1 老化試驗(yàn)的目地

眾所周知，每年由于老化所造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。老化常常造成紡織品、涂料、塑料以及其他一些有機(jī)物的物理性能發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在變色、失光、強(qiáng)度下降、龜裂、剝落、粉化及氧化等。我們知道日光，特別是短波長(zhǎng)的紫外光、高溫、雨水、露水和以高濕度形式出現(xiàn)的濕氣是造成上述損壞的主要因素。

進(jìn)行老化測(cè)試的目的有下幾點(diǎn)：

(1) 為了符合相關(guān)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);

(2) 避免由老化所造成的損失;

(3) 提高產(chǎn)品的聲譽(yù);

(4) 檢驗(yàn)供應(yīng)商的產(chǎn)品質(zhì)量;

(5) 提高產(chǎn)品的耐候性;

(6) 大幅度降低材料費(fèi)用;

(7) 擴(kuò)大產(chǎn)品的品種;

(8) 幫助進(jìn)入新市場(chǎng);

(9) 在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝;

(10) 走在標(biāo)準(zhǔn)的前面。

2 戶外天然老化測(cè)試

戶外老化測(cè)試的結(jié)果是最接近于自然老化的一種測(cè)試方式。根據(jù)產(chǎn)品的使用條件，我們可以選擇不同地點(diǎn)進(jìn)行室外曝曬測(cè)試，如美國(guó) Q-PANEL 公司在兩個(gè)標(biāo)志性地點(diǎn)：佛羅里達(dá)和亞利桑那曬場(chǎng)。表 1 為佛羅里達(dá)和亞利桑那的自然條件比較。佛羅里達(dá)為高輻照強(qiáng)度、高溫、高濕度的典型的亞熱帶氣候?？量痰臍夂?qū)τ趹敉馄貢裨囼?yàn)是理想的地點(diǎn)，尤其對(duì)濕度敏感的材料，如涂料、建筑材料和塑料的測(cè)試是格外有用的。而且，佛羅里達(dá)對(duì)于抗霉試驗(yàn)也是非常好的。

亞利桑那則為產(chǎn)品提供更為嚴(yán)酷的曝曬環(huán)境。相比于佛羅里達(dá)，高紫外線、極其高的溫度、大幅度的日溫差波動(dòng)和低濕度水平是最為典型的沙漠氣候。在亞利桑那，年輻照度比佛羅里達(dá)多 20%;最高氣溫通常高出 15 ℃。對(duì)于大多數(shù)材料來(lái)說(shuō)，在這種苛刻的環(huán)境下降解速度比在佛羅里達(dá)要快得多。對(duì)于涂料的顏色、塑料的熱老化和物理性能、塑料涂層的耐光以及紡織品的抗張強(qiáng)度等有顯著的影響。

由于上述兩個(gè)自然曝曬場(chǎng)比溫和氣候條件的地區(qū)能出現(xiàn)更快速的降解過(guò)程，所以人們通常會(huì)采用“佛羅里達(dá)耐候性”和“亞利桑那耐候性”作為耐用性試驗(yàn)的基準(zhǔn)。

同時(shí)，Q-panel 公司還提供室外自然加速老化設(shè)備 Q-Trac。它是通過(guò)利用多面鏡子將太陽(yáng)光反射到樣品架上(需要指出的是，鏡子只能反射 80%的太陽(yáng)紫外線)加速產(chǎn)品的老化。Q-Trac 所能集中的紫外線相當(dāng)于太陽(yáng)的 5 倍;而 1 年的 Q-Trac 加速老化可等同于 5 年的佛羅里達(dá)自然曝曬。適用于室外自然加速曝曬的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有 ASTM G90《用集中自然光線法加速對(duì)非金屬材料的室外風(fēng)蝕的規(guī)程》等。

3 實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)

