太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)在塑料耐候性領(lǐng)域的應(yīng)用

時(shí)宇，曾湘安，洪志浩，陶友季，王受和，覃家祥

（中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

前言

高分子材料是由共價(jià)鍵連接形成的長(zhǎng)鏈有機(jī)高分子材料，由于其一系列優(yōu)異的性能和較高的性價(jià)比，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，已成為民用、軍事、科研等領(lǐng)域不可缺少的重要材料。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，以及“以塑代鋼”的產(chǎn)業(yè)需求，高分子材料在電子電器、汽車、機(jī)械、建筑工程、生物工程、化工等領(lǐng)域裝備和產(chǎn)品的應(yīng)用將不斷增加。但是，高分子材料在自然環(huán)境中服役的過(guò)程中，在光、熱、水、氧氣、酸堿介質(zhì)等多種環(huán)境因素作用下容易發(fā)生降解、交聯(lián)、蠕變、松弛等老化現(xiàn)象，導(dǎo)致材料力學(xué)、光學(xué)等多種性能下降，造成裝備產(chǎn)品失效[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)裝備每年由于環(huán)境失效等質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)2000億元，間接損失超過(guò)1萬(wàn)億元。因此，高分子材料的耐候性嚴(yán)重影響了我國(guó)裝備產(chǎn)品的質(zhì)量，在一定程度上限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和提升。

工業(yè)上，為了準(zhǔn)確、快速評(píng)價(jià)高分子材料的耐候性能，同時(shí)滿足在材料配方的篩選、耐老化性能的提高、壽命預(yù)估等方面的要求，人們通常需要通過(guò)人工加速老化實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括氙燈加速老化、紫外燈加速老化、高壓/中壓汞燈加速老化、碳弧燈老化等，也取得了一定的成果和進(jìn)展。人工加速老化試驗(yàn)雖然周期短、時(shí)效快，但是人工光源與自然光光譜存在較大差異，同時(shí)也忽略了晝夜溫差、季節(jié)變化、空氣活性組分變化等自然環(huán)境中存在的情況，不能完全、真實(shí)地反映自然環(huán)境中全部因素，導(dǎo)致老化試驗(yàn)的結(jié)果與各種復(fù)雜自然環(huán)境中高分子材料老化失效規(guī)律存在差異，也使得對(duì)背后材料老化機(jī)理研究的可信度相對(duì)較低[2]。因此，基于人工加速老化試驗(yàn)評(píng)價(jià)耐候性的高分子材料在投入使用后，依然會(huì)存在提前老化失效的問(wèn)題，嚴(yán)重影響裝備產(chǎn)品的服役壽命。

而太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)（GB/T 20236-2015）是一種利用太陽(yáng)跟蹤聚光裝置，增加試驗(yàn)期間試驗(yàn)樣品暴露表面太陽(yáng)輻照量的自然加速試驗(yàn)方法。基于各種復(fù)雜自然環(huán)境中高分子材料老化試驗(yàn)，對(duì)于其老化規(guī)律和背后材料老化機(jī)理進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上建立和發(fā)展對(duì)高分子材料服役壽命預(yù)測(cè)和理論驗(yàn)證方法，使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際服役狀態(tài)之間有較好的一致性，不僅可極大提高加速試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度，減小裝備產(chǎn)品高分子材料失效造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也可以減小電力消耗，降低溫室氣體的排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)等挑戰(zhàn)性任務(wù)具有重大科學(xué)意義。更重要的是，相比于人工加速試驗(yàn)，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)成本較低，且相關(guān)性和可信度還比較高。因此，近年來(lái)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法受到了各行業(yè)的高度關(guān)注。

