汽车高分子材料光老化试验方法的对比分析

气候和阳光辐照是损害高分子材料的主要原因，老化会对汽车的舒适观感等方面造成影响，甚至引起安全隐患。

本文从多方面进行分析对比汽车高分子材料光老化试验方法，以便试验者采用合适的方法进行光老化试验，从而帮助缩短试验周期、精确评估产品质量及快速筛选问题产品。

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老化试验概念及原理

材料老化是一种自然现象，老化试验主要是指针对橡胶、塑料产品、电器绝缘材料及其他材料进行的热氧老化试验，或者针对电子零配件、塑化产品的换气老化试验。

光老化试验是一种利用人造光源来模拟阳光、下雨、凝雾等自然环境，进而验证高分子材料对自然环境抵抗能力的试验方法。太阳光主要由紫外线、红外线和可见光组成，红外线产生的热效应是造成高分子材料分子键断裂、材料降解的主要因素，当太阳辐射综合温度、湿度气候因素时，破坏效果更为明显。

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光老化试验方法

目前，普遍使用的光老化试验方法主要有碳弧灯试验法、荧光紫外灯试验法、金属卤素灯试验法、氙弧灯试验法。

碳弧灯试验法

碳弧灯分为两种：紫外碳弧灯和阳光碳弧灯。无论哪种碳弧灯，其光谱和真实的太阳光光谱差别都很大。以前，人工模拟光老化技术多是使用碳弧灯技术，随着技术的更新发展，人们有了更好的选择，很多国家和企业不再使用，仅有日本还在沿用碳弧灯试验法。

荧光紫外灯试验法

荧光紫外灯试验法通过调整灯管的功率，达到加快试验进度目的，可快速对高分子材料进行初步筛选。

因荧光紫外灯所产生的光照仅存于地球的表面，且这种辐射能量在自然光中没有。由于荧光紫外灯只能通过箱体控制温度，缺乏较长波长的光谱能量，对于某些对较长波长的紫外能量敏感的材料而言，这种试验方法则不太适用。

金属卤素灯试验法

金属卤素灯提供的光谱能量分布和实际太阳光较为相似。利用金属卤素灯来进行试验，试验结果溯源性更高。金属卤素灯的不足在于其设备成本较高，因此，主要适用于整车等大型设备的人工光照老化试验，难以大面积推广。

氙弧灯试验法

氙弧灯能产生紫外光、可见光和红外光，氙弧灯的光谱能量分布与阳光中的紫外光和可见光部分最相似，同时它的使用寿命也长。为了让氙弧灯光更好地模拟地球表面的自然暴露，在试验时，一般会变换滤镜的组合，通过这种方法使照射到样品的光谱和自然暴露的阳光更接近，从而达到模拟户外和户内的光照老化，滤镜可使用硼硅玻璃、钠钙玻璃和石英玻璃等。

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光老化试验原则

为使光老化试验与自然老化尽量一致，在进行光老化试验时，应遵循以下原则。

光谱相似

为了避免材料的非自然光老化现象，试验时所用光源产生的紫外线波长要和实际使用条件下的波长相同，光源的光谱与太阳光谱相似。如果相异，即波长过高或过低，都可能会引起材料的非自然光老化现象。

温度和湿度适宜

试验中，温度或湿度过高都可能引起材料非自然的变化，因此，温度和湿度不能超过自然暴晒试验的最高值。

周期及温度循环

自然暴露的样品会经历春夏秋冬四季的变换和昼夜的更替，随着季节变换和昼夜更替，温度会时高时低，暴露的样品就会产生周期性的膨胀和收缩的现象，从而引起老化，因而在试验时也要考虑这种情况。

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老化结果的评估

老化结果的评估可采用外观状态评估、颜色光学参数评估、物理性能评估等方式，不同的材料要选用不同的评估方式，以保证试验的准确性。

外观状态评估

外观状态评估相较于颜色光学参数评估和物理性能评估而言，更加直接和方便，但外观状态评估主要依靠试验者的个人经验，具有一定主观性，不同的试验者可能会得出不同的结果。

客户同样以此来判断材料的外观是否令人满意，因此，评估结果的一致性很重要，一致性能减少因试验者的差异而带来的不同结果，而且评估必须由经过培训、有经验的评估师来进行。

