高分子材料耐候性试验测试方法概述及评价指标的选择[1]

1、盯环境适应性和可靠性高分子材料耐候性试验测试方法概述 及评价指标的选择广州电器科学研究院气候试验中心王钊桐赵养利一丫一摘典高分子材料耐候性试脸侧 试派其评价一直是材料科学与工 权方面的个重要研究课题,本文主要介绍当前高分子材料耐候性测试中常用的几种方法,并比较这些耐候性试脸方法的优缺点同时介绍进行高分子材并耐候性试脸时性能变化评价指标和终止指标的选择。关健词高分子材料耐候性气候老化试脸评价指标。,妞一挂墓几,垃盆,吨引言塑料、涂料、橡胶、纺织品等高分子材料在实际使用中由于受到环境因素如光、水、温度的影响,其物理性能和机械性能会劣化或丧失,如表面褪色、失光、开裂、粉化、起泡、硬化等等,这种现象称为气候老化。高分子材料在 自然气候环境下曝露时的耐气候老化能力即高分子材料的耐候性,。高分子材料在使用过程中会遇到气候老化的问题。为了预知高分子材料的耐候性,我们可以通过实验的方法来实现,当前常用的考核评价高分子材料耐候性的试验方法主要分为两类自然气候老化试验和人工气候老化试验。评价高分子材料的耐候性有多种指标,如外观变化、物理化学性能变化、机械性能变化、光学性能变化、电学性能变化等等。评价指标的

2、选择极为重要,它不仅影响实施耐候性试验时间的长短,而且直接影响评定结果的可靠性。为 了快速有效得到可靠的试验数据和结果,应当选择在老化过程中变化比较灵敏、单调,易于测定又能真实反映高分子材料老化规律的指标 。本篇作者主要概述当前常用的高分子材料耐候性测试 的两类方法自然气候老化试验和人工气候老化试验,并从同自然气候特别是自然光源相似程度和加速倍率两方面进行分析,比较这些耐候性试验方法的优缺点同时介绍在进行耐候性试验时应如何选择评价指标和终止指标才能有效迅速获取高分子材料耐侯性能变化的可靠数据和结果。常用的高分子材料耐候性测试方法概述自然气候老化试验自然气候老化试验又称自然气候曝露试验,即将待试的试样或制品曝露于自然大气环境中,使其经受日光、温度、水分、氧和臭氧等各种气候因素的综合作用,观测其性能随时间而发生的变化的试验【。自然气候老化试验是最 早采用 的、现在还广泛使用的方法。自然气候老化试验在自然大气曝露场进行。曝露场规定必须建在能代表某一最严酷气候类型或环境条件近似于产品实际应用条件的地区,依据有两个以能代表某种“气候类型”为标准的曝露场,称为“标准气候”曝露场以近似于产品实际应用

3、环境条件为标准的,称为“非标准气候”曝露场。在我国,标准的 自然大气 曝露场主 要设在海南 的琼海北热带高温高湿城郊环境气候、万 宁北热带高温 高湿海洋型气候,广州南亚热带湿润型城市气候,北京中温带亚湿润型城郊气候,江津亚热带高温高湿城郊环境气候,拉萨亚热带高温高湿城郊环境气候 等典型气候地点。在曝露场进行自然气候老化试验时,如无特殊的研究要求,曝露架的方向一般选择正南的朝向,架撇惘俐 阴砚 兀 陇以佣丫 砂伦叼陇一一环境适应性和可靠性盯面与水平面的倾角通常为。为使试样接受最大的太阳辐射量,应把曝露架面与地平线成当地纬度角放置。曝露试验场内要求设置气象观测仪器,位于国家气象站附近的曝露场可直接利用该站的观测资料。气象资料主要包括温度、湿度、日照时数、太阳辐射量、降雨量、风速、风向等。试验的结果会随投试季节而改变,尽管这种影响会随曝露时间的延长而减少。当曝露周期少于一年时,若需获得产品的完整特性,则应在六个月后对该样板进行一次重复试验。曝露试验开始的时间最好定在春末夏初。试验期限可根据试验目的、要求和结果而定,一般可按产品标准的要求或提出预计时间年、月,也可使用试样接受的太阳辐射量作为曝