目前，國(guó)外研究者基于太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)，針對(duì)各類高分子材料的老化問(wèn)題開(kāi)展了大量較為系統(tǒng)、深入的研究，包括高分子材料在太陽(yáng)跟蹤聚光加速條件下老化機(jī)理的研究、太陽(yáng)跟蹤聚光加速試驗(yàn)和自然老化的相關(guān)性研究及基于太陽(yáng)聚光跟蹤聚光加速試驗(yàn)的服役壽命預(yù)測(cè)研究等。而國(guó)內(nèi)研究者的工作主要還是集中在簡(jiǎn)單的環(huán)境條件（通常為單一環(huán)境因子）下各類高分子材料的人工加速老化問(wèn)題的研究上，對(duì)材料在自然環(huán)境下高分子材料的太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化研究和認(rèn)識(shí)依然十分缺乏。對(duì)大宗高分子材料在我國(guó)典型環(huán)境下的該方法的失效數(shù)據(jù)積累極少，對(duì)相關(guān)規(guī)律的認(rèn)識(shí)基本屬于空白。對(duì)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化的老化機(jī)理、其與材料自然老化的關(guān)聯(lián)等方面更是缺乏研究。

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)不僅可以完善和豐富我國(guó)高分子材料耐老化性能評(píng)價(jià)技術(shù)體系，還可以進(jìn)一步提高裝備產(chǎn)品耐老化性能技術(shù)研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位和出口裝備產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)三步走的戰(zhàn)略具有重要意義。本文綜述了近幾十年來(lái)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，闡述了太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理，并通過(guò)部分研究實(shí)例說(shuō)明太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法的應(yīng)用價(jià)值，希望為研究者提供可靠并有效的耐候性研究和服役壽命預(yù)測(cè)研究方法。

1 太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)起源于1908年美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）D-1委員會(huì)和涂料制造協(xié)會(huì)在新澤西州大西洋城進(jìn)行的涂料戶外45 °朝南暴曬試驗(yàn)。通過(guò)45 °朝南暴曬使樣品接受到更多的陽(yáng)光，這是第一種太陽(yáng)聚光加速老化的方法。20世紀(jì)30年代，研究人員發(fā)明了一種簡(jiǎn)單的單軸隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的跟蹤裝置，可從早到晚隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使樣品接受到盡可能多的太陽(yáng)光，從而實(shí)現(xiàn)加速老化。1960年，研究人員通過(guò)在太陽(yáng)跟蹤裝置上添加反射鏡將更多的陽(yáng)光集中到樣品上進(jìn)行加速老化，開(kāi)發(fā)出了第一代太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)裝置（圖1），即EMMA（Equatorial Mount with Mirrors for Acceleration）。為了更好的模擬濕熱環(huán)境，研究人員在EMMA上添加了噴淋式濕潤(rùn)裝置，開(kāi)發(fā)出了EMMAQUA（Equatorial Mount with Mirrors for Acceleration Plus Water Spray）。發(fā)展至今，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了超加速太陽(yáng)跟蹤聚光老化試驗(yàn)裝置，如圖2所示，通過(guò)增強(qiáng)自然光照50～100倍，可在3～10天的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)12個(gè)月暴曬引起的老化[3]。而我國(guó)對(duì)于太陽(yáng)跟蹤聚光老化試驗(yàn)裝置的研究起步較晚。2002年，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，CEI）在國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)專題項(xiàng)目的支持下，開(kāi)發(fā)了“冷光型”太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備，如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)在于能借助真實(shí)環(huán)境去反映材料的耐老化性能，使試驗(yàn)結(jié)果與材料的實(shí)際使用之間有較好的一致性，試驗(yàn)加速倍率為6～10倍，試驗(yàn)周期短、成本低、可信度高。

