非金屬材料紫外光老化試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)研究
塑料、橡膠和涂料等非金屬材料在使用的過程中常常會(huì)受到溫度、濕度和光照等氣候環(huán)境因素的影響,從而使得其外觀褪色和性能下降。最終影響產(chǎn)品的使用壽命,研究塑料和橡膠等材料的耐久性,是生產(chǎn)制造過程中*的重要環(huán)節(jié),因此需要開展實(shí)驗(yàn)室人工老化試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選。目前,常用的人工老化試驗(yàn)方法通常是采用氙燈老化試驗(yàn)箱、紫外老化試驗(yàn)箱和碳弧燈老化試驗(yàn)箱等老化試驗(yàn)箱對(duì)材料進(jìn)行耐老化試驗(yàn),其中紫外光老化試驗(yàn)?zāi)M了太陽光中的能量紫外光部分,能夠快速地評(píng)價(jià)非金屬材料的耐候性。
紫外老化試驗(yàn)箱可模擬紫外光照、溫度、凝露、黑暗和干濕交替等諸多戶外環(huán)境條件,可在保證加速性的基礎(chǔ)上,提高試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用環(huán)境的相關(guān)性,加速性和相關(guān)性的好壞往往取決于試驗(yàn)條件的確定是否合理。因此,本文對(duì)紫外光老化試驗(yàn)的主要方法及引用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評(píng)述,并初步擬定了試驗(yàn)條件的確定原則和過程,以期為相關(guān)人員今后開展紫外光老化試驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)。
紫外光老化試驗(yàn)概述
紫外光波長(zhǎng)介于200-400nm之間,光子能量與其波長(zhǎng)成反比,波長(zhǎng)不同,光能量也不樣,各一波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)的能量值如表1所示。
光的吸收是以光量子為單位進(jìn)行的,分子一瞬間只能獲得一個(gè)光量子,所以光的能量的大小決定了分子吸收能量的多少,當(dāng)吸收的能量大于高分子材料化學(xué)鍵的鍵能時(shí),高分子材料發(fā)生降解。高分子材料中典型的化學(xué)鍵的鍵能如表2所示。
由表1和2可知,太陽光中紫外線部分可導(dǎo)致高分子材料中的C-C、C-N和C-O鍵等主要化學(xué)鍵發(fā)生斷裂,造成高分子材料的老化破壞。
紫外光老化試驗(yàn)通過模擬太陽光的紫外光照射來考核高分子材料的耐老化性能,其試驗(yàn)效果的好壞與燈源的選擇密切相關(guān)。目前常用的紫外光源包括UVA-340、UVA-351和UVB-313 ,其中,UVA-340燈源主要模擬太陽光中的短波紫外線部分(300-340 nm); UVA-351燈源主要模擬太陽光中透過玻璃后的短波紫外線,其輻射能量峰值在351nm處;UVB-313燈源的光譜主要集中在280-360nm,其低于300nm的輻射占總輻射量的百分比大于10%,與太陽光中的紫外部分差別較大,容易引起在實(shí)際使用環(huán)境中不存在的老化,試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用相關(guān)性較差,主要用于快速篩選材料和評(píng)價(jià)材料的耐紫外線性能。
紫外光老化試驗(yàn)可選擇多種試驗(yàn)程序,包括連續(xù)暴露、紫外、冷凝和、噴淋等。在試驗(yàn)透過玻璃的紫外線對(duì)材料的影響時(shí),常采用連續(xù)暴露的方式進(jìn)行試驗(yàn),例如汽車內(nèi)飾材料、油墨或靠近窗邊的聚合物材料等;紫外/冷凝試驗(yàn)程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和夜間冷凝戶外環(huán)境條件,主要考察在相對(duì)濕度大、晝夜溫差較大的地區(qū)使用的非金屬材料的耐候性;紫外/噴淋試驗(yàn)程序綜合地模擬了明暗交替、干濕交替和淋雨類戶外環(huán)境因素,主要考察在多雨地區(qū)使用的非金屬材料的耐候性,可參考文章戶外曝曬和紫外老化箱兩種試驗(yàn)的相關(guān)性。
此外,紫外光老化試驗(yàn)常常與其他的環(huán)境試驗(yàn)組合開展,例如:與鹽霧試驗(yàn)組合來評(píng)價(jià)海洋大氣環(huán)境下各類非金屬材料的耐候性;與濕熱試驗(yàn)組合來考察復(fù)合材料的耐候性。
紫外光老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
