高分子材料耐候老化测试技术-SGS
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高分子材料的老化性能测定
❖ 在橡胶的自由基链式氧化老化过程中，自 由基链反应可以因交联或断链而终止。因 此在反应过程中，可以发生交联或断链反 应。不同的橡胶，其热氧老化模型不同， 有的以交联反应为主，有的以断链反应为 主。随着分子结构的改变，橡胶的性能随 之发生变化，可通过热氧老化前后橡胶性 能的改变来衡量老化程度。
❖ 通常在合成过程中和加工过程中加入防老 剂以阻滞橡胶在加工，储存及使用过程中 所产生的老化，常用的防老剂有胺类防老
❖ 1. 了解橡胶的老一、化机实理验目的 ❖ 2. 掌握鼓风老化试验箱的使用方法 ❖ 3.测定老化前后的力学性能
❖ 二、实验原理
二、 实验原理
❖ 橡胶的老化，是指生胶或橡胶制品在加工，储存或使用 过程中，由于受热、光、氧等外界因素的影响使其发生物 理或者化学变化，使性能逐渐下降的现象。根据外部影响 因素的不同，橡胶的老化通常分为：①热氧老化，其影响 因素为热和氧的共同作用；②臭氧老化，其影响因素为热 和臭氧的共同作用；③疲劳老化，其影响因素为交变应力 同氧、臭氧的共同作用；④光氧老化，其影响因素为光与 氧共同作用，其中橡胶的热氧老化是最普通而且最重要的 一种老化形式，本试验着重研究橡胶的热氧老化。
❖ 橡胶在热氧老化过程中的反应属于自由基链式自催化氧化 反应，其化学反应可表示为：
❖ 引发 ❖ RH R·+ H· ❖ ROOH RO·+ HO· ❖ 2ROOH RO·+ ROO·+ H2O ❖ 传递 ❖ R·+ O2 ROO· ❖ ROO·+ RH ROOH + R· ❖ RO·+ RH ROH + R· ❖ HO·+ RH R·+ H2O ❖ 终止 ❖ R·+ R· R R ❖ RO·+ R· ROR ❖ RO·+ RO· ROOR ❖ ROO·+ ROO· 稳定产物
高分子材料实验室老化试验技术详解
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研发展． ． Ｊ
高分子材料 实验 室老化试验 技 术详解
广 州广 电计量检测股份有 限公 司 颜景 莲
【 摘要】本文 围绕实验 室老 化试验技术，详细介绍 了老化试验 的原 理，各 种常用光源的光谱 能量分布及各 自的优缺 点，包括荧光紫外灯、碳弧灯、 氙弧灯 、金属 卤素灯
老化 试验 目前 常用 的紫 外线 光源 分为 长波 另 外 一种 则 是Ｆ Ｓ － ４ ０ 光 源 ， 目前 这 两种 光 源 日本 合 资的汽 车企 业仍 推荐 使用 这种 光源 。 紫外 线光 源 （ Ｕ Ｖ Ａ 灯 ） 以及短 波紫 外线 光源 的应用 越来 越少 ，有逐 步被 淘汰 的趋 势 。 阳光 型碳 弧灯 光谱 能量 分布 也较 接近 于 太阳 （ Ｕ Ｖ Ｂ 灯 ）两种 类 别 ，共 包 括 四种 光 源 ，其 １ ． ３荧 光紫 外试 验箱 光 ，但 在 ３ ７ ０ ｎ ｍ ￣３ ９ ０ ｎ ｍ 紫外 线集 中加 强 ，模 光谱 能量 分布 见 图１ …。 目前 市 面 上 流 行 的 紫 外 试 验 箱 包 括 拟性 不及 氙灯 ，加 速倍 率介 于氙 灯及 紫 外灯 １ ． １ 长波 紫外 线光 源 Ｑ － Ｌ ａ ｂ 的Ｑ — ｓ ｐ ｒ ａ ｙ 系 列 试验 箱 ， 以及 Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｓ 的 之 间 。 长波 紫 外 线 灯 对 于 比较 不 同类 型 聚合 Ｑ Ｕ Ｖ ２ ０ ０ ０ 系列 的 试验 箱 ，这 些试 验 箱 ，都 是 碳 弧 灯 需 要 频 繁 更 换 碳 棒 ， 且 一 股 无 物 的耐 紫 外 线性 能 尤 为有 用 。因为 Ｕ Ｖ Ａ 灯 的 目前 比较 先进 的试 验箱 ，可 以提 供 多种 紫外 法 精 确 控 制 福 照 度 ， 目前 常 用 的 测 试 标 准
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研发展． ． Ｊ
高分子材料 实验 室老化试验 技 术详解
广 州广 电计量检测股份有 限公 司 颜景 莲
【 摘要】本文 围绕实验 室老 化试验技术，详细介绍 了老化试验 的原 理，各 种常用光源的光谱 能量分布及各 自的优缺 点，包括荧光紫外灯、碳弧灯、 氙弧灯 、金属 卤素灯