4、露期限。测试周期可根据预定的试验期限定 出,一般取个月左右,在试验过程中视材料性能变化的快慢酌情缩短或延长测试周期。自然气候曝露试验由于是在真实的自然气候条件下进行,其试验条件与材料的实际使用环境近似性好,所以试验结果与实际使用中产生的结果之间一致性好,能获得较为可靠的试验数据和结果。但这种试验方法也有其 自身的缺点,如试验周期长,一个试验往往需要几个月,甚至几年乃至更长的时间才能获取试验数据,很难满足瞬息万变的商业社会的时效要求,相比人工气候老化试验,其试验不具备加倍速率,效率比较低。此外,由于自然气候非人力可控,受时间、地域的制约,环境中的光、水、温度随时都会发生改变,因此在不 同的时间开始的试验很难获得一致的结果,导致其试验结果重复性差。人工气候老化试验人工气候老化试验又称人工加速老化试验,即在实验室利用老化箱模拟 自然环境条件的某些重要因素,如阳光、温度、湿度、降雨等对试验样品进行的耐候性试验【。由于引起高分子材料气候老化因素的多样性及老化机理的复杂性,自然气候老化无,疑是最重要最可靠的耐候性试验方法。但是,由于自然老化周期相对较长,不同年份、季节、地区气候条件的差异性导致了试

5、验结果的不可 比性。人工气候老化试验弥补了这些不足,该类方法通过人工模拟 自然气候中的光、水、温度对试样产生作用而得到试验结果并可通过强化自然气候中某一因素或几种因素的作用而缩短耐候性试验周期,从而获得加快试验进程的效果。由于试验条件可控,试验的重复性也得到了保证。因此,人工气候老化试验和自然气候老化试验一样得到广泛的运用,甚至使用得更多。实验室光源曝露试验因为可以在一个试验箱中同时模拟大气可见环境中的光、氧、热和降雨等因素,是目前较为常用的一种人工气候老化试验方法,在这些模拟因素中,又 以光源最为重要。经验表明,高分子材料的气候老化不仅与光源的辐射强度有关,而且与光源的能谱分布有密切关系【。阳光中引起高分子材料破环的波长主要集中在紫外线及部分可见光。目前使用的人工光源都力图使在一纳米的波长区间内的能谱分布曲线与太阳光谱接近,模拟性和加速倍率是选择人工光源的主要依据。经历了约一个世纪的发展,应用于人工加速老化试验的实验室光源已有封闭式碳弧灯、阳光型碳弧灯、荧光紫外灯、氛弧灯、高压汞灯等各种光源可供选择。国际标准化组织中与高分子材料相关的各技术委员会主要推荐使用的是氮弧灯、荧光紫外灯、阳

6、光型碳弧灯三种光源。下面,笔者将从同自然气候特别是自然光源相似程度和加速倍率两方面进行分析,比较这三种光源的耐候性试验方法,并评价其优缺点。氛弧灯目前认为,在人工气候老化试验中,氮灯耐候性试验最具有代表性,也是最重要的,因为在已知的人工光源中氮灯和其它的人工光源相比,其光谱能量分布与阳光中紫外、可见光部分最相似囚。而且,通过选择合适的滤光片组合,可以滤去大部分到达地面的阳光中存在的短波辐射,获得具有不同光谱能量分布的光,最常用的如模拟户外阳光或模拟透 过玻璃后的阳光。在人工气候老化试验的发展过程中,氮灯耐候性试验越来越普遍采用,并逐步取代其他的试验方法如碳弧灯气候老化试验,成为人工气候老化试验 的主流试验方法。目前,实验室使用的氮灯耐候性试验装置一般按两种方式来分类按氮灯管的冷却方式分类一为水冷式氮灯耐候试验机,一为风冷式氨灯 耐候试验机。一般 来说,一一环境技术年月第期环境适应性和可靠性水冷式氮灯装置冷却效果要优于风冷式,运行安静,但同时冷却系统的结构也较为复杂,冷却水需要纯度很高的去离子水,运行成本高,价格也比较昂贵风冷式氮灯简单、经济,但运行时冷却风机的噪声稍大。按试样安放装置分

7、类一为旋转式试样安放装置,一为静态平板式试样安放装置。一般说来,旋转式试样安放装置在运行过程中绕着氮灯转动,试样能获得较为均匀的辐照静态平板式试样安放装置是固定不动的,不同位置的试样受到的辐照有差异,因此在试验持续期内,需要对试样的位置进行轮换。但氛灯也有其美中不足的地方,例如在、的近 红外区存在很强的辐射峰,会产生大量的热。因此,须选择合适的冷却装置来带走这部分的能量。另外,由于氮灯紫外线部分能量较另外的两种光源增加较少,所以比较其它两种光源,氛灯耐候性试验方法在加速倍率方面是最低的。很窄的水银光谱线外,没有高于的能量,这样对较长波长的能量敏感的高分子材料也就可能不会出现正常情况下曝晒在自然日光下那样变化。由于这些固有的缺陷会导致得出超乎实际应用情况的不可靠结果,因此荧光紫外灯的人工气候模拟性较差。但是,由于它的加速倍率高,通过选择合适型号的灯管可实现对特定材料的快速筛选。目前,荧光紫外灯可分为荧光灯和荧光灯两种。荧光灯的峰值波长在左右,其能量几乎全部集中在到之间。其能量分布的波长范围比日光的要短,在以上几乎没有什么能量。因为这种光源的短波紫外线能量比例很大,并且缺少长波紫外线和可见