由于自然的老化測(cè)試需要幾年的時(shí)間才能決定老化結(jié)果，對(duì)您的時(shí)間、日程安排、經(jīng)費(fèi)都是很大的考驗(yàn)，同時(shí)，由于各地的氣候條件千變?nèi)f化，同樣的被測(cè)材料有可能得到相差很大的老化結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和可再現(xiàn)性不是很好。因而，人們傾向于使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備人工加速老化，這樣不僅可以縮短試驗(yàn)周期、重復(fù)性好、可用于質(zhì)量控制和材料穩(wěn)定性測(cè)試，同時(shí)，該種方法的應(yīng)用范圍較廣，因僅在室內(nèi)使用，可以不受自然條件限制，僅考慮人為因素的影響即可，且整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都可由測(cè)試箱來(lái)完成。

人工加速老化大致有碳弧燈模擬加速、紫外光加速人工老化、氙弧燈加速老化三大類。碳弧燈模擬加速老化試驗(yàn)箱是最早出現(xiàn)的，因?yàn)榫S修費(fèi)用高、不能校正、模擬光譜范圍狹窄等缺點(diǎn)，現(xiàn)在已很少使用的人已經(jīng)不多。

20 世紀(jì) 70 年代，出現(xiàn)了紫外加速老化試驗(yàn)箱，我們知道太陽(yáng)光中的紫外線，尤其是光譜中低于 360 nm以下的峰值是造成材料老化的要因。Q-panel 公司的QUV 紫外加速試驗(yàn)機(jī)即通過(guò)紫外燈管發(fā)射出紫外光譜模擬日光中的紫外光部分使材料的加速老化。其熒光 UVB燈(UVB-313)的峰值波長(zhǎng)在 313 nm左右，其能量幾乎全部集中在280~ 360 nm之間。能量分布的波長(zhǎng)范圍比日光的要短，他可以很大程度地加速試驗(yàn)。UVA-340 燈，其射線波長(zhǎng)主要集中在 295 ~360 nm之間， UVA-340 燈短波輻射與 325 nm以下的日光直射很相似。根據(jù)對(duì)材料不同的老化要求，客戶可選擇不同的紫外燈管。此外，QUV紫外加速試驗(yàn)機(jī)還擁有太陽(yáng)眼功能，太陽(yáng)眼是一種高精密的光度控制系統(tǒng)，其可以允許用戶選擇所期望的光照度水平，在太陽(yáng)眼反饋回路系統(tǒng)的幫助下，可以對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)、全自動(dòng)精確維護(hù)。當(dāng)選擇強(qiáng)度為 0.68 W/m 2 /nm,波長(zhǎng)為 340 的 UVA-340 燈，就可與夏季正午陽(yáng)光強(qiáng)度相匹配。同時(shí)，QUV還可以模擬雨水和露水的影響，可采用冷凝和水噴淋兩種方式達(dá)到目的。冷凝與自然的潮濕一致，通過(guò)升溫加速試驗(yàn)過(guò)程，產(chǎn)生的冷凝產(chǎn)物為純凈水-在樣品上無(wú)水漬或雜質(zhì)產(chǎn)生。噴淋是模擬由于穩(wěn)定溫度劇變和雨水沖刷所造成的機(jī)械侵蝕。

適用于紫外加速老化測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際上主要有 ISO 4892—1:1999 《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法 第一部分：通則》;ISO 4892 —3:1994 《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法 第三部分：熒光紫外燈》;ASTM G—151《非金屬材料實(shí)驗(yàn)室光源曝露加速試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》;ASTM G—154 《非金屬材料的紫外線熒光光源暴露試驗(yàn)方法》等。

從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)氙弧燈模擬加速老化試驗(yàn)機(jī)。氙弧燈以全陽(yáng)光光譜作為光源，其采用合適的過(guò)濾處理后的氙弧燈是測(cè)試產(chǎn)品對(duì)直接陽(yáng)光照射或透過(guò)玻璃的陽(yáng)光中的長(zhǎng)波紫外線和可見(jiàn)光的敏感度的較佳方式。它不但可以模擬室內(nèi)材料的耐光性能(Q-SUN 通過(guò)窗玻璃過(guò)濾器過(guò)濾后)，同時(shí)還可以模擬氣候環(huán)境(Q-SUN 具有水噴淋功能)。目前，應(yīng)用最為廣泛的氙燈老化機(jī)有旋轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)機(jī)和試樣靜態(tài)安置的試驗(yàn)機(jī)兩大類。旋轉(zhuǎn)鼓式被設(shè)計(jì)成容器內(nèi)中心安放一支燈管，周圍是旋轉(zhuǎn)樣品架，圍繞光源旋轉(zhuǎn)。此類樣品放置體系經(jīng)常被描述成“旋轉(zhuǎn)鼓”。而試樣靜態(tài)安置的老化機(jī)的被測(cè)樣品靜置，通過(guò)各種控制手段來(lái)嚴(yán)格控制老化，包括模擬完全陽(yáng)光光譜的氙燈、多種選擇的過(guò)濾系統(tǒng)、太陽(yáng)眼 TM 幅照度控制、符合 ISO 9000 的標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)、黑板溫度控制系統(tǒng)、滿足ISO和ASTM 要求的試驗(yàn)方法、三維試樣固定架和水噴淋功能。