老化 试验 目前 常用 的紫 外线 光源 分为 长波 另 外 一种 则 是Ｆ Ｓ － ４ ０ 光 源 ， 目前 这 两种 光 源 日本 合 资的汽 车企 业仍 推荐 使用 这种 光源 。 紫外 线光 源 （ Ｕ Ｖ Ａ 灯 ） 以及短 波紫 外线 光源 的应用 越来 越少 ，有逐 步被 淘汰 的趋 势 。 阳光 型碳 弧灯 光谱 能量 分布 也较 接近 于 太阳 （ Ｕ Ｖ Ｂ 灯 ）两种 类 别 ，共 包 括 四种 光 源 ，其 １ ． ３荧 光紫 外试 验箱 光 ，但 在 ３ ７ ０ ｎ ｍ ￣３ ９ ０ ｎ ｍ 紫外 线集 中加 强 ，模 光谱 能量 分布 见 图１ …。 目前 市 面 上 流 行 的 紫 外 试 验 箱 包 括 拟性 不及 氙灯 ，加 速倍 率介 于氙 灯及 紫 外灯 １ ． １ 长波 紫外 线光 源 Ｑ － Ｌ ａ ｂ 的Ｑ — ｓ ｐ ｒ ａ ｙ 系 列 试验 箱 ， 以及 Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｓ 的 之 间 。 长波 紫 外 线 灯 对 于 比较 不 同类 型 聚合 Ｑ Ｕ Ｖ ２ ０ ０ ０ 系列 的 试验 箱 ，这 些试 验 箱 ，都 是 碳 弧 灯 需 要 频 繁 更 换 碳 棒 ， 且 一 股 无 物 的耐 紫 外 线性 能 尤 为有 用 。因为 Ｕ Ｖ Ａ 灯 的 目前 比较 先进 的试 验箱 ，可 以提 供 多种 紫外 法 精 确 控 制 福 照 度 ， 目前 常 用 的 测 试 标 准
汽车用高分子材料的老化测试技术概要
汽车用高分子材料的老化测试技术作者简介：颜景莲：GRG环境与可靠性检测中心副主任，长期从事电工电子产品、电子元器件以及高分子材料等环境可靠性研究与测试工作，曾担任全国电工电子产品环境技术标准化技术委员会（SAC/TC8的秘书长，曾负责制修订国家标准、地方标准项目达10多项；参与国家科技部、省市科技部门下达的科技项目多项，并在国内核心期刊发表论文多篇。
节能、提高质量和功能、节约用材、简化工艺越来越成为汽车制造行业关注的焦点，汽车塑料化已成为解决上述问题的重要技术途径之一，且成为发展的大趋势。
塑料件由普通的装饰件和软垫逐步向结构件和功能件转变，如塑料保险杠、仪表板、燃油箱等。
越来越多的高分子材料在汽车生产制造中发挥着重要作用，高分子材料的老化测试技术也相应地倍受重视。
1.基本老化因素汽车用高分子材料老化降解的三个主要气候因素为：日光辐射、水（湿度）和温度。
其中不仅有数量的问题，各参数的质量也是一个很重要的因素。
不同波长的日光对高分子材料会造成不同程度的破坏，因为特定的高分子材料只吸收特定波长的光；材料与水的接触也分为不同的形式和阶段，这些不同将会导致不同的降解过程；温度的冷热循环会产生机械应力，特别是对于复合材料，与长期高温作用相比，会产生更多类型的降解。
而在实际应用中，温度、湿度和辐射三者的作用是不可分割的，它们的协同作用更增加了研究材料老化的难度。
除此之外，当然还有很多其他因素，诸如风沙、飘尘等。
2.自然老化测试2.1整车暴晒试验整车暴晒是模拟汽车最终使用环境条件的最佳方式。
在整车暴晒过程中，所有的材料和零部件的分布跟使用情况保持一致，在老化过程中相互作用，老化速度和类型最接近于实际情况，加速度最小。
因此，试验结果与实际使用状况的吻合程度最高。
整车进行暴晒试验时，客户可以根据自己的试验目的，对整车的工作状态、车顶篷开启状态、车窗开启状态做岀要求，一般使挡风玻璃面向赤道，并且根据季节的不同调整暴晒角度。
高分子材料实验室老化试验技术详解
高分子材料实验室老化试验技术详解【摘要】本文围绕实验室老化试验技术，详细介绍了老化试验的原理，各种常用光源的光谱能量分布及各自的优缺点，包括荧光紫外灯、碳弧灯、氙弧灯、金属卤素灯等。
介绍了常见的光老化试验箱以及各种光源常用的测试标准，并对光源的选择、滤镜的选择以及样品的外观评价等试验技术进行了详细介绍。
【关键词】光老化试验；荧光紫外灯；碳弧灯；氙弧灯；金属卤素灯；测试标准塑料、涂料、纺织品、皮革等高分子材料在使用过程中经常出现粉化、变色、起泡、龟裂、脱落等劣化现象，严重影响产品的机械、表观等方面的性能，因此需要了解高分子材料的光老化机理并寻找合适的人工加速光老化试验方法来客观地模拟自然使用条件，为材料的研发及应用提供快速的检测与评价方面的依据。
目前常用的人工加速老化试验方法主要有荧光紫外灯老化、碳弧灯老化、氙灯老化、金属卤素灯老化等试验方法，下面详细介绍一下这几种不同的老化测试方法。
1.荧光紫外老化试验紫外光老化试验箱采用荧光紫外灯为光源，通过模拟自然阳光中的紫外辐射和冷凝，对材料进行加速耐候性试验，以获得材料耐候性的结果。
荧光紫外试验可模拟紫外、雨淋、高温、高湿、凝露、黑暗等自然环境条件，通过将这些条件重现并循环开展老化试验。
目前常用的紫外线光源分为长波紫外线光源（UV A 灯）以及短波紫外线光源（UVB灯）两种类别，共包括四种光源，其光谱能量分布见图1[1]。
1.1 长波紫外线光源长波紫外线灯对于比较不同类型聚合物的耐紫外线性能尤为有用。
因为UV A灯的光谱不包含295nm以下的紫外线，跟户外阳光的波长截止点相同，通常不像短波紫外线破坏材料那样快，但它们比较接近真实的户外老化。
目前常用的光源包括：（1）UV A-340光源，在295nm～365nm的紫外波段最接近于太阳光的光谱，它的辐射峰值是在340nm，是目前最接近于户外阳光的紫外光源；（2）UV A-351光源，模拟日光被窗户玻璃过滤后的紫外线部分，它适用于户内环境应用。
