淺談有機高分子材料老化試驗

劉保奎 費永（聯(lián)合金屬科技(杭州)有限公司 浙江杭州311122）

聯(lián)合金屬科技(杭州)有限公司（簡稱：聯(lián)合金屬）為了進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，加快產(chǎn)品研發(fā)進度，準(zhǔn)確檢測有機高分子材料的韌性和強度等性能，特購買了氙弧輻射試驗箱、紫外光照射試驗箱、高低溫交變濕熱試驗箱等檢測設(shè)備。我公司在實際使用中根據(jù)產(chǎn)品的特點和實際情況選擇合適的試驗方法，為有機高分子材料的研發(fā)、生產(chǎn)控制和產(chǎn)品性能持續(xù)改進提供了有力的保證，筆者在此結(jié)合公司的實驗情況進行闡述，旨在拋磚引玉，不足之處，敬請批評指正。

1 、老化的機理

目前，聯(lián)合金屬的產(chǎn)品包括涂料、鋁塑、PET等有機高分子材料，這些產(chǎn)品暴露在潮濕、高溫、寒冷和光照輻射時，會發(fā)生一系列反應(yīng)，主要是光化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)光化學(xué)反應(yīng)第一、第二定律，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)首先要吸收太陽光，即物質(zhì)的分子或原子能夠吸收光能，使分子或原子處于高能狀態(tài)；其次一個分子或原子吸收的能量必須大于其鍵能，這樣才能使物質(zhì)發(fā)生降解，即老化。

2 、影響老化的因素

（一）、內(nèi)部自生結(jié)構(gòu)因素

有機高分子材料往往在聚合過程中有微量雜質(zhì)（催化劑或氧化產(chǎn)物）殘留和聚合物本身含有的一些不規(guī)整的結(jié)構(gòu)等自身化學(xué)結(jié)構(gòu)的老化弱點。當(dāng)這些有機高分子材料受太陽光照射后，材料的老化弱點首先被攻破，出現(xiàn)原子或分子鍵的切斷、交聯(lián)、鏈的移動斷裂及側(cè)鏈的變化等現(xiàn)象；老化就是完全的解聚反應(yīng)，使高分子的末端從原子間鍵弱的部分?jǐn)嗔选?/p>

（二）、外部環(huán)境因素

有機高分子材料長期在戶外曝露于太陽光和含氧大氣中，分子鏈發(fā)生種種物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致鏈斷裂或交聯(lián)，且伴隨著生成含氧基團如酮、羧酸、過氧化物和醇，導(dǎo)致材料韌性和強度急劇下降。太陽光中有大量的可見光、紅外光，和少量的紫外光。紫外光波長300nm～400nm，能被含有羰基及雙鍵的聚合物吸收，而使大分子鏈斷裂，化學(xué)結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致材料性能劣化。當(dāng)遇到高溫、高濕的環(huán)境時，分子結(jié)構(gòu)中的酮、羧酸、過氧化物和酯等含氧基團會加速水解，加速有機高分子材料老化。

通過對有機高分子材料的老化機理的了解和對影響有機高分子材料的老化機理的相關(guān)因素的分析。為我們研究有機高分子材料的老化試驗提供了可靠的依據(jù)。

3 、老化試驗

（一）、自然氣候老化試驗

自然氣候老化試驗方法是國內(nèi)外廣泛采用的方法。其主要原因是自然氣候老化實驗結(jié)果更符合實際，所需的費用較低而且操作簡單方便。雖然我們可以在任何地方進行自然氣候老化試驗，但國際上比較認可的試驗場地是美國的佛羅里達，因為其陽光充足。

但自然氣候老化試驗的不足之處是試驗需要的時間長，試驗人員可能沒有這么多年的時間等待一個產(chǎn)品的測試結(jié)果。另外，即使是佛羅里達，氣候不可能年復(fù)一年的完全相同，故試驗結(jié)果的再現(xiàn)性也不理想。

