关于老化，你知道多少？实验室测老化，如何与自然老化换算？
发布时间：2025-02-21
气候和阳光辐照是损害涂料、塑料、油墨及其它高分子材料的主要原因，这种损害包括失光、褪色、黄变、开裂、脱皮、脆化、强度降低及分层，即使是室内的光及通过玻璃窗透射的太阳光也都会使一些材料老化，比如引起颜料、染料等褪色或变色。太阳光谱辐射中造成材料老化的主要是紫外线辐射。
太阳光由紫外线、红外线和可见光组成，其中可见光有七种颜色，分别是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
太阳光，广义的定义是来自太阳所有频谱的电磁辐射。在地球，阳光显而易见是当太阳在地平线之上，经过地球大气层过滤照射到地球表面的太阳辐射，则称为日光。当太阳辐射没有被云遮蔽，直接照射时通常被称为阳光，是明亮的光线和辐射热的组合。
图| 电磁波频谱
一：紫外线波段划分及老化原理
1、UVA 波段
波长 320～400 nm，又称为长波黑斑效应紫外线。它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的长波紫外线有超过 98 % 能穿透臭氧层和云层到达地球表面。
2、UVB 波段
波长 280～320 nm，又称为中波红斑效应紫外线。中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层所吸收，只有不足 2 % 能到达地球表面，在夏天和午后会特别强烈。
3、UVC 波段
波长 200～275 nm，又称为短波灭菌紫外线。它的穿透能力最弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。紫外线杀菌灯发出的就是 UVC 短波紫外线。
4、UVD 波段
波长 100～200 nm，又称为真空紫外线。波长越长，能量是越低的。
辐照的能量能使材料本身分子间的化学键断裂，使得材料出现光泽度减弱，粉化，断裂等老化现象。
图| 太阳光辐射对材料分子化学键的影响
二、老化三要素
导致材料老化的因素主要有三类，它们分别是：
1、太阳光 Sunlight；
2、温度 Temperature；
3、潮湿 Moisture。
图| 三要素对制品老化的影响
上图曲线图从上到下显示：
第一条曲线：只有湿度，没有光照对制品老化光泽度的影响曲线，随着时间推进，光泽度变化不明显。
第二条曲线：只有 UV 照射，白天加黑夜干燥的情况下，光泽度变化曲线。
第三条曲线：完全 UV 照射，不分白天黑夜，制品光泽度变化曲线。
第四条曲线：UV 照射加湿度，制品光泽度变化曲线。
结论：只有 UV 一直照射制品，时间久了制品表面会形成一种保护层不再老化。潮湿环境下会出现热胀冷缩，制品会老化更快，如果有喷淋的话，对制品表面有冲击力，破坏这个保护层，致使老化现象更明显，这样的协同作用更接近现实室外天气环境。
下图的数据列表是参照测试标准 ISO4892-3 进行的实验室内紫外暴晒实验，相当于国内的标准 GB/T16422-3。
上图表格中红色线条圈出的测试条件为：8 小时光照、15 分钟喷淋，3 小时 45 分钟冷凝，12 小时一个循环。
三、实验室中的各种老化测试介绍
（一）UV 老化问：UV 灯管类型有哪些？
共有两种类型的 UV 灯管：UVA-340，UVB-313。
问：不同类型的 UV 灯管用途有何不同？
UVA-340：模拟阳光中的紫外线部分，主要用于户外产品的光老化试验。最接近日光照射室外紫外辐射。
UVA-351：用于模拟穿过窗玻璃的阳光的紫外线部分，主要用于室内。
UVB-313：广泛应用于耐久性材料的快速、节省的测试，会加速材料的老化。
（二）UVA 老化
实验室 UVA-340 灯的辐照度：
0.68W/m2@340nm：相当于夏季正午的阳光，得到快速的效果；
1.38W/m2@340nm：两倍于太阳最大值，得到快速的效果；
0.35W/m2@340nm；相当于三月/九月的日光，适合普通测试或较低 UV 光强的测试。
（三）UVB 老化
实验室 UVB-313 灯的辐照度：
0.67W/m2@340nm；
1.23W/m2@340nm：非常快速的测试，应用于质量控制或耐久性好的材料测试；
0.48W/m2@340nm：UVB-313 灯管执行 SAE J2020 标准时的长时间光照。
（四）氙灯老化
图| 氙灯老化箱
图| 氙灯老化测试箱内部结构
1、氙灯老化
Q-SUN 氙灯试验箱的氙弧灯可以最真实地再现全光谱太阳光，包括紫外线、可见光和红外线。对于许多材料的测试需要将其曝露在全光谱下，以提供准确的模拟，特别是在色牢度测试和耐光性测试中。氙弧灯光源必须经过适当过滤，才能得到特定需求的光谱。光谱的差异可能影响样品老化的速度和类型（氙灯老化箱里面配备滤光器）。
2、氙灯老化-滤光器
A、日光滤光器
日光滤光器用来模拟户外直射阳光。它与大多数的户外应用环境具有最佳的相关性。通常在户外使用的材料，如屋顶或户外涂料，应使用日光滤光器进行测试。Q-SUN 氙灯试验箱有三种不同类型的日光滤光器可选：Daylight-F、Daylight-Q 和 Daylight B/B。
