材料老化测试：紫外老化与氙灯老化的选择及影响因素

材料老化测试：紫外老化与氙灯老化的选择及影响因素

材料老化主要表现在变色、失去光泽、强度降低、开裂、剥落、粉化、氧化等。虽然大家都认同产品的耐候性和耐光性很重要，但在实验室中，经常分不清到底用紫外老化试验还是氙灯老化试验。

光线（尤其是紫外线）

对于大多数涂料和塑料等耐用材料，短波紫外线是造成大多数聚合物降解的原因，但对于耐用性较差的材料，长波紫外线甚至可见光都会造成严重损害。

高温

当温度升高时，光的破坏作用也会增大。虽然温度不会影响主要的光诱导化学反应，但会影响随后的化学反应。实验室老化测试必须提供精确的温度控制，通常通过升高温度来加速老化。

湿的

露水比雨水危害更大，因为它在材料上停留的时间更长，导致更严重的吸湿。然而，温度突然下降引起的热冲击也不容忽视。例如，当汽车在炎热的夏天升温，但突然因阵雨而急剧降温时，雨水就会引起应力腐蚀。

这三个因素中的任何一个都会造成材料老化，而且它们往往同时发生，比任何一种因素单独作用所造成的危害都要大。因此，在实验室中，有些材料在光照或湿度条件单一作用下，耐久性较好，但在二者的协同作用下，往往会失效。

紫外线

QUV 紫外线耐候试验箱使用荧光紫外线灯来模拟阳光对耐用材料的破坏作用。这些灯在电气上与普通照明中使用的冷白灯相似，但它们主要发射紫外线，而不是可见光或红外光。

紫外线老化试验箱需要不同的光谱和不同类型的灯来适应不同的最终使用条件。常见的灯类型包括 UVA 灯和 UVB 灯。

UVA-340 灯管可以最好地模拟短波紫外线波段的阳光

康普顿

Q-SUN 氙弧试验箱被认为是模拟全光谱太阳光的最佳设备，因为它能产生紫外线、可见光和红外线。氙灯的光谱受两个因素影响：滤光系统和光源的稳定性。

氙弧试验箱产生的光谱为全光谱太阳光，必须使用不同类型的玻璃滤光片才能获得不同的光谱。ASTM G155定义了三种常用的滤光片：日光、窗玻璃和扩展紫外线滤光片。

1. 日光滤光片：通常推荐用于与自然衰老相关的研究

2、窗玻璃滤光片：其产生的光谱与透过玻璃的阳光的光谱非常相似，常用于测试室内光稳定性。

3. 扩展紫外线过滤器：通常用于提供更快的测试结果。

紫外线

在户外，材料每天有12个小时因露水而处于潮湿状态。为了更真实地模拟户外湿气侵蚀，QUV采用特殊的冷凝功能来重现户外的露水和湿气。

康普顿

大部分氙弧试验箱都是通过水喷淋或湿度控制系统来模拟湿气的影响。与冷凝相比，水喷淋更能模拟热冲击和机械侵蚀。

QUV/se 紫外线耐候箱和 Q-SUN Xe-1 氙气耐候箱价格相近，但样品容量却相差甚远。QUV 紫外线耐候箱的容量约为 Q-SUN Xe-1 的 5 倍。QUV 紫外线耐候箱的容量也比 Q-SUN Xe-3 大，而 Q-SUN Xe-3 的样品容量仅为 QUV 的 72%。

QUV紫外耐候试验箱可以安装比较薄的平板或样品，Q-SUN氙灯耐候试验箱在可测试样品种类上则更加灵活，除了测试平面样品外，还可以测试三维部件、试管和玻璃皿等。

标准参照是选择测试设备时的一个重要考虑因素。QUV紫外耐候试验机和Q-SUN耐候试验机的标准适用范围不同。下表简单列出了两台设备所满足的标准要求。

回到最初的问题，材料耐候试验，到底应该用紫外加速老化试验机还是氙灯试验箱呢？

没有一种单一的测试技术可以满足所有材料和应用条件。您选择的方法取决于您的测试目的、您关注的变化、时间安排、预算等。（来源：翁凯尔）

我们先来复习一下材料老化实验的知识：

人工加速老化试验

1.热老化性能测试

在常压、规定温度的热空气作用下，材料经受一定时间的试验，测定一项或几项性能指标。根据材料在相同或不同温度条件下各周期内性能指标的变化情况，可以判断材料的热稳定性，估算其贮存期和使用寿命。

▎测试仪器：

重力对流（自然通风）热老化试验箱

强制通风热老化试验箱

▎适用产品范围：电气绝缘材料、电子零部件、塑料制品、橡胶制品的耐热试验。

▎样品要求：

按照GB/T 7141规定，

1) 在每个选定的循环和温度下，每种材料至少暴露三个平行样本；

2)试样厚度等于但不大于预期用途中的最小厚度；

3)试样的制备方法应与预期应用的方法相同；

4) 一系列温度的所有试验样品应来自同一批次。

▎相关测试标准：

GB/T 7141 塑料老化试验方法

GB/T 3512 硫化橡胶及热塑性橡胶加热老化及耐热试验

ASTM D5510 热老化

JIS K 6257 硫化橡胶和热塑性橡胶热老化性能的测定

2.温湿度老化测试

在大气环境中，温度（热）和湿度（湿气）都会引起高分子材料的老化，湿热老化试验就是通过模拟温湿度环境来加速高分子材料的老化，以评价材料在应用过程中的老化性能。

▎测试仪器：

湿热老化试验箱

▎适用产品范围：塑料、橡胶等高分子材料。

▎样品要求：

试验样品应以无包装、无电源、随时可用状态或相关标准另有规定的方式放置在试验室内。如果没有规定具体的安装框架，则安装框​​架的热导率应尽可能低，以使其对所有试验样品几乎都是热绝缘的。

