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UVA-340 | 戶外暴曬和紫外老化的對比

發布于:2021-07-12T15:07:06 閱讀次數:134

摘要

UVA-340燈管很好地模擬了360nm以下波長的太陽光,因為UVA-340燈管可模擬破壞大多數聚合物的光譜區的太陽光,所以至少在理論上可以期望它能夠獲得與戶外曝曬結果有合理關聯的結果。

因此,將不同聚合物材料樣品在佛羅里達、亞利桑那和俄亥俄州進行了2年戶外曝曬。將相同樣品在實驗室加速老化試驗箱內用兩種輻照度和兩種濕度循環進行試驗,然后對比人工加速老化和自然曝曬樣品,除了出現霉菌外,材料在有濕度循環的實驗室加速老化與戶外老化的降解模式類似,在測試的15種材料中,有9種材料在人工老化試驗箱中的降解速度因輻照度增加而加快。另外研究還確認加速因子與材料自身特性關聯很大。

關鍵詞

UVA-340,紫外老化,加速老化,人工老化,ASTM G53,ASTM G7,耐候性測試

簡介

實驗室加速老化和自然老化測試結果之間的相關性長期以來一直是辯論和爭議的焦點。通常情況下,行業用戶都希望更快地得到加速老化測試結果,但也希望在實驗室模擬和真實戶外曝曬結果之間有很好的相關性。不幸的是,這兩個目標似乎是截然相反的。這是因為加速老化結果的三種主要方法(即溫度比正常曝曬溫度更高、光譜波長比自然光更短及輻照度比正常輻照度更高)都會降低這種相關性,因此爭論尚未達成一致。

但業內似乎達成了某種程度的共識,如果人工加速老化設備使用的光源能真實模擬測試材料敏感光譜區太陽光光譜能量的分布,則人工老化通常會給出與戶外曝曬更接近的結果。過濾后的氙燈能夠很好地模擬太陽光光譜的大部分波段,特別是可見光和波長較長的紫外線。UVA-340熒光紫外燈管能夠很好地模擬光譜中的短波紫外線(<365nm)部分。

如圖1所示,UVA-340燈管很好地模擬了360nm以下波長的太陽光,因為UVA-340燈管可模擬破壞大多數聚合物的光譜區的太陽光,所以至少在理論上可以期望它能夠獲得與戶外曝曬結果有合理關聯的結果。為了驗證該理論而制定了老化曝曬程序,能夠使用UVA-340燈管對戶外老化和實驗室人工老化之間的測試結果進行對比。

 UVA-340燈與太陽光的對比      15種塑料和涂料

試驗

將15種不同塑料和涂料在三個不同場所進行戶外老化、在熒光紫外和冷凝裝置中進行實驗室加速老化。采用3種不同的加速老化循環,測量和記錄戶外自然老化和人工加速老化出現的光澤和顏色變化。

戶外老化

眾所周知,引起產品降解的因素通常被稱作“老化”,這些因素在世界各地存在很大不同。為了表征本研究中的“戶外老化”,特選擇3處不同的戶外場所:分別是亞熱帶氣候、沙漠氣候和北部工業地區氣候。

選擇佛羅里達州邁阿密作為亞熱帶氣候老化測試場所是因為這里的太陽光輻照強度高、年紫外線輻照強度高、全年溫度高、年降雨量大和濕度高。因為佛羅里達州的這些氣候條件經常被看作類似于“最差情況”,因此該州經常被用作戶外老化測試的標桿場所。

選擇亞利桑那州鳳凰城作為沙漠氣候老化測試場所也是因為這里因年紫外線輻照強度高和全年溫度高而被看作標桿場所。

選擇俄亥俄州克里夫蘭市作為北部工業地區老化測試場所是因為這里位于美國北部工業地區,具有典型的混合工業生產制造環境。所有戶外老化都根據ASTM G7-非金屬材料環境曝曬試驗標準規范進行。測試試樣被安裝在一個1.6mm(0.25英寸)的曝曬支架上,樣品與水平成45°角,朝南。選擇45° 角和朝南是因為這通常被看作是典型的曝曬角度,是許多行業選擇的測試角度。對于那些在實際使用中沒有特定傾斜角度的材料,45°角是最常用的。