高分子材料耐候老化检测技术
77±3℃ -
63±3℃ -
24±2.5℃ 63±3℃
63±3℃
63±3℃
使用范围
常用模拟户外 户外纺织品 户外涂层
户外涂层 户外涂层 户内材料
49
碳弧灯老化
ASTM G153非金属材料封闭式碳弧灯曝露试验操作
循环 1
曝露循环条件 102m in光 照 18m in光 照 ＋ 喷 淋
2 100%光照
310
330
350
370
390
Wavelength (nm)
35
Fluorescent 荧光紫外
UVB-313光管广泛使用在 汽车耐候漆的实物室筛选 UVA-340光管广泛使用在 模拟户外自然老化 UVA-351光管普遍使用于 模拟透过窗玻璃太阳光的 老化 独立控制各种老化因素： 辐照度、黑板温度、冷凝 喷淋
配备有日光过滤器的Q-SUN光谱和太阳光谱之间的比较
42
配备有玻璃窗过滤器的Q-SUN光谱和透过玻璃窗的太阳 光谱之间的比较
43
配备有Q/B扩展紫外线过滤器的Q-SUN光谱和太阳光谱之间 的比较
44
Irradiance (W/m2/nm) 辐照度
CIRA/SL过滤的氙弧光与日光
日光 涂层红外吸收/ 碱石灰玻璃滤光后氙弧光
30± 5%RH 30± 5%RH
黑板温度 63± 2.5℃
63± 3℃
63± 3℃ -
63± 2.5℃ -
24± 2.5℃ 63± 2.5℃
6 3± 2.5 ℃
83± 3℃ 63± 2.5℃
-
适用范围 常用模拟户外
户内纺织品 户内纺织品
户外涂层
户外涂层
户外涂层 户内材料 户内材料
63±3℃ -
24±2.5℃ 63±3℃
63±3℃
63±3℃
使用范围
常用模拟户外 户外纺织品 户外涂层
户外涂层 户外涂层 户内材料
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碳弧灯老化
ASTM G153非金属材料封闭式碳弧灯曝露试验操作
循环 1
曝露循环条件 102m in光 照 18m in光 照 ＋ 喷 淋
2 100%光照
310
330
350
370
390
Wavelength (nm)
35
Fluorescent 荧光紫外
UVB-313光管广泛使用在 汽车耐候漆的实物室筛选 UVA-340光管广泛使用在 模拟户外自然老化 UVA-351光管普遍使用于 模拟透过窗玻璃太阳光的 老化 独立控制各种老化因素： 辐照度、黑板温度、冷凝 喷淋
配备有日光过滤器的Q-SUN光谱和太阳光谱之间的比较
42
配备有玻璃窗过滤器的Q-SUN光谱和透过玻璃窗的太阳 光谱之间的比较
43
配备有Q/B扩展紫外线过滤器的Q-SUN光谱和太阳光谱之间 的比较
44
Irradiance (W/m2/nm) 辐照度
CIRA/SL过滤的氙弧光与日光
日光 涂层红外吸收/ 碱石灰玻璃滤光后氙弧光
30± 5%RH 30± 5%RH
黑板温度 63± 2.5℃
63± 3℃
63± 3℃ -
63± 2.5℃ -
24± 2.5℃ 63± 2.5℃
6 3± 2.5 ℃
83± 3℃ 63± 2.5℃
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适用范围 常用模拟户外
户内纺织品 户内纺织品
户外涂层
户外涂层
户外涂层 户内材料 户内材料
SGS高分子材料物理性能可靠性测试项目
厚度、附着力（划格法、拉开法）、 铅笔硬度、耐冲击、耐磨（RCA 纸带、 落砂）、柔韧性、粘度、固含量、耐 化学品测试、耐人工汗液
我们服务的产品
塑料原材料和制品 橡胶原材料和制品 发泡材料 胶带涂料 汽车零配件
我们的资质
化学环保测试
ROHS,REACH，卤素，邻苯二甲 酸盐，PAHs 等有害物质测试以及 欧盟食品级，美国，法国，德国等 各国食品级测试
ISO/C17025 国家实验室认可（CNAS）
成分、热学
塑胶原料、制品、涂料成分定性定量分 析，异物分析，灰分，玻纤含量，热失 重（TGA），氧化诱导期(OIT)，玻璃化 温度（Tg），熔点
耐候老化
氙灯老化、紫外老化、碳弧老化、臭氧 老化、高温、低温、恒温恒湿、温湿循 环、水雾测试、盐雾测试（NSS、AASS、 CASS）、气体腐蚀测试
涂料物性
物理性能测试
硬度（邵氏、洛氏、巴氏、球压痕）、 拉伸、弯曲、冲击（IZOD/CHARPY）、 压缩、磨耗（Taber）、密度、熔指(MI)、 热 变 形 温 度 （ HDT ）、 维 卡 软 化 点 （VST）、透光率、耐化学品、耐环境 应力开
电学性能
电阻率（表面、体积）、防静电材料表 面电阻率、介电强度、击穿电压、介电 常数、损耗因子、漏电起痕（PTI、CTI）
燃烧性能测试
氧指数、垂直燃烧（UL94）、水平燃烧、 电线电缆水平燃烧（UL1581）、车用内 部材料水平燃烧（FMVSS302）、灼热 丝测试
可靠性测试