常见的老化试验外观评价有褪色、水泡、粉化、褶皱、脱落、锈蚀、剥落、开裂和裂纹等。评估师根据适当的等级对材料的变化进行评级，通常按照美国材料实验协会（American Society of Testing Materials，ASTM）标准从0级到10级的等级系统进行划分，0级为非常差（完全失效），10级为非常好（无变化）。

对外观状态的评估还可使用仪器来测量，仪器测量结果相对于试验者目测更客观。仪器测量能排除人为偏差的可能性，而且试验结果可重复。同时，连续的仪器测量数值方便试验者进行统计分析。如对光泽、鲜映性，即影象清晰度（Distinctness Of Image,DOI）和颜色的评估方面，均可使用光电仪器进行测量，进行仪器测量时应对被测量的材料表面污物等清洗干净。否则，仪器测量的是污物而不是真正的材料表面。

颜色评估

研究显示，材料的颜色不同，其对光的敏感程度也不同。敏感程度不同，就会导致表面温度不同，从而影响后续的物理化学物反应，进而导致材料老化方式的差异，因而用仪器法测量颜色是所有光电测量方法中最复杂的。

颜色测量即把一束光照射在样品表面，然后收集样品反射光。通过反射光光谱用来迅速记录被测物体的颜色。大部分颜色仪器测量法采用L*a*b*色空间来定义颜色。

L*值表示亮度，a*表示红绿坐标轴，b*值表示黄蓝坐标轴。光亮度因子（L*）从0到100，其中0=黑色，50=灰色，100=白色，随着数值增大，颜色由浅变深。

红绿因子（a*）指呈现红色或绿色，当a*是正数，表示被测材料的颜色是红色，数值越大，物体的颜色越红；当a*是负数，表示被测材料的颜色是绿色，负数的数值越大，物体的颜色越绿；当a*为0时，表示材料的颜色介于红色和绿色之间。

蓝黄因子（b*）指物体呈现黄色或蓝色，当b*是正数，表示被测材料的颜色是黄色，数值越大，物体的颜色越黄；当b*是负数，表示被测材料的颜色是蓝色，负数的数值越大，物体的颜色越蓝；当b*为0时，表示材料的颜色介于黄色和蓝色之间。

通过比较暴露前后L*、a*、b*数值的不同来计算颜色的变化。用△来表示数值之间的不同，也就是用现在的测量值减去初始值。△L代表光亮度的变化，△a和△b表示颜色变化。如+△L表示颜色变得更亮，+△a表示红色加深，绿色变浅。

物理性能评估

除了外观和颜色评估外,材料在老化过程中还存在其他方面的变化，如力学性质的损失等物理性能变化。材料力学性质的损失具有差异性，这是因为材料本身的降解机理和降解渗透程度等不同。

如果材料形态发生变化或表面发生改变，但材料表面没有裂纹，那么材料的拉伸强度下降,延伸率几乎保持不变。

如果材料表面出现裂缝,且是切敏性材料，那么材料的拉伸强和延伸率都会下降。比较常用的物理性能试验项目有拉伸强度、弯曲程度、硬度额附着力等。

因此，材料物理性能的变化不仅和光、水、温度等环境因素有关，还和材料本身的特性和材料几何结构有关。

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结论

四种不同类型的光老化试验方法各有优势，在进行光老化试验时，应遵循光源的光谱与辐照强度尽可能与太阳光谱相似、温度和湿度不能过高，即不应超过自然曝晒试验中的最高值和尽可能考虑合理设置试验过程中的明、暗周期及温度循环三个原则。

老化结果的评估可采用外观状态评估、颜色光学参数评估、物理性能评估等方式，不同的材料要选用不同的评估方式，以保证试验的准确性。

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责任编辑：初阳

排版：北

内容来源：《汽车高分子材料光老化试验方法的对比分析》 ，陈锐

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