高分子材料老化現(xiàn)象

高分子材料在其整個(gè)生命周期，包括合成、貯存、加工以及最終應(yīng)用階段，都面臨著變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，這種變質(zhì)表現(xiàn)為材料性能的惡化。具體而言，可能出現(xiàn)泛黃、相對(duì)分子質(zhì)量降低、制品表面龜裂、光澤喪失等問(wèn)題，更為嚴(yán)重的是力學(xué)性能的大幅下降，如沖擊強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等，從而影響制品的正常使用，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為塑料的化學(xué)老化，簡(jiǎn)稱(chēng)老化。從化學(xué)角度來(lái)看，無(wú)論是天然還是合成的塑料材料，都具有一定的分子結(jié)構(gòu)，其中存在一些弱鍵，這些弱鍵容易成為化學(xué)反應(yīng)的突破口。塑料老化的本質(zhì)是一種化學(xué)反應(yīng)，以弱鍵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（如氧化反應(yīng)）為起點(diǎn)，引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致高分子材料的分子結(jié)構(gòu)改變、相對(duì)分子質(zhì)量下降或產(chǎn)生交聯(lián)，最終使材料性能變壞，無(wú)法使用。

常見(jiàn)的致老化因素包括熱、紫外光、機(jī)械應(yīng)力、高能輻射、電場(chǎng)等，這些因素可以單獨(dú)作用，也可以共同作用。

其中，熱和紫外光是最常見(jiàn)的致老化因素，因?yàn)樗芰显谏a(chǎn)、貯存、加工到制品使用過(guò)程中，接觸最多的環(huán)境便是熱和陽(yáng)光（紫外光），研究由這兩類(lèi)環(huán)境造成的塑料老化對(duì)實(shí)際操作者具有特別重要的意義。

原理及聚合物最大活化波長(zhǎng)

光降解是塑料老化的重要機(jī)制之一。當(dāng)塑料暴露在光照環(huán)境中，光能被材料吸收，引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能下降。不同聚合物對(duì)光的吸收和反應(yīng)能力存在差異，每種聚合物都有其特定的最大活化波長(zhǎng)。當(dāng)光波長(zhǎng)達(dá)到該聚合物的最大活化波長(zhǎng)時(shí)，聚合物分子結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵更容易被激發(fā)，從而引發(fā)光降解反應(yīng)。了解常見(jiàn)聚合物的最大活化波長(zhǎng)，有助于預(yù)測(cè)和評(píng)估材料在光照條件下的老化行為，為材料的篩選、配方設(shè)計(jì)以及老化防護(hù)措施的制定提供理論依據(jù)。

老化測(cè)試的重要性及目的

1. 材料與配方篩選

通過(guò)老化測(cè)試，可以評(píng)估不同材料或配方在特定環(huán)境條件下的耐老化性能，從而為產(chǎn)品的選材和配方優(yōu)化提供依據(jù)，選擇出更適合的材料和配方，以滿足產(chǎn)品的使用要求和使用壽命。

2. 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手比較

老化測(cè)試可以用于比較不同品牌或不同批次材料的耐老化性能，幫助企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中了解自身產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品的優(yōu)劣，從而有針對(duì)性地改進(jìn)產(chǎn)品性能，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3. 尋求失效機(jī)理

通過(guò)對(duì)老化后的材料進(jìn)行分析，可以揭示材料在使用過(guò)程中失效的原因和機(jī)理，為改進(jìn)材料性能、延長(zhǎng)使用壽命提供指導(dǎo)。

4. 提高耐老化性能

老化測(cè)試結(jié)果可以為材料的改性、添加劑的選擇和使用提供參考，幫助研發(fā)人員采取有效的措施提高材料的耐老化性能，如添加光穩(wěn)定劑、抗氧化劑等。

5. 壽命預(yù)估

基于老化測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合加速老化模型和相關(guān)理論，可以對(duì)材料的使用壽命進(jìn)行預(yù)估，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，降低因材料老化導(dǎo)致的產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)。

戶外暴曬老化測(cè)試的優(yōu)缺點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)：吻合性好、簡(jiǎn)單易操作、成本低。2.不足：周期長(zhǎng)、全球氣候多樣性、樣品敏感性不一致。

人工氣候檢測(cè)老化方法

1.碳弧燈光老化試驗(yàn)方法

碳弧燈是一種較古老的技術(shù)，最初被用于評(píng)估被染紡織品的耐光度。由于碳弧燈技術(shù)的歷史較長(zhǎng)，早期的人工模擬光老化技術(shù)多采用該設(shè)備。