振氙灯老化、紫外老化、碳弧老化、臭 氧老化、高温、低温、恒温恒湿、温湿 循环、水雾测试、盐雾测试（NSS、 AASS 、 CASS ）、 气 体 腐 蚀 测 试 (SO2/H2S/Cl2/NO2)
我们服务的产品
塑料原材料和制品 橡胶原材料和制品 发泡材料 胶带涂料 汽车零配件
我们的资质
化学环保测试
ROHS,REACH，卤素，邻苯二甲 酸盐，PAHs 等有害物质测试以及 欧盟食品级，美国，法国，德国等 各国食品级测试
ISO/C17025 国家实验室认可（CNAS）
成分、热学
塑胶原料、制品、涂料成分定性定量分 析，异物分析，灰分，玻纤含量，热失 重（TGA），氧化诱导期(OIT)，玻璃化 温度（Tg），熔点
耐候老化
氙灯老化、紫外老化、碳弧老化、臭氧 老化、高温、低温、恒温恒湿、温湿循 环、水雾测试、盐雾测试（NSS、AASS、 CASS）、气体腐蚀测试
涂料物性
物理性能测试
硬度（邵氏、洛氏、巴氏、球压痕）、 拉伸、弯曲、冲击（IZOD/CHARPY）、 压缩、磨耗（Taber）、密度、熔指(MI)、 热 变 形 温 度 （ HDT ）、 维 卡 软 化 点 （VST）、透光率、耐化学品、耐环境 应力开
电学性能
电阻率（表面、体积）、防静电材料表 面电阻率、介电强度、击穿电压、介电 常数、损耗因子、漏电起痕（PTI、CTI）
燃烧性能测试
氧指数、垂直燃烧（UL94）、水平燃烧、 电线电缆水平燃烧（UL1581）、车用内 部材料水平燃烧（FMVSS302）、灼热 丝测试
可靠性测试
振氙灯老化、紫外老化、碳弧老化、臭 氧老化、高温、低温、恒温恒湿、温湿 循环、水雾测试、盐雾测试（NSS、 AASS 、 CASS ）、 气 体 腐 蚀 测 试 (SO2/H2S/Cl2/NO2)
高分子材料耐候老化测试技术-SGS
昆虫，等等。
10
热 (温度)
热化学作用 反应速度 膨胀/收缩
11
水（露水、雨水和湿度）
物理作用 水合/脱水过程 热冲击 冲刷/侵蚀 化学作用
溶剂/水解
12
其它因素
氧气，臭氧 高能辐射 工业气体 海水 盐雾 霉菌，细菌 昆虫，等等
13
防止老化的措施
46
Solar全日光模拟（金属卤化物灯）
金属卤化物灯是伴随着汽车行业对大型零部件和 整车人工曝晒试验的需要而诞生的。
现在也开始逐渐被广泛的应用于电子及其他行业 。
能较好的模拟日光中的紫外光，可见光和红外光 ，被认为是全光谱日光模拟的光源。
47
金属卤化物灯
48
金属卤化物灯光谱
49
几个基本概念
33
荧光紫外光源
¾ UVB-313 老化速度最快，相关性很差 ¾ UVB-FS40 老化速度很快，相关性很差 ¾ UVA-340 老化速度较快，相关性较好 ¾ UVA-351 模拟透过玻璃窗的老化，相关性较好
34
Fluorescent 荧光紫外
UVB-313光管曾经是最广 泛应用的测试光源，仍广 泛使用在汽车耐候漆的实 物室筛选
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配备有日光过滤器的Q-SUN光谱和太阳光谱之间的比较
42
配备有玻璃窗过滤器的Q-SUN光谱和透过玻璃窗的太阳 光谱之间的比较
43
配备有Q/B扩展紫外线过滤器的Q-SUN光谱和太阳光谱之间 的比较
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氙灯和荧光紫外灯的光谱对比
45
Xenon Arc氙弧灯
辐照度可独立控制，光/暗循环 降雨、冷凝与湿度多种水分作用方式 样品温度、环境温度独立控制 良好的重复性与重现性 人工加速老化的主流
高分子材料测试技术(阻燃,老化,力学,光学,
52
酸性盐雾试验AASS
ASTM G85-02e1 Annex A1，DIN 50021-1988， ISO 9227-1990，GB/T 10125-1997
试验条件： 1、试验溶液：5% NaCl 2、溶液PH值：3.1~3.3，用醋酸调PH 3、喷雾量：1~2ml/(80cm2.h) 4、雾化室温度：35±1℃ 5、连续喷雾
Irradiance (W /m^2*nm)
2.0
Enclosed Carbon Arc
1.5
1.0
0.5
0.0 270
320
370
420
470
520
570
620
670
720
770
Wavelength (nm)
41
Fluorescent 荧光紫外
荧光灯光源: – UVB-313 – UVA-340 – UVA-351
Wavelength (nm) 波长(纳米)
VIS 55.4%
波长越短, 所含能量就越高，越有可能破坏分子的化学键.
35
常见聚合物的最大活化波长（nm)
36
热 (温度)
n 影响化学及光化学反应速度 n 影响各种添加剂的扩散速度 n 膨胀/收缩加速裂纹和开裂的形成
37
水（湿度）
物理作用 n 水合/脱水过程 n 冲刷/侵蚀 n 热冲击 化学作用