目前,國(guó)內(nèi)外紫外光老化試驗(yàn)的參照標(biāo)準(zhǔn)很多,其中美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)在相關(guān)術(shù)語、儀器操作規(guī)范、試驗(yàn)方法和實(shí)施慣例等方面做出了規(guī)定,適用材料的范圍較廣,對(duì)試驗(yàn)實(shí)施的指導(dǎo)性較強(qiáng)。常見的紫外光老化試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以參考鏈接:常見紫外老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
其中ASTM標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)涂層、塑料、橡膠、油墨、膠黏劑和瀝青等不同種類的非金屬材料的紫外光老化試驗(yàn)都做出了具體的規(guī)定,在實(shí)際操作中用戶可根據(jù)材料的種類、使用環(huán)境和考核目的來選用標(biāo)準(zhǔn),操作性強(qiáng)。
紫外光老化試驗(yàn)條件的確定
1.常用的紫外光老化試驗(yàn)條件
ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列舉了一些紫外光老化試驗(yàn)典型的試驗(yàn)條件,并對(duì)其適用范圍做出了規(guī)定,詳細(xì)內(nèi)容如表3所示。
在實(shí)際應(yīng)用的過程中,可參照以上試驗(yàn)條件進(jìn)行,也可根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康淖龀鱿鄳?yīng)的調(diào)整。
2.紫外光老化試驗(yàn)條件的確定原則
1)充分地了解非金屬材料的實(shí)際服役環(huán)境
與其他實(shí)驗(yàn)室人工環(huán)境試驗(yàn)一樣,制定紫外光老化的循環(huán)過程時(shí),需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對(duì)材料具有影響的環(huán)境因素。
2)分析材料的種類和組成
由于材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不同,因而其敏感環(huán)境因素和忤響過程也會(huì)有所不同,因此,試驗(yàn)過程中需要根據(jù)高汾子材料的類型來選用不同的試驗(yàn)程序及條件。
3)以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),減少試驗(yàn)條件制定的盲目性
紫外光老化試驗(yàn)條件的確定過程
1.燈源的選擇
紫外光老化試驗(yàn)的燈源的選擇與材料的使用環(huán)境、試驗(yàn)?zāi)康挠嘘P(guān)。考察戶外環(huán)境對(duì)材料的耐候性,常選用UVA-340燈源;而考察玻璃下材料的耐光老化性能,則選用UVA-351燈源;若要快速篩選材料,則可選且和UVB系列燈源。
2.循環(huán)過程的制定
紫外光老化試驗(yàn)可將紫外光照、冷凝和噴淋等試驗(yàn)程序進(jìn)行組合,進(jìn)而模擬光照、高溫、凝露和淋雨等自然現(xiàn)象,在制定紫外光老化的循環(huán)過程時(shí),需要充分地了解材料的使用環(huán)境及對(duì)材料具有影響的環(huán)境因素。
3.溫度的確定
高溫可引起非金屬材料的高溫老化并加速紫外光老化過程,各標(biāo)準(zhǔn)中均推薦了紫外輻照、冷凝和噴淋等各階段的黑板溫度值。
4. 輻照度的確定
目前,紫外光老化試驗(yàn)通常采用的輻照度的范圍是0.48-1.55W/m2,通常采用使用環(huán)境中的最大值。
5.試驗(yàn)時(shí)間的確定
另外,可以考慮材料的使用地區(qū)環(huán)境的輻射量,控制紫外光老化輻射總量,使其與自然暴露輻射總量相當(dāng)。
結(jié)束語:
本文主要介紹了紫外光老化試驗(yàn)的部分方法及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、紫外光老化試驗(yàn)條件確定的原則及過程,在實(shí)際的試驗(yàn)中,需要紫外老化試驗(yàn)需要加強(qiáng)與自然環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)性研究,針對(duì)不同的材料類型和使用環(huán)境,制定出一系列相關(guān)性優(yōu)的紫外光老化試驗(yàn)方案,來提升試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和一致性。
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