自然老化和人工光源老化的相关性研究
来源: / 作者: 时间: 2017-12-20 15:24环境可靠性测试能够有效的预测和模拟产品的在实际使用环境可能出现的问题，同时作为检验产品设计寿命和筛选对比优劣产品的一种加速手段，现在越来越受到生产企业的重视。环境可靠性测试也可以提前暴露产品在实际使用过程中可能出现的问题和从而使得企业有效的规避风险、降低损失。
正是基于实验室加速老化的种种便捷性，企业生产都希望更快地得到加速老化的测试结果，但也希望人工加速老化的模拟结果和自然老化结果之间有很好的相关性，然而由于自然环境条件的复杂性和人工加速老化设备的局限性使得两者之间的相关性一直备受争议。
本文将通过自然老化和荧光紫外（UV-340）爆嗮的对比，对两者老化效果的相关性进行说明。
通常认为加速老化设备中的人工光源如果能够真实的模拟测试材料敏感光谱波段太阳光光谱能量的分布，则人工光源加速老化的结果与户外暴晒的老化结果更接近。研究表明氙灯能够很好的模拟太阳光光谱的大部分波段，特别是可见光和波长较长的紫外线；UVA-340荧光紫外灯能够很好的模拟太阳光谱中的短波紫外线部分（<365nm）。大多数聚合物光照破坏光谱段为365nm一下，所以我们采用UV-340灯管进行试验。
本试验将3种不同的塑料分别置于户外、纯荧光紫外光照试验箱、带有冷凝的荧光紫外试验箱中进行加速老化试验。
户外老化条件：
①佛罗里达州迈阿密地区：亚热带气候，太阳光照强、紫外辐照度高、全年高温、年降雨量大、湿度高；
②亚利桑那州地区：沙漠气候，紫外辐照度高、全年高温。
实验室加速老化条件：
①UVA-340灯管辐照度0.83W/m2@340nm（与夏天正午太阳光340nm波长的辐照度大体相近），4h紫外光照和4h冷凝交替进行，黑板温度50℃；
②UVA-340灯管辐照度1.35W/m2@340nm， 4h紫外光照和4h冷凝交替进行，黑板温度50℃；
②UVA-340灯管辐照度1.35W/m2@340nm， 只进行连续紫外光照，无冷凝潮湿、无黑暗循环，黑板温度50℃；
试验材料：
①聚氯乙烯（PVC）薄膜，透明，0.2mm厚；
②聚苯乙烯（PS）片材，透明，2.8mm厚；
③聚丙烯（PP）片材,固有颜色，4.7mm厚；
结果评价：评价不同试验条件下试样色差的变化情况。
试验结果
1
聚氯乙烯（PVC）薄膜
自然老化结果：该材料在佛罗里达州迈阿密地区曝晒2年后色差和光泽度变化很小，在亚利桑那州地区曝晒1年后轻微发黄且黄变速度较慢，2年后变为棕色同时黄变速度加快。
人工加速老化结果：无论无照度高低，在4h紫外光照和4h冷凝交替循环的试样箱中老化2000h后，改材料变化很小。在辐照度1.35W/m2的连续光照老化条件下，1000h后出现黄变，2000h后变为棕色。
结果对比：只进行紫外光照循环与亚利桑那州的曝晒情况很吻合。测试时在很长一段时间内都未观察到有任何变化，但随后都出现材料迅速变黄的情况。说明，这种材料需要一定量的紫外线来激发变黄过程，当达到紫外线能量时，变黄过程会很迅速。该点出现的时间大约是在加速老化1200h 后。在亚利桑那州曝晒老化时，该点出现的时间大约是在老化1年后。在佛罗里达曝晒及进行4h紫外光照/4h冷凝循环老化时，未出现变黄现象，可能是由于材料尚未受到激发变黄过程所需的足够量的紫外线照射。
2
聚苯乙烯（PS）片材
自然老化结果：在佛罗里达州迈阿密地区和亚利桑那州地区户外曝晒的试样都出现迅速和严重变黄的现象。两处场所的变黄速度和程度都几乎相同。
人工加速老化结果：该材料在三种循环的人工老化条件下都出现迅速和严重变黄的现象。只进行高辐照度紫外光照循环老化的发黄速度快且黄变为严重，其次经过4h高辐照度紫外光照/4h冷凝循环老化，后是4h普通紫外光照/4h冷凝循环老化。
结果对比：包含冷凝程序的循环与所有三个户外曝晒老化的结果都很吻合。老化2000h后的变黄程度与户外老化2年的结果大致相同。只进行紫外光照的循环比户外曝晒产生更极端的黄变，与户外老化差异较大。
3
聚丙烯（PP）片材
自然老化结果：该试样材料在户外曝晒1年时都出现明显发黄现象。亚利桑那州样品发黄程度是佛罗里达州地区的2倍。板材在曝晒2年后佛罗里达州样品出现发霉并变得非常黑，亚利桑那州样品曝晒2年时比曝晒1年时的黄变程度弱得多。曝晒2年后在2处曝晒场，材料都降解到表面能被手指轻易划破的程度，其中亚利桑那州样品出现严重的降解。
人工加速老化结果：在实验室加速老化的三种循环模式的材料都先出现黄变。纯紫外光照循环的试样在2000h的整个加速老化过程中一直在变黄。进行冷凝程序的2个循环模式中，700h加速老化，材料表面的黄色变浅，直到2000h加速老化试验结束，样品一直处于黄色减弱的状态。材料也都降解到表面能被手指轻易划破的程度，但高强度辐照循环老化材料老化为严重。
结果对比：除了佛罗里达州样品出现霉菌以外，冷凝循环的加速老化与户外曝晒结果很吻合。亚利桑那州曝晒场和包含冷凝循环的加速老化试验箱中的样品变化情况相似，均为先变黄，然后会出现黄色减弱现象，试验时间越长黄色变得越浅。但纯紫外光照循环的加速老化结果与任一户外曝晒结果都不太吻合，这表明湿度是影响这种材料的关键参数，在模拟自然老化的人工加速老化时必须要考虑在内。
通过对比可以发现
①三种材料为了更好的实现人工加速老化和自然老化的一致性，人工加速曝晒循环必须要将冷凝程序包括在内。当测试循环包括冷凝程序时，实验室加速老化结果都与户外曝晒结果能够很好地吻合，而纯紫外光照老化均出现材料严重降解的情况。
②同时老化加速因子与材料自身紧密相关。作为一种粗略的计算方法，一般认为1000h的实验室加速老化降解程度约相当于1年的户外曝晒降解程度（9:1加速老化）（该数据由Q-lab提供）。然而该比例范围可为2:1至35:1，很明显没有一个的加速因子适用于该数据。
③高辐照度能够加速某些材料的老化降解，使得加速老化测试产生更快的测试结果。任何情况下高辐照度都不会影响实验室老化和户外老化的相关性，毫无疑问并非所有材料都如此，但对于该研究中的3种材料的确是这样。
