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自然气候老化测试的意义及原理解析

作者:标准集团 添加时间:2015-08-12

曝晒地点
由于世界各地存在多种气候条件,因此,在所有这些气候条件下进行材料的老化性能测试是不可行的。所以选择的曝晒气候条件应基于它们在用于材料老化和预测材料市场方面的严格性,两个基准的位置是亚热带和沙漠地区。具有代表性的就是南部的佛罗里达 (FLORIDA)和中部的亚利桑那 (ARIZONA).
材料或产品在没有给定的气候条件或非人工的气候下的老化试验是随机的、自然、静态或规范的老化,试验环境尽可能和设想使用环境一致是准确曝晒试验的基本特征。最通用的自然老化叫做直接老化。
直接老化
 南佛罗里达 (FLORIDA)的静态曝晒场位于迈阿密 (MIAMI)附近,它是世界上最大的专用曝晒场。直接曝晒是指直接暴露在日光和其它的气候条件下。这种方法通常是将试样放置在许多种试验架上,标准的试验架是由经过处理的铝制成的,其表面以一个固定角度直接面向南部(在北半球)。常用的试样尺寸是150X305mm (6 X12),最常用的曝晒角度是接近地平线(通常是50), 450, 900>等于曝晒场的纬度 (南佛罗里达和中部亚利桑那分别为 260和 340),在 900曝晒不能提供最严格的条件,但是与材料的使用环境相比较其匹配程度比其它角度要接近的多。直接曝晒方法如下:

ISO877 塑料一直接曝晒方法,使用玻璃过滤日光,用菲涅镜增强日光老化
ISO2810 油漆和清漆一涂料的自然老化一曝晒和评估
ISO 105-B03 纺织一褪色试验一老化褪色:室外曝晒'ASTM G, 非金属材料的气候曝晒方法 (建议试行)
开放式,背部无挡板的直接曝晒试验,是将试样的尾端固定或夹紧以保证试样尽可能的曝露在试样周围流动的空气中。通常用于这种试验的材料是玻璃,松动膜,塑料,金属表面的材料,线圈涂料和类似汽车尾灯的塑料镜。通常贴着基片的材料从不使用这种方法,这是因为由风或自然对流造成的材料背面冷却不会允许材料获得与其使用环境一样的热环境,许多乙烯基树脂和油漆涂料在实际的服务前期破坏就是由于一直使用这种开放式架曝晒的方法。
 背部曝晒这种直接老化方法是将试样放置在基片(通常是%2',或 %.表面贴纸的层板)上模拟材料的使用热环境。聚氛乙烯板.棚膜和汽车模塑件都会正确的曝露在这种试样架上。由于老化过程

是所有气候条件 (如太阳辐射,湿度,温度等)的协同反应,因此如何保证材料正常的热环境来模拟它的使用环境是获得好的曝晒试验的基础。
黑板箱曝晒
 黑板箱曝晒模拟汽车车身空气散热性能。它是一种大约150 X 200cm,深25cm的黑色涂漆的开口箱。需要测试的面板盖在开口的箱子上。对大多数涂料和车漆来说,由于黑板箱产生的测试板的温度高于太阳和较长时间潮湿造成的辐射温度。因此黑板箱曝晒比那些由标准5。角开放式曝晒架提供的降解速度要大。黑板箱测试板的温度和那些 (车篷,车顶,停车场车盖)直接受太阳照射的结果有可比性。ASTM D4141标准一涂料室外加速老化的标准规范,指定使用这种方法。
间接曝晒
间接的或在玻璃下面老化是那些不暴露在室外材料的曝晒方法。这种方法通常测试室内材料的褪色和耐久性,如布类,地毯,装饰品等等,同样适用于汽车内的材料。这种方法首先是由美国纺织化学和颜色协会(AATCC)提出的用于测试纺织材料。随后被汽车工业采纳用于测试汽车内材料。主要的试验方法如下:
*AATCCIII 抗老化性:暴露在自然光和玻璃下面
*ASTM 24 在玻璃滤过的阳光下曝晒
*ISO 105-BO1 纺织一褪色试验一对光的褪色性
通常把测试样品放置大约75mm位于3mm厚的窗玻璃后面,窗玻璃吸收310nm 以下的辐射,透过77%UV辐射和85%的日光。由于通过试样上方或后面的空气运动较慢,一般情况下间接曝晒的温度增加要大于直接曝晒。硬化玻璃,浅色或照明玻璃的选用要根据材料的使用环境而定。
特殊睡晒
腐蚀试验是研究材料在加速生锈和其它腐蚀条件下的一种特殊方法。进行腐蚀试验的地点是Honk Van Holland, The Netherlands, Naples, Florida, Kure Beach, North Carolina, Choshi, Japan, andSochi, Russia.世界上几个其它地点已被确认用于特殊曝晒试验。这些地点能用于海水浸泡一试样在落潮时曝晒,涨潮时浸泡 (主要用于船舶上塑料和涂料),工业城市,高纬度,冷的气候以及其它独特的环境,如Jacksonville, Florida用于汽车涂料的试验。
Jacksonville是最大的汽车生产厂进出口地区之一。该地区具有独特的环境一相对高的年辐照量和湿度。还有几个能造成污染的工厂。很明显发现待分销给汽车商的汽车外部漆有酸腐蚀的现象。由于这些车在上市前不可能被社会接受,己引起汽车制造商的格外关注。现在许多汽车制造商在使用车漆之前需要将车漆在这种环境下进行曝晒试验。
自然加速老化方法
关于老化最普通的问题之一:“需要多长的时间测试我的材料”当然,结果取决于测试材料设计的服务期的长短。可以是几天或几小时如高尔夫球,牙刷或光降解塑料。相对比较,长期曝晒的如墙漆,高速公路标牌,密封胶,电子绝缘体及防护膜需要测试10, 15甚至30年或更长,使材料耐候性达到100%的可信度。然而如果不做某些假设,顾客是不可能等待材料在这种自然条件下老化结果的。只有用一些方法加速试验。另外,人们希望产品的寿命越来越长,新产品的加工越来越短。因此,加速试验是一种既经济又受关注的方法

