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老化試驗的常識

發(fa)表時間:2021-06-30   訪問(wen)量:

    這個問題實際上可以(yi)理解為應該模擬哪(na)些老化(hua)因(yin)(yin)素,高分(fen)(fen)子材料在(zai)使用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong),氣(qi)候環(huan)境里許多因(yin)(yin)素都有(you)可能對(dui)高分(fen)(fen)子材料的(de)老化(hua)產(chan)生作用(yong)。如果事(shi)先知(zhi)道產(chan)生老化(hua)的(de)主要因(yin)(yin)素,就可以(yi)有(you)針(zhen)對(dui)性的(de)選擇(ze)試驗方法(fa)。


    我(wo)們可以(yi)從該材料的運輸、儲存、使(shi)(shi)用環境以(yi)及(ji)其老(lao)化(hua)機(ji)理等方面考(kao)慮(lv),確定試驗方法(fa)。例(li)如(ru)硬(ying)聚(ju)(ju)(ju)(ju)氯乙烯(xi)型材,使(shi)(shi)用聚(ju)(ju)(ju)(ju)氯乙烯(xi)為原料,添加(jia)穩定劑(ji)、顏料等助劑(ji)加(jia)工而成,主要用于(yu)室外(wai)。從聚(ju)(ju)(ju)(ju)氯乙烯(xi)的老(lao)化(hua)機(ji)理考(kao)慮(lv),聚(ju)(ju)(ju)(ju)氯乙烯(xi)受熱易分解;從使(shi)(shi)用環境考(kao)慮(lv);空氣中的氧、紫外(wai)光、熱、水(shui)分都是引起型材老(lao)化(hua)的原因。

硬聚氯乙烯

硬聚氯乙烯

    因(yin)此,國(guo)(guo)標(biao)GB/T8814-2004《門、窗用(yong)未增(zeng)塑聚氯(lv)乙烯(PVC-U)型(xing)材(cai)》中,既規定了光氧老化試驗方法,采用(yong)GB/T16422.2《塑料(liao)實驗室光源曝露試驗方法第(di)二部分:氙弧燈》老化4000h或6000h,模擬了室外(wai)(wai)紫(zi)外(wai)(wai)光及可見光、溫(wen)度、濕度、降雨等因(yin)素(su),同時又規定了熱(re)氧老化項目(mu):加熱(re)后狀態,150℃放置30min,目(mu)測觀察是(shi)否出現氣泡、裂紋、麻點或分離現象,以考察型(xing)材(cai)的(de)耐熱(re)性能。又如(ru)我國(guo)(guo)在(zai)市場上有競爭(zheng)力的(de)一個產品:外(wai)(wai)貿出口(kou)鞋。在(zai)使用(yong)過程中,陽(yang)光中的(de)紫(zi)外(wai)(wai)線是(shi)引起鞋子變(bian)色(se)(se)、褪色(se)(se)的(de)主(zhu)要(yao)原因(yin),因(yin)此,有必要(yao)用(yong)紫(zi)外(wai)(wai)燈箱(xiang)對其(qi)進行耐黃變(bian)測試。


    常(chang)用(yong)的鞋類耐(nai)(nai)黃變(bian)(bian)試(shi)驗箱(xiang)采用(yong)30W的UV燈,樣品離(li)光源(yuan)20cm,照射3h后(hou)觀(guan)察顏(yan)色(se)變(bian)(bian)化。同時,在(zai)運輸過程中(zhong),集裝(zhuang)箱(xiang)內悶熱、潮濕(shi)(shi)的惡劣(lie)環境(jing)(jing)會引(yin)起鞋面、鞋底、膠水(shui)的變(bian)(bian)色(se)、斑點,甚至(zhi)是變(bian)(bian)質。因(yin)此,在(zai)裝(zhuang)船運輸之(zhi)前,有(you)必要(yao)考慮(lv)進(jin)行耐(nai)(nai)濕(shi)(shi)熱老化試(shi)驗,模擬集裝(zhuang)箱(xiang)內高(gao)熱、高(gao)濕(shi)(shi)環境(jing)(jing),在(zai)70℃、95%相對濕(shi)(shi)度的條件下,進(jin)行48h試(shi)驗后(hou)觀(guan)察外觀(guan)、顏(yan)色(se)變(bian)(bian)化。