日光 涂层红外吸收/ 碱石灰玻璃滤光后氙弧光
Irradiance (W/m2/nm) 辐照度
Wavelength [nm] 波长[纳米]
46
老化检测标准-汽车材料氙弧灯老化
47
实验室人工老化实例
实验条件：0.68W/m2@340nm, 120h
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UVA-340光管广泛使用在 模拟户外自然老化
UVA-351光管普遍使用于 模拟透过窗玻璃太阳光的 老化
独立控制各种老化因素： 辐照度、黑板温度、冷凝 喷淋
35
Xenon Arc氙弧灯
第一台氙灯发明于1954年。
氙弧灯是一种石英球罩密封的精确气体放电灯， 使用滤光片调节光谱能量分布以模拟各种自然日 光。
辐照度E：单位表面积上辐射通量，w/m2 如常见的0.68 w/m2
光谱辐照度Eλ：用波长为函数表示的辐照强度,w/m2.nm 如,0.77 w/m2.nm@340nm, 45 w/m2@300~400nm
辐射量H：辐射的时间累积，H=∫Edt (J/m2) 如,广州的年平均总辐射量为4590 MJ/ m2
8
Relative Photon Energy 相对光能
辐射能与波长的关系
E = hν = h c/λ
E = Energy 辐射能 h = Planck’s Constant 普朗克常 ν = Frequency 频率 c = Velocity 光速 λ = Wavelength 波长
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
22
人工加速耐候设备的选择
Carbon Arc 碳弧灯 Fluorescent 荧光紫外灯 Xenon Arc 氙弧灯 Solar 全日光模拟（金属卤化物灯）
23
Cabon Arc碳弧灯
碳弧灯是早期的人工耐候老化测试设备，它通过 燃烧碳棒成为光源。
封闭式碳弧灯（UV型） 开放式碳弧灯（Sunshine型）
51
试验标准的选择
可根据样品的类别选用相关标准 如：ASTM D4587专门针对油漆及相关涂层 ASTM D4329则针对塑料类产品
户外或户内将直接确定试验条件和试验硬件 试验条件的指导思想: 户外产品:用中等偏高的辐照度配以喷淋条件 户内产品:用偏低的辐照度配以光暗循环 对于测试仪器： 荧光紫外:户外优选340nm灯管，户内则应选用351nm 氙弧和金属卤化物灯：要相应选用不同的滤镜
氙弧灯是目前世界上最广受欢迎的光源，被大量 应用于纺织、涂料、聚合物、汽车以及电子行业 。
36
Xenon Arc氙弧灯
风冷式氙弧灯
水冷式氙弧灯
37
Xenon Arc氙弧老化仪结构
水冷与风冷 旋转与平放
38
Xenon Arc氙弧灯滤镜
Flat Array Q-Sun 平板型Q-Sun
Rotating Drum Style Tester
高分子材料耐候老化测试技术 WEATHERING RESISTANCE TESTING
FOR POLYMER MATERIALS
SGS-CSTC Shanghai Materials Laboratory He Yihu/ 何翼虎 September, 2008
2
老化的概念
老化(WEATHERING): 高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于
CIRA/SL (涂层红外吸收/碱石灰)
全波段或更低的温度
更精确的全波段过滤，较低的温度
40
经各种滤镜后光谱图
Irradiance (W/m^2*nm)
4.000 3.500 3.000 2.500 2.000
Spectral Power Distribution of Xenon Arc Lamps with Various Filter Combinations from 250 nm to 800 nm with Irradiance Normaliz ed to 0.55 W/(m^2*nm) at 340 nm
52
实验室测试相当于实际使用多长时间？
没有标准答案 取决于材料本身 取决于使用环境 不能盲目使用加速因子
在ISO 4892-1实验室光老化导则中指出，不宜将实验室的曝晒 量与实际条件相比较求加速因子。
(Kcal/mol) 174 145 124 121 106 103 102 100 100 99 92 89 84 84 83 81 76 64 36
Wavelength 波长
(nm) 164 197 231 236 270 278 280 286 286 289 311 321 340 340 345 353 376 447 794
50
常用计算
已知辐照量和辐照度求试验时间hr 公式：H = E3.6t 即 式中：H--曝晒辐照量，kJ／m2； E--辐照度，W／m2； t --时间，hr； 3.6--换常数(ks～hr)。 即 kJ/m2 = W/m2 x 3.6 x (h)