由于目前可選擇的氙燈試驗(yàn)機(jī)的品種很多，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織(包括 ISO 和 ASTM)，都傾向于發(fā)展以性能為基礎(chǔ)的測(cè)試手段和方式。這些方式定出了測(cè)試條件(如輻照、光譜、溫度、濕度等)以及可接受的性能范圍。而不要求使用任何特殊的裝置和硬件配置。這些標(biāo)準(zhǔn)正取代基于硬件要求(如水冷燈管和風(fēng)冷燈管)的舊式標(biāo)準(zhǔn)。舊式標(biāo)準(zhǔn)的制定是因?yàn)楫?dāng)時(shí)缺乏有效的技術(shù)去精確測(cè)量和控制嚴(yán)格的測(cè)試條件。由于不能控制，所有我們的標(biāo)準(zhǔn)只能簡(jiǎn)單的描述裝置。希望曝曬試驗(yàn)的樣品因?yàn)槭褂孟嗤挠布?，能達(dá)到相同的作用和結(jié)果，但常常事與愿違。

為了進(jìn)一步比較室內(nèi)的老化試驗(yàn)與室外曝曬有什么不同，幾年前，Q-panel 公司和世界某聞名品牌的卷材涂料生產(chǎn)商合作對(duì)各類不同的卷材涂料進(jìn)行了為期 10 年的室外自然老化曝曬、室外人工加速老化曝曬和實(shí)驗(yàn)室人工加速老化曝曬的比照試驗(yàn)研究。該測(cè)試采用五大類不同的樹(shù)脂，包括聚酯、塑料溶膠、70% 的 PVDF、丙烯酸乳液、硅改性聚酯。試驗(yàn)共采用了 23 中不同顏色、不同基料的樣品。室外自然老化曝曬主要在 Q-panel 公司的佛羅里達(dá)、亞利桑那兩個(gè)曝曬場(chǎng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室人工加速老化采用 Q-panel 公司的 UV 熒光紫外燈、氙燈測(cè)試箱。對(duì)樣品性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能模擬室外老化的效果。

ISO 4892—1:1999 《塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法 第一部分：通則》;則是基于這一基礎(chǔ)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是最早的以性能為基礎(chǔ)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由 ISO TC 61委員會(huì)在 1994 年制訂的。在其附則中，詳細(xì)地介紹并推薦了水冷型氙燈和風(fēng)冷型氙燈兩大類老化試驗(yàn)機(jī)。而基于 ISO 4892 上，ASTM G03 委員會(huì)制訂了 G151—G155 老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，基于以性能為基礎(chǔ)的老化標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越得到人們的認(rèn)同和應(yīng)用。2003 年，ISO TC 61 委員會(huì)又對(duì) 1994 版的 ISO 4892-3:1994 《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法 第三部分： 熒光紫外燈》和 ISO 4892—2:1994《塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法 第二部分：氙弧燈》進(jìn)行了重新的補(bǔ)充和修訂，這就是最新 2003 版的 ISO 4892。另外， 2004 年 10 月 16~22 日，在中國(guó)的成都將舉行 TC 61 委員會(huì) 2004 年年會(huì)。

總之，目前的老化試驗(yàn)辦法和老化試驗(yàn)設(shè)備有多種選擇。只有根據(jù)你的材料和試驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的設(shè)備，才能保證你的試驗(yàn)達(dá)到滿意的效果。