試驗材料

本次試驗材料與上次研究中使用的材料相同,上次研究是為了量化高輻照度對各種常用塑料和涂料降解速度的影響。這些材料多數都是市售產品,它們可能代表也可能不代表各自通用類型。

加速老化

所有實驗室人工曝曬都在能夠調節和閉環反饋回路控制紫外線光強的QUV/se紫外老化試驗箱設備中進行。符合標準ASTM G53-非金屬材料暴露用光和水試驗設備(熒光紫外-冷凝型)標準操作規范的要求。使用光譜峰值為343nm的UVA-340燈管,其截止點是295nm。選擇單一曝曬溫度(50°C),避免任何可能的溫度影響干擾。實驗室老化曝曬條件如下:

循環1:UVA-340燈管在340nm處的輻照度是0.83W/m2。4h紫外光照和4h冷凝交替進行,紫外光照和冷凝循環的溫度都是50°C。

該循環中設定的紫外輻照度與沒有輻照度控制的試驗設備相同,與夏天正午太陽光在340nm處的輻照度大體相同。

循環2:UVA-340燈管在340nm處的輻照度是1.35W/m2。4h紫外光照和4h冷凝交替進行,紫外光照和冷凝循環的溫度都是50°C。 除了增加輻照度用于測定能否加快測試而不影響相關性外,其它都與循環1相同。

循環3:UVA-340燈管在340nm處的輻照度是1.35W/m2。只進行紫外光照(100%紫外光照、無潮濕、無黑暗循環),曝曬溫度為50°C。

降解評估:根據標準ASTM D2244和標準D0523測量試樣顏色和光澤。這兩個標準分別是用儀器測定顏色坐標法計算顏色容差和色差的標準規范和鏡面光澤測試方法。戶外曝曬試樣分別在曝曬12個月和24個月時進行評估。根據試驗材料和降解變化速度的不同,按不同時間間隔對G53設備中曝曬的試樣進行測試。

曝曬數據

PVC薄膜:這種材料是一種透明的不穩定薄膜,將其用壓敏粘合劑粘到白色涂漆鋁板上。

PVC薄膜自然老化結果(圖2):這種材料在俄亥俄州和佛羅里達州曝曬2年后變化很小。在亞利桑那州,這種材料老化1年后略微發黃,2年后變為棕色。在亞利桑那州,第一年黃變速度較慢,第二年黃變速度加快。

PVC薄膜自然老化、實驗室老化結果

人工加速老化結果(圖3):無論輻照度高低,在4h紫外光照/4h冷凝循環的QUV紫外光加速老化試驗箱中老化2000h后,該材料變化很小。在輻照度為1.35W/m2的連續紫外光照的G53設備中老化時,該材料在1000h后開始變黃,2000h后變為棕色。

對比:只進行紫外光照循環的QUV紫外老化試驗箱與亞利桑那州的曝曬情況很吻合。測試時在很長一段時間內都未觀察到有任何變化,但隨后都出現材料迅速變黃的情況。很明顯,這種材料需要一定量的紫外線來激發變黃過程。一旦達到紫外線能量,變黃過程會很迅速。該點出現的時間大約是在加速老化1200h后。在亞利桑那州曝曬老化時,該點出現的時間大約是在老化1年后。在佛羅里達和俄亥俄州曝曬時以及進行4h紫外光照/4h冷凝循環老化時,未出現變黃現象。這可能是由于材料尚未受到激發變黃過程所需的足夠量的紫外線照射。

藍色乙烯基聚合物薄膜:這種材料是一種非透明的藍色有光澤薄膜,將其用壓敏粘合劑粘到鋁板上。

自然老化結果(圖4):這種材料的光澤在戶外三個不同場所曝曬2年后都變得近乎暗淡。盡管三處場所的光澤下降相同,但樣品外觀仍存在差別。其中俄亥俄州樣品變黑,亞利桑那州樣品變黃,而佛羅里達州樣品除了光澤下降外無其它變化。

