汽车高分子材料光老化试验方法与评估

  气候和阳光辐照是导致高分子材料老化的重要的因素，这种老化现象不仅影响汽车的美观和舒适性，还可能引发安全问题。

  为了应对这一挑战，本文将综合分析和对比不同的汽车高分子材料光老化试验方法，旨在为试验人员提供合适的测试手段。通过这一些方法，可以有效地缩短试验周期，精确地评估材料的耐老化性能，并快速识别出存在问题的制品。

  材料老化是一种自然现象，老化试验主要是指针对橡胶、塑料产品、电器在允许电压下不导电的材料及其他材料来的热氧老化试验，或者针对电子零配件、塑化产品的换气老化试验。

  光老化试验是一种利用人造光源来模拟阳光、下雨、凝雾等自然环境，进而验证高分子材料对自然环境抵抗能力的试验方法。太阳光主要由紫外线、红外线和可见光组成，红外线产生的热效应是造成高分子材料分子键断裂、材料降解的重要的因素，当太阳辐射综合温度、湿度气候因素时，破坏效果更为明显。

  目前，广泛使用的光老化试验方法主要有碳弧灯试验法、荧光紫外灯试验法、金属卤素灯试验法、氙弧灯试验法。

  碳弧灯分为两种：紫外碳弧灯和阳光碳弧灯。无论哪种碳弧灯，其光谱和真实的太阳光光谱差别都很大。碳弧灯老化是最早采用的老化试验方法，但由于试验箱存在维修费用高、不能校正、模拟光谱范围狭窄的缺点，现在已经被逐渐淘汰。

  紫外光老化试验通常使用专门的老化试验箱，这些试验箱可以模拟更广泛的光谱，包括紫外线、可见光和部分红外线。紫外光老化试验旨在更全面地模拟自然环境中的光老化效应，包括温度和湿度的影响。这种试验方法适用于评估材料在户外经常使用下的耐老化性能，如外墙涂料、塑料和纺织品等。

  金鉴实验室试验模拟阳光、潮湿和温度对材料的破坏作用；材料老化包括褪色、失光、强度降低、开裂、剥落、粉化和氧化等。紫外光老化试验箱通过模拟阳光、冷凝、模仿自然潮湿，试样在模拟的环境中试验几小时甚至几天的时间，可再现户外可能几个月或几年发生的损坏。

  金属卤素灯提供的光谱能量分布和实际太阳光较为相似。利用金属卤素灯来做试验，试验结果溯源性更高。金属卤素灯的不足在于其设备成本比较高，因此，一般适用于整车等大型设备的人工光照老化试验，难以大面积推广。

  氙灯老化模拟的是太阳光中的长波紫外和可见光部分，波长一般在400nm到800nm之间。它能使颜料和染料发生褪色和颜色变化，适合于颜色的变化测试。

  为了让氙弧灯光更好地模拟地球表面的自然暴露，在试验时，一般会变换滤镜的组合，通过这种方法使照射到样品的光谱和自然暴露的阳光更接近，进而达到模拟户外和户内的光照老化，滤镜可使用硼硅玻璃、钠钙玻璃和石英玻璃等。

  为了避免材料的非自然光老化现象，试验时所用光源产生的紫外线波长要和实际使用条件下的波长相同，光源的光谱与太阳光谱相似。如果相异，即波长过高或过低，都可能会引起材料的非自然光老化现象。

  试验中，温度或湿度过高都可能会导致材料非自然的变化，因此，温度和湿度不能超过自然暴晒试验的最高值。

  自然暴露的样品会经历春夏秋冬四季的变换和昼夜的更替，随着季节变换和昼夜更替，温度会时高时低，暴露的样品就会产生周期性的膨胀和收缩的现象，从而引起老化，因而在试验时也要考虑这种情况。

  老化结果的评估可采用外观状态评估、颜色光学参数评估、物理性能评估等方式，不同的材料要选用不同的评估方式，以保证试验的准确性。

  外观状态评估相较于颜色光学参数评估和物理性能评估而言，更直接和方便，但外观状态评估主要是依靠试验者的个人经验，具有一定主观性，不同的试验者可能会得出不同的结果。

  客户同样以此来判断材料的外观是否令人满意，因此，评估结果的一致性很重要，一致性能减少因试验者的差异而带来的不同结果，而且评估必须由经过培训、有经验的评估师来进行。

  常见的老化试验外观评价有褪色、水泡、粉化、褶皱、脱落、锈蚀、剥落、开裂和裂纹等。评估师根据适当的等级对材料的变化进行评级，通常按照美国材料实验协会（American Society of Testing Materials，ASTM）标准从0级到10级的等级系统来进行划分，0级为非常差（完全失效），10级为非常好（无变化）。

  对外观状态的评估还可使用仪器来测量，仪器测量结果相对于试验者目测更客观。仪器测量能排除人为偏差的可能性，而且试验结果可重复。同时，连续的仪器测量数值方便试验者进行统计分析。如对光泽、鲜映性，即影象清晰度（Distinctness Of Image,DOI）和颜色的评估方面，均可使用光电仪器做测量，进行仪器测量时应对被测量的材料表面污物等清理洗涤干净。否则，仪器测量的是污物而不是线颜色评估

  研究显示，材料的颜色不同，其对光的敏感程度也不同。敏感程度不同，就会导致表面温度不同，进而影响后续的物理化学物反应，进而导致材料老化方式的差异，因而用仪器法测量颜色是所有光电测量方法中最复杂的。

  颜色测量即把一束光照射在样品表面，然后收集样品反射光。通过反射光光谱用来迅速记录被测物体的颜色。大部分颜色仪器测量法采用L*a*b*色空间来定义颜色。

  当a*是正数，表示被测材料的颜色是红色，数值越大，物体的颜色越红；当a*是负数，表示被测材料的颜色是绿色，负数的数值越大，物体的颜色越绿；当a*为0时，表示材料的颜色介于红色和绿色之间。

  当b*是正数，表示被测材料的颜色是黄色，数值越大，物体的颜色越黄；当b*是负数，表示被测材料的颜色是蓝色，负数的数值越大，物体的颜色越蓝；当b*为0时，表示材料的颜色介于黄色和蓝色之间。

  除了外观和颜色评估外,材料在老化过程中还存在别的方面的变化，如力学性质的损失等物理性能变化。材料力学性质的损失具有差异性，是因为材料本身的降解机理和降解渗透程度等不同。

  如果材料表面有裂缝,且是切敏性材料，那么材料的拉伸强和延伸率都会下降。很常用的物理性能测试项目有拉伸强度、弯曲程度、硬度额附着力等。

  四种不同类型的光老化试验方法各有优势，在进行光老化试验时，应遵循光源的光谱与辐照强度尽可能与太阳光谱相似、温度和湿度不能过高，即不应超过自然曝晒试验中的最高值和尽可能考虑合理设置试验过程中的明、暗周期及温度循环三个原则。

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