光老化试验基础及原理浅析.

光老化试验基础及原理浅析

前言:阳光辐照和气候变化是损害涂料、塑料、油墨及其他高分子材料的主要原因,这种损害包括失光、褪色、黄变、开裂、脱皮、脆化、强度降低及分层。即使是室内的光及通过玻璃窗透射的太阳光也都会使一些材料老化,比如引起颜料、染料等褪色或变色。

对许多制造商而言,产品的耐老化和耐光性是极其重要的。加速检测老化和光稳定性的设备被广泛用于研究开发、质量、控制和材料检定,这些检测设备提供快速并且可重复的测试结果。近年来,低价位且使用方便的实验室检测设备已经开发出来,包括UV紫外加速老化设备符合ASTM G 154、SN氙灯试验箱符合ASTM G155。

1.术语

1.1 辐照度E(Irradiance

地面上的单位面积单位时间内接收到的太阳辐射,也称为辐照强度,所有波长入射辐照的总量,以W/m2表示,因为辐照是按不同的波长分布的,不同的光谱造成的光化学效应差异很大,所以不应采用不同的光源做比较。

1.2 室内光(Indoor light

采用可减少波长320nm以下光谱辐照度的滤光器来模拟透过玻璃滤光后的日光。

1.3 室外光( Outdoor light

为了模拟直接的自然暴露,辐射光源必须经过过滤,以便提供与地球上的日光相似的光谱能量分布。

1.4 黑标温度(Black panel temperature

黑标表面所测到的温度,它表示产品表面可能达到的最高温度。

1.5 暴露辐射能(The Energy of Irradiance

试样已经受暴露的辐射能的一种量度,可以由下式算出: H=E*dt

式中:E—辐照度,W/m2;

t—暴露时间,s;

H—暴露辐射能,J/m2;

如果产品受辐射时,辐射度不变,则辐射能等于辐射度乘以辐射时间。

2.光源的选择

2.1 辐射光源的种类

太阳辐射试验主要有氙灯、荧光紫外灯(荧光灯、碳弧灯三种类型的试验设备,他们都是从光能、温度、降雨或凝露这几种主要气候因素进行模拟和强化的试验。

2.2 三种光源的优缺点

2.2.1 氙灯可以很方便地模拟白天光照,夜间凝露或降雨的反复交变试验条件,其中氙灯模拟太阳光谱较佳;

2.2.2 荧光灯也可以很方便地模拟白天光照,夜间凝露或降雨的反复交变试验条件,荧光灯气候老化是模拟太阳光紫外光谱较接近的设备,加速老化效果更显著;

2.2.3 碳弧灯在某些情况下,经滤光器校正紫外辐射后,碳弧灯的辐射光谱分布可以接近地表的自然光谱,但是碳弧灯的定位精确性差和寿命较短,存在碳弧体容易烧毁的缺陷,此方法较多的在日系车型的检测试验使用。

3.氙灯(SN与荧光紫外(UV的比较:

测试抗老化和光稳定性的最佳方法经常引起争论。几年来,各种各样的方法都被应用过,现在大部分研究者使用自然曝露方法,SN氙弧灯或UV加速老化试验设备。自然曝露测试方法有很多优点,实际、便宜、易于操作,然而并不现实,大部分制造商都不愿意等上几年的时间来观察一种新的改良的产品设计是否真的得到改进。

SN氙弧灯试验箱和UV紫外加速老化试验箱是应用最广泛的加速老化检测设备,这两种检测设备的测试原理完全不同。SN氙灯试验箱模拟太阳光的所有光谱,包括紫外线(UV、可见光和红外线(IR,氙灯光谱在295 nm到800 nm范围内基本上与太阳光的光谱相吻合。SN被用来测试许多产品,这些产品对紫外线的长波段、可见光及红外线较敏感。

UV不能模拟全光谱太阳光。它的原理是,对于曝露在室外的经久耐用的材料,紫外线的短波段300~400 nm是引起老化损害的最主要原因。从中可以看出,在紫外线的短波区域,即从365 nm到太阳光的最低波段,UV能很好地模拟太阳光,然而,对于长一点的波长它将无能为力。

测试最佳方法依赖于测试需要,每种方法都可能非常有效。应该根据被测产品

或材料、最终应用条件、所考虑降解模式和预算来选择合适的检测设备。

4.老化的三要素——光照、高温、潮湿

光照、高温和潮湿,这三个因素中的任何一个都会引起材料的老化损害,但它们往往同时发生作用,湿度和温度都能加速光氧化过程,起到催化剂的作用。在不同湿度条件下,各种材料、涂料和塑料等物质的光化学劣化效应相差极大,并且它们对湿度的敏感程度各不相同,因此,各类标准中规定的值不同。

不同材料对光敏感性不同。经久耐用材料,如大多数涂料、塑料,紫外线的短波段是引起大部分聚合物老化原因。然而,对于不是那么经久耐用的材料,比如一些颜料和染料,紫外线的长波段甚至可见光也会使其产生严重的老化。

当温度升高时,光的破坏作用也将随之增大。尽管温度不影响主要的光致反应,但却影响次要的化学反应。实验室老化测试必须提供精确的温度控制,通常还通过升温的方法来加速老化过程。粗略的估计,温度升高10℃,化学反应速度会提高两倍。温度方面,主要控制两个:环境温度及黑标温度,黑标温度是模拟产品的实际情况,实际情况中产品是有一定的吸热率,故导致其温度与环境温度不同,因此一般使用黑标及黑板两种温度计模拟产品的温度。

湿气对产品的化学反应与物理效应有:侵蚀、吸收、冻解、热冲击,其表现形式有三种:雨、露、湿度。产品在其寿命期间,接触露水的时间远远大于接触雨水的时间,影响外饰件潮湿的主要原因是露水而不是雨;影响内饰件的则是相对湿度。

放在室外的物品每天都将长时间。由潮气形成的露水是室外潮湿的主要因素,露水造成的危害比雨水更大,因为它附着在材料上的时间更长,引起更为严重的潮湿吸收。雨水对材料的危害也很大,雨水将引起热冲击。比如一辆在炎热夏日里温度升高的汽车突然因阵雨而急剧降温,就会产生冲击现象。雨水冲刷引起的机械侵蚀也会加速材料发生老化,如木材涂层因雨水冲洗去除了表面老化层,将未老化的里层暴露于太阳光下,从而产生进一步老化。

降雨的影响:表面效应(冲刷表面、粉化、去污、热冲击(由于降雨导致内外表面温度不均匀,从而收缩力不同因为外饰件有此现象,故外饰件试验中需要增加喷水润湿模拟降雨效果,注意此处的水质为了统一试验效果,用于润湿的蒸馏水应符合GB 6682实验室用水二级水的要求,电导率低于2μS/cm ,而且蒸发残留物

少于1ppm,为了防止水中的杂质对产品表面产生非此项试验的影响。

露水的特征是含有富氧,且在产品的表面停留时间长,一般昼夜温差在7℃以上时,才会凝露,而下雨天的温差一般≤5℃,故下雨天的露水时间较一般天气为短。部分试验标准中的黑暗周期加高湿度的目的是为了形成露水(例如:SAE J2527。

5.试验持续时间