    二、人(ren)工加速老化光源的(de)選(xuan)擇

    實(shi)驗(yan)(yan)室光(guang)(guang)(guang)(guang)源曝露試驗(yan)(yan):可以在一(yi)個試驗(yan)(yan)箱(xiang)中(zhong)(zhong)同時模擬(ni)大氣(qi)可見環(huan)境中(zhong)(zhong)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)、氧(yang)、熱和(he)降雨等因(yin)素,是目(mu)前(qian)較為常用(yong)的(de)一(yi)種(zhong)人工加速老化試驗(yan)(yan)方法,在這些模擬(ni)因(yin)素中(zhong)(zhong),光(guang)(guang)(guang)(guang)源比較重要。經(jing)驗(yan)(yan)表明,陽光(guang)(guang)(guang)(guang)中(zhong)(zhong)引起高分子材(cai)料(liao)破環(huan)的(de)波(bo)長主要集(ji)中(zhong)(zhong)在紫外線(xian)及(ji)部分可見光(guang)(guang)(guang)(guang)。


    目前使用的(de)人(ren)工光(guang)(guang)源都力圖使在此波長區間內的(de)能(neng)譜(pu)分布(bu)曲線(xian)與太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)譜(pu)接(jie)近,模擬性和加(jia)速倍率(lv)是選擇人(ren)工光(guang)(guang)源的(de)主要依據。經(jing)歷了(le)約(yue)一(yi)個世紀(ji)的(de)發展,實驗室光(guang)(guang)源已(yi)有(you)封(feng)閉式(shi)碳弧(hu)燈(deng)(deng)(deng)、陽(yang)光(guang)(guang)型碳弧(hu)燈(deng)(deng)(deng)、熒光(guang)(guang)紫外燈(deng)(deng)(deng)、氙弧(hu)燈(deng)(deng)(deng)、高(gao)壓汞燈(deng)(deng)(deng)等各(ge)(ge)種(zhong)光(guang)(guang)源供選擇。標準化(hua)組(zu)織(ISO)中與高(gao)分子材料相關的(de)各(ge)(ge)技術(shu)委員會主要推薦使用陽(yang)光(guang)(guang)型碳弧(hu)燈(deng)(deng)(deng)、熒光(guang)(guang)紫外燈(deng)(deng)(deng)、氙弧(hu)燈(deng)(deng)(deng)三種(zhong)光(guang)(guang)源。


    01

    氙弧燈

弧氙燈

    目前認(ren)為,已知的(de)(de)人工光源中(zhong)(zhong)(zhong)氙(xian)(xian)弧(hu)燈(deng)(deng)的(de)(de)光譜能(neng)量分(fen)(fen)布與陽光中(zhong)(zhong)(zhong)紫(zi)外(wai)、可見光部(bu)分(fen)(fen)相似。通過選擇合適(shi)的(de)(de)濾(lv)光片,可以濾(lv)去大(da)部(bu)分(fen)(fen)到(dao)達(da)地面陽光中(zhong)(zhong)(zhong)存在(zai)的(de)(de)短波輻射。氙(xian)(xian)燈(deng)(deng)在(zai)1000nm~1200nm紅外(wai)區(qu)存在(zai)很強(qiang)的(de)(de)輻射,會產生(sheng)大(da)量的(de)(de)熱。

    因此(ci),須選擇合適的冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)卻裝(zhuang)置(zhi)帶(dai)走這(zhe)部(bu)分(fen)能量。目前,市面上氙(xian)燈老化試驗裝(zhuang)置(zhi)有兩(liang)種冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)卻方(fang)式(shi):水冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)式(shi)和風(feng)冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)式(shi)。一般來說,水冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)式(shi)氙(xian)燈裝(zhuang)置(zhi)冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)卻效果要優于(yu)風(feng)冷(leng)(leng)(leng)(leng)(leng)式(shi),同時結(jie)構也(ye)較(jiao)為復雜,價格(ge)也(ye)比較(jiao)昂貴。由于(yu)氙(xian)燈紫外線部(bu)分(fen)能量較(jiao)另兩(liang)種光源增加較(jiao)少(shao),在加速倍率方(fang)面是低的。


