關于氙燈老化和戶外大氣自然暴曬的綜述

胡建雄

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665)

1 概述

隨著科學技術的飛速發展，人們的生活水平越來越高，人們對各式各樣的產品要求也越來越高。在過去很長一段時期，除了一些國防尖端科學設備(如航空航天產品)、軍工產品以外，人們對高分子材料的老化根本不會提什么要求。近年來，人們對各種產品的使用壽命提出了近乎苛刻的要求。因此，如何高效、準確地評價高分子材料及其制品的耐老化性能，對高分子材料的應用和發展都至關重要。本綜述就近年來大家比較關注的氙燈老化和大氣自然暴曬的相關性進行介紹。

2 定義

戶外自然暴曬:戶外暴曬試驗顧名思義就是將高分子材料的試樣或制品暴露于自然大氣環境中，使得試驗樣品或制品受到各種大氣因素的綜合作用，通過周期性的外觀檢查和一些物理機械性能的測試，從而了解到材料的外觀和性能的變化。

氙燈老化:氙弧燈光源是近代發展最快的一種人工加速老化試驗設備，氙弧燈光源的光能量分布與太陽的光能量分布十分相近，特別是紫外(290nm ～400nm)部分的光能量。氙弧燈是利用超高壓氙氣放電制造成的高效率光源，可分為長弧燈和短弧燈，按冷卻方式可分為水冷式與風冷式。

3 對比

3.1 自然大氣暴曬試驗［1］

戶外大氣暴曬試驗是將高分子材料的試樣或制品暴露于自然大氣環境中，使得實驗樣品或者制品受到各種大氣因素的綜合作用，通過周期性的外觀檢查和一些物理機械性能的測試，從而了解到材料的外觀和性能變化，據此，可評價材料的耐氣候老化性能。由于各種制品的使用環境不同，選擇試驗場要求試驗環境既嚴酷而又有代表性。可參考我國的主要氣候類型(見表1)。

表1 我國的主要氣候類型［1］Table 1 The main climate types in China

除了自然環境因素外，自然大氣暴曬試驗場地點建設也要有嚴格的規定。比如:要求暴曬場四周空曠、無高大的建筑物或障礙物。場地平坦，并保持當地的自然植被狀態，不積水，草高不超過30cm。場地附近應無工廠、煙囪、通風口或者其他散發大量腐蝕性氣體的裝置，最好遠離城市。

沿海地區的暴曬場應設在離海邊3km ～4km 的地方。海邊小氣候試驗場則應設在離海邊不超過100m 的地方。因為那里的大氣成分較為特殊，含鹽等雜質多，濕度大。

通常自然暴露試驗中應注意:(1)暴露架和使用暴露的要求:堅實、防腐、耐用，對試樣沒有不良影響，雨水能自動流走。(2)試驗樣品的制備和投放:按樣品的測試要求投放樣品，樣品之間互不影響，暴露面最低點離地面高0.8m。(3)試驗周期和老化終止:選擇老化的終止指標應能反應老化本質又易于測定的物理量。一般塑料、橡膠選用指標下降50%或1/3 為終止，油漆涂層定某一等級為終止。表2 列出了一些高分子材料的老化試驗標準。

表2 一些高分子材料的老化試驗標準Table 2 Some polymer materials aging test standards

戶外大氣老化試驗的優點:數據準確可靠，能真實反映材料實際老化狀態與程度，設備簡單。戶外大氣老化試驗的缺點:試驗周期長，難以快速滿足研究、生產、應用的要求，受時間和地域的制約，重現性差。

3.2 氙弧燈暴露加速老化試驗［2］

氙弧燈老化是近代發展最快的一種人工加速老化試驗設備，世界上很多國家的研究普遍認為氙燈是目前模擬太陽光譜最接近的一種光源。其利用超高壓氙氣放電制造成的高效率光源，可分為長弧燈和短弧燈，按冷卻方式可分為水冷式與風冷式。圖1 是氙弧燈光源與太陽光的光譜對比圖。

圖1 氙燈與太陽光的光譜圖對比Fig.1 Comparison of spectral graph for xenon lamp and sunlight

試驗設備的結構包含:樣品室、光源系統、調溫調濕系統、人工降雨系統、輔助控制系統、定時開關、記錄儀。試驗條件的控制包括:(1)黑板溫度:可調，一般為65℃±3℃;(2)箱內濕度:可調，一般為40% ～60% (RH);(3)噴水周期:可選擇102min/18min(不噴淋/噴淋)。表3 列出了不同材料的一些氙燈光源暴露試驗標準。

表3 一些高分子材料氙燈光源暴露試驗標準Table 3 Some polymer materials xenon lamp exposure test standards

4 自然氣候試驗和氙燈老化試驗的發展狀況

4.1 自然氣候試驗［3］

早幾十年前，國外對自然氣候試驗已相當重視，視為不可缺少的基礎性工作，是鑒定材料性能最可靠的方法。

美國1931年就在佛羅里達州東南部的邁阿密布建立了天然氣候場，該地處于北緯25°，在北回歸線以北。是美國濕熱帶氣候區的標準暴露場。該暴露場由原先單純的油漆試驗，擴展到目前對油漆和工程材料的各個領域的試驗項目。現有500 多家主顧，包括美國、加拿大、南美諸國、英國等17個公司和整個西歐的有關廠家往該暴露場送試樣，受試樣品達20 多萬件。