基于所有实际需要,在南 FLORIDA和中部ARIZONA进行的试验可认为是加速试验,因为在这些气候下材料的老化快于世界上的大多数地区。如果承认多数材料不是永远面对太阳这样的事实,我们认为试验加速了许多。如果材料的使用是在垂直面 (如墙的侧面),450角进行的试验就认为是加速的。试样在450角接收的辐射量至少30%,并且研究显示降解的实际速度要大2.5倍。如果试样在 “跟踪阳光”架进行试验,并保持试样全天和太阳垂直,接收到的全部辐射能有 1.7倍之多,降解速度随之加快。无论如何使用自然光加速试验还是可能的。
菲涅尔太阳集束器是最广泛被承认并且利用室外加速老化的测试仪器,
如:EMMA和EMMAQUA。它们的名字缩写为:
EMMA 一 用于加速试验带有镜面的赤道仪
EMMAQUA 一 用于加速试验带有镜面的赤道仪,通水。
这套装置起初是在20世纪60年代在Phoenix(Arizona)DEST实验室发展起来的。他们租用了一套菲涅尔反射太阳集束器镜系统一利用10个平面镜把太阳光集束到设备标板上的试样,这些镜面以大约8倍于半球 (全球)上普通入射光强度,大约5倍于全球正常入射UV辐射强度将太阳光聚集到试样上·由于这种方法试样曝晒在整个加强的自然阳光的光谱区域内,因此理论上分析,它是最可行的加速老化方法之一。设备的操作参数,喷淋等是ASTM G90标准规定的,这是一种使用增强自然光对非金属材料进行加速老化的方法。EMMAQUA曝晒通常用相当于沙漠 (Arizona)或亚热带(南Florida)地区年均总UV辐射来计算 。
只有直接光束的辐射能量可储存在曝晒的试样上。这种设备是带有中心轴的跟踪太阳架定位在北南方向。北面上升控制纬度的调整功能可以解释为太阳的纬度在最高点时季节变化。镜面放置成和想象中抛物线的凹点相切。试样排放在架上并放置到位于南北方向的标板上。振动或脉冲的喷嘴按照给定的程序对试样喷淋去离子水。
曝晒的油漆和塑料试样温度保持在低于静态试样曝晒温度5-100C。尤其对薄,平的试样更应如此。试样被周围的空气冷却。标板上方沿着空气反射器的空气通道周围空气的流速大约35 kph (10 nVs)o试样的热环境取决于其周围空气的温度,试样的厚度以及热传递情况。厚试样(>1C哟由于其上方流动的空气不足已补偿积聚的辐射能,因此一般不适于这种方法。
如上所述,振动喷嘴直接将去离子水喷到试样上。ASTM G90中规定了三种常见的循环。循环(1)通常适用于塑料,在正常的曝晒过程中,利用白天喷水提供多次热振动;循环(2)不包括喷水,模拟干操的沙漠气候曝晒;循环(3)通常用于汽车涂料,试样的喷水模拟亚热带气候曝晒下露水的生成。另外一个喷水过程加浸泡一冷冻一融化,夜间浸泡泊天喷水可以编入程序满足特殊的试验需要.
使用这些太阳集束器的老化试验室必须有现行的严格的质量控制措施保证符合曝晒性能要求,如用于喷淋水的质量必须低于200 ppb,镜面的反射情况至少半年检查己保证准确的曝晒.镜面按给定的程序洗刷或冲洗。最后,UV辐射量的测量必须满足ASTM G90,
室外曝晒的变化性
依据相应的使用寿命,室外曝晒试验是最可行的方法。但是其变化性是存在的,不能保证重复性的结果。很明显不同的气候有不同的辐射量,湿度,温度及污染。时间的变化有白天黑夜,季节,同样存在长时间段的变化,这些就是自然界作用的结果。火山会将大量的灰尘和污染物喷向空中造成最高的环境温度和辐射量水平下降。东太平洋的加热和冷却,形成El Nifio and La Nina,会引起世界上许多受此影响地区的温度,湿度和风流2-3年的变化。如果不注意保护试样,咫风会对南Florida曝晒厂的试样造成严重的破坏,臭氧层的厚度变化会造成到达地球表面UV-B辐射量的降低或升高。
曝晒前基体及试样支架的已用年头,曝晒后气候条件的迅速改变的不同,以及上面所说的季节,长时间段等的变化在自然曝晒试验中都可能改变固有的状态。然而,那些受过培训,有经验的专家完成的老化试验应该始终包括在任何R&D程序中,提供新材料的耐侯性的基本信息,因为没有可以模拟与自然老化试验同样环境的人工加速老化试验。

更多关于老化实验测试仪器:http://www.standard-group.cc/productlist/list-5-1.html