例：用0.55w/ m2.nm@340nm的辐照度要多长时间才能获 1000kJ/m2.nm @340nm的辐照量？ 1000kJ/m2.nm= 0.55w/ m2 .nm·3.6 ·h h=505 hours
S -B oro/ S odalim e CIRA / S CIRA / S odalim e Q uart z / Q uart z Q/S P -B oro/ P -B oro CIRA / S -B oro/ F loat CIRA / S odalim e/ F loat
1.500
1.000
国外 （Florida、Arizona） 国内（海南、敦煌、漠河、拉萨 ）
16
自然静态暴晒
自然加速暴晒
17
紫外线辐照强度随地区而异
18
大气曝晒汽车部件试样的变化
整车涂层曝晒一年的老化
车尾灯曝晒二年变褪色
车密封条曝晒半年有大量析出物
曝晒10个月汽车出水管裂纹老化情况
19
户外曝晒的优点与不足
VIS 55.4%
为什么只占太阳光谱6.8%的紫外光却是造成高分子材料破坏的罪魁祸首 ？
7
常见化学键的光敏感波长
Bond键
Bond Energy键能
C=O
C=C C-C (Aromatic)芳香类 C-H (Acetylene)乙炔 C-H (Ethylene)乙烯 C-H (Aromatic)芳香类 C-H (Methane)甲烷 O-H (Methanol)甲醇 O-H (Ethanol)乙醇 C-H (Ethane)乙烷 C-O (Ethanol)乙醇 C-O (Methanol)甲醇 C-C (Ethane)乙烷 C-Cl (Methyl Chloride)氯化甲烷 C-C (Propane)丙烷 C-Cl (Ethyl Chloride)氯化乙烷 C-O (Methyl Ether)甲醚 RO-OR (Peroxide)过氯化物 RO-OH (Hydroperoxide)氢过氧化物
46
Solar全日光模拟（金属卤化物灯）
金属卤化物灯是伴随着汽车行业对大型零部件和 整车人工曝晒试验的需要而诞生的。
现在也开始逐渐被广泛的应用于电子及其他行业 。
能较好的模拟日光中的紫外光，可见光和红外光 ，被认为是全光谱日光模拟的光源。
47
金属卤化物灯
48
金属卤化物灯光谱
49
几个基本概念
570
620
670
720
770
Wavelength (nm)
27
Carbon Arc 碳弧
日光或开放式：在日本仍用于汽 车材料的老化测试
封闭式：在日本仍用于材料的褪 色及色牢度测试
不能精确模拟太阳光，可作为粗 略的筛选工具， 更多的国家和厂 商采用氙灯和紫外灯。
28
Fluorescent 荧光紫外
改善高分子的结构以提高老化的能力 如 ：三元乙丙橡胶，耐臭氧、耐化学品、耐高温的耐老化橡胶。
在合成材料加工过程中添加防老剂 如：抗氧剂、紫外光稳定剂、热稳 定剂、防霉剂等
物理防护的方法 如涂漆、镀金属等
14
15
耐候测试方法
户外曝晒的方法
户外直接曝光是指把材料直接暴露在日光和其它的气候条件下，是最直接评估材料耐候性能的 方法。 测试周期通常为12~24个月。 每个循环周期为24h，每个循环中包含有1个黑暗循环，每个循环是不断变化的。
受内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，以致最 后丧失使用价值，这种现象就是老化。
3
耐候老化测试目的
老化是一种不可逆的变化，它是高分子材料的通病。 但是人们可以通过对高分子老化过程的研究，采取适
当的防老化措施，提高材料的耐老化的性能，延缓老 化的速率，以达到延长使用寿命的目的。
4
老化的主要原因
结构
如：不饱和双键（C=C）、苯环、支链、羰基（－CO－） 、末端上的羟基（－OH），等等。
例如：
•
聚丙烯不如聚乙烯耐老化 － CH3
•
二烯烃聚合的橡胶容易发生热氧、光氧、臭氧 老化
含C=C双键
•
聚酯纤维容易老化
－CO－容易水解
5
电磁波谱
6
紫外部分所占的比例
NIR 37.8% UV 6.8%
33
荧光紫外光源
¾ UVB-313 老化速度最快，相关性很差 ¾ UVB-FS40 老化速度很快，相关性很差 ¾ UVA-340 老化速度较快，相关性较好 ¾ UVA-351 模拟透过玻璃窗的老化，相关性较好
34
Fluorescent 荧光紫外
UVB-313光管曾经是最广 泛应用的测试光源，仍广 泛使用在汽车耐候漆的实 物室筛选
Wavelength (nm) 波长(纳米 波长越短, 所含能量就越高，越有可能破坏分子的化学键，紫外线的能量极高，只要其能量达到
或超过了高分子化学键的键能，就足以破坏高分子的化学键，导致高分子的分解。
9
老化的主要原因
外界或环境因素
UVA-351光管普遍使用于 模拟透过窗玻璃太阳光的 老化
独立控制各种老化因素： 辐照度、黑板温度、冷凝 喷淋
35
Xenon Arc氙弧灯
第一台氙灯发明于1954年。