（二）、人工加速氣候老化

目前，我公司主要進行的老化項目有氙弧輻射試驗、紫外光照射試驗、濕熱老化試驗。

1、氙弧輻射試驗

氙弧輻射試驗被認為是最能模擬全太陽光譜的試驗，因為它能產(chǎn)生紫外光、可見光和紅外光，此方法在國內(nèi)外被廣泛采用的方法。。

但這種方法也有它的局限性，即氙弧燈光源穩(wěn)定性及由此帶來的試驗系統(tǒng)的復(fù)雜性。氙弧燈光源必須經(jīng)過過濾從而減少不期望的輻射。為達到不同的輻照度分布可有多種過濾玻璃類型供選擇。選用何種玻璃取決于被測試材料類型及其最終用途。改變過濾玻璃可以改變透過的短波長紫外光類型，從而改變材料遭受破壞的速度和類型。

表1 聚酯型涂層鋁氙弧輻射試驗

試驗實例：聚酯型涂層鋁氙弧輻射試驗見表1。

2、紫外光照射試驗

紫外光燈照射老化試驗利用熒光紫外光燈模擬太陽光對耐久性材料的破壞性作用。這與前面提到的氙弧燈有區(qū)別，熒光紫外燈在電學(xué)原理上與普通的照明用冷光日光燈相似，但能生成更多的紫外光而非可見光或紅外光線。

對于不同的曝曬應(yīng)用，有不同類型的具有不同光譜的燈供選擇。UVA-340型的燈在主要的短波長紫外光光譜范圍能很好地模擬太陽光。UVA-340燈的光譜能量分布 （SPD）與從太陽光譜中360nm處分出的光譜圖很近似。UV-B型燈也是通常使用的加速人工氣候老化試驗用燈。它比UV-A型燈對材料的破壞速度更快，但其比360nm更短的波長能量輸出對很多材料會造成偏離實際的試驗結(jié)果。但熒光燈與其他類型的燈不同，它的光譜能量分布不會隨時間變化。這一特點提高了試驗結(jié)果的重現(xiàn)性。

試驗實例：天花用涂層鋁和涂層PET紫外燈照射試驗見表2.

表2 天花用涂層鋁和涂層PET紫外燈照射試驗

表3 天花用涂層鋁

表4 涂層PET（層壓處理后）

表5 涂層PET（層壓處理后）“雙85”試驗

（1）天花用涂層鋁，見表 3；

（2）涂層 PET（層壓處理后），見表 4。

3、濕熱老化試驗

濕熱老化試驗是系統(tǒng)采用加熱與制冷平穩(wěn)、加熱與除濕平衡的方法進行控溫控濕調(diào)節(jié)，加熱、加濕功率受控制器控制，工作原理是控制器通過傳感器檢測的溫濕值與控制器設(shè)定值比較，經(jīng)過一系列運算后，調(diào)節(jié)加熱、加濕固態(tài)繼電器的通斷時間，從而達到調(diào)節(jié)加熱、加濕功率的目的。老化時間為1000h，恒溫恒濕試驗箱溫度為85℃，相對濕度為85%（簡稱“雙85”）。試驗后對外觀、涂層附著力、與EVA粘結(jié)強度衰減率進行判定。

實驗實例：涂層PET（層壓處理后）“雙 85”試驗，見表 5。

4 、結(jié)語

現(xiàn)在國內(nèi)外自然氣候老化、氙弧輻射老化、紫外光老化、濕熱老化試驗都是應(yīng)用廣泛的試驗方法。這四種方法是基于完全不同的原理。自然氣候老化直接暴露在大自然環(huán)境中進行。氙燈照射試驗箱仿制全部的太陽光譜，包括紫外光、可見光和紅外光，其目的是模擬太陽光。而紫外光老化試驗并不企圖仿制太陽光線，而只是模仿太陽光的破壞效果。它是基于這樣的原理，長期在室外暴露的耐久性材料受短波紫外光照射引起的老化損害最大。濕熱老化試驗是在高溫、高濕的環(huán)境條件下，使分子結(jié)構(gòu)中的酮、羧酸、過氧化物和酯等含氧基團加速水解，加速有機高分子材料老化。綜合上述分析，目前沒有任何一種老化試驗方法能夠完全有效地檢測產(chǎn)品的老化性能，而應(yīng)當(dāng)運用各種試驗方法，從多個層面上模仿自然氣候、提高重現(xiàn)性、加快老化速率和減少試驗費用是老化試驗的研究必然趨勢。