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人工加速老化试验方法简述
罗宁 张欣

涂料、塑料等高分子材料在使用过程中经常出现粉化、变色、起泡、裂纹、脱落等现象，严重影响产品的机械、表观等方面的性能，因此需要了解高分子材料的光老化机理并寻找合适的人工加速光老化试验方法来客观地模拟自然使用条件，为材料的研发及应用提供快速的检测与评价方面的依据。目前常用的人工加速老化试验方法主要有氙灯（Q-SUN）、荧光紫外灯（QUV）、碳弧灯、金属灯等。我们对材料的人工加速老化试验方法进行简述，以提高员工对老化的深入认识，供技术人员在研发与检测中参考。
一、 光老化机理
涂料、塑料等高分子材料在受日光照射时，会发生一系列反应，主要是光化学反应。根据光化学反应第一、第二定律，发生光化学反应的的物质首先要吸收太阳光，即物质的分子或原子能够吸收光能，使分子或原子处于高能状态；其次一个分子或原子吸收的能量必须大于其键能，这样才能使物质发生降解，即老化。而涂料、塑料等高分子材料往往含有在聚合过程中残留的为量杂质，聚合物本身含有的一些不归整结构等自身化学结构的老化弱点，当这些高分子材料受太阳光照射后，材料的老化弱点首先被攻破，出现原子或分子键的切断、交联、链的移动、断裂及侧链的变化等现象的单独或同时的发生。老化就是完全的解聚反应，使高分子的末端，从原子间键弱的部分断裂。老化后的高分子材料即出现表面粉化、变色、起泡、裂纹、脱落等现象。
高分子材料的波长敏感性是影响老化的一个重要因素，常见的涂料材料的敏感波长见下表。

化学键
键能（KJ·mol-1）
波长（nm）
C＝O
728
164
C＝C
607
197
C－C芳香烃化合物
519
231
C－H乙炔
507
236
C－H乙烯
444
270
C－H芳香烃化合物
431
278
C－H甲烷
427
280
O－H醇
418
286
O－H乙醇
418
286
C－H乙烷
414
289
C－O乙醇
385
311
C－O甲醇
373
321
C－C乙烷
352
340
C－C丙烷
347
345
C－Cl氯甲烷
352
340
C－Cl氯乙烷
339
353
C－O甲基醚
318
376
RO－OH氢过氧化物
151
794
RO－OR过氧化物
268
447

二、 光老化试验方法
1、碳弧灯光老化试验方法
碳弧灯是一种较古老的技术，碳弧仪器最初被德国合成染料化学家用来评估被染纺织品的耐光度。碳弧灯分为封闭式和开放式碳弧灯，无论哪种碳弧灯，其谱图与太阳光的谱图相差都比较大。由于该项目技术的历史较长，最初的人工模拟光老化技术都是采用该设备，因此在早些的标准中还能见到该方法，尤其是在日本的早期标准中常常采用碳弧灯技术作为人工光老化试验手段。

2、紫外荧光灯光老化试验方法
荧光紫外灯是波长为254nm的低压汞灯，由于加入磷共存物使其转换成较长的波长，荧光紫外灯的能量分布取决于磷共存物产生的发射光谱和玻璃管的传扩。荧光灯分为UVA与UVB，你的暴露应用决定了应该使用哪一类的紫外灯管。下表为UV灯管的分类与适用范围。

UVA
UVB
特点
UVA 灯管对于比较不同类型的聚合体测试特别有用。由于 UVA 灯管没有任何低于正常阳光的295纳米截止点的输出，通常它们使材料的降解不如 UVB 灯管快。然而，它们通常能得到对实际户外老化的更好的相关性。
UVB 灯管广泛用于耐久性材料的快速、节省的测试。当前有两种类型的 UVB 灯管。它们产生相同的紫外线波长，但产生的总能量则不同。所有的 UVB 灯管发射短波紫外线，低于阳光截止点的 295 纳米。尽管这是短波紫外线加速测试，有时却会导致异常的结果。
主要灯管型号
UVA-340
UVA-351
UVB-313EL
QFS-40
适用范围
UVA-340 可在临界短波的 365 纳米下至阳光截止点 295 纳米的区域内提供对阳光最佳的仿真。峰值发射在 340 纳米。UVA-340 灯管对于不同配方的比较测试特别有用。
UVA-351 模仿穿过窗玻璃的阳光的紫外线部分。这对室内应用最有效，特别是复制在窗口环境下发生的聚合体损失。此灯管在家电涂料与汽车内部涂料应用较多。
UVB-313EL 是用作 UVB 暴露的最为广泛使用的QUV灯管。它在对非常耐用的产品，如汽车涂料和屋顶材料测试的最大化加速方面非常有用。UVB-313EL 灯管还经常被用于 QC 应用。

这是原始的 QUV 灯管。QFS-40 灯管已被使用了多年，并仍然在许多测试方法中被指定使用，特别是汽车涂料类的使用。QFS-40 在 QUV/基本型中得到了最佳应用。