氙弧灯是一种石英球罩密封的精确气体放电灯， 使用滤光片调节光谱能量分布以模拟各种自然日 光。
辐照度E：单位表面积上辐射通量，w/m2 如常见的0.68 w/m2
光谱辐照度Eλ：用波长为函数表示的辐照强度,w/m2.nm 如,0.77 w/m2.nm@340nm, 45 w/m2@300~400nm
辐射量H：辐射的时间累积，H=∫Edt (J/m2) 如,广州的年平均总辐射量为4590 MJ/ m2
8
Relative Photon Energy 相对光能
辐射能与波长的关系
E = hν = h c/λ
E = Energy 辐射能 h = Planck’s Constant 普朗克常 ν = Frequency 频率 c = Velocity 光速 λ = Wavelength 波长
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
22
人工加速耐候设备的选择
Carbon Arc 碳弧灯 Fluorescent 荧光紫外灯 Xenon Arc 氙弧灯 Solar 全日光模拟（金属卤化物灯）
23
Cabon Arc碳弧灯
碳弧灯是早期的人工耐候老化测试设备，它通过 燃烧碳棒成为光源。
封闭式碳弧灯（UV型） 开放式碳弧灯（Sunshine型）
51
试验标准的选择
可根据样品的类别选用相关标准 如：ASTM D4587专门针对油漆及相关涂层 ASTM D4329则针对塑料类产品
户外或户内将直接确定试验条件和试验硬件 试验条件的指导思想: 户外产品:用中等偏高的辐照度配以喷淋条件 户内产品:用偏低的辐照度配以光暗循环 对于测试仪器： 荧光紫外:户外优选340nm灯管，户内则应选用351nm 氙弧和金属卤化物灯：要相应选用不同的滤镜
氙弧灯是目前世界上最广受欢迎的光源，被大量 应用于纺织、涂料、聚合物、汽车以及电子行业 。
36
Xenon Arc氙弧灯
风冷式氙弧灯
水冷式氙弧灯
37
Xenon Arc氙弧老化仪结构
水冷与风冷 旋转与平放
38
Xenon Arc氙弧灯滤镜
Flat Array Q-Sun 平板型Q-Sun
Rotating Drum Style Tester
高分子材料耐候老化测试技术 WEATHERING RESISTANCE TESTING
FOR POLYMER MATERIALS
SGS-CSTC Shanghai Materials Laboratory He Yihu/ 何翼虎 September, 2008
2
老化的概念
老化(WEATHERING): 高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于
CIRA/SL (涂层红外吸收/碱石灰)
全波段或更低的温度
更精确的全波段过滤，较低的温度
40
经各种滤镜后光谱图
Irradiance (W/m^2*nm)
4.000 3.500 3.000 2.500 2.000
Spectral Power Distribution of Xenon Arc Lamps with Various Filter Combinations from 250 nm to 800 nm with Irradiance Normaliz ed to 0.55 W/(m^2*nm) at 340 nm
52
实验室测试相当于实际使用多长时间？
没有标准答案 取决于材料本身 取决于使用环境 不能盲目使用加速因子
在ISO 4892-1实验室光老化导则中指出，不宜将实验室的曝晒 量与实际条件相比较求加速因子。
(Kcal/mol) 174 145 124 121 106 103 102 100 100 99 92 89 84 84 83 81 76 64 36
Wavelength 波长
(nm) 164 197 231 236 270 278 280 286 286 289 311 321 340 340 345 353 376 447 794
50
常用计算
已知辐照量和辐照度求试验时间hr 公式：H = E3.6t 即 式中：H--曝晒辐照量，kJ／m2； E--辐照度，W／m2； t --时间，hr； 3.6--换常数(ks～hr)。 即 kJ/m2 = W/m2 x 3.6 x (h)
例：用0.55w/ m2.nm@340nm的辐照度要多长时间才能获 1000kJ/m2.nm @340nm的辐照量？ 1000kJ/m2.nm= 0.55w/ m2 .nm·3.6 ·h h=505 hours
S -B oro/ S odalim e CIRA / S CIRA / S odalim e Q uart z / Q uart z Q/S P -B oro/ P -B oro CIRA / S -B oro/ F loat CIRA / S odalim e/ F loat
1.500
1.000
国外 （Florida、Arizona） 国内（海南、敦煌、漠河、拉萨 ）