圖1 第一代太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)裝置

圖2 超加速太陽(yáng)跟蹤聚光老化試驗(yàn)裝置

圖3 “冷光型”太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備

2 太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4，主要由平面反射鏡組、太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、樣品超溫保護(hù)系統(tǒng)、噴淋裝置等部分組成。設(shè)備的平面反射鏡組包含10塊按拋物線切線位置安裝的菲涅爾平面鏡，可以保證在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，太陽(yáng)光經(jīng)反射后聚焦在樣品區(qū)上。為保證反射后太陽(yáng)光尤其是紫外光的聚光，鏡面對(duì)太陽(yáng)紫外光的反射率應(yīng)當(dāng)大于65 %（310 nm波長(zhǎng)處的反射率）。太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由感光器、控制系統(tǒng)、水平旋轉(zhuǎn)裝置和垂直旋轉(zhuǎn)裝置組成，用于保證試驗(yàn)中設(shè)備上的平面反射鏡組始終處于“正對(duì)”太陽(yáng)對(duì)的位置。綜合上述兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，使得樣品最終接收的太陽(yáng)輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品在自然服役狀態(tài)下接收到的太陽(yáng)輻射，實(shí)現(xiàn)高分子材料的加速老化。

圖4 太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)

雖然通過(guò)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備到達(dá)樣品表面的總輻射量大約是“自然”輻射量的10倍，但相對(duì)更具有破壞性更強(qiáng)的紫外線成分反射效率而言，由于高度拋光的反射鏡對(duì)可見(jiàn)光和紅外光的反射效率更高，老化速率則為自然老化的5～10倍。由于聚焦在樣品上的高輻射強(qiáng)度，樣品表面的溫度可能高達(dá)150 ℃，因此有必要給設(shè)備增加冷卻系統(tǒng)。

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)由送風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道等組成。用于在試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中保證樣品表面的空氣流動(dòng)，防止樣品表面溫度過(guò)高。通過(guò)對(duì)風(fēng)速的控制，使樣品表面與環(huán)境溫度之間的溫差在10 ℃以內(nèi)。同時(shí)，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備上還有樣品超溫保護(hù)系統(tǒng)。在正常試驗(yàn)時(shí)，若因某種原因試驗(yàn)樣品表面溫度超過(guò)其設(shè)定的上限，控制中樞可以自動(dòng)調(diào)節(jié)樣品超溫保護(hù)擋板遮擋在其暴露面，從而阻止太陽(yáng)光線的繼續(xù)照射，避免樣品表面溫度繼續(xù)升高。

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備上還安裝有噴淋裝置。在濕熱地區(qū)的高分子材料耐候性研究中，為了盡可能保持材料在加速老化試驗(yàn)過(guò)程中受到的空氣濕度與實(shí)際服役情況下的相同，需要在老化試驗(yàn)循環(huán)中的某個(gè)階段給試驗(yàn)樣品噴淋加濕。噴淋的效果與噴嘴有重要的關(guān)系，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用扇形噴嘴，以便樣品獲得均勻一致的細(xì)霧狀的加濕。因此，在未激活噴淋裝置的情況下，可以開(kāi)展干熱地區(qū)高分子材料的耐候性研究。值得注意的是，太陽(yáng)跟蹤聚光設(shè)備上噴淋用水的純度非常重要。如果不經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砣コ械碾x子、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等，特別是SiO2，則試驗(yàn)樣品表面上會(huì)留下污跡，而這些污跡在通常戶外暴露試驗(yàn)里是不會(huì)出現(xiàn)的。因此噴淋用水應(yīng)滿足ASTM D859的要求，限制其總?cè)芙夤腆w含量不超過(guò)1×10-6，SiO2含量不超過(guò)0.2×10-6。研究表明，使用反滲透和樹(shù)脂去離子（或電除鹽）的水處理方法，可以穩(wěn)定有效地獲得符合標(biāo)準(zhǔn)要求的噴淋用水。

3 太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)在高分子材料耐候性及服役壽命研究中的應(yīng)用