2.氙燈光老化試驗(yàn)方法

氙弧燈是一種能夠模擬完整全太陽(yáng)光光譜的光源，包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光光譜。經(jīng)過(guò)過(guò)濾的氙弧燈是測(cè)試顏料、染料和油墨等產(chǎn)品光穩(wěn)定性的最佳光源，這些產(chǎn)品對(duì)太陽(yáng)光中的長(zhǎng)波光和可見(jiàn)光較為敏感。氙弧燈的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以精確調(diào)節(jié)其光譜能量分布，能夠模擬各種自然光條件，從大氣層外的太陽(yáng)光到透過(guò)玻璃窗的日光等。此外，通過(guò)改變氙燈的輻照強(qiáng)度、溫度、濕度等參數(shù)，還可以模擬不同產(chǎn)品的使用環(huán)境，如汽車(chē)內(nèi)外等。氙燈不同輻照度與自然光的光譜對(duì)比，其中光強(qiáng)0.55 W/m2與自然光最為相近。目前，使用氙燈進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)已成為一種首選的、通用的光老化試驗(yàn)方法，并且相應(yīng)的氙燈老化試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)也很多，如ISO、ASTM、SAE J、GM等。

3.紫外熒光燈光老化試驗(yàn)方法

熒光紫外燈是一種特殊的光源，其基本原理是利用低壓汞燈發(fā)出的254nm波長(zhǎng)的紫外光，通過(guò)加入磷共存物將其轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。熒光紫外燈的能量分布取決于磷共存物產(chǎn)生的發(fā)射光譜和玻璃管的傳播特性。熒光紫外燈分為UVA和UVB兩種類(lèi)型，不同的暴露應(yīng)用決定了應(yīng)選擇哪一類(lèi)的紫外燈管。UVA燈管對(duì)于比較不同類(lèi)型的聚合體測(cè)試特別有用，因?yàn)樗鼈儧](méi)有任何低于正常陽(yáng)光的295納米截止點(diǎn)的輸出，通常使材料的降解速度不如UVB燈管快，但能得到對(duì)實(shí)際戶外老化的更好相關(guān)性。

UVA-340：

可在臨界短波的365納米下至陽(yáng)光截止點(diǎn)295納米的區(qū)域內(nèi)提供對(duì)陽(yáng)光最佳的仿真，峰值發(fā)射在340納米，對(duì)于不同配方的比較測(cè)試特別有用。

UVA-351：

模仿穿過(guò)窗玻璃的陽(yáng)光的紫外線部分，對(duì)室內(nèi)應(yīng)用最有效，特別是復(fù)制在窗口環(huán)境下發(fā)生的聚合體損失，常用于家電涂料與汽車(chē)內(nèi)部涂料應(yīng)用。

UVB-313EL：

是用作UVB暴露的最為廣泛使用的QUV燈管，對(duì)非常耐用的產(chǎn)品，如汽車(chē)涂料和屋頂材料測(cè)試的最大化加速非常有用，也常用于QC應(yīng)用，是原始的QUV燈管。

QFS-40：

燈管已被使用多年，仍被指定用于許多測(cè)試方法，特別是汽車(chē)涂料類(lèi)的使用，在QUV/基本型中得到最佳應(yīng)用。

4.金屬鹵素光老化試驗(yàn)方法

金屬鹵素?zé)羰且环N氣體放電燈，通過(guò)金屬鹵化物通電可以提供與直射和散射非常相似的光譜能量分布。金屬鹵素?zé)舻墓庾V分布與地球表面接收到的太陽(yáng)光非常相似，但由于其規(guī)模較大，主要適用于汽車(chē)整車(chē)及其零部件、電工電子產(chǎn)品等大型設(shè)備的人工光老化加速試驗(yàn)。

光老化測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

ASTM G154/G53：

非金屬材料熒光紫外燈曝露試驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM D4329-05：

塑料的熒光紫外線曝露試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM D4674-02a：

曝露于室內(nèi)辦公環(huán)境下塑料色牢度加速測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 4892-3:2006：

塑料一實(shí)驗(yàn)室光源曝露一熒光紫外燈標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 16422.3-1997：

塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)一熒光紫外燈標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM G155/G26：

非金屬材料氙燈曝露試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM D2565-99(2008)：

戶外用塑料缸燈曝露標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM D4459-06：

戶內(nèi)用塑料氙燈曝露標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 4892-2:2006：

塑料一實(shí)驗(yàn)室光源曝露一氙燈標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 16422.2:1999：

塑料實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)一氙燈標(biāo)準(zhǔn)。