16
自然静态暴晒
自然加速暴晒
17
紫外线辐照强度随地区而异
18
大气曝晒汽车部件试样的变化
整车涂层曝晒一年的老化
车尾灯曝晒二年变褪色
车密封条曝晒半年有大量析出物
曝晒10个月汽车出水管裂纹老化情况
19
户外曝晒的优点与不足
VIS 55.4%
为什么只占太阳光谱6.8%的紫外光却是造成高分子材料破坏的罪魁祸首 ？
7
常见化学键的光敏感波长
Bond键
Bond Energy键能
C=O
C=C C-C (Aromatic)芳香类 C-H (Acetylene)乙炔 C-H (Ethylene)乙烯 C-H (Aromatic)芳香类 C-H (Methane)甲烷 O-H (Methanol)甲醇 O-H (Ethanol)乙醇 C-H (Ethane)乙烷 C-O (Ethanol)乙醇 C-O (Methanol)甲醇 C-C (Ethane)乙烷 C-Cl (Methyl Chloride)氯化甲烷 C-C (Propane)丙烷 C-Cl (Ethyl Chloride)氯化乙烷 C-O (Methyl Ether)甲醚 RO-OR (Peroxide)过氯化物 RO-OH (Hydroperoxide)氢过氧化物
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Solar全日光模拟（金属卤化物灯）
金属卤化物灯是伴随着汽车行业对大型零部件和 整车人工曝晒试验的需要而诞生的。
现在也开始逐渐被广泛的应用于电子及其他行业 。
能较好的模拟日光中的紫外光，可见光和红外光 ，被认为是全光谱日光模拟的光源。
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金属卤化物灯
48
金属卤化物灯光谱
49
几个基本概念
570
620
670
720
770
Wavelength (nm)
27
Carbon Arc 碳弧
日光或开放式：在日本仍用于汽 车材料的老化测试
封闭式：在日本仍用于材料的褪 色及色牢度测试
不能精确模拟太阳光，可作为粗 略的筛选工具， 更多的国家和厂 商采用氙灯和紫外灯。
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Fluorescent 荧光紫外
改善高分子的结构以提高老化的能力 如 ：三元乙丙橡胶，耐臭氧、耐化学品、耐高温的耐老化橡胶。
在合成材料加工过程中添加防老剂 如：抗氧剂、紫外光稳定剂、热稳 定剂、防霉剂等
物理防护的方法 如涂漆、镀金属等
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耐候测试方法
户外曝晒的方法
户外直接曝光是指把材料直接暴露在日光和其它的气候条件下，是最直接评估材料耐候性能的 方法。 测试周期通常为12~24个月。 每个循环周期为24h，每个循环中包含有1个黑暗循环，每个循环是不断变化的。
受内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，以致最 后丧失使用价值，这种现象就是老化。
3
耐候老化测试目的
老化是一种不可逆的变化，它是高分子材料的通病。 但是人们可以通过对高分子老化过程的研究，采取适
当的防老化措施，提高材料的耐老化的性能，延缓老 化的速率，以达到延长使用寿命的目的。
4
老化的主要原因
结构
如：不饱和双键（C=C）、苯环、支链、羰基（－CO－） 、末端上的羟基（－OH），等等。
例如：
•
聚丙烯不如聚乙烯耐老化 － CH3
•
二烯烃聚合的橡胶容易发生热氧、光氧、臭氧 老化
含C=C双键
•
聚酯纤维容易老化
－CO－容易水解
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电磁波谱
6
紫外部分所占的比例
NIR 37.8% UV 6.8%
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荧光紫外光源
¾ UVB-313 老化速度最快，相关性很差 ¾ UVB-FS40 老化速度很快，相关性很差 ¾ UVA-340 老化速度较快，相关性较好 ¾ UVA-351 模拟透过玻璃窗的老化，相关性较好
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Fluorescent 荧光紫外
UVB-313光管曾经是最广 泛应用的测试光源，仍广 泛使用在汽车耐候漆的实 物室筛选
Wavelength (nm) 波长(纳米 波长越短, 所含能量就越高，越有可能破坏分子的化学键，紫外线的能量极高，只要其能量达到
或超过了高分子化学键的键能，就足以破坏高分子的化学键，导致高分子的分解。
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老化的主要原因
外界或环境因素