相比于人工模擬氣候環(huán)境下的加速試驗(yàn)，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)具有成本低、效率高、可信度大等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于塑料[4-7]、涂料[8-14]、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料[15-19]等的耐候性研究中，并開(kāi)發(fā)出了一系列相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 877-2009、ASTM G90-2010及ASTM D4364-2013等，為材料耐候性的研究及裝備產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供了有力的技術(shù)支持。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的制定（GB/T 20236和GB/T 3681），但是由于開(kāi)發(fā)和推廣力度較小，我國(guó)在太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化方面的很多技術(shù)仍處于空白，沒(méi)有形成相應(yīng)的材料耐候性評(píng)價(jià)技術(shù)體系。同時(shí)，高分子材料的聚光加速老化試驗(yàn)過(guò)程中涉及的老化機(jī)理及加速老化條件的組合設(shè)定研究也未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，離廣泛應(yīng)用依然存在不小的距離。

3.1 塑料

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法一出現(xiàn)，就被廣泛地應(yīng)用于塑料的耐候性評(píng)價(jià)中。1962年，Garner和Papillo首次通過(guò)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)氯化聚酯及添加不同穩(wěn)定劑的兩種聚氯乙烯（PVC）進(jìn)行了加速老化研究，發(fā)現(xiàn)該方法確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)戶外加速老化，同時(shí)其戶外老化試驗(yàn)結(jié)果與自然老化相關(guān)性較高[4]。Haillant及其同事以多種老化方法（包括自然老化、氙燈加速老化、中壓汞燈老化、無(wú)循環(huán)噴淋太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化及帶循環(huán)噴淋的太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化）系統(tǒng)研究了添加和未添加受阻胺光穩(wěn)定劑（HALS）穩(wěn)定劑的聚丙烯-乙烯共聚物的耐老化性能及HALS在基體材料中的分布和遷移情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水的存在并沒(méi)有影響共聚物老化反應(yīng)機(jī)理，中壓汞燈老化對(duì)于共聚物的老化加速倍率最大（11倍），其次是太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化及氙燈老化（三者相同，為4.5倍），最后是自然老化。噴淋會(huì)影響HALS的分布和遷移，帶循環(huán)噴淋的太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化及氙燈老化過(guò)程中HALS表層在老化初期會(huì)逐漸損失，然后從基體內(nèi)往表面遷移；而無(wú)循環(huán)噴淋的太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化和中壓汞燈老化中由于沒(méi)有水，由于表面HALS的存在，共聚物光氧化速率很慢[5,6]。太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化不僅具有較高的加速倍率，還具有很好的自然老化相關(guān)性。Kann及Billingham基于化學(xué)發(fā)光分析方法（CL）對(duì)自然老化和太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化后的聚氯乙烯（PVC）進(jìn)行老化機(jī)理研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVC的光老化過(guò)程中也同樣存在PVC的氧化反應(yīng)。而且，自然老化和太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化后的PVC在CL中表現(xiàn)出的信號(hào)峰峰型相似（圖5），即兩種老化過(guò)程中PVC表現(xiàn)出相同的老化機(jī)理[7]。

