材料耐光老化測試研究

王仲昭

（上海紡織集團檢測標準有限公司，上海200082）

述評

材料耐光老化測試研究

王仲昭

（上海紡織集團檢測標準有限公司，上海200082）

介紹了耐光老化測試的理論知識、測試方法和試驗室條件，并對測試中常用的測試標準、質量控制、常見問題和解決方法進行了詳細分析。

材料；耐光；老化測試

0　引言

眾所周知，材料在日常環境中隨著時間推移會逐步老化，從而影響材料的性能，如汽車零部件的老化會影響車輛的性能和可靠性，嚴重時會對車內人員造成危害；服裝的老化會造成褪色和易損壞等。因此，老化測試是產品生產商和第三方檢測機構中重要的測試項目。

準確做好老化測試涉及很多方面，在實際操作和理解過程中會遭遇各種各樣的問題，必須透徹理解各類基礎概念，熟練掌握各類光老化設備的操作技術，才能做好老化測試。本文針對耐光老化測試涉及的理論知識、測試方法及光源類型、測試標準和測試中質量控制的方法等方面進行了介紹。

1　光老化測試理論知識

老化是指材料對氣候所產生的負面反應，會導致產品失效。通過研究產品的物理及化學穩定性可預防產品老化，并通過老化測試來評估材料的耐久性。

影響老化的主要因素為日光的輻射、溫度和濕度，空氣污染、生物現象和酸雨等二級因素，以及它們和自然現象共同作用于材料表面導致的老化。

2　光老化測試方法

光老化測試方法主要包括自然老化和實驗室老化兩種方法。

自然老化試驗是將材料直接暴曬于日光和其他氣候因素中，同時設定測試所需的角度和參數，及特定的經度緯度（通常選擇美國南弗羅里達州或亞利桑那州）。自然老化也有多種測試方法，有黑板暴曬、黑箱暴曬和間接暴曬等，用于滿足不同材料不同標準要求。主要測試標準見表1。

表1　自然老化主要測試標準

自然老化是預測產品使用壽命最可靠的測試方法，但自然老化測試周期過長和戶外環境（如氣候因素、季節因素和突變因素等）存在不確定性因素會影響測試結果的重復性。因此，目前檢測機構主要通過實驗室老化來模擬快速的自然老化。

3　實驗室老化試驗條件

為了更快地評估材料的耐久性，通常采用配有人工光源的測試設備來加速老化。實驗室加速設備老化優于自然老化，是由于實驗室老化測試可在持續接近或強于日光輻照度條件下進行，且不存在日夜和季節變化等二級因素的干擾。將測試樣品置于指定條件下測試結果的重現性和重復性均較好。通過獨立控制溫度或濕度等因素，可以研究不同條件對材料性能的影響。

3.1光源種類

實驗室老化常用的光源有氙弧燈、碳弧燈、紫外熒光燈和金屬鹵素燈，且每種光源的側重點不同，達到的測試目的也不同。因此必須根據測試材料及測試要求選擇不同的光源進行測試。

（1）氙燈光源

利用惰性氣體氙在超高電壓下原子被激發電離放電產生弧光來模擬自然條件下劣化的再現性試驗，氙弧燈與太陽光放射照度有較好的一致性，更接近太陽光，其中紫外線占11%，可視光占89%，并且可以模擬黑夜及淋雨現象。

（2）碳弧光源

碳弧光源分陽光碳弧和紫外碳弧兩種光源。陽光碳弧儀器燃燒發光產生強烈的紫外線，波長分布范圍廣，長波放射光帶與太陽光比較接近，并且可以模擬黑夜和淋雨現象。紫外碳弧由熾熱的碳電極燃燒產生弧光，放射光線主要以紫外線為主。研究表明，紫外線對芳香族高分子材料的破壞作用較強，主要以光澤變化為主，但對脂肪族高分子材料的促進性并不強烈。

（3）紫外熒光光源

紫外熒光燈可模擬關鍵的短波紫外線，并能完整真實地重現太陽光、雨水和露水造成的損害。損傷類型主要有褪色、光澤消失、粉化、龜裂、開裂、模糊、起泡、脆化、強度減小和氧化。在幾日或幾周之內，紫外測試儀能夠重現戶外數月或數年造成的損害。

