塑料料具有许多优异的性能, 在各个领域得到了广泛的应用。但塑料老化问题一直影响着塑料的应用范围和效果。为了研究塑料老化的原因和规律,国内外研究人员开展了自然气候暴露试验和加速自然气候暴露试验的研究[ 1]。

以往进行加速自然气候暴露试验所使用的氙灯耐候和光稳定性试验机大多数为旋转鼓式, 即被设计成容器内中心安放一支氙灯管, 周围是旋转试样架, 围绕光源旋转。这种旋转鼓在20 世纪初应用于碳弧灯加速老化试验机中。旋转鼓式氙灯老化试验机有各种型号, 其中一些转鼓为垂直式, 另有一些是带有角度的。该类试验机采用不同的手段控制各种测试参数。

近年来, 静态、平板试样安置方式的(以下简称为静态样架)氙灯老化试验机已在塑料、涂料、纺织等行业得到广泛应用。如同旋转鼓式氙灯老化试验机一样, 这种静态样架老化试验机采用不同的手段严格控制测试环境, 并可控制老化试验的辐照度、黑板温度、箱内温度及相对湿度等实验参数。试验机采用一支或多支氙灯作为曝晒光源, 试样平行安放在光源下方, 这种方式增加了被测试样的数量。同时电源和辐照控制系统为专利设计的, 保证曝晒的精确性。试验机箱内的反射墙即光源反射系统被设计成能最大限度的均匀反射辐射光和模拟自然光,其温度和相对湿度的控制装置也是专利设计, 以保证试验的稳定性和一致性。

1 实验部分

1. 1 试样规格

使用7 类塑料试样, 其颜色及尺寸见表1。无论是透明还是不透明塑料, 其老化表现均为黄变, 其中透明塑料对光稳定及光照变化敏感。

1. 2 实验设备

旋转鼓式氙灯老化试验机: Ci 5000A 型, 美国Atlas Testing 公司;

静态样架氙灯老化试验机: Qsun Xe3HS 型,美国Q-lab公司。

1. 3 测试标准

以汽车用材料为例, 外饰材料的老化性能按SAE J 2527用可控辐射氙灯测试汽车外用材料加速老化标准测试;

内饰材料的老化性能按SAE J 2412用可控辐射氙灯测试汽车内饰材料加速老化标准测试;

颜色色差计算按 ASTM D 2244仪器测量颜色色差计算标准测试。

1. 4 实验方法

(1)试样安放

旋转鼓式氙灯老化试验机是在上、中、下三层垂直安放试样, 每层可安放3 个, 共可放置9 个试样。如果试样超过9 个, 则在环绕中心的相对位置安放。而静态样架氙灯老化试验机是将试样置于4 个试样盘中, 每个盘最多可放置14 块50 mm 100 mm 的试样。然后将试样盘再放置到试验机中。对于PS和PC 等汽车用塑料, 试样架上无需背衬材料。推荐每间隔一段测试周期调整试样盘的位置。

(2)测试条件

氙灯老化试验机内设有日光滤光片, 控制辐射到试样表面上波长为340 nm 的光的辐照度为 0. 55W/m2, 黑板温度为63 时, 日光照射102 min; 随机温度时日光照射和喷淋 18 min; 每周更换一次试样位置。静态样架氙灯老化试验机的相对湿度控制约为15% , 旋转鼓式氙灯老化试验机的相对湿度控制为50% 。曝晒循环周期为2000 h。

(3)老化测量

老化测量采用积分球分光光度计的反射模式,采用D65照明、10观察角、大范围测量、包含反射和紫外光源测量。塑料的老化情况用黄色指数( b)表征。透明材料测量时需衬有白色的校准板。

同时, 每隔一定时间需测量裂纹的数量, 当塑料表面的裂纹达到10 条时, 应取出该试样并记录老化时间。其余试样按上述方式进行, 直到所有被测试样出现10 条裂纹。

2 结果与讨论

2.1静态样架氙灯老化试验机的应用

图1 为两种氙灯老化试验机对PS、PC 的老化结果。

由图 1 可见, 静态样架氙灯老化试验机的老化效果基本上等同于旋转鼓式老化试验机, 而其老化速度略快于旋转鼓式老化试验机, 其原因可能是不同老化机箱内的温度不同所致。另外发现, 使用不同的滤光片对老化效果的影响不大, 尤其表现在PC 的老化结果上。静态样架氙灯老化试验机的日光滤光片和旋转鼓式氙灯老化试验机的 CIRA/SL滤光片的性能很接近, 即通过正确选择和使用相应的滤光系统及曝晒条件, 两者的老化结果接近一致。

2. 2 静态样架氙灯老化试验机的测试结果

表2 列出采用静态样架氙灯老化试验机和旋转鼓式氙灯老化试验机对PS 和PC 的测试结果误差,其计算式为:

表2两种老化试验机测试结果误差比较

表2 可看出, 静态样架氙灯老化试验机的测试误差范围仅为± 3% ~± 8% , 而旋转鼓式氙灯老化试验机的误差范围为± 3% ~± 13% 。

2. 3 静态样架氙灯老化试验机的结构特点和使用性能

静态样架氙灯老化试验机相对于旋转鼓式氙灯老化试验机能提供更好的水喷淋循环装置, 能更好地模拟雨水、露对材料性能的影响, 所以其老化测试的结果更接近于自然老化。

静态样架氙灯老化试验机使用简便, 用户无需经过复杂的培训即可操作。同时, 它的维修费用低廉、性能价格比合理。

目前, 大多数标准化组织, 包括ISO 和ASTM 都倾向于发展以性能为基础的测试手段和方式。这些方式规定了测试条件( 如辐照、光谱、温度、湿度等)及可接受的性能范围, 而不要求使用任何特殊的装置和硬件配置。美国、日本等国先后制定了有关标准; 2003 年7 月 ISO 制定了 ISO 4892- 2实验光源下的塑料老化测试——第12 部分: 氙灯老化,静态样架老化试验机正是符合性能为基础的标准的老化测试设备, 符合标准发展的方向。

3 结论

静态样架氙灯老化试验机的老化效果基本上等同于旋转鼓式氙灯老化试验机, 但其老化速度略快于旋转鼓式氙灯老化试验机, 且其测试的误差范围仅为± 3% ~ ± 8%, 而旋转鼓式氙灯老化试验机的误差范围则为± 3%~ ±13%。同时, 静态样架氙灯老化试验机相对于旋转鼓式氙灯老化试验机能提供更好的水喷淋循环装置, 其老化测试结果更接近自然老化, 并具有使用简便、维修费用低廉、性能价格比合理等优点。