圖5 PVC在自然老化和太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化后的CL信號(hào)峰

3.2 涂料

由于航空、汽車、建筑、電子電器等行業(yè)對(duì)涂料不斷增長(zhǎng)的需求及涂料工業(yè)的發(fā)展，涂料的耐候性成為了其至關(guān)重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)。為了有效、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其耐候性，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)[8,9]、汽車[10,11]、橋梁[12-14]等涂層耐候性研究中。根據(jù)Hurley等人對(duì)飛機(jī)用高性能聚碳酸酯（PC）涂層老化研究的報(bào)導(dǎo)，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)40天，大約相當(dāng)于亞利桑那鳳凰城45 °的自然老化一年。在相同的時(shí)間段內(nèi)，PC涂層樣本接受的輻照量大約是暴曬架上自然老化樣本的8倍[8]。隨后，Jenkins在聚合物涂層的耐候性研究中引入太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化，并與自然老化及紫外光老化進(jìn)行比較研究；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚合物涂層一年的太陽(yáng)聚光加速老化后，其光澤度和粉化程度相當(dāng)于佛羅里達(dá)地區(qū)5年的自然老化所達(dá)到的程度。而且，紫外光老化400 h 后，聚酯和丙烯酸樹(shù)脂涂層光澤度分別為12 %和77 %，而經(jīng)過(guò)等量紫外輻照的自然老化后聚酯和丙烯酸樹(shù)脂涂層光澤度分別為6 %和38 %，等量紫外輻照的太陽(yáng)聚光加速老化后的光澤度則分別為9 %和31 %，即太陽(yáng)聚光加速老化試驗(yàn)方法與自然老化的相關(guān)性更高[9]。福特汽車Carter等人也得到了類似的結(jié)論。他們采用光聲紅外對(duì)于自然老化、氙燈老化和太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化過(guò)程中聚酯/氨酯透明涂層的老化機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然羰基信號(hào)的吸收強(qiáng)度和吸收帶寬存在一定差異，但自然老化和太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化條件下誘導(dǎo)產(chǎn)生的老化機(jī)理基本相似。而氙燈老化會(huì)導(dǎo)致鄰苯二甲酸的緩慢流失及酰胺II信號(hào)隨時(shí)間的增加而消失，即基于人工光源的加速試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)偏差較大[10]。基于聚酯/氨酯的降解產(chǎn)物間苯二甲酸的紅外特征峰與分子鏈中的CH峰的比值，Carter和Gerlock進(jìn)一步研究了其自然老化、氙燈加速老化和太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化過(guò)程中間苯二甲酸紅外特征峰與分CH峰的比值的變化趨勢(shì)與自然老化的十分相似，而氙燈加速老化中的變化趨勢(shì)則與自然老化的相差甚遠(yuǎn)，再次證實(shí)了太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法與自然老化的高相關(guān)性[11]。

太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法在高耐久性涂層系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中也發(fā)揮著重要的作用。Darden及其同事通過(guò)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)設(shè)備對(duì)于以氟聚氨酯樹(shù)脂（FUP）、聚偏氟乙烯（PVDF）及丙烯酸聚氨酯為基材的涂料進(jìn)行了耐候性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FUP和PVDF基涂料具有超高環(huán)境耐久性，即氟聚合物的引入有利于提高涂層的耐候性能[12]。為此，Darden還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了可服役60年的超高耐候性橋梁涂料，即氟乙烯乙烯基醚樹(shù)脂（FEVE）。該涂料在使用10年后，光澤度仍然保持在80 %以上，而且20年后幾乎未發(fā)生粉化（圖6）。與傳統(tǒng)涂料相比，F(xiàn)EVE的使用大大提高了涂料的壽命周期，還減少維護(hù)噴漆的需求和成本[13]。Schwob在高性能有機(jī)改性聚硅氧烷涂料的開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同一涂層在干燥的UVA條件下一年后，聚硅氧烷1K顯示出輕微的光澤變化，但聚硅氧烷2K的色澤變化與趨勢(shì)完全不同（圖7）。而在太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)過(guò)程中聚硅氧烷1K和2K的光澤的變化趨勢(shì)基本一致（圖8）。因此，單純依靠紫外光加速老化試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估涂料耐候性并不總是一個(gè)可靠準(zhǔn)確的方法，應(yīng)謹(jǐn)慎處理。太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法則是一種更可靠的耐候性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法[14]。

