紫外老化试验：模拟光老化，评估材料环境可靠性的关键手段

紫外老化试验是环境可靠性试验体系中至关重要的组成部分，专注于模拟和加速太阳光中紫外波段辐射对材料造成的老化效应。它广泛应用于评估各类高分子聚合物、涂层、纺织品、塑料、橡胶以及其它有机材料在长期户外暴露下的耐候性能，为产品的设计选材、寿命预测和质量控制提供关键数据支撑。

一、 试验原理与核心目的

  • 模拟对象： 太阳光（尤其是290nm - 400nm的紫外波段）是导致材料光老化的主要因素。紫外辐射能量高，足以引发高分子材料的化学键断裂（光降解）。
  • 加速机制：
    • 高强度辐照： 使用人造光源（主要是荧光紫外灯），其关键紫外波段（如UVA-340模拟日光紫外区）的辐照强度远超自然阳光，显著加速老化进程。
    • 可控环境： 结合温度（通常包含黑板温度/黑标温度）、冷凝或喷淋湿度循环，模拟并加剧实际户外环境中的热湿应力。
  • 核心目的：
    • 评估材料在紫外光照及温湿度应力综合作用下的耐候性、稳定性。
    • 预测材料的使用寿命（相对比较）。
    • 对比不同材料配方或工艺的优劣。
    • 快速暴露产品的设计缺陷（如变色、粉化、龟裂、脆化、失光、剥落、强度下降等）。
 

二、 核心试验设备与系统

试验在紫外老化试验箱中进行，主要系统构成：

  1. 光源系统：
    • 荧光紫外灯管： 是最常用的光源类型。
      • UVA-340： 光谱峰值约340nm，能极好地模拟太阳光从365nm到295nm截止点的光谱分布，尤其适用于模拟日光紫外区的老化效应。
      • UVB-313： 光谱峰值约313nm，包含少量低于太阳光截止点（~295nm）的短波紫外辐射，提供更强的加速老化效果，但也可能导致非自然老化的机理（适用于某些特定耐候性或QC对比）。
    • 辐照度控制与监测： 关键系统。通过闭环控制系统精确设定并维持样品表面的辐照度水平（通常以W/m² @ 某个波段表示，如340nm），确保试验条件的稳定性和重现性。辐照度传感器（如辐照计）进行实时监测。
  2. 温度控制系统：
    • 黑板温度计 (BPT) / 黑标温度计 (BST)： 测量覆盖有黑色绝缘涂层的金属板温度，模拟在阳光下吸收热量的深色样品表面温度。这是控制试验温度（加热器启停）的主要依据。
    • 试验箱空气温度： 通过加热器和传感器控制箱内空气温度。
    • 冷凝温度： 控制冷凝阶段背板或水盘温度，通常低于箱内空气温度以形成冷凝。
  3. 湿度模拟系统：
    • 冷凝： 最常用的湿度模拟方式。加热的水蒸气在温度较低的样品表面凝结成液态水膜，模拟露水效应。此过程无紫外光照。
    • 喷淋： 通过喷嘴将去离子水或软化水喷淋到样品表面，模拟雨水冲刷或热冲击效果。可在光照或黑暗阶段进行。
  4. 样品架与测试室： 样品垂直安装在样品架上，围绕光源排列，确保均匀暴露。测试室需耐腐蚀、密闭性良好。
 

三、 典型试验循环与条件设置

试验条件需根据材料预期服役环境和评估目的定制，参考相关国际/国家标准（如ISO 4892-3, ASTM G154, GB/T 16422.3等）。常见循环示例：