    02

    熒光紫外燈

熒光紫外燈

    從理論上(shang)說,300nm~400nm的短(duan)波能(neng)量(liang)是引起老化的主要(yao)因(yin)素。如果增加(jia)這部分能(neng)量(liang),就能(neng)達到快速(su)試驗(yan)的效(xiao)果。熒光紫(zi)外燈(deng)的光譜分布主要(yao)集中在(zai)紫(zi)外光部分,因(yin)此,可以達到較高的加(jia)速(su)倍率。

    然而,熒光(guang)紫外(wai)燈不僅(jin)使自(zi)然日光(guang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)紫外(wai)線能(neng)(neng)量增(zeng)加,同(tong)時(shi)還有在地(di)球(qiu)表面(mian)測量時(shi)自(zi)然日光(guang)中(zhong)(zhong)沒有的(de)(de)(de)輻射能(neng)(neng)量,而這部(bu)分能(neng)(neng)量會引起非自(zi)然的(de)(de)(de)破壞。另外(wai)熒光(guang)光(guang)源除(chu)了很窄的(de)(de)(de)水銀光(guang)譜線外(wai),沒有高(gao)于375nm的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量,這樣對較長波長的(de)(de)(de)UV能(neng)(neng)量敏感(gan)的(de)(de)(de)材料(liao)就可能(neng)(neng)不會出現曝曬在自(zi)然日光(guang)下那樣變化。由于這些固有缺(que)陷會導致得出不可靠的(de)(de)(de)結果。

    因(yin)此,熒光紫外燈(deng)的模擬性較差(cha)。但是,由于它的加速倍率高(gao),通(tong)過選(xuan)擇合適型號的燈(deng)管(guan)可實現對(dui)特定(ding)材料(liao)的快(kuai)速篩(shai)選(xuan)。


    03

    陽光型碳弧燈(deng)


    陽(yang)光(guang)型(xing)碳弧(hu)燈(deng)目前在我國應用(yong)(yong)(yong)得較少(shao),但(dan)它(ta)在日本是廣泛(fan)使(shi)用(yong)(yong)(yong)的光(guang)源,大(da)部分JIS標準都采用(yong)(yong)(yong)陽(yang)光(guang)型(xing)碳弧(hu)燈(deng)。我國許多與(yu)日本合資的汽車企業仍推薦使(shi)用(yong)(yong)(yong)這種光(guang)源。陽(yang)光(guang)型(xing)碳弧(hu)燈(deng)光(guang)譜能量分布也(ye)較接近于太陽(yang)光(guang),但(dan)在370nm~390nm紫外線集中加強(qiang),模擬性不及氙燈(deng),加速倍率介于氙燈(deng)及紫外燈(deng)之間。


    三、試驗時間的(de)確定

    01

    參照(zhao)相(xiang)關產品標準(zhun)規定

    相關產品(pin)標準里(li)已經對(dui)老化試驗的(de)時(shi)(shi)間作出了(le)(le)規定(ding),我(wo)們只(zhi)需(xu)查找到相關標準,按里(li)面規定(ding)的(de)時(shi)(shi)間執行(xing)就行(xing)了(le)(le)。許多國家標準、行(xing)業標準中都對(dui)此作出了(le)(le)規定(ding)。


    02

    根據已知(zhi)的(de)相關性推算(suan)