（4）金屬鹵素光源

被稱為全光譜的金屬鹵素燈可以模擬整個日光光譜，被廣泛運用于整車光照試驗和汽車空調試驗等，但因其造價高、占用空間大的缺點，不經常使用于實驗室。

3.2老化光源的選擇

根據四種光源的不同特性，可以用氙燈光源及金屬鹵素燈來加速模擬常規日光輻射，用碳弧燈來加速模擬具有強烈紫外光的日光，用紫外熒光燈來模擬短波紫外線。因此，實驗室老化測試時針對不同的材料和要求選擇不同的光源。

通常測試材料分為室外材料和室內材料兩種。室外材料比較注重模擬整個光譜（特別是紫外段的測試），需要可以模擬黑夜及淋雨現象；室內材料一般注重模擬透過玻璃后的整個光譜或紅外吸收光譜，詳見表2。

表2　測試材料的分類

根據表2中測試材料在日常用途的細分，可準確和合理地選擇測試光源。如汽車材料有的直接暴露于陽光中，也有的封閉在玻璃窗后，還有的則是隱藏在發動機艙內，因此需要具有多種光源的測試條件。同樣，油漆和建筑材料也具有多樣性的特點，因而也需要多種光源。而書本和衣物一般不會在模擬淋雨的環境條件下測試。兒童玩具一般不會在模擬強烈紫外線的戶外環境下條件測試。針對不同材料的光源選擇詳見表3。

表3　不同材料的光源選擇

表4　濾光片的組合效果

表5　濾光片組合差異測試結果

表6　常用測試標準

3.3濾光片的選擇

在光老化測試的過程中，不僅要根據材料選擇測試設備，還要根據材料選擇濾光片。濾光片的作用是將光源釋放的光能量進行過濾，從而在相同光源不同濾光片條件下得到不同的測試結果。常見的幾種濾光片組合類型及作用效果見表4。

由表4可知，有些濾光片是用來加強紫外波段的，有些濾光片是用來吸收紅外波段的，還有些濾光片是用來模擬汽車玻璃窗，濾光片及其組合可出現不同的特定效果。根據樣品的用途可以選擇特定的濾光片，如戶外材料可以選擇加強紫外的濾光片，戶內玻璃窗后的材料可以選擇玻璃窗濾光片等。一旦選錯濾光片，會對測試結果造成偏差影響。

為了證明上述情況，試驗使用QLAB公司的XE-2氙燈試驗機測試一只灰色皮革試樣，將試樣分成四等份，分別在紫外濾光片、日光濾光片、窗玻璃濾光片和吸收紅外濾光片下分別進行20 h和200 h的長周期光照試驗，并分段記錄結果，結果見表5。

通過測試，發現如果濾光片使用不當，在長時間測試周期下得到的測試結果的差異性是很大的。因此，應避免濾光片使用不當。

4　常用測試標準

一個樣品的測試需要同時考慮光源和濾光片的選擇，可以參考各類檢測標準進行測試選擇。標準對各類檢測參數、檢測樣品的材質和類型、檢測能量或時間等方面均作了詳細說明，詳見表6。

以大眾汽車標準PV1303（Non-Metallic Materials-Exposure Test of Passenger Compartment Compo-nents非金屬材料——汽車內部空間里結構件光照實驗）舉例進行分析。

表7　儀器設備的類別和濾光片

（1）標準明確使用范圍為汽車內部設備表面裝飾用的織物工件、塑料件、彈性體工件、油漆、皮革、木質裝潢件以及紡織品涂層或薄膜涂層等工件。

（2）標準規定了儀器設備的類別和濾光片，統一使用相同儀器和相同配件有助于多家實驗室之間的對比試驗結果（見表7）。

（3）標準規定了測試樣品的裁剪尺寸，見表8。

表8　測試樣品的裁剪尺寸

（4）標準規定了測試以SDC藍色羊毛6級褪色達到灰色樣卡三級為一個周期（色差值為4.3），或以280 KJ/m2為一周期（色差值為4.3）。此標準既用藍色羊毛作為標準物質，又規定了色差值，可以大大減少測試誤差。

