高分子材料老化現象

高分子材料在其整個生命周期，包括合成、貯存、加工以及最終應用階段，都面臨著變質的風險，這種變質表現為材料性能的惡化。具體而言，可能出現泛黃、相對分子質量降低、制品表面龜裂、光澤喪失等問題，更為嚴重的是力學性能的大幅下降，如沖擊強度、撓曲強度、拉伸強度和伸長率等，從而影響制品的正常使用，這種現象被稱為塑料的化學老化，簡稱老化。從化學角度來看，無論是天然還是合成的塑料材料，都具有一定的分子結構，其中存在一些弱鍵，這些弱鍵容易成為化學反應的突破口。塑料老化的本質是一種化學反應，以弱鍵發生化學反應（如氧化反應）為起點，引發一系列化學反應，導致高分子材料的分子結構改變、相對分子質量下降或產生交聯，最終使材料性能變壞，無法使用。

常見的致老化因素包括熱、紫外光、機械應力、高能輻射、電場等，這些因素可以單獨作用，也可以共同作用。

其中，熱和紫外光是最常見的致老化因素，因為塑料在生產、貯存、加工到制品使用過程中，接觸最多的環境便是熱和陽光（紫外光），研究由這兩類環境造成的塑料老化對實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

光降解是塑料老化的重要機制之一。當塑料暴露在光照環境中，光能被材料吸收，引發一系列化學反應，導致材料性能下降。不同聚合物對光的吸收和反應能力存在差異，每種聚合物都有其特定的最大活化波長。當光波長達到該聚合物的最大活化波長時，聚合物分子結構中的化學鍵更容易被激發，從而引發光降解反應。了解常見聚合物的最大活化波長，有助于預測和評估材料在光照條件下的老化行為，為材料的篩選、配方設計以及老化防護措施的制定提供理論依據。

老化測試的重要性及目的

1. 材料與配方篩選

通過老化測試，可以評估不同材料或配方在特定環境條件下的耐老化性能，從而為產品的選材和配方優化提供依據，選擇出更適合的材料和配方，以滿足產品的使用要求和使用壽命。

2. 競爭對手比較

老化測試可以用于比較不同品牌或不同批次材料的耐老化性能，幫助企業在市場競爭中了解自身產品與競爭對手產品的優劣，從而有針對性地改進產品性能，提高市場競爭力。

3. 尋求失效機理

通過對老化后的材料進行分析，可以揭示材料在使用過程中失效的原因和機理，為改進材料性能、延長使用壽命提供指導。

4. 提高耐老化性能

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

5. 壽命預估

基于老化測試數據，結合加速老化模型和相關理論，可以對材料的使用壽命進行預估，為產品的設計、使用和維護提供科學依據，降低因材料老化導致的產品失效風險。

戶外暴曬老化測試的優缺點

1.優點：吻合性好、簡單易操作、成本低。2.不足：周期長、全球氣候多樣性、樣品敏感性不一致。

人工氣候檢測老化方法

1.碳弧燈光老化試驗方法

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

2.氙燈光老化試驗方法

氙弧燈是一種能夠模擬完整全太陽光光譜的光源，包括紫外光、可見光和紅外光光譜。經過過濾的氙弧燈是測試顏料、染料和油墨等產品光穩定性的最佳光源，這些產品對太陽光中的長波光和可見光較為敏感。氙弧燈的一個顯著優點是可以精確調節其光譜能量分布，能夠模擬各種自然光條件，從大氣層外的太陽光到透過玻璃窗的日光等。此外，通過改變氙燈的輻照強度、溫度、濕度等參數，還可以模擬不同產品的使用環境，如汽車內外等。氙燈不同輻照度與自然光的光譜對比，其中光強0.55 W/m2與自然光最為相近。目前，使用氙燈進行人工加速老化試驗已成為一種首選的、通用的光老化試驗方法，并且相應的氙燈老化試驗方法標準也很多，如ISO、ASTM、SAE J、GM等。

3.紫外熒光燈光老化試驗方法

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出的254nm波長的紫外光，通過加入磷共存物將其轉換成較長的波長。熒光紫外燈的能量分布取決于磷共存物產生的發射光譜和玻璃管的傳播特性。熒光紫外燈分為UVA和UVB兩種類型，不同的暴露應用決定了應選擇哪一類的紫外燈管。UVA燈管對于比較不同類型的聚合體測試特別有用，因為它們沒有任何低于正常陽光的295納米截止點的輸出，通常使材料的降解速度不如UVB燈管快，但能得到對實際戶外老化的更好相關性。

UVA-340：

可在臨界短波的365納米下至陽光截止點295納米的區域內提供對陽光最佳的仿真，峰值發射在340納米，對于不同配方的比較測試特別有用。

UVA-351：

模仿穿過窗玻璃的陽光的紫外線部分，對室內應用最有效，特別是復制在窗口環境下發生的聚合體損失，常用于家電涂料與汽車內部涂料應用。

UVB-313EL：

是用作UVB暴露的最為廣泛使用的QUV燈管，對非常耐用的產品，如汽車涂料和屋頂材料測試的最大化加速非常有用，也常用于QC應用，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試方法，特別是汽車涂料類的使用，在QUV/基本型中得到最佳應用。

4.金屬鹵素光老化試驗方法

金屬鹵素燈是一種氣體放電燈，通過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。金屬鹵素燈的光譜分布與地球表面接收到的太陽光非常相似，但由于其規模較大，主要適用于汽車整車及其零部件、電工電子產品等大型設備的人工光老化加速試驗。

光老化測試相關標準

ASTM G154/G53：

非金屬材料熒光紫外燈曝露試驗操作標準。

ASTM D4329-05：

塑料的熒光紫外線曝露試驗標準。

ASTM D4674-02a：

曝露于室內辦公環境下塑料色牢度加速測試標準。

ISO 4892-3:2006：

塑料一實驗室光源曝露一熒光紫外燈標準。

GB/T 16422.3-1997：

塑料實驗室光源暴露試驗一熒光紫外燈標準。

ASTM G155/G26：

非金屬材料氙燈曝露試驗標準。

ASTM D2565-99(2008)：

戶外用塑料缸燈曝露標準。

ASTM D4459-06：

戶內用塑料氙燈曝露標準。

ISO 4892-2:2006：

塑料一實驗室光源曝露一氙燈標準。

GB/T 16422.2:1999：

塑料實驗室光源曝露試驗一氙燈標準。