8、光部分的能量,所以使用灯进行加速老化试验时,所得到的被测材料的稳定性经常会与自然气候老化试验中的数据差异较大。荧光灯的射线波长主要集中在到之间,例如灯和灯。灯的短波辐射与下的日光直射很相似而灯的短波光谱分布和透过窗玻璃的日光相似。由于灯不发射陆地 日光波长 以下的高能辐射,所 以使用这种光源的测试效果更接近于自然老化,但是测试时间比灯要长。光型碳弧灯光谱能量分布也较接近于太阳光,但在一紫外线集中加强,使得其紫外线光谱与阳光相差较大。它有两个强力发射波段峰值分别在和,是正常日光的倍和倍。,。对于某些材料来说,碳弧灯的效果和日光是很相似的。但对于只吸收短波紫外线辐射的材料来说,这种光源比日光的老化效果要弱对于既吸收长波紫外线又吸收可见光的材料来说,这种光源 的效果要比 日光强得多。所以,对于评估材料的相对光稳定性来说既包括吸收短波紫外线的材料,也包括吸收长波紫外线的材料,与曝露在日光下的老化结果相比,碳弧灯的结果可能会不准确。因而,碳弧灯的模拟性不及氮灯,加速倍率介于氮灯及紫外灯之间。荧光紫外灯从理论上说,太阳光中、的短波能量是引起高分子材料老化的主要因素。如果增加这部分能量,就能达到加速

9、老化试验的效果。荧光紫外灯的光谱分布主要集中在紫外光部分,因此,可以达到较高的加速倍率。然而,荧光紫外灯不仅使自然日光中的紫外线能量增加,同时还有在地球表面测量时自然日光中没有的辐射能量,而这部分能量会引起高分子材料非自然的破坏。另外,荧光光源除了阳光型碳弧灯阳光型碳弧灯目前在我国应用得较少,但它在日本是广泛使用的光源,大部分标准都采用阳光型碳弧灯。我国许多与日本合资的汽车企业仍推荐使用这种光源。阳耐候性试验过程中性能变化评价指标的选择评价指标的选择极为重要,它不仅影响实施耐候性试验时间的长短,而且直接影响评定结果的可靠性。为了快速有效得到可靠的试验数据和结果,应当选择在老化过程中变化比较灵敏、单调,易于测定又能真实反映高分子材料老化规律的指标。评价高分子材料气候老化过程中性能变化的测试指标,应根据高分子材料的不同品种、用途和材料本身特性来选择 。主要包括外观,如颜色、光泽、软硬、脆性、银纹等物理化学性能,如比重、玻璃化温度、熔融指数、折光率、透啪在阴 越叱院以的丫械以韶一一环境适应性和可靠性盯光率、分子量、分子量分布、耐寒等机械性能,如拉伸强度、伸长率、冲击强度、弯曲强度、剪切强度、疲劳强度、硬度、弹性、附着力、耐磨强度等电性能,如绝缘电阻、介电常数、介电损耗、击穿电压等。下面,笔者就涂料、塑料、橡胶以及电绝缘材料等三大类高分子材料为例,介绍如何选择耐侯性评价指标和耐侯试验的终止指标才能更有效迅速获取高分子材料在耐候性试验过程中性能变化的可靠数据和结果。化特征和老化机理,选择一些特殊的评价指标,如聚氯乙烯的热分解速度、热分解温度、热稳定时间、热失重、热烘变色和斑点,有机玻璃的银纹等。从实用角度,还可选择一些特定的评价指标,如农用聚氯乙烯薄膜的耐寒性 低温伸长、透光率和雾度电工绝缘塑料的体积电阻、表面电阻透明塑料和光学塑料的透光率等。同一高分子塑料的品种因制品不 同,所选择评价指标也有区别。如选用聚烯烃的物理机械性能指标时,片材可选脆性、断裂伸长率薄膜和纤维选断裂伸长率、拉伸强度注塑制品选冲击强度、断裂伸长率等。映材料的老化本质的变化而又易于测定的评价指标中确定,并视材料的实际用途、实际使用环境而定。到达终止指标时,试验即告结束。目前,涂料、塑料、橡胶多采用某一项或几项主要指标下降到原始值的或左右时为终止指标。涂料

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