藍色乙烯基聚合物薄膜自然老化、實驗室老化結果

人工加速老化結果(圖5):這種材料的光澤在QUV紫外老化試驗箱的每種循環老化曝曬2000h后都從75下降至55。只進行紫外光照循環的樣品稍微變黃。

對比:QUV紫外老化試驗箱中曝曬2000h后產生與戶外老化6個月相同的光澤下降。這是該研究中測試的15種材料中加速速度最慢的。亞利桑那州發現的變黃現象也出現在了實驗室測試中(只進行紫外光照循環時),但同樣是以相對較慢的加速速度。

聚苯乙烯平板:這種材料料是厚度為2.8mm的透明塑料板。通常被用作監測加速老化試驗機中紫外線輻照量的參比材料。

自然老化結果(圖6):所有三種戶外曝曬中都出現材料迅速和嚴重變黃的現象。所有三處場所的變黃速度和程度都幾乎相同。

聚苯乙烯平板自然老化、實驗室老化結果

人工加速老化結果(圖7):該材料在每種循環的實驗室人工老化時都出現迅速和嚴重變黃的現象。只進行高輻照度紫外光照循環老化的發黃速度是最快的,其次是經過4h高輻照度紫外光照/4h冷凝循環老化,然后是4h普通紫外光照/4h冷凝循環老化。只進行高輻照度紫外光照循環也產生最嚴重的變黃現象。

對比:包含冷凝程序的循環與所有三個戶外曝曬老化的結果都很吻合。老化2000h后的變黃程度與戶外老化2年的結果大致相同。只進行紫外光照的循環比戶外曝曬產生更極端的黃變。

綠色乙烯基聚合物薄膜:這種材料是一種非透明的綠色薄膜,將其用壓敏粘合劑粘到鋁板上。

自然老化結果(圖8):這種材料在三個戶外老化場所曝曬2年后都變為綠松石顏色。這種顏色變化是向藍色方向的變化,或是b*的負增量。老化1年時很少出現,但老化2年時則變得非常明顯。因此變化主要出現在第一年和第二年之間。除了亞利桑那州和俄亥俄州樣品由于某種未知原因還出現發黑外,三處場所老化時出現的變化都幾乎相同。薄膜邊緣還出現卷曲并從鋁板上翹起。

綠色乙烯基聚合物薄膜自然老化、實驗室老化結果

人工加速老化結果(圖9):材料經過有冷凝循環的老化2000h后出現輕微變藍現象。但在只進行紫外光照的循環未出現該現象。

對比:包含冷凝程序的循環老化2000h時出現與戶外老化1年相同的顏色變化。加速老化速度在所研究15種材料中排倒數第二。但這種材料在紫外加速設備中并未出現與戶外老化類似的薄膜邊緣從鋁板翹離的現象。猜測可能是由于樣品邊緣被樣品架遮蓋所致。為了模擬這種現象,應該將薄膜邊緣曝曬在樣品架的曝曬區域。

環氧樹脂:這種材料是一種涂在鋼材基底上的有光澤、灰色卷材涂裝底漆。

自然老化結果(圖10):所有三種戶外曝曬老化都出現光澤下降和粉化非常迅速的現象。老化1年后檢測到無光澤。三個試驗場所的樣品還出現生銹現象。佛羅里達州樣品都蓋滿了銹跡,而亞利桑那州和俄亥俄州樣品則部分生銹。

 環氧樹脂自然老化、實驗室加速紫外老化測試結果

人工加速老化結果(圖11):材料在三個加速老化循環中都出現光澤迅速下降的現象。與正常輻照度循環老化相比,高輻照度循環會使光澤完全損失的時間縮短一半。包含冷凝程序的循環會產生粉化,但只進行紫外光照的循環則不會發生粉化。