    研(yan)究(jiu)表明:通(tong)過顏色和變(bian)黃指數(shu)變(bian)化來評價ABS的顏色穩(wen)定(ding)性(xing),人工(gong)加速(su)老(lao)(lao)化與(yu)自(zi)然大氣(qi)暴露有較好的相關性(xing),加速(su)倍率(lv)(lv)約為7。如果(guo)想(xiang)了解某一ABS材料(liao)戶外使用一年后的顏色變(bian)化,采用相同的試(shi)驗(yan)條件,可以(yi)參考該加速(su)倍率(lv)(lv),確(que)定(ding)加速(su)老(lao)(lao)化時間365x24/7=1251h。

ABS塑料管

ABS

    長期以來,國內外就相關(guan)性(xing)間題展(zhan)開了大量的研究,得出(chu)了許許多多的換算(suan)關(guan)系(xi)(xi)式。然而,由于高(gao)分子材(cai)料(liao)的多樣性(xing),加速(su)老化(hua)試(shi)驗設(she)備(bei)及方法的不同,不同時(shi)間、地區氣候的差異性(xing)導致了換算(suan)關(guan)系(xi)(xi)的復雜(za)化(hua)。因此,在選擇換算(suan)關(guan)系(xi)(xi)時(shi),一定(ding)要注意得出(chu)該相關(guan)性(xing)的具體材(cai)料(liao)、老化(hua)設(she)備(bei)、試(shi)驗條件、性(xing)能評價指標(biao)等因素(su)。


    03

    控制人工加速老化輻射(she)總量(liang)與自然暴露輻射(she)總量(liang)相(xiang)當

    對于某些(xie)既無相應標準規定,又無處參(can)考相關性的產(chan)品(pin),可以(yi)考慮其實際(ji)使用環境的輻(fu)射(she)強度,控制人工(gong)加速老化輻(fu)射(she)總(zong)量(liang)與自然暴(bao)露輻(fu)射(she)總(zong)量(liang)相當(dang)。


    舉例(li):如(ru)何控制人(ren)工(gong)加速老化總輻射量(liang)

    某一塑料制(zhi)品使用于北京地(di)區,期望控(kong)制(zhi)人工加速老化總輻射量與戶外暴(bao)露一年(nian)相當。

氙燈耐氣候試驗機

氙燈耐氣候試驗機

    首(shou)先(xian):由于(yu)該產品為(wei)塑(su)料(liao)制品,且(qie)使用于(yu)戶外,選擇采用GB/T16422.2-1996《塑(su)料(liao)實驗室光源曝露試(shi)驗方法第二部分:氙弧(hu)燈》中(zhong)A法。

    試(shi)驗(yan)條件(jian)為:輻(fu)照強度0.50W/m2(340nm),黑(hei)板溫度65℃,箱體溫度40℃,相(xiang)對濕度50%,噴水時(shi)間/不噴水時(shi)間18min/102min,連續光照;


    第二步(bu):北京地區一年輻射總量約為(wei)5609MJ/m2,依據對比(bi)人工(gong)光源(yuan)與自然(ran)陽光輻射光譜分布的準則CIENo85-1989(GB/T16422.1-1996《塑(su)料實驗(yan)室光源(yuan)曝露試驗(yan)方法這一部分:氙弧燈》中引用(yong));其中紫外區與可見區部分(300nm~800nm)占62.2%,即3489MJ/m2。


    第三步:依據GB/T16422.2-1996

    340nm輻照(zhao)強度為0.50W/m2時(shi),紅外(wai)區(qu)與可(ke)見區(qu)部(bu)分(300nm~800nm)輻照(zhao)強度為550W/m2;可(ke)計(ji)(ji)算出輻照(zhao)時(shi)間為3489X106/550=6.344X106s,即(ji)1762h。依此計(ji)(ji)算方法(fa),加速(su)倍(bei)率約為5。由于自然老化并不是簡單的輻照(zhao)強度的迭加,只有在(zai)確定陽光是引起(qi)材料。


