系留氣球囊體材料光老化試驗研究

李云仲 熊 偉

（中國特種飛行器研究所， 湖北 荊門 448035）

氣候和陽光輻照是損害高分子材料的主要原因。這種損害包括失光、褪色、黃變、開裂、剝落、脆化，強度降低及分層等。

系留氣球囊體材料是一種高分子復(fù)合材料涂層織物。通過對囊體材料本體、熱合連接件開展光加速條件下的老化試驗，對比材料試驗前后力學(xué)性能的變化，確定其本體材料和熱合連接件的抗老化性能，為系留氣球的環(huán)境適應(yīng)性和安全設(shè)計與分析提供背景支持。

1 光老化的影響因素

影響光老化的主要因素包括：光照、高溫和潮濕。這3個因素中的任一單獨因素均會引起材料的老化，但它們往往相互協(xié)同作用，促使產(chǎn)品或材料的快速老化。

1.1 光照

光對產(chǎn)品的影響主要是由加熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的。不同的材料對光的敏感性也不同。對于經(jīng)久耐用的材料，如大多數(shù)涂料、塑料，紫外線的短波段是引起大部分聚合物老化的原因。然而，對于不是那么經(jīng)久耐用的材料，比如一些顏料和染料，紫外線的長波段甚至可見光也會對其造成嚴(yán)重的老化。

1.2 高溫

當(dāng)溫度升高時，光的破壞作用也將隨之增大。盡管溫度不影響主要的光致反應(yīng)，它卻影響次要的化學(xué)反應(yīng)。實驗室老化測試必須提供精確的溫度控制，通常還通過升溫的方法來加速老化過程。

1.3 潮濕

雨水、露水及高的濕度是引起潮濕危害的主要原因。雨水可能導(dǎo)致材料產(chǎn)生熱沖擊，同時雨水沖刷引起的機械侵蝕也會加速材料發(fā)生老化。放在室外的物品每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)，平均每天8 h～12 h。由潮氣形成的露水是室外潮濕的主要因素。露水造成的危害比雨水更大，因為它附著在材料上的時間更長，引起更為嚴(yán)重的潮濕吸收。

2 光老化試驗

2.1 試驗件的制備

囊體材料為高分子復(fù)合材料涂層織物。

囊體材料光老化試驗，不僅要對材料本體進(jìn)行光老化試驗，對氣囊主要連接工藝也要進(jìn)行光老化試驗。鑒于加工過程的中主要采用熱合連接工藝，所以共制備兩種類型的試驗件，老化試驗件尺寸根據(jù)氙燈老化試驗箱的尺寸來確定。1 mm的毛邊用抽絲的方式去除。

本體試驗件：330 mm×430 mm（圖1左側(cè)）；

熱合連接件：330 mm×430 mm，熱合部分尺寸為30 mm×330 mm（圖1右側(cè)）。

光老化試驗完成后，將光老化試驗件分割，制備成拉伸試驗件，各制備5件。要求如下：

圖1 囊體材料光老化試驗件

本體拉伸試驗件：50 mm×500 mm，其中試驗區(qū)域50 mm×200 mm，見圖2；

熱合拉伸試驗件：50 mm×500 mm，其中試驗段為30 mm×50 mm，見圖3。

圖2 囊體材料本體拉伸試驗件

圖3 囊體材料熱合拉伸試驗件

另外，采用同一批次的材料制備未經(jīng)老化的本體和熱合拉伸試驗件，各5件。方法和尺寸同光老化試驗后的完全相同。

2.2 試驗設(shè)備

氙燈老化試驗箱

Xe-3-HSC型（美國Q-SUN 公司生產(chǎn)），光輻照度為0.25～0.68W/m2，樣品架尺寸為451 mm×718 mm。

電子拉伸試驗機

AG-X250KN型（日本島津公司生產(chǎn)），試驗速度0.0005～500 mm/min，試驗空間為595 mm。

試驗方法

根據(jù)AATTC169-2003《紡織品的耐氣候性：氙燈曝曬試驗測試方法》，結(jié)合系留氣球的使用環(huán)境，采用試驗條件見表1。

表1 光老化試驗條件（340 nm）

進(jìn)行試驗之前，要清潔試驗件表面確保無污染物。要對試驗件進(jìn)行狀態(tài)檢查，確保無變色、粉化、剝落、長霉、斑點和/或裂紋等損壞。

將試驗件放置到試驗箱中，使其試驗面對著光照燈，試驗樣品不能有遮擋。

試驗過程中每天檢查一次試驗件的外觀狀態(tài)。肉眼觀察被照射過的囊體材料表面，不得出現(xiàn)明顯的變色、粉化、剝落、長霉、斑點和/或裂紋等變化。一旦外觀發(fā)生明顯變化，要終止試驗。

參照ASTM G155-05a和系留氣球的使用環(huán)境時間定為56天，總共672個循環(huán)。完成后取出試件，放在正常大氣條件下24 h。隨后，按GB/T 3923.1《紡織品織物拉伸性能第1部分 斷裂強度和斷裂伸長率的測定條樣法》，測定老化后試件的拉伸斷裂強度。

3 試驗結(jié)果

光老化56天后，從試驗箱中取出在自然條件干燥24 h，觀察試驗件外觀狀態(tài)，圖4為本體試驗件，圖5為熱合試驗件。

圖4 本體試驗件光老化后狀態(tài)

圖5 熱合試驗件光老化后狀態(tài)

按GB/T 3923.1《紡織品織物拉伸性能第1部分?jǐn)嗔褟姸群蛿嗔焉扉L率的測定條樣法》，測定試件老化前后的拉伸斷裂強度。求取5個試驗件的平均斷裂強度值。拉伸強度損失率按下列方法進(jìn)行計算：

其中：F損—拉伸強度損失率

F前—老化前拉伸斷裂強度

F后—老化后拉伸斷裂強度

試驗結(jié)果見表2。

表2 拉伸試驗結(jié)果

4 結(jié)論

光老化試驗56天后，試驗件表面沒有出現(xiàn)明顯的變色、粉化、剝落、長霉、斑點和裂紋等外觀變化。

本體試驗件的斷裂強度損失率為15.5%，熱合試驗件的斷裂強度損失率為23.8%。經(jīng)過熱合加工后，試件的斷裂強度損失率增大了8.3%。囊體材料經(jīng)過熱合加工件，抗老化性能有所下降。

5 建議

開展囊體材料光老化實驗室與外場暴露對比試驗研究，以確定實驗室與外場暴露試驗結(jié)果的相關(guān)性和建立實驗室加速老化模型。

具體囊體材料光老化試驗參數(shù)可以通過研究進(jìn)行規(guī)范，建立相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此方面要投入大量的人力和物力進(jìn)行研究。

[1] 張恒. QUV和Q-Sun兩種有效耐候性和光穩(wěn)定性測試方法的比較.分析與測試[J].2002，35 (6) :126-128.

[2] AATCC 169-2003 紡織品的耐氣候性 氙燈曝曬[S].

[3] ASTM G155-05a 非金屬材料的氙燈老化測試[S].

[4] GB/T 3923.1.紡織品織物拉伸性能第1部分 斷裂強度和斷裂伸長率的測定 條樣法[S].