對比:包含冷凝程序的循環,樣品的光澤下降和粉化現象與戶外曝曬結果很吻合。但實驗室老化并不會產生戶外老化出現的生銹現象。紫外加速老化設備使用的是純冷凝水,因此可能需要腐蝕性更強的液體進行耐腐蝕試驗??赏ㄟ^采用循環腐蝕/老化程序來實現。

聚氨酯涂料:該材料是一種涂在鋼材基底上的有光澤、灰色卷材涂裝底漆。

自然老化結果(圖12):這種材料在所有三處戶外老化時都出現光澤下降的現象。其中佛羅里達州和亞利桑那州樣品出現的光澤下降速度最快。曝曬2年后,三處老化現場的試驗板光澤都完全消失。所有3處老化現場的樣品都出現某些粉化現象。另外佛羅里達州的試驗板有20%的表面出現生銹,而俄亥俄州樣品則出現若干銹斑,亞利桑那州樣品則無生銹。

 聚氨酯涂料自然老化、實驗室加速紫外老化測試結果

人工加速老化結果(圖13):包含冷凝程序的循環都出現光澤下降和粉化非常迅速的現象。只進行紫外光照的循環樣品也會出現光澤下降,但速度要慢得多,而且未出現粉化。

對比:包含冷凝程序的循環光澤下降和粉化現象與戶外曝曬結果非常吻合。但紫外加速老化設備中的樣品未出現佛羅里達州樣品出現的生銹現象。

汽車涂料:這種材料是一種成分不明的汽車外用面漆,其為藍色,光澤度高,噴涂在鋁板上。

自然老化結果(圖14):這種材料在三處戶外老化曝曬場都未出現外觀變化,光澤下降都最小。

 汽車涂料自然老化,實驗室加速老化測試結果

人工加速老化結果(圖15):這種材料在三種實驗室加速老化循環中都未出現外觀變化。光澤檢測表明有幾個百分比的輕微光澤下降。

對比:因為實驗室老化和戶外老化都未出現明顯變化,無法進行有效的對比。

聚酯涂料:這是一種有中度光澤、棕褐色、噴涂鋁材上的卷材涂料。

自然老化結果(圖16):這種材料在所有三處戶外曝曬時都出現光澤下降的現象。亞利桑那州樣品的光澤下降速度最快,其次是佛羅里達州,然后是俄亥俄州。亞利桑那州和佛羅里達州樣品在曝曬2年時的光澤下降明顯,盡管俄亥俄州只出現微小下降。

聚酯涂料自然老化、實驗室加速紫外老化測試結果

人工加速老化結果(圖17):這種材料在所有三種實驗室加速老化循環中都出現光澤下降的現象。所有三種循環的光澤下降都很明顯,但高輻照度紫外光照4h/冷凝4h循環中出現的光澤下降最快并且最嚴重。

對比:紫外加速老化與佛羅里達州和亞利桑那州曝曬結果非常吻合。其老化2000h的樣品外觀與佛羅里達州和亞利桑那州樣品老化2年的外觀類似。實驗室老化結果也與俄亥俄州曝曬結果結果吻合,但人工老化速度更快,因為俄亥俄州樣品的光澤下降速度更慢。

丙烯酸塑料片材:這是一種厚度為3.2mm的已商用透明片材。

自然老化結果(圖18):這種材料在所有三處戶外曝曬場都未出現外觀變化。Delta b*檢測顯示材料出現非常少量的發黃。

丙烯酸塑料片材自然老化,實驗室紫外加速老化測試結果

人工加速老化結果(圖19):這種材料在三種加速老化循環中都未出現外觀變化。Delta b*檢測顯示材料出現非常少量的發黃。

對比:實驗室加速老化與戶外曝曬結果吻合,UVA-340燈管未產生與自然曝曬不一致的發黃現象。

聚碳酸酯片材:這是一種厚度為3.2mm的已商用透明片材。

自然老化結果(圖20):這種材料在所有戶外曝曬時都出現發黃現象。其中佛羅里達州和亞利桑那州樣品的發黃速度比俄亥俄州樣品更快,但曝曬2年后,俄亥俄州樣品的發黃程度趕上了佛羅里達州和亞利桑那州樣品。