（5）標準最后規定了測試后的數據評估，并以ISO 105 A02和色差儀做最后的變色評價。

通過對此標準的解讀，可以大致了解整個測試過程和操作步驟，能夠按照標準要求完成簡單的耐光老化測試。

5　光老化測試中的質量控制

耐光老化測試中需要利用多種設備和標準物質對整個測試進行監控，從而達到控制質量的目的。

目前國際上通用的質量控制物為藍色羊毛，主要有美國的AATCC藍色羊毛、歐洲的SDC藍色羊毛和日本的JIS藍色羊毛。測試原理是將藍色羊毛進行耐光測試，通過評判藍色羊毛的變色等級來確定測試時間。如PV1303標準中要求樣品的測試時間為藍色羊毛6級變色達到灰卡3級。只需將藍色羊毛與測試樣品一起放入箱體測試，通過控制藍色羊毛即可控制樣品的測試時間。除了藍色羊毛外，還有其他一些標準體系或者廠商規定的質量控制物質，如PS板、紅色濕度控制布和校準燈管等。

此外，在一些標準中未規定使用標準物質，只在最后評判階段使用灰色樣卡和色差儀進行評判，目前，國際上通用的灰色樣卡有AATCC灰色樣卡和ISO灰色樣卡兩種。

不過，隨著科學技術的發展，灰色樣卡用人眼評判的不確定因素正在被色差儀逐步取代，避免了人為誤差和肉眼差異。因此，很多新的標準和行業都要求使用色差儀作為耐光老化測試最后的變色評判。

6　光老化測試常見問題及解決方法

6.1測試結果

不同實驗室對相同的樣品進行測試也可能出現不同的測試結果。影響因素多為儀器、儀器型號、燈管新舊、或燈管污濁程度。另外，樣品與燈管的擺放距離和擺放方式，如旋轉式擺放或平板式擺放也會使測試結果產生很大差異。

因此，選用QLAB公司的XE-3氙燈試驗機和CR20 340 nm標準輻照度計進行模擬樣品與燈管距離的測試。分別將輻照度計安置在標準距離及接近若干等級距離，觀察輻照度變化，并記錄數據，發現樣品離燈管距離接近20 cm時，輻照度幾乎翻倍，詳見表9。

表9　樣品到燈管的距離與輻照度的關系

此外，使用的標準物質不同也會導致測試結果的不同，如藍色羊毛品牌不同或生產地不同，即使相同品牌在不斷改進工藝的情況下，不同批次的藍色羊毛也會略有差異。

因此，各家實驗室在無法統一所用設備和標準物質的前提下，建議各實驗室在最終報告中詳細標明所使用的儀器型號、燈管、標準物質品牌和批次等信息。

6.2人員的差異性

由于耐光老化試驗最后需要對樣品顏色進行評價，且由實驗室工作人員用肉眼在標準光源下進行灰色樣卡評判。由于每個人的感官意識不同，對顏色的敏感度也不相同，且色牢度最終結果只有9個等級，其精確度遠遠無法與化學儀器測試結果相匹配。為了避免出現上述問題，建議實驗室經常對檢測人員進行目光比對，并與其他實驗室進行三方比對，盡量使目光評級統一。此外，在條件允許情況下盡量用色差儀代替人員目光評級，減少測試結果的差異。

7　結論

通過具體測試案例對耐光老化測試相關內容的詳細介紹和對測試中常見問題的分析，認為在從事實驗室檢測工作時，不僅需要理論與實踐相結合，還需要對長期操作實驗經驗及時進行總結。建議各家檢測實驗室經常通過不同的方式進行技術交流，多多溝通，盡可能統一耐光老化檢測技術，使耐光老化測試結果更為精確。

WANG Zhongzhao
（Shanghai Textile Group Testing Standard Co.，Ltd.，Shanghai 200082，China）

The theory，testing methods and testing conditions of the light resistance aging test are introduced.The commonly used testing standards，quality control，common problems and solutions are analyzed in detail.

material，light resistance，aging testing

Research on the light resistance aging material

TS107

A

1001-7046（2016）04-0007-05

2016-07-25

王仲昭（1982-），男，工程師，主要從事車用紡織品面料的檢測工作。