    四、性(xing)能(neng)評價指(zhi)標的(de)選擇

    選擇性(xing)能評價指標主要從材料(liao)的用途及材料(liao)本身(shen)特(te)性(xing)兩方面來考慮。

    4.1根據材料用(yong)途確定評(ping)(ping)價指(zhi)標(biao)對于(yu)(yu)同樣的材料,由于(yu)(yu)其(qi)用(yong)途不同,可能選擇的評(ping)(ping)價指(zhi)標(biao)也不同。例(li)如,同樣是涂料,如果是用(yong)于(yu)(yu)裝飾,就必(bi)須重(zhong)點考慮其(qi)外觀(guan)的變化(hua)。在GB/T1766-1995《色(se)漆和清漆涂層老化(hua)的評(ping)(ping)級(ji)》中,詳細規定了光澤度(du)、顏色(se)變化(hua)、粉化(hua)、泛金等各(ge)種外觀(guan)變化(hua)的評(ping)(ping)級(ji)方法(fa)。

    而(er)對(dui)(dui)于(yu)某(mou)些功(gong)能(neng)性(xing)涂料,如(ru)防腐涂料,一(yi)定程度(du)的顏色、外觀(guan)變化(hua)是(shi)可以接(jie)受的,這時,選擇評價指(zhi)標時,主(zhu)要考慮(lv)其耐(nai)開裂性(xing)、粉化(hua)程度(du)等方面。同樣是(shi)聚氯(lv)乙烯(PVC),如(ru)果用于(yu)制作鞋面,就必須(xu)考慮(lv)其耐(nai)黃變性(xing),而(er)如(ru)果是(shi)用于(yu)雨落水管,對(dui)(dui)于(yu)外觀(guan)變化(hua)要求就不(bu)高,而(er)材料的物理機械(xie)性(xing)能(neng)變化(hua),如(ru)拉伸強(qiang)度(du)變化(hua)是(shi)主(zhu)要考核(he)指(zhi)標。


    4.2根(gen)據(ju)材料(liao)(liao)本身(shen)特性(xing)確(que)定評價(jia)指標就同一材料(liao)(liao)來說(shuo),在(zai)老(lao)化過程中(zhong)不同性(xing)能的下降是(shi)不等速(su)的。換句(ju)話說(shuo),某(mou)些(xie)性(xing)能對環境(jing)敏感(gan)(gan),下降得快,是(shi)引起材料(liao)(liao)破(po)壞的主要因素(su)。在(zai)選(xuan)擇(ze)評價(jia)指標時(shi),應該選(xuan)擇(ze)這些(xie)敏感(gan)(gan)性(xing)能。研(yan)究表(biao)明(ming)(ming):對于(yu)大部分工程塑料(liao)(liao)來說(shuo),沖擊強度(du)是(shi)自然老(lao)化試驗(yan)檢測(ce)中(zhong)變(bian)化較大、下降較明(ming)(ming)顯的。

    因此,在進行工程(cheng)塑料(liao)的老(lao)化(hua)測試(shi)時,應優先(xian)考慮選擇沖(chong)擊強度(du)下降作為評價指(zhi)標(biao)。沖(chong)擊強度(du)對(dui)聚丙烯的老(lao)化(hua)同(tong)樣(yang)相當(dang)敏感,是(shi)考核老(lao)化(hua)性(xing)能的主要指(zhi)標(biao)。對(dui)于聚乙(yi)烯材(cai)料(liao)來說,斷(duan)裂伸長率的下降較為明顯,是(shi)優先(xian)考慮的評價指(zhi)標(biao)。對(dui)于聚氯(lv)乙(yi)烯,拉(la)伸強度(du)和沖(chong)擊強度(du)都下降得比較快,應根據實際情況,選擇其中一種來評價。

    在國標GB/T8814-2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯(xi)(PVC-U)型(xing)材》中,選擇老(lao)化(hua)后沖擊強度保留率(lv)≥60%作(zuo)為合(he)格(ge)判(pan)定指(zhi)標;在輕工行業(ye)標準QB/T2480-2000建筑用硬聚氯乙烯(xi)(PVC-U)雨落水(shui)管材及(ji)管件中,選擇老(lao)化(hua)后拉伸強度保留率(lv)≥80%作(zuo)為合(he)格(ge)判(pan)定指(zhi)標。


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