自然氣候試驗受區域性氣候的影響。國際上把這種氣候分為五大類:濕熱、干熱、中溫、溫和及寒冷。日本將自然氣候試驗分為耐候性試驗和耐光性試驗。后者包括日光試驗和晝光試驗。耐候試驗是考察材料特性在太陽輻射、雨水、風、溫濕度、大氣污染等因素作用下如何變化的試驗方法。耐光性試驗時研究材料受太陽輻射和溫濕度影響，以褪色為主要研究指標的試驗方法。其中日光試驗時把樣品整年每天24 小時設在大氣環境中。晝光試驗則在4月1日到10月1日的晴天每天上午9 時至下午4 時放在戶外大氣環境中，其他時間搬進室內。

4.2 氙燈老化試驗［3］

國外在進行天然氣候試驗的同時，開展了大量的人工氣候對比試驗。這些氣候試驗都是模擬自然氣候的加速試驗。

早在1934年，美國首先出現了氣候老化箱。經過不斷改進，1960年被批準為專利，并投入實際應用。英國于1953年也試制了一種材料耐光試驗箱。蘇聯在1962年報導了太陽輻射試驗箱。

但是國外早期的人工氣候試驗箱所用的光源很多，主要有高壓汞燈、紫外線碳弧燈、陽光碳弧燈、氙燈和熒光紫外燈。對于它們的評價，眾說不一，高壓汞燈雖有強烈的紫外線，但是光譜不連續，與太陽光差距大，現在趨于淘汰。

紫外線碳弧燈，可以用美國ATLAS 的氣候箱為代表，是一種兩用的人工氣候老化箱。裝上人工降雨系統就是耐候試驗箱，拆掉人工降雨裝置就是耐光試驗箱。目前主要是日本企業在使用這種氣候箱。陽光碳弧燈的紫外線范圍278nm ～400nm，可見光區域大，紅外區小，具有和太陽光比較一致的能量，放電的色調比紫外線燈接近白色，但是價格昂貴。

氙燈1958年在西德出現后就引人注目，從紫外可見光部分的能譜與太陽光非常接近。目前被認為是模擬太陽光最好的光源。1961年，國際標準化組織曾推薦氙燈為材料的耐候和耐光試驗光源。

5 氙燈老化和自然氣候換算關系［4］

早在幾十年前，國內外已在探討自然氣候試驗和人工氣候老化試驗的換算關系。但是由于自然氣候變化多端，人工氣候箱無法完全模擬，因此國內外到目前為止還沒有標準描述其換算關系。

通過長期的自然氣候暴曬和氙燈人工加速研究表明:評價高分子材料的顏色變化和力學性能，人工加速老化與自然大氣暴露有較好的相關性，加速倍率約為7。如果想了解某一高分子材料戶外使用一年后的顏色變化，采用相同的試驗條件，可以參考該加速倍率，確定加速老化時間為365 ×24/7 =1251h。但是，從邏輯上談論人工加速老化時間和戶外曝曬長度之間的換算因子是沒有意義的。原因在于一個是相當恒定的環境，而另一個則是千變萬化的。找尋兩者之間的換算因子超出了變化的范圍。換句話說，天氣數據是相對性的數據。不過，你還是可以從人工加速老化試驗得到極佳的老化測試數據。但你必須認識該數據是相對數據，而不是絕對數據，因為人工光源的加速老化試驗有如下局限性:

a. 人工光源的光波分布與實際的地面日光分布不完全一致，試驗裝置中創造的氣候條件與實際大氣的氣候條件有較大差異。

b. 人工光源的加速老化試驗無法模擬出大氣的工業污染和其它許多因素對塑料的損害，因而也無法模擬出這些多種因素聯合作用時的協同效應。

c. 人工加速老化試驗在比大氣自然老化較高的溫度下進行，常常會引起塑料產生與大氣自然老化時不完全相同的變化過程。

以上幾點局限性使人工加速老化試驗的結果很難與大氣自然老化結果取得對應的準確可靠的換算關系，人們很難回答在人工老化試驗中試樣暴露單位時間會相當于實際的大氣自然老化中暴露多長時間，也很難找到不同加速老化試驗方法所取得結果之間的準確換算關系。

6 結語

氙燈光源光譜能量分布與太陽光中紫外、可見光部分極其相似，因此，廣泛運用于評價材料老化性能、耐候性的需求，從而得到快速成長，已經從作為自然老化的重要補充到逐漸在許多行業替代自然老化試驗作為產成品的檢驗手段。如何選擇試驗條件、光源、試驗時間、性能評價指標等是以后人工模擬加速老化試驗中必須認真研究的問題。

［1］GB/T 3681－2000 塑料大氣暴露試驗方法.

［2］GB/T 16422.2－1999 塑料實驗室光源暴露試驗方法 第2 部分:氙弧燈.

［3］魏銘炎. 國外塑料光老化機理研究及試驗概況［J］. 絕緣材料，1978(01):62－63.

［4］人工加速老化試驗最關心的四個問題［EB/OL］.(2012－ 05－ 03)［2014－ 05－ 09］.http:∥www.chem17.com/st218739/Article_383773.html.