图2 紫外灯与太阳光光谱图

3、氙灯光老化试验方法
氙弧灯能模拟完整的全太阳光光谱，它包括了紫外光、可见光和红外光光谱。经过过滤的氙弧灯是测试颜料、染料和油墨等产品的光稳定性的最佳光源，这些产品对太阳光中的长波光和可见光很敏感。氙弧灯可以精确调节其光谱能量分布，可以模拟各种条件下的自然光，从大气层外的太阳光到透过玻璃窗的日光等。另外，通过改变氙灯的辐照强度、温度、湿度等参数，可以模拟不同产品的使用环境，如汽车内外等。图3为氙灯不同辐照度与自然光的光谱对比，其中光强0.55 W/m2与自然光最为相近。目前使用氙灯进行人工加速老化试验已成为一种首选的、通用的光老化试验方法，而且相应的氙灯老化试验方法也很多，如ISO、ASTM、SAE J、GM等。
图3不同辐照度的氙灯与自然光光谱谱图
0.55 W/m2
0.68 W/m2
Sunlight
0.35 W/m2

4、金属卤素光老化试验方法
金属卤素灯是一种气体放电灯，利用金属卤化物通电可以提供与直射和散射非常相似的光谱能量的分布。该方法具有高效性，通过对多个放射光源一定的放置方式，可以产生单一的照射光源效果。金属卤素灯的光谱分布与地球表面接收到的太阳光非常相似，但由于金属卤素灯规模比较大，主要适用于汽车整车及其零部件及电工电子产品等大型设备的人工光老化加速试验。

三、 老化检测标准
※ASTM G155非金属材料氙灯曝露试验的检测标准
循环
滤镜
曝露循环条件
光照强度
黑板温度
适用范围
1
Daylight
120min光照
18min光照+喷淋
0.35W/m2
@340nm
63±2.5℃
最为常用条件
2
Daylight
120min光照
18min光照+喷淋
6h黑暗,95±4%RH
0.35W/m2
@340nm
63±2.5℃

24±2.5℃
更好地模拟户外
3
玻璃窗
100%光照，55±5%RH
0.30W/m2
@340nm
55±2℃
户内塑料
4
玻璃窗
40min光照50±5%RH
20min光照+喷淋
60min光照50±5%RH
1h黑暗,95±5%RH
0.55W/m2
@340nm
70±2℃

70±2℃
38±2℃
汽车外用材料
5
玻璃窗
3.8h光照，50±5%RH
1h黑暗,95±5%RH
0.55W/m2
@340nm
89±3℃
38±2℃
汽车内用材料
※ISO11341·1994涂料氙灯曝露试验标准（GB/T 1865-1997等效采用ISO11341·1994）
循环
滤镜
曝露循环条件
光照强度
黑板温度
A
Daylight
120min光照70±10%RH
18min光照+喷淋
0.55 W/m2@340nm
65±2℃
B
玻璃窗
120min光照70±10%RH
18min光照+喷淋
0.35 W/m2@340nm
65±2℃
C
Daylight
100%光照，50±10%RH
0.55 W/m2@340nm
65±2℃
D
玻璃窗
100%光照，50±10%RH
0.35 W/m2@340nm
65±2℃

※SAM J2412/1885和SAE J2527/1960汽车材料氙灯老化试验标准
标准
曝露循环条件
光照强度
黑板温度
应用
SAM J2412/1885
3.8h光照，1h黑暗
0.55 W/m2@340nm
89±3℃
38±2℃
汽车材料内饰件
SAE J2527/1960
40min光照50±5%RH
20min光照+喷淋
60min光照50±5%RH
60min黑暗,95±5%RH
0.55 W/m2@340nm
70±2℃
70±2℃
38±2℃
汽车材料外饰件

※ ASTM G154非金属材料荧光紫外灯曝露试验
循环
灯
光照强度（W/m2）
曝露循环
黑板温度
适用范围
1
UVA-340
0.77@340nm
8h光照，4h黑暗高湿
60±3℃，50±3℃
涂层和塑料常用
2
UVB-313
0.63@310nm
4h光照，4h黑暗高湿
60±3℃，50±3℃
用于耐候涂层
3
UVB-313
0.44@310nm
8h光照，4h黑暗高湿
70±3℃，50±3℃
汽车材料外饰件
4
UVA-340
1.35@340nm
8h光照，4h黑暗高湿
70±3℃，50±3℃
汽车材料外饰件
5
UVB-313
0.55@310nm
20h光照，4h黑暗高湿
80±3℃，50±3℃
用于屋顶材料
6
UVA-340
1.35@340nm
8h光照，4h黑暗高湿
60±3℃，50±3℃
用于需要耐受高辐射量的涂层或塑料
7
UVA-340
1.35@340nm
8h光照，0.25h喷淋，3.75h黑暗高湿
60±3℃，50±3℃
有热冲击和老化

5