塑料料具有許多優異的性能, 在各個領域得到了廣泛的應用。但塑料老化問題一直影響著塑料的應用范圍和效果。為了研究塑料老化的原因和規律,國內外研究人員開展了自然氣候暴露試驗和加速自然氣候暴露試驗的研究[ 1]。

以往進行加速自然氣候暴露試驗所使用的氙燈耐候和光穩定性試驗機大多數為旋轉鼓式, 即被設計成容器內中心安放一支氙燈管, 周圍是旋轉試樣架, 圍繞光源旋轉。這種旋轉鼓在20 世紀初應用于碳弧燈加速老化試驗機中。旋轉鼓式氙燈老化試驗機有各種型號, 其中一些轉鼓為垂直式, 另有一些是帶有角度的。該類試驗機采用不同的手段控制各種測試參數。

近年來, 靜態、平板試樣安置方式的(以下簡稱為靜態樣架)氙燈老化試驗機已在塑料、涂料、紡織等行業得到廣泛應用。如同旋轉鼓式氙燈老化試驗機一樣, 這種靜態樣架老化試驗機采用不同的手段嚴格控制測試環境, 并可控制老化試驗的輻照度、黑板溫度、箱內溫度及相對濕度等實驗參數。試驗機采用一支或多支氙燈作為曝曬光源, 試樣平行安放在光源下方, 這種方式增加了被測試樣的數量。同時電源和輻照控制系統為專利設計的, 保證曝曬的精確性。試驗機箱內的反射墻即光源反射系統被設計成能最大限度的均勻反射輻射光和模擬自然光,其溫度和相對濕度的控制裝置也是專利設計, 以保證試驗的穩定性和一致性。

1 實驗部分

1. 1 試樣規格

使用7 類塑料試樣, 其顏色及尺寸見表1。無論是透明還是不透明塑料, 其老化表現均為黃變, 其中透明塑料對光穩定及光照變化敏感。

1. 2 實驗設備

旋轉鼓式氙燈老化試驗機: Ci 5000A 型, 美國Atlas Testing 公司;

靜態樣架氙燈老化試驗機: Qsun Xe3HS 型,美國Q-lab公司。

1. 3 測試標準

以汽車用材料為例, 外飾材料的老化性能按SAE J 2527用可控輻射氙燈測試汽車外用材料加速老化標準測試;

內飾材料的老化性能按SAE J 2412用可控輻射氙燈測試汽車內飾材料加速老化標準測試;

顏色色差計算按 ASTM D 2244儀器測量顏色色差計算標準測試。

1. 4 實驗方法

(1)試樣安放

旋轉鼓式氙燈老化試驗機是在上、中、下三層垂直安放試樣, 每層可安放3 個, 共可放置9 個試樣。如果試樣超過9 個, 則在環繞中心的相對位置安放。而靜態樣架氙燈老化試驗機是將試樣置于4 個試樣盤中, 每個盤最多可放置14 塊50 mm 100 mm 的試樣。然后將試樣盤再放置到試驗機中。對于PS和PC 等汽車用塑料, 試樣架上無需背襯材料。推薦每間隔一段測試周期調整試樣盤的位置。

(2)測試條件

氙燈老化試驗機內設有日光濾光片, 控制輻射到試樣表面上波長為340 nm 的光的輻照度為 0. 55W/m2, 黑板溫度為63 時, 日光照射102 min; 隨機溫度時日光照射和噴淋 18 min; 每周更換一次試樣位置。靜態樣架氙燈老化試驗機的相對濕度控制約為15% , 旋轉鼓式氙燈老化試驗機的相對濕度控制為50% 。曝曬循環周期為2000 h。

(3)老化測量

老化測量采用積分球分光光度計的反射模式,采用D65照明、10觀察角、大范圍測量、包含反射和紫外光源測量。塑料的老化情況用黃色指數( b)表征。透明材料測量時需襯有白色的校準板。

同時, 每隔一定時間需測量裂紋的數量, 當塑料表面的裂紋達到10 條時, 應取出該試樣并記錄老化時間。其余試樣按上述方式進行, 直到所有被測試樣出現10 條裂紋。

2 結果與討論

2.1靜態樣架氙燈老化試驗機的應用

圖1 為兩種氙燈老化試驗機對PS、PC 的老化結果。

由圖 1 可見, 靜態樣架氙燈老化試驗機的老化效果基本上等同于旋轉鼓式老化試驗機, 而其老化速度略快于旋轉鼓式老化試驗機, 其原因可能是不同老化機箱內的溫度不同所致。另外發現, 使用不同的濾光片對老化效果的影響不大, 尤其表現在PC 的老化結果上。靜態樣架氙燈老化試驗機的日光濾光片和旋轉鼓式氙燈老化試驗機的 CIRA/SL濾光片的性能很接近, 即通過正確選擇和使用相應的濾光系統及曝曬條件, 兩者的老化結果接近一致。

2. 2 靜態樣架氙燈老化試驗機的測試結果

表2 列出采用靜態樣架氙燈老化試驗機和旋轉鼓式氙燈老化試驗機對PS 和PC 的測試結果誤差,其計算式為:

表2兩種老化試驗機測試結果誤差比較

表2 可看出, 靜態樣架氙燈老化試驗機的測試誤差范圍僅為± 3% ~± 8% , 而旋轉鼓式氙燈老化試驗機的誤差范圍為± 3% ~± 13% 。

2. 3 靜態樣架氙燈老化試驗機的結構特點和使用性能

靜態樣架氙燈老化試驗機相對于旋轉鼓式氙燈老化試驗機能提供更好的水噴淋循環裝置, 能更好地模擬雨水、露對材料性能的影響, 所以其老化測試的結果更接近于自然老化。

靜態樣架氙燈老化試驗機使用簡便, 用戶無需經過復雜的培訓即可操作。同時, 它的維修費用低廉、性能價格比合理。

目前, 大多數標準化組織, 包括ISO 和ASTM 都傾向于發展以性能為基礎的測試手段和方式。這些方式規定了測試條件( 如輻照、光譜、溫度、濕度等)及可接受的性能范圍, 而不要求使用任何特殊的裝置和硬件配置。美國、日本等國先后制定了有關標準; 2003 年7 月 ISO 制定了 ISO 4892- 2實驗光源下的塑料老化測試——第12 部分: 氙燈老化,靜態樣架老化試驗機正是符合性能為基礎的標準的老化測試設備, 符合標準發展的方向。

3 結論

靜態樣架氙燈老化試驗機的老化效果基本上等同于旋轉鼓式氙燈老化試驗機, 但其老化速度略快于旋轉鼓式氙燈老化試驗機, 且其測試的誤差范圍僅為± 3% ~ ± 8%, 而旋轉鼓式氙燈老化試驗機的誤差范圍則為± 3%~ ±13%。同時, 靜態樣架氙燈老化試驗機相對于旋轉鼓式氙燈老化試驗機能提供更好的水噴淋循環裝置, 其老化測試結果更接近自然老化, 并具有使用簡便、維修費用低廉、性能價格比合理等優點。