▎相关测试标准：

GB/T 2423.3：试验Cab：稳态湿热试验

GB/T 2423.4：试验Db：循环湿热试验

GB/T 15905 硫化橡胶湿热老化试验方法

GB/T 2573 玻璃纤维增​​强塑料老化性能试验方法

ASTM D2126 刚性和湿气老化

3.臭氧老化试验

大气中的臭氧含量极少，但却是引起橡胶龟裂的主要因素，特别是对含有双键的橡胶材料，具有极强的破坏能力。

臭氧老化试验方法是将橡胶试样在静态或动态应变条件下暴露于含有一定浓度的臭氧、温度和湿度的环境中，观察试样性能的变化，以评价橡胶耐臭氧老化性能，并据此制定主动防护措施。

▎测试仪器：

臭氧老化试验箱

▎适用产品范围：非金属材料、橡胶制品、TPU、EPDM等新型弹性体。

▎样品要求：

根据 ASTM D1149

1）样品尺寸：长100±25mm（4±1英寸）*宽10.00±0.03mm（0.40±0.01英寸）

2）建议将被测试的橡胶样品放置在铝片或0.1毫米聚酯薄膜上，以方便取出。

3) 无内衬的样品需在23±2oC、无臭氧的环境下进行24.0±0.5小时的预测试。

▎相关测试标准：

国标/硫化橡胶耐臭氧老化动态拉伸试验方法

GB/T 7762 硫化橡胶和热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验

GB/T 24134 橡胶和塑料软管静态条件下耐臭氧性能的评定

ASTM D1149 —— 在臭氧试验中

JIS K 6259 硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧降解试验方法

4.氙弧灯老化试验

重现性试验采用惰性气体氙气在超高压下产生弧光，模拟自然条件下的降解情况，氙弧灯与太阳光辐照度一致性较好，更接近太阳光，其中紫外光占11%，可见光占89%，可以模拟夜晚、雨天。

▎测试仪器：

氙弧灯老化试验箱

▎适用产品范围：塑料、涂料、橡胶、油漆、电子等。

▎样品要求：

依据 ASTM G151

1）待测样品的尺寸一般根据材料光照后性能测试的要求来确定。

2）若样品是从大型构件上切下来的，尽量保证切割过程不影响材料性能测试。

3）除非有特殊要求，尽量不要切割暴露的样品，因为测试样品可能会变脆。

4) 如需切割较大的试验样品，应从距仪器固定边缘至少 20 mm 处进行切割。

5) 完好样品数量至少应为3个，破损样品数量至少应为6个。

▎相关测试标准：

GB/T 16422.2 塑料实验室光源暴露试验方法 第2部分:氙弧灯

GB/T8427 纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧褪色

GB T 1865 色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射暴露 过滤氙弧辐射

ASTM G155 非氙弧灯。

ASTM G151 使用光

5.紫外线灯老化测试

UV荧光灯模拟临界短波紫外线，可以充分逼真地再现阳光、雨水和露水造成的损害。主要损害类型有褪色、失去光泽、粉化、开裂、破裂、模糊、起泡、脆化、强度降低和氧化。

▎测试仪器：

紫外灯老化试验箱

▎适用产品范围：塑料、涂料、橡胶、油漆等。

▎样品要求：

依据GB/T 14522

塑料：样品制备要求见GB/T 16422.1

涂层：一般按GB/T 9271的规定准备试样底板，底板采用相应产品实际使用的材料制成，如木材、金属、塑料等，底板应平整，其尺寸应适合设备样架的尺寸。

橡皮：

GB/T 16422.1中对试样的要求适用于橡胶。

对于应力试验，按照GB/T 7762准备试样。

按GB/T2941调整试样的状态。

建议同时将对照样品与测试样本进行曝光，以提供比较标准。

▎相关测试标准：

GB/T 16422.3 塑料实验室光源暴露试验方法第3部分:荧光紫外灯

GB/橡胶和塑料软管静态抗紫外线性能的测定

GB/T 14522 机械工业产品用塑料涂装层及橡胶材料人工气候老化试验方法荧光紫外灯

ASTM G154 紫外线灯

6.碳弧灯老化试验

碳弧灯有两种，一种是封闭式碳弧灯，一种是日光式碳弧灯，这两种都是早期设备中使用的，前者用于纺织品的耐光性测试，后者最初是用于涂层的耐光性测试。

由于碳弧灯的光谱分布与太阳光有较大差别，特别是封闭式碳弧灯，没有太阳光中的短波紫外线，使用过程中每48～72小时必须更换碳棒，使用成本较高，所以在我国很少使用，在日本应用较为广泛，目前我国与日本的合资汽车公司仍推荐使用此光源。

▎测试仪器：

碳弧灯老化试验箱

▎适用产品范围：纺织品、纤维材料、塑料、人造革、硫化橡胶等。

▎样品要求：同上氙弧灯老化测试（参考）

▎相关测试标准：

高分子材料老化测试标准汇总

(数据整理自：嘉鱼测试网)