B、窗玻璃滤光器
窗玻璃滤光器模拟窗玻璃透射阳光。该光谱还可模拟一些室内照明，如典型的商业或办公场所的光照环境。窗玻璃滤光器用于测试室内材料，如印刷材料或纺织品。具有四种不同的窗玻璃滤光器：Window-Q、Window-B/SL、Window SF-5 和 Window-IR。
C、紫外延展滤光器
紫外延展滤光器允许在自然太阳光正常截止点以下的紫外光通过。该滤光器用于提供更快更严酷的测试条件。紫外延展滤光器被指定用于一些汽车、航空领域的测试。Q-SUN 有两种紫外延展滤光器可选：Extended UV-Q/B 和 Extended UV-Quartz。
四、实验室老化实验模拟测试时间与大自然环境时间的相关性
首先，老化的机理比较复杂，通常认为阳光中紫外光段是导致高分子材料老化的主要因素，但是紫外光所有引起的老化又不是线性的，见下图：
图| 暴晒时长和老化的关系
结论：上图可以看出，前 1300 小时的辐照对材料的影响几乎很小，但是 1300 小时以后，老化是加速的。
图| 亚利桑那州&佛罗里达州两地暴晒时长和制品老化的关系
图中细线是亚利桑那州的自然老化数据，虚线是佛罗里达州的自然老化数据，差别极其巨大。
综上所述，笼统的要求实验室老化和自然老化的比较其实是个伪命题。必须指明什么条件的实验室老化（辐射强度、循环模式）和某个地域的户外自然老化。而且，没有理论换算公式，不同的地域的老化时间的换算都应该是通过试验获取的经验数据！
比如，根据美国一项试验，UVA-340 辐照，1.35W/m2@340nm，4H光照/4H 冷凝，黑标 50 ℃ 的测试条件，其 2000 小时的测试结果与亚利桑那州 2 年自然老化数据比较吻合，但我们不能说，1000 H 测试相当于 1 年的自然老化。
五、UV 紫外老化试验箱中多长时间的测试相当于户外暴晒一年
为什么我们不管使用多么先进、多么可靠性高的 UV 紫外线耐气候设备都无法得出上面的数据？那时因为材料所放置的大自然环境中存在下列几点的不确定性：
1、户外曝晒场的地理纬度（越靠近赤道，紫外线越强），海拔高度（海拔越高意味着紫外线越强）。所以面对使用在不同地域的同类产品所试验的要求也不一样。
2、当地的地理环境，例如风速会影响测试样品的风干程度或接近水源的地方会促进露水的形成。（常规的标准型 UV 紫外线耐气候试验箱是没有风速要求的，试验箱存在的风是给加热管散热的热风，但是其风速是不可控的。）
3、由于每年的气候不同，同一地区次年天气对样品的影响有可能是上一年的 2 倍。
4、季节的影响，比如，冬天的户外气候对试样的破坏作用和夏季强烈的阳光和紫外线对试样的破坏程度有很大的差异。
5、样品的朝向（偏南 5 度和正北就有很大不同）。
6、样品的绝缘与否。
7、试验箱的测试周期（紫外线光照时间以及冷凝潮湿时间）。
8、试验箱的操作温度（温度越高，老化越快），可根据实际的试样试验需求在试验箱上设定不同的温度，一般标准的试验箱的温度可设定为常温到 70 ℃。
所以谈论 UV 紫外试验箱和户外曝晒长度之间的换算条件是没有任何意义的。原因是 UV 紫外线试验箱中的环境是恒定的，而试样所存在的大自然环境则是千变万化没有规律可循的。
六、紫外老化试验箱与自然老化对比换算的矛盾
其实，二者之间是没有什么换算关系的，无论从高分子材料的老化机理，还是紫外老化试验箱的设备老化原理角度看，二者绝无固定的换算关系。这是由于自然气候变化多端，人工气候箱无法完全模拟，因此国内外到目前为止还没有标准描述其换算关系。
天气数据是相对性的数据，高分子材料的结构和物化性质又是千差万别，不可能存在固定的换算关系。不过，我们还是可以从紫外老化试验箱等人工加速老化试验得到老化测试数据，只不过该数据是相对数据，而不是绝对数据，因为紫外老化试验箱等人工光源的加速老化试验有如下局限性：
1、紫外老化试验箱等人工光源加速老化试验的光波分布与实际的自然环境日光分布不完全一致，紫外老化试验箱中创造的气候条件与实际大气的气候条件有较大差异。
2、紫外老化试验箱等人工光源加速老化试验无法模拟出大气的工业污染和其它许多因素对塑料的损害，因而也无法模拟出这些多种因素联合作用时的协同效应。
3、紫外老化试验箱等人工光源加速老化试验在比大气自然老化较高的温度下进行，常常会引起塑料等高分子材料产生与大气自然老化时不完全相同的变化过程。比如，紫外老化试验中温度控制在 55 ℃ 以上，湿度 95 %，以及黑暗和喷淋等时间的设置都是很激烈的过程，和自然环境的变化相对温和不同。
4、同一种高分子材料中高分子结构并不全部一样，高分子材料的性能也存在性能均一性的问题（即批次质量差别），有时候微小的结构的差别可能导致与自然环境对比的老化性能差别很大。
以上几点局限性使人工加速老化试验的结果很难与大气自然老化结果取得对应的准确可靠的换算关系，人们很难回答在人工老化试验中试样暴露单位时间会相当于实际的大气自然老化中暴露多长时间，也很难找到不同加速老化试验方法所取得结果之间的准确换算关系。
转自——链塑网公众号
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