  • 循环A (冷凝为主)： 光照(UV) + 高温 + 冷凝(无光) + 中温。例如：
    • UV光照 @ UVA-340, 0.89 W/m² @ 340nm, 黑板温度 60°C, 持续 4 小时。
    • 冷凝 (无光), 黑板温度 50°C, 持续 4 小时。
    • 重复。 (广泛应用于涂料、塑料等)
  • 循环B (喷淋+冷凝)： 光照(UV) + 高温 + 光照(UV) + 高温 + 喷淋 + 冷凝(无光) + 中温。例如：
    • UV光照 @ UVA-340, 0.89 W/m² @ 340nm, 黑板温度 60°C, 持续 3.8 小时。
    • UV光照 @ UVA-340, 0.89 W/m² @ 340nm, 黑板温度 50°C, 同时喷淋 0.2 小时。
    • 冷凝 (无光), 黑板温度 50°C, 持续 4 小时。
    • 重复。 (引入喷淋模拟雨水冲刷和热冲击)
  • 辐照度选择： 根据标准或材料要求设定。较高辐照度加速更快，但需注意是否超出材料实际承受范围。常用范围在 0.35 - 1.55 W/m² @ 340nm。
 

四、 试验设计与样品准备

  1. 明确目的： 确定是材料筛选、质量控制、寿命预测还是失效分析。
  2. 选择标准与方法： 依据行业规范、产品标准或客户要求选择合适的测试标准（如ISO, ASTM, GB）和具体的循环条件、辐照度、测试时长。
  3. 样品选择与制备：
    • 选择能代表最终产品关键特性的样品（尺寸、厚度、颜色、加工工艺一致）。
    • 样品数量需满足统计学要求（通常3个以上平行样）。
    • 样品表面状态（如清洁度）需统一并记录。如有特殊处理（如封边），需说明。
    • 必要时预留未试验的对比样。
  4. 对照样： 使用已知性能的材料作为对照，监控试验过程的有效性。
  5. 试验时长： 根据材料预期寿命、加速因子和经验确定。常用数百到数千小时不等。通常设定多个检查间隔点。
 

五、 试验过程监控与设备维护

  • 实时监控： 持续记录辐照度、黑板温度、箱体温度、试验时间等关键参数，确保其在设定容差范围内运行。自动报警系统应对超差进行处理。
  • 定期校准： 严格按照计划对辐照度传感器、温度传感器进行校准，确保数据准确性。灯管寿命有限（通常几百到几千小时），需根据使用强度和时长定期更换，避免辐照度衰减影响结果。
  • 样品定期检查： 在预设的时间点取出样品进行非破坏性外观检查（记录颜色、光泽、表面状态变化），检查完毕后需将样品按原位置放回，避免暴露不均匀。
  • 设备维护： 定期清洁测试室、水箱、喷淋喷嘴、过滤器等，防止水垢、灰尘等影响试验条件稳定性和均匀性。
 

六、 性能评估与结果解读

试验结束后及过程中检查点，对样品进行全面的性能评估：

  1. 外观变化：
    • 颜色变化 (ΔE)： 使用色差仪精确测量，评估褪色、变黄、变暗等。
    • 光泽度变化 (%)： 使用光泽度仪测量表面反射能力的变化（失光）。
    • 表面状态评估： 目视或显微镜观察粉化、龟裂、开裂、起泡、斑点、斑点、霉变、沾污、变形等。按照标准等级图谱（如ISO灰卡）进行评级。
  2. 物理/机械性能变化：
    • 力学性能测试： 拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度、弯曲强度、硬度等，测试其保留率 (%)。
    • 其他性能： 如电性能（绝缘材料）、透光率（透明材料）、附着力（涂层）等。
  3. 化学结构分析 (可选)： 利用FTIR红外光谱、DSC差示扫描量热法等分析分子链断裂、氧化产物生成、结晶度变化等微观机理。
  4. 结果解读与报告：
    • 详细记录所有观察到的现象和测试数据。
    • 与未经老化的原始样品和/或对照样品进行对比。
    • 评估老化程度，判断是否满足特定规范或规格书的要求（合格/不合格）。
    • 尝试建立老化时间与实际服役寿命的关联（加速因子应用需谨慎）。
    • 分析主要失效模式和机理（光降解、水解、热氧老化等）。
    • 报告应清晰包含： 样品信息、依据标准、试验条件（光源类型、辐照度、循环参数、黑板温度等）、试验总时长、监控数据、详细的评估结果（文字描述、照片、数据图表）、结论和建议。
 