圖6 FEVE和聚氨酯的粉化試驗(yàn)結(jié)果比較

圖7 干燥UVA條件下的涂料老化光澤變化

圖8 太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化的涂料光澤變化

3.3 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料

在眾多大宗高分子材料中，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料耐候性研究中最為廣泛，包括光伏組件、封裝材料及集熱器材料等[15-19]。Maxwell及其同事基于太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了光伏組件的開(kāi)裂行為規(guī)律。由于基板從周圍空氣中吸收水分時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致的組件開(kāi)裂。而且，玻璃覆板對(duì)開(kāi)裂很敏感，也會(huì)損壞與之靜電結(jié)合的太陽(yáng)能電池組件[16]。為了解決乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）封裝材料的黃變問(wèn)題，從而減少輸電過(guò)程產(chǎn)生的故障，Holley及其同事通過(guò)太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化對(duì)于封裝材料的耐候性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)封裝材料的變色是由交聯(lián)過(guò)氧化物和穩(wěn)定劑之間的相互作用導(dǎo)致的，也可能是由于封裝材料的氧化。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，以含氧化鈰玻璃作為封裝材料的基材降低老化導(dǎo)致黃變[17]。波音公司的Berry和Dursch歷時(shí)四年，通過(guò)太陽(yáng)聚光加速老化試驗(yàn)方法篩選出低成本、長(zhǎng)壽命、高光級(jí)別的集熱器用塑料薄膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳氟化合物Kynar和Tedlar表現(xiàn)出的耐老化性能最佳，聚酯和聚碳酸酯雖然添加了紫外線穩(wěn)定劑，但18個(gè)月的太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化后其機(jī)械和光學(xué)性能發(fā)生一定程度的降低，使得它們無(wú)法達(dá)到波音公司的10年壽命目標(biāo)要求[18]。同時(shí)，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，Kynar和Tedlar在相當(dāng)于16年的加速老化后，均滿足所需的鏡面透射率，而且?guī)缀鯖](méi)有光學(xué)和機(jī)械性能的退化（圖9）。金屬化聚酯和聚碳酸酯滿足最初的光學(xué)和機(jī)械要求，但在相對(duì)較短的環(huán)境暴露后，其性能出現(xiàn)嚴(yán)重退化[19]。

圖9 典型太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料的光學(xué)和機(jī)械性能的變化

4 總結(jié)與展望

隨著高分子材料在國(guó)民生產(chǎn)生活中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單人工加速老化試驗(yàn)，難以對(duì)高分子材料老化失效的基本規(guī)律及其分子機(jī)理獲得與實(shí)際相符的準(zhǔn)確認(rèn)知。在面對(duì)各類復(fù)雜環(huán)境下材料的選材設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)及服役壽命預(yù)測(cè)時(shí)，簡(jiǎn)單人工加速老化試驗(yàn)也難以提供足夠科學(xué)依據(jù)和可靠解決途徑。因此，面對(duì)國(guó)家和行業(yè)發(fā)展的需求，迫切需要研究復(fù)雜環(huán)境條件下材料老化的基本規(guī)律和分子機(jī)理，并獲得對(duì)其服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)及驗(yàn)證的新方法。

本文綜述了近年來(lái)我們及國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作針對(duì)塑料、涂料、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料等高分子材料在太陽(yáng)跟蹤聚光條件下開(kāi)展的加速倍率、相關(guān)性、老化機(jī)理及服役壽命預(yù)測(cè)研究成果。建立了戶外自然老化和太陽(yáng)跟蹤聚光條件下材料加速老化規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系及服役壽命預(yù)測(cè)模型可為在重大工程中更加精確的評(píng)價(jià)材料的實(shí)際服役行為、進(jìn)行合理選材及配方設(shè)計(jì)等提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)和可靠解決途徑，建立了相關(guān)性高、時(shí)效快的新方法新原理。隨著新型高分子材料的不斷涌現(xiàn)以及高分子材料應(yīng)用場(chǎng)景的日益擴(kuò)大，太陽(yáng)跟蹤聚光加速老化試驗(yàn)方法需要進(jìn)一步深化，探討太陽(yáng)跟蹤聚光條件下多重環(huán)境因素耦合作用中的老化規(guī)律及機(jī)理，建立具有更多普適性、更高準(zhǔn)確性的新型服役壽命預(yù)測(cè)理論，以支持可持續(xù)發(fā)展和滿足國(guó)家行業(yè)的迫切需求。