聚碳酸酯片材自然老化,實驗室紫外老化加速測試結果

人工加速老化結果(圖21):這種材料在所有實驗室加速老化時都出現發黃現象。但三種測試循環之間的黃變速度差別非常大。只進行高輻照度紫外光照的循環黃變速度是最快的,其次是4h高輻照度紫外光照/4h冷凝循環,然后是4h普通輻照度紫外光照/4h冷凝循環。只進行高輻照度紫外光照的循環也產生最嚴重的黃變現象。

對比:包含冷凝循環的實驗室加速試驗與所有三處戶外曝曬結果都很吻合。實驗室老化2000h后的黃變程度與戶外曝曬2年的結果大致相同。只進行紫外光照的循環比戶外曝曬產生更極端的黃變。

聚乙烯片材:這是一種厚度為3.2mm的已商用超高分子量白色片材。

自然老化結果(圖22):這種材料在三處戶外曝曬場都未出現外觀變化,Delta b*檢測表明這種材料出現非常少量地發黃。

聚乙烯片材自然老化,實驗室紫外老化加速測試結果

人工加速老化結果(圖23):這種材料在三種實驗室加速老化循環中都未出現外觀變化。Delta b*檢測表明材料顏色向藍色方向發生非常少量的變化。

對比:實驗室加速老化與戶外曝曬結果相當吻合。盡管顏色檢測儀器的結果有些偏差,但對人眼而言,實驗室加速老化和戶外曝曬結果沒有什么差別。

ABS片材:這是一種厚度為3.2mm的已商用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯白色不透明片材。

自然老化結果(圖24):這種材料在所有戶外曝曬時都出現發黃現象。亞利桑那州樣品的黃變速度要比佛羅里達州和俄亥俄州樣品黃變速度稍微快些。而且亞利桑那州樣品曝曬2年后的黃變程度要大些。

ABS片材自然老化,實驗室紫外加速老化測試結果

人工加速老化結果(圖25):這種材料在所有實驗室加速老化循環中都出現發黃現象。只進行紫外光照的循環材料產生最快和最嚴重的黃變現象。

對比:包含冷凝循環的實驗室加速老化試驗與三處戶外曝曬的結果都很吻合。實驗室加速老化2000h時的黃變程度與戶外曝曬2年的結果大致相同。只進行紫外光照的循環比戶外曝曬產生更極端的黃變。

CAB片材:這種乙酸丁酸纖維素是一種厚度為3.2mm的已商用透明片材。

自然老化結果(圖26):這種材料在所有戶外曝曬時都發生明顯發黃現象。其中佛羅里達州和亞利桑那州樣品的發黃速度比俄亥俄州樣品更快。但曝曬2年后,俄亥俄州樣品的黃變程度與佛羅里達州和亞利桑那州樣品大致相同。

CAB片材自然老化,實驗室紫外加速老化測試結果

人工加速老化結果(圖27):這種材料在每種UVA-340曝曬循環時都出現明顯發黃現象。但只進行紫外光照的循環黃變速度要快得多,還產生最嚴重的黃變。

對比:UVA-340曝曬試驗與三處戶外曝曬的結果非常吻合。所有曝曬老化的黃變程度都沒有明顯差別。

聚丙烯片材:這種材料是一種厚度為4.7mm的已商用白色片材。

自然老化結果(圖28):這種材料在戶外曝曬1年時都出現明顯發黃現象。亞利桑那州樣品發黃程度是佛羅里達州和俄亥俄州樣品的2倍。但板材在曝曬2年后看起來有點差別。俄亥俄州樣品會繼續發黃,佛羅里達州樣品出現發霉并變得非常黑,亞利桑那州樣品曝曬2年時比曝曬1年時的黃變程度弱得多。在所有3處曝曬場,材料都降解到表面能被手指輕易劃破的程度,其中亞利桑那州樣品出現最嚴重的降解。

聚丙烯片材自然老化,實驗室紫外加速老化測試結果

人工加速老化結果(圖29):所有3種實驗室加速老化中的材料都開始變黃。只進行紫外光照的循環材料在2000h的整個加速老化過程中都一直在變黃。在進行冷凝程序的2個循環中,加速老化約700h后,材料開始變得黃色更淺,在2000h加速老化的剩余時間內會持續這樣。材料也都降解到表面能被手指輕易劃破的程度,這種情況出現在所有三種循環中,但高強度輻照循環老化更是如此。

對比:包含冷凝循環的加速老化與戶外曝曬結果很吻合,除了佛羅里達州樣品出現霉菌以外。在紫外加速老化設備中材料外觀與所有戶外曝曬樣品相同。包含冷凝循環的加速老化樣品也會變黃,然后會反向變化,黃色變得更淺,正如亞利桑那州出現的那樣。

尼龍片材:這種材料是一種厚度為4.7mm的已商用、6/6型未染色片材(淺棕色)。

自然老化結果(圖30):這種材料初始顏色為淺棕色,在亞利桑那州和俄亥俄州曝曬后顏色變亮或黃色變淡。佛羅里達州試樣一開始變黃,但后來開始發霉,顏色變黑。曝曬兩年后,所有三處場所的材料也會降解到表面能被手指輕易劃破的程度。

尼龍片材自然老化,實驗室紫外加速老化測試結果

人工加速老化結果(圖31):進行2個冷凝循環的加速老化,材料變得更亮(黃色變淺)。材料降解到表面能被手指輕易劃破的程度。相反地,只進行紫外光照循環的加速老化,材料變得更黃,表面未變得容易被手指劃破那種降解情況。

對比:包含冷凝循環的加速老化與戶外曝曬結果很吻合,除了佛羅里達州樣品出現霉菌以外。實驗室加速老化樣品顏色變得更淡,材料表面降解程度與戶外曝曬產品相同。但只進行紫外光照循環的加速老化結果與任一戶外曝曬結果都不太吻合。這表明濕度是影響這種材料的關鍵參數,在模擬自然老化的人工加速老化時必須要考慮在內。

結論

對比:使用UVA-340燈管的紫外加速老化設備QUV 對所有15種材料可產生與戶外曝曬相吻合的降解結果。唯一不同的是實驗室加速老化無法再現戶外曝曬出現的發霉和生銹現象。

但為了實現這兩種老化測試的一致性,曝曬循環必須要將冷凝程序包括在內。如果冷凝循環未包括在內,這15種材料中有5種材料的實驗室加速老化降解模式與戶外老化降解模式不同。另外,其它3種材料出現非常嚴重的降解。因此如果不進行冷凝循環,這15種材料中只有7種材料的老化結果與戶外曝曬能較好地吻合。當測試循環包括冷凝程序時,所有15種材料的實驗室加速老化結果都與戶外曝曬結果能夠很好地吻合。UVA-340燈管不會產生熒光UV-B燈管曝曬時出現的任何與自然老化不一致的黃變。

加速:該研究證實加速因子與材料自身緊密相關。作為一種非常粗略的計算方法,1000h的實驗室加速老化降解程度約相當于1年的戶外曝曬降解程度(9:1加速老化)。然而范圍可為2:1至35:1。很明顯沒有一個唯一的加速因子適用于該數據。

高輻照度會加速某些材料的測試結果。測試的15種材料中有9種材料的高輻照度曝曬比“普通”輻照度曝曬產生更快的測試結果。任何情況下高輻照度都不會影響實驗室老化和戶外老化的相關性。毫無疑問并非所有材料都如此,但對于該研究中的15種材料的確是這樣。 證明只進行紫外光照循環是一種不好的加速老化方法。盡管實際上紫外輻照量是濕度老化循環測試的2倍。15種材料中只有5種材料在只進行紫外光照的循環中產生更快的降解結果。奇怪的是:15種材料中有3種降解速度更慢。因此建議幾乎所有材料的紫外加速老化都要進行冷凝循環似乎是合理的。

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