七、 应用范围与重要性

紫外老化试验在众多领域不可或缺：

  • 汽车工业： 内外饰件（塑料、橡胶、皮革、织物、涂层）的耐候性评估。
  • 建筑建材： 涂料、密封胶、塑料型材、屋顶材料、门窗、外墙保温材料等。
  • 涂料与油墨： 各类装饰性和保护性涂层的耐候性、保光保色性。
  • 塑料与橡胶： 各类工程塑料、通用塑料、弹性体制品。
  • 纺织品与户外装备： 服装、帐篷、遮阳篷、户外家具面料等。
  • 电线电缆： 绝缘和护套材料的耐候性。
  • 胶粘剂： 耐紫外线老化能力评估。
  • 光电产品： 太阳能电池组件背板、封装材料的老化评估（常结合其他应力）。
 

八、 优势与局限性

  • 优势：
    • 高度加速： 可在相对短时间内获得材料耐候性信息，缩短研发和认证周期。
    • 重现性与可比性： 实验室条件可控，结果在不同实验室间可比性较好（遵循相同标准时）。
    • 专注于紫外光： 能针对性研究紫外光降解效应。
    • 成本相对适中： 相对于大型综合户外曝晒或氙灯老化试验，设备购置和运行成本较低。
  • 局限性：
    • 非全光谱模拟： 无法完全模拟太阳光的全光谱（特别是可见光和红外光）及其复杂的协同效应（如红外导致的温度效应更真实）。
    • 单一应力主导： 虽然结合了温湿度，但与复杂的真实户外环境（温度剧烈波动、污染物、微生物、风蚀等）仍有差距。
    • 加速失效模式差异： 高度加速可能导致非自然的失效机制。
    • 样品尺寸限制： 通常适用于平板或小型样品，大型部件或复杂结构测试困难。
    • 相关性： 其结果与户外实际暴露结果的相关性需要验证，不同材料的相关性可能不同。
 

九、 与其他老化试验方法的关系

  • 氙灯老化试验： 使用氙弧灯模拟全光谱太阳光（包含紫外、可见光和红外），更接近自然阳光光谱，可更好地评估光、热、湿度等多因素综合作用，常用于最终产品验证或要求更高的场景。成本通常更高。
  • 户外自然曝晒： 最真实的环境，但周期极长（数年），受地域气候影响大，结果重现性相对较低。常作为实验室加速试验的基准进行相关性研究。
  • 湿热试验、盐雾试验等： 分别专注于高温高湿、盐雾腐蚀等应力。紫外老化与之有部分交叉（如温湿度），但机理和侧重点不同。通常需要根据产品服役环境组合应用多种试验方法进行综合评价。
 

十、 结论

紫外老化试验是环境可靠性工程中评估材料光老化性能的一项成熟、高效且应用广泛的关键技术。通过精确控制紫外辐照度、温度及湿度循环，它能够在实验室环境下快速模拟和加速材料在户外经受的主要环境应力之一——太阳紫外辐射及其协同的热湿作用。其结果对于材料筛选、配方优化、质量控制、预测使用寿命以及暴露潜在设计缺陷具有重要价值。

理解其工作原理、掌握标准试验方法、严谨执行试验过程、准确评估性能变化并清醒认识其优势与局限性，是有效利用紫外老化试验数据、提升产品环境可靠性的关键所在。 在复杂的环境可靠性评估体系中，紫外老化试验常与氙灯老化、湿热试验、盐雾试验等其他方法互为补充，共同为产品在严苛环境下的耐久性保驾护航。