地面

2、上的單位面積單位時間內(nèi)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(nèi)光（Indoo門ight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（Outdoorlight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（Blackpaneltemperature黑標表面所測到的溫度，它表示產(chǎn)品表面可能達到的最高溫度。1.5暴露輻射能（TheEnergyofIrradiance

3、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一輻照度,W/m2;t暴露時間,s;H一暴露輻射能，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氤燈、熒光紫外燈（熒光燈、碳弧燈三種類型的試驗設(shè)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氤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，其中氤燈模擬太陽光譜較佳；2.2.2熒光燈也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，熒光燈氣候老化是模擬太陽光紫外

4、光譜較接近的設(shè)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.氤燈（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氤弧燈或UV加速老化試驗設(shè)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意等上幾年的時間來觀察一種新的改良的產(chǎn)品設(shè)計是否真的得到改進。SN氤弧燈試驗箱和UV紫外加速老化

5、試驗箱是應用最廣泛的加速老化檢測設(shè)備，這兩種檢測設(shè)備的測試原理完全不同。SN氤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,氤燈光譜在295nm至U800nm范圍內(nèi)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300400nm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365nm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

6、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(shè)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(zhì)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

7、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，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(nèi)飾件的則是相對濕度

8、。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、去污、熱沖擊（由于降雨導致內(nèi)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(zhì)為了統(tǒng)一試驗效果， 用于

9、潤濕的蒸儲水應符合GB6682實驗室用水二級水的要求，電導率低于2仙S/cm而且蒸發(fā)殘留物少于1ppm,為了防止水中的雜質(zhì)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05C,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:SAEJ2527。5.試驗持續(xù)時間光老化試驗持續(xù)時間均為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

10、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(shè)備，如便攜式設(shè)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(shè)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(nèi)飾件試驗周期與其暴露在太陽光下的時間有關(guān)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。因此彳艮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