塑料老化的影响因素及老化测试

　　老化的影响因素主要是日光辐射、温度及水，除此之外，还包括一些其他因素，如臭氧浓度、腐蚀性气体、微生物等，所有这些因素共同作用，导致了材料的老化。
　　01日光辐射
　　塑料所表现的特性是由其材料的分子结构决定的，化学键强度是影响塑料稳定性的*主要结构因素。在其他条件相同的情况下，分子结构中的化学键强度越牢固，材料越难降解。因此，只有材料吸收的日光辐射能大于分子键能时，材料才会发生降解。根据日光辐射能量公式：
　　E=hc/λ
　　式中：
　　E—日光辐射能量；
　　h—普朗克常量；
　　λ—波长；
　　日光辐射能量与波长成反比，波长越短，辐射能量越高。到达地表的日光波长在295 nm~3000 nm，主要分为3个范围：紫外线、可见光和红外线。
　　以上是到达地表的辐照度，根据格鲁苏斯-德雷珀定律，只有被系统吸收的光才能带来光化学的变化。因此，太阳辐射对材料的影响，还要考虑材料吸收的情况。紫外线波长小于可见光及红外线，更容易引起材料的老化。但是，紫外线中波长更短、能量更高的短波紫外UVC(λ<280 nm）几乎完全被臭氧层吸收，部分中波紫外UVB（280 nm<λ<315 nm）也会被臭氧层吸收。根据雷利法则，波长越短越容易被散射。因此，UVC及UVB虽然能量更高，但对材料的老化影响校小。而波长较长的可见光及红外线，由于能量较低，难以破坏化学键，因此，在日光总谱中，长波紫外UVA（315nm<λ<400nm）对塑料制品更具破坏力。
　　02温度
　　由阿伦尼乌斯方程可知，任何化学反应的速度都会随温度升高而增加。因此，温度对塑料制品的老化，**体现在加速光化学反应速度上。此外，温度升高，还可以导致一些在低温下不会发生的热化学反应。
　　日光暴晒下，通常材料温度会有不同程度的升高。在环境温度、辐照度等条件相同的情况下，材料温度的变化主要与颜色和导热性相关。材料表现出不同颜色，是由于其对光的选择性吸收的结果，对于不透明的材料，我们观察到的颜色是其反射的光色。例如，黑色物质，其对光的吸收率约90%以上，反射光强度很低。因此，黑色物质在日光暴晒下温度变化更大，相反，白色物质的温度变化*小。在导热性方面，导热性越好的材料，在日光暴晒下温度升高越快。因此，为更准确的表征物体的表面温度，根据导热性及颜色差异，设计有不同的黑标温度计、黑板温度计、白标温度计、白板温度计。黑板温度计是由一块不锈钢平板构成，其向光源的一侧涂有一种特殊的黑色涂料，能吸收90%的入射光。温度测度是通过位于平板背光面中心并与黑色暴光面牢固连接的并经涂黑的杆状双金属盘式传感器或者测量电阻传感器来进行的。黑标温度计则是将黑板温度计以合理的方式安装在一块导热性差的绝缘底座上。因此黑标温度计更适于测量导热性差的深色高分子试样的暴露温度，黑板温度计更适于测量导热性好的颜色浅的金属基材的试样表面。黑标及黑板温度通常用于表征材料能达到的*高表面温度。白标与白板温度计同理，用于表征材料*低的表面温度。
　　03水
　　水对塑料的老化体现在物理和化学两个方面。物理变化方面，干燥材料吸水后会产生膨胀，干燥后产生收缩。这一过程会使材料内部出现机械应力，甚至会出现应力开裂。在化学变化上，**，水分子在光照下会发生共价键断裂，产生成对的自由基，自由基的存在会加速光化学反应过程。
　　此外，塑料制品由于水的存在，在一定温度下会发生水解反应。温度较高和相对湿度较大时，在热的作用下使水渗透能力增强，能够渗透到材料体系内部并积累起来，从而发生水解反应，如PC、PET等。
　　老化测试
　　在新材料开发或改进中，为验证其使用寿命或防老化效果，就需要进行老化测试。常见的老化测试有自然老化和试验室加速老化。
　　01.自然老化
　　自然老化就是将材料试样直接暴晒在自然环境下。通常样品以一定的角度安装在暴晒架上，常见的暴晒角度有5 °、45 °、90 °。相关的测试标准有ISO 877 Plastics — Methods of exposure to solarradiation；ISO2810 Paints and varnishes - Natural weathering of coatings - Exposure andassessment；ASTMG7 Standard Practice for Atmospheric Environmental Exposure Testing ofNonmetallic Materials等。
　　自然老化试验方法简便，成本较低，但是其试验周期太长，影响产品设计的优化进度。而且，由于是天然环境，气候条件无法控制，为保证试验结果的再现性，试验场地的选择尤为重要。美国1931年在南佛罗里达建立天然气候场，是美国标准的湿热气候暴晒场。在亚利桑那中部建立的试验场，则是标准的干热暴晒场。我国的国家机动车产品质量监督检验中心吐鲁番暴晒试验场，也是典型的干热气候暴晒场。吐鲁番地区5-8月*高气温均在40 ℃以上，*端*高气温49.6 ℃，年平均降水量仅为8 mm。而海南琼海的暴晒场，则是典型的湿热气候条件。年平均温度27.4 ℃，年均降水量高达2134 mm。
　　02.试验室加速老化
　　为加快试验周期，更快的得到老化数据，试验室通常使用人造光源模拟日光辐射，匹配不同的温湿度及淋雨条件等，可以模拟各种自然气候。
　　1）光源的选择
　　常用的人造光源有氙弧灯、金属卤素灯及紫外荧光灯。紫外荧光灯在中波紫外和短波紫外范围内，能很好的模拟日光。而氙弧灯和金属卤素灯在全光谱均能很好的模拟日光。因此，使用氙灯和金属卤素灯作为光源的试验箱，能很好的模拟日光辐射，而使用荧光紫外灯的老化箱，其目的并不在于仿制日光，而只是模拟日光的老化效果。除此之外，市场上还有以碳弧灯作为光源的老化箱。但碳弧光谱与日光光谱并没有很好的相关性，使用碳弧灯测试是历史原因。
　　2）加速老化的相关性
　　相关性是指，试验室加速老化的结果与材料在实际使用环境中发生老化的结果的一致性程度。加速老化试验，只有具有相关性，才能真正反映材料的耐候性能，真实预测材料的使用寿命。不合理的加速试验，会降低测试的相关性，甚至失去意义。
　　3）试验室加速老化的发展趋势
　　如开篇提到的，材料老化的影响因素有日光辐射、温度、水和其他因素。材料的老化是这些因素共同作用的结果，但并不是简单的各种因素影响效果的叠加，还需要考虑其间的协同作用。因此，更全面的模拟材料的实际使用环境，能够得到具有更好相关性的结果。例如ISO 20340标准，试验以7天为1个周期，第1至3天根据ISO 11507进行具有明暗周期的紫外测试，第4至6天根据ISO 9227进行盐雾测试，第7天进行（-20±2）℃的低温测试。与传统的耐候性测试相比，综合了更多的老化影响因素，更符合材料的实际使用工况，因此更能反映材料的实际老化情况。我们知道，霉菌、臭氧浓度等，都对塑料制品的老化有重要影响，如何在测试中综合更多的老化因素，